郭在華，吳廣寧，朱澤偉，鮑 彤

（1.成都信息工程大學(xué)，成都 610225；2.西南交通大學(xué)，成都 610031；3.上海市防雷中心，上海 201615）

0 引言

地閃放電過(guò)程可看成是云地之間超長(zhǎng)間隙擊穿空氣放電過(guò)程，當(dāng)云層聚集電荷量足以使云地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿臨界值時(shí)，云層電荷便會(huì)對(duì)地放電，與地面的迎面先導(dǎo)連接時(shí)發(fā)生雷擊過(guò)程。先導(dǎo)步長(zhǎng)為幾十米至數(shù)百米，觸發(fā)先導(dǎo)的發(fā)展受云層電場(chǎng)和先導(dǎo)頭部電荷控制；自由先導(dǎo)階段先導(dǎo)頭部離云層和大地距離均較遠(yuǎn)，發(fā)展方向主要受頭部電荷控制且具有一定任意性；當(dāng)先導(dǎo)接近大地時(shí)，地面電場(chǎng)情況受到地形、地面建筑物形狀等因素影響導(dǎo)致分布不均勻，約束下行先導(dǎo)發(fā)展路徑。

雷擊空間電磁場(chǎng)計(jì)算常采用較早的鏡像法，主要根據(jù)鏡像理論求解雷擊空間電磁場(chǎng)，近年來(lái)，學(xué)者采用FDTD法來(lái)解決數(shù)十至數(shù)百米大雷擊空間雷擊場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法[1-3]。架空線路近地電場(chǎng)由雷暴云靜電場(chǎng)、下行先導(dǎo)通道激勵(lì)電荷場(chǎng)及地面物體感應(yīng)場(chǎng)3部分進(jìn)行矢量疊加作用，研究電場(chǎng)分布通?？紤]雷暴云靜電場(chǎng)，并將下行先導(dǎo)激勵(lì)場(chǎng)作為近地電場(chǎng)的激勵(lì)分量電場(chǎng)。在以上電場(chǎng)作用下，架空線路及建筑等逐漸積累極性相反的電荷，形成垂直向上的大氣電場(chǎng)。當(dāng)雷云和導(dǎo)線之間電場(chǎng)達(dá)到放電臨界場(chǎng)強(qiáng)25～30 kV/cm時(shí)[4]，先導(dǎo)就會(huì)逐步發(fā)展形成閃電過(guò)程。因此通過(guò)仿真計(jì)算電場(chǎng)分布特性可對(duì)放電路徑差異性進(jìn)行分析。

桿塔、架空線路、建筑物頂端等高度在40 m以上的物體由于尖端效應(yīng)，其頂端畸變電場(chǎng)容易產(chǎn)生迎面向上先導(dǎo)。計(jì)算時(shí)，假設(shè)此時(shí)下行先導(dǎo)頭部位置為一級(jí)定位點(diǎn)，此后下行先導(dǎo)將沿與地面空間電場(chǎng)梯度最大方向向下發(fā)展，上行先導(dǎo)將在不同地面尖端同時(shí)或順序產(chǎn)生。上下行先導(dǎo)的連接過(guò)程取決于下行先導(dǎo)最后的躍變，下行先導(dǎo)此時(shí)的位置可定義為二級(jí)定位點(diǎn)。最后躍變與雷擊位置、地形地貌[5]、高聳建筑物[6]、線路結(jié)構(gòu)及高度[7]、放電路徑選擇相關(guān)。

1 建立雷擊電磁環(huán)境模型

1.1 由地形圖生成平斷面圖

平斷面圖是將地面上某一考察設(shè)計(jì)截面不同高程的各相鄰點(diǎn)所連成的曲線圖，架空電力線路規(guī)劃設(shè)計(jì)以及工程施工中桿塔及線路的架設(shè)布置不可避免的會(huì)重點(diǎn)考慮地形地貌的走勢(shì)特征。高程參數(shù)是其中一項(xiàng)重要地理信息，其反映了架設(shè)線路平斷面的地形地勢(shì)起伏變化特征，其數(shù)值與直線桿、轉(zhuǎn)角桿、線路單跨距長(zhǎng)度以及線路弧度桿等架設(shè)定位數(shù)據(jù)相關(guān)，如平斷面走勢(shì)設(shè)計(jì)中相鄰桿塔高程落差超過(guò)規(guī)程值，易導(dǎo)致導(dǎo)線受力不均，導(dǎo)致線路故障風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)加劇?？紤]三維地形空間計(jì)算復(fù)雜性以及影響因素的多樣性，通常將地形圖轉(zhuǎn)化為二維平斷面圖進(jìn)行分析，有助于反映高程信息對(duì)雷擊空間電場(chǎng)分布差異性影響。

實(shí)現(xiàn)方法是基于CAD制圖軟件利用電力系統(tǒng)優(yōu)化插件實(shí)現(xiàn)將地形測(cè)試GPS高程數(shù)據(jù)向選取地形二維平斷面圖的轉(zhuǎn)化，測(cè)量數(shù)據(jù)源獲取于GPS或全站儀測(cè)量工程數(shù)據(jù)，其可直接通過(guò)插件自動(dòng)提取數(shù)據(jù)功能導(dǎo)入生成平斷面，測(cè)量未生成電子數(shù)據(jù)或通過(guò)人工測(cè)量數(shù)據(jù)的可通過(guò)表單輸入方式單個(gè)輸入不同測(cè)量點(diǎn)以生成平斷面。為避免平斷面的選取高程差過(guò)大，可以參考等高線圖（地面上高程相等的各相鄰點(diǎn)所連成的閉合曲線）生成的等高線地形圖，選取區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)條等高線的高程可生成仿真計(jì)算所需平斷面圖。

利用獲取高程數(shù)據(jù)基于CAD架空線路優(yōu)化設(shè)計(jì)插件中添加地形點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)或自動(dòng)獲取GPS數(shù)據(jù)可設(shè)置斷面圖的地形數(shù)據(jù)（不同等高線連接條直線的交點(diǎn)就表示此位置高程），布桿設(shè)置為自動(dòng)，相鄰桿塔的間隔距離設(shè)置為50 m，修改平斷面比例、視距垂直角、平距高差和高程后先后點(diǎn)擊地形圖轉(zhuǎn)斷面圖及連接斷面地形點(diǎn)后生成所需平斷面圖，繼而通過(guò)插件自動(dòng)連續(xù)繪制桿塔后可實(shí)現(xiàn)連接桿塔間的線路及對(duì)線、對(duì)地安全線。

1.2 架空線路雷暴區(qū)域模型構(gòu)建

起伏變化地形在雷暴云及下行先導(dǎo)發(fā)展條件下對(duì)地面電場(chǎng)強(qiáng)度影響較大，為模擬特定實(shí)際地形起伏變化，截取四川省某市山區(qū)地形（地形高程及里程數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）為例實(shí)現(xiàn)利用多點(diǎn)GPS高程數(shù)據(jù)建立其橫斷面模型。考慮架空線路距離長(zhǎng)及地形地貌、河流分布等影響因素較多的原因，在分析架空線路雷擊特性時(shí)，選取雙檔距局部線路進(jìn)行建模，根據(jù)線路設(shè)計(jì)安裝規(guī)程尺寸及平斷面地形建立架空線路雙檔距模型，見(jiàn)圖1。平斷面最左側(cè)地形點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，線1是架設(shè)電源線路所用的模擬曲線，兩側(cè)虛線為仿真未考慮實(shí)際線路部分，線2為橫斷面地形起伏線。

表1 表單式輸入地形點(diǎn)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 The GPS measurement data of terrain points are imported by the type of form

雷暴云高度選取1 km，面積取1000 m×500 m，計(jì)算中激勵(lì)源取邊界電壓條件為-6×106kV（面電荷密度為-0.003 C/m2），土壤底層邊界電位為0，云和先導(dǎo)的物理材料為水汽，其他部分默認(rèn)20℃空氣，雷暴云靜電場(chǎng)計(jì)算實(shí)際模型見(jiàn)圖2。

圖1 構(gòu)建仿真雙檔距實(shí)際架空線路模型Fig.1 The actual overhead lines mode of double span are created for simulation

圖2 線路區(qū)域雷暴靜電場(chǎng)空間仿真模型Fig.2 The simulation model of distribution lines'area in the environment of electrostatic field.

線路材質(zhì)為鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線直徑8.16 mm，導(dǎo)線邊界條件電壓為0，桿塔高度為12 m，線對(duì)線距離0.8 m，定位裕度為0.5 m，檔距100 m，弧垂1.53 m；桿塔為Z1水泥桿塔，高12 m，空氣、云層、大地、線路、桿塔介電常數(shù)為1、10、20、3.54×107、3.5 F/m[6]，土壤電阻率為62.65 Ω.m[8]。

繪制靜電場(chǎng)模型，預(yù)處理單位模型采用二維靜電場(chǎng)分析中的Plane121二維8節(jié)點(diǎn)靜電單元及Infin110二維4節(jié)點(diǎn)或8節(jié)點(diǎn)無(wú)限遠(yuǎn)四邊形單元模型，Plane121單元自由度為電壓Volt，適用于雷雨云、線路、土壤部分網(wǎng)格劃分，采用平面結(jié)構(gòu)三角自由網(wǎng)格劃分；空氣部分為合理描述遠(yuǎn)場(chǎng)耗散問(wèn)題，采用Infin110無(wú)限邊界單元且用四邊形漸變映射網(wǎng)格劃分。線路局部網(wǎng)格剖分情況采用線單元?jiǎng)澐郑瑫r(shí)采用SMRTSIZE智能單元控制劃分，初始單元控制設(shè)定大小為1，劃分過(guò)程中，消除局部網(wǎng)格控制，避免網(wǎng)格產(chǎn)生尖銳角度以及避免網(wǎng)格劇烈漸變，以滿足計(jì)算精度要求。仿真參數(shù)采用國(guó)際單位，電壓?jiǎn)挝粸閗V，長(zhǎng)度單位為m。

2 雷暴靜電場(chǎng)區(qū)域電磁環(huán)境特性

雷暴云靜電感應(yīng)階段由于架空線路本身的存在，使得其附近空間的電場(chǎng)發(fā)生變化，采用節(jié)點(diǎn)電位能更直觀地反映電場(chǎng)分量的空間分布特征，對(duì)比架設(shè)線路附近空間不同觀測(cè)路徑電位可分析空間電場(chǎng)變化趨勢(shì)。基于前述仿真模型設(shè)置參數(shù)，施加邊界條件和激勵(lì)源進(jìn)行仿真計(jì)算，得出架設(shè)線路附近節(jié)點(diǎn)電位分布等值線見(jiàn)圖3，調(diào)整顯示電位步長(zhǎng)并對(duì)架空線路局部顯示放大見(jiàn)圖4。

圖3 仿真雷暴靜電場(chǎng)空間節(jié)點(diǎn)電位等值線分布Fig.3 The isoline distribution of node potential of thunderstorms electrostatic field by simulation

圖4 調(diào)整步長(zhǎng)顯示架空線路局部節(jié)點(diǎn)電位分布Fig.4 The isoline distribution of node potential of distribution lines'area by adjusting the show step

由以上兩圖可知，線路區(qū)域空間在雷暴靜電場(chǎng)作用下出現(xiàn)越靠近地面空間節(jié)點(diǎn)電位越小，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化率也逐漸趨緩，而同時(shí)受架空線路存在的影響使得電場(chǎng)強(qiáng)度圍繞線路空間出現(xiàn)一定程度電場(chǎng)畸變，兩側(cè)桿塔突出位置處節(jié)點(diǎn)電位畸變尤為明顯，解釋了工程中物理突出位置靜電感應(yīng)過(guò)電壓通常較高原因。為研究靜電場(chǎng)空間分布特性，按照?qǐng)D5中數(shù)字（1-7）順序和坐標(biāo)設(shè)置電場(chǎng)水平及垂直觀測(cè)路徑，提取電場(chǎng)矢量強(qiáng)度路徑映射結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 線路附近空間靜電場(chǎng)水平及垂直觀測(cè)路徑Fig.5 The horizontal and vertical observation path of static electric field around the distribution lines.

圖6 靜電場(chǎng)路徑映射計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和（EFSUM）Fig.6 The vector sum of electric field intensity（EFSUM）by the calculation of path mapping.

分析圖5和圖6不同路徑電場(chǎng)矢量強(qiáng)度變化趨勢(shì)，可得出以下規(guī)律：

1）對(duì)比路徑1—2、3—4和5—6可分析出在空間垂直距離上越靠近雷暴中心位置，雷暴電場(chǎng)強(qiáng)度值越大，同時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度越靠近中心位置，其在垂直方向上變化趨勢(shì)逐漸減小。

2）對(duì)比路徑2—3和6—7可得出在水平方向上越靠近中心位置，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，但電場(chǎng)強(qiáng)度隨水平距離的變化幅度很小，同時(shí)在不同橫坐標(biāo)位置上相同水平距離電場(chǎng)強(qiáng)度差異較小。

3）觀察路徑4—5可知，在其路徑上電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)兩次階躍式突變，主要原因是由于路徑穿越架空線并延伸至地面，線路和大地的電介質(zhì)特性對(duì)電場(chǎng)具有一定的屏蔽作用，故路徑點(diǎn)4與5之間（沿路徑方向進(jìn)出屏蔽區(qū)域）電場(chǎng)強(qiáng)度值依次出現(xiàn)兩次突變現(xiàn)象。雷暴靜電場(chǎng)作用下架空線路區(qū)域頂部區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，電位等值線較其他位置密集，證明其激勵(lì)電場(chǎng)分布相對(duì)集中；同時(shí)線路兩端桿塔最高端電場(chǎng)畸變明顯，桿塔和導(dǎo)線頂部電場(chǎng)畸變程度近乎階躍式突變，下行先導(dǎo)發(fā)展的過(guò)程中先導(dǎo)易被桿塔和導(dǎo)線誘導(dǎo)；而由于金屬導(dǎo)線屏蔽線路下方部分電場(chǎng)，地面附近等位線分布變化幅度較小。

3 先導(dǎo)發(fā)展電場(chǎng)仿真與放電路徑差異性定性分析

下行先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中，地面不同區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)的分布是決定躍變點(diǎn)位置的決定性因素，桿塔及線路周圍由于前述靜電場(chǎng)影響更易形成電位畸變點(diǎn)，相對(duì)地面等較低位置，更易觸發(fā)上行先導(dǎo)，因此通過(guò)仿真桿塔及線路周圍在先導(dǎo)不同發(fā)展高度典型觀測(cè)線電場(chǎng)值及其變化特性，可對(duì)雷擊點(diǎn)位于不同位置的概率進(jìn)行差異性分析。

利用架設(shè)地面的圓柱形金屬目標(biāo)物為典型地面接閃體等效模擬試驗(yàn)的方法[9]，認(rèn)為下行先導(dǎo)頭部與目標(biāo)物距離等于雷擊擊距時(shí)可判斷最后躍變發(fā)生，雷擊擊距公式取IEEE推薦公式[10]，得出桿塔模型下終止計(jì)算時(shí)刻下行先導(dǎo)躍變高度Hy≈121～400 m，本文下行先導(dǎo)仿真計(jì)算形狀參考學(xué)者研究方法將其等效為均勻柱狀棒電極[11]，躍變高度Hy分別為400 m和200 m。先導(dǎo)取位于架空線路中心位置正上方，先導(dǎo)直徑取中值5 m[12]，帶電電荷量取-0.3 C/m2[13]，線路對(duì)地電壓施加邊界條件為10 kV[6]，其他參數(shù)及仿真條件參照前述設(shè)置。

圖7與圖8所示為先導(dǎo)發(fā)展高度400 m時(shí)線路附近及局部空間節(jié)點(diǎn)電位等值線分布。

從先導(dǎo)發(fā)展至400 m時(shí)仿真電場(chǎng)空間分布規(guī)律有以下結(jié)論：垂直方向越靠近下行先導(dǎo)頭部和線路位置，電位值越高，同時(shí)等值線較其他區(qū)域密集，表明此區(qū)域先導(dǎo)激勵(lì)電場(chǎng)分布較為集中，而遠(yuǎn)離架空線路區(qū)域電位等值線分布逐步變??；線路區(qū)域受線路電壓激勵(lì)源影響等位線分布尤為密集，節(jié)點(diǎn)電位較高部分集中于線路兩側(cè)以及接近以線路為半徑的上方半圓；下方的土壤區(qū)域整體電位分布不高，同時(shí)受土壤介電常數(shù)影響，其電位在水平距離上衰減幅度遠(yuǎn)大于上方空氣區(qū)域。

為分析先導(dǎo)發(fā)展至一定高度空間電場(chǎng)空間沿不同垂直路徑分布特征，設(shè)置4條垂直觀測(cè)線為電場(chǎng)強(qiáng)度提取路徑（見(jiàn)圖9），400 m下行先導(dǎo)作用下映射電場(chǎng)矢量強(qiáng)度變化特性見(jiàn)圖10。

圖7 先導(dǎo)發(fā)展高度400 m時(shí)線路附近空間節(jié)點(diǎn)電位分布Fig.7 The distribution of node potential of distribution lines'area as the downward leader's height is 400 m

圖8 線路局部空間節(jié)點(diǎn)電位分布Fig.8 The distribution of node potential of distribution lines'local area

圖9 線路附近空間下行先導(dǎo)作用下電場(chǎng)垂直觀測(cè)路徑Fig.9 The vertical observation path of electric field around the distribution lines as the effect of the downward leader

圖10 400 m下行先導(dǎo)作用下垂直觀測(cè)路徑映射電場(chǎng)矢量強(qiáng)度Fig.10 The vector sum of electric field intensity by the calculation of path mapping as the downward leader's height is 400 m

分析圖9和圖10不同路徑電場(chǎng)矢量強(qiáng)度變化趨勢(shì)，可得出以下規(guī)律：

1）對(duì)比1與2、3、4觀測(cè)線電場(chǎng)強(qiáng)度可發(fā)現(xiàn)從架空線路兩側(cè)到線路附近的0～200 m橫向電場(chǎng)強(qiáng)度增加幅度較大，且水平距離較遠(yuǎn)處電場(chǎng)隨高度變化影響較小，可見(jiàn)雷擊躍變點(diǎn)位于此區(qū)域概率較小。

2）對(duì)比2、3、4觀測(cè)線電場(chǎng)強(qiáng)度可知線路檔距之間不同觀測(cè)路徑0～70 m（距離線路高度為105～35 m）橫向電場(chǎng)變化較小，而在距離線路高度0～35 m處線路上方，電場(chǎng)強(qiáng)度隨高度降低增幅較大，由此可推測(cè)在此下行先導(dǎo)雷暴環(huán)境下，下行先導(dǎo)發(fā)展至雙檔距上方35 m附近時(shí)將發(fā)生躍變現(xiàn)象概率較高。

3）對(duì)比3與2、4觀測(cè)線電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)距離線路高度0～35 m處線路兩側(cè)上方，電場(chǎng)強(qiáng)度變化較中心位置劇烈，理論上誘發(fā)上行先導(dǎo)能力更強(qiáng)，主要原因在于模型設(shè)置檔距空間有限，兩側(cè)的桿塔位于制高點(diǎn)缺少線路屏蔽作用而使電場(chǎng)在桿塔附近出現(xiàn)畸變，4號(hào)與2號(hào)觀測(cè)線電場(chǎng)差異主要原因在于地形因素影響。

為分析先導(dǎo)位于不同高度處及先導(dǎo)頭部不均勻帶電量情形下空間電場(chǎng)變化特性，根據(jù)前述先導(dǎo)高度范圍設(shè)置模型先導(dǎo)高度為200 m，其空間電場(chǎng)矢量和分布見(jiàn)圖11。

圖11 先導(dǎo)發(fā)展高度200 m時(shí)線路附近空間節(jié)點(diǎn)電位分布Fig.11 The distribution of node potential of distribution lines'area as the downward leader's height is 200 m

根據(jù)觀測(cè)下行先導(dǎo)探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于先導(dǎo)頭部電荷較為集中[14]，雷電下行先導(dǎo)電流峰值為1.0 kA，先導(dǎo)附近已經(jīng)發(fā)生熱游離和光游離，為分析先導(dǎo)頭部電荷分布影響設(shè)置模型下行先導(dǎo)頭部電荷量典型值為1.0 C（雷暴云以及先導(dǎo)其它部分帶電電荷量分別為-0.001 C/m2、-0.1 C/m2），求解空間模型得出對(duì)應(yīng)電場(chǎng)矢量分布見(jiàn)圖12。

對(duì)比圖8與圖11先導(dǎo)發(fā)展高度位于400 m以及200 m時(shí)空間節(jié)點(diǎn)電位和電場(chǎng)強(qiáng)度分布，可發(fā)現(xiàn)隨空間先導(dǎo)高度下降，線路附近區(qū)域節(jié)點(diǎn)電位變化更為明顯，說(shuō)明先導(dǎo)向地面發(fā)展的同時(shí)，線路附近地面物體及上方空間電場(chǎng)發(fā)生急劇變化；對(duì)比圖11與圖12可發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)電荷均勻分布時(shí)，電位等值分布線呈中心分布放散狀且電位分布值相對(duì)較低，而當(dāng)電荷主要集中在先導(dǎo)頭部時(shí)，在其附近等值分布線較為密集，同時(shí)約束先導(dǎo)下方空間電場(chǎng)分布范圍更廣，更易激勵(lì)產(chǎn)生下行先導(dǎo)躍變點(diǎn)；查詢先導(dǎo)下方相同位置節(jié)點(diǎn)電位等值線電位，發(fā)現(xiàn)電荷集中先導(dǎo)頭部時(shí)其絕對(duì)值更高，仿真結(jié)果符合實(shí)際探測(cè)空間電場(chǎng)分布特性[13-14]。

圖12 電荷集中先導(dǎo)頭部時(shí)空間節(jié)點(diǎn)電位分布Fig.12 The vector sum of electric field intensity by the calculation of path mapping as the charge concentrate on the downward leader's head

4 不同地形因素對(duì)先導(dǎo)發(fā)展電磁環(huán)境影響

4.1 地形及線路模型

不同地形特征影響線路走廊內(nèi)電場(chǎng)分布特性，也影響走廊內(nèi)的雷擊頻次，文獻(xiàn)[15]統(tǒng)計(jì)珠三角地區(qū)10年不同地形地閃資料，得出山區(qū)桿塔線路較平原地區(qū)雷擊頻次較高，建筑群區(qū)相對(duì)于平原地區(qū)會(huì)增加在線路附近地閃發(fā)生概率的結(jié)論。為進(jìn)行不同地形下放電路徑分布的差異性進(jìn)行定性分析，本文模型將地形特征分為3類：山區(qū)、建筑群區(qū)以及平原區(qū)進(jìn)行電場(chǎng)分布特征仿真，分析不同地形下雷擊位置潛在發(fā)展趨勢(shì)，以驗(yàn)證上述統(tǒng)計(jì)結(jié)論。

建立不同地形下先導(dǎo)影響電場(chǎng)分布的架空線路桿塔模型（見(jiàn)圖13），設(shè)平原與建筑區(qū)地面完全水平，先導(dǎo)距離不同地形線路模型的中心位置距離相等（L=200 m），下行先導(dǎo)距離地面高度250 m，其底部對(duì)地電壓為-600 kV，先導(dǎo)其它部分帶電電荷量為-0.1 C/m2，建筑物高度H0=30 m，L=314.6 m，模型中SL、HL、Hd等參數(shù)設(shè)置以及網(wǎng)格劃分同前述模型設(shè)置。

圖13 建筑區(qū)與平原區(qū)（左）、建筑區(qū)與山區(qū)（右）先導(dǎo)影響空間電場(chǎng)分布仿真模型Fig.13 The simulation model of of electric field intensity affected by the downward leaders at the position of the buildings area and the plains（left），the building area and the mountains（right）

4.2 電場(chǎng)仿真計(jì)算與放電路徑差異性定性分析

圖14 與圖15為建筑區(qū)與平原區(qū)模型在雷電先導(dǎo)發(fā)展200 m條件下空間電場(chǎng)分布與分布節(jié)點(diǎn)電位圖（顏色從深到淺表示電位或電場(chǎng)依次增加）。

圖14 建筑區(qū)（左）與平原區(qū)（右）先導(dǎo)影響電場(chǎng)空間變化分布Fig.14 The distribution of electric field intensity affected by the downward leaders at the position of the buildings area（left）and the plains（right）

圖15 建筑區(qū)（左）與平原區(qū)（右）先導(dǎo)影響空間節(jié)點(diǎn)電位等值線Fig.15 The isoline distribution of electric field intensity affected by the downward leaders at the position of the buildings area（left）and the plains（right）

分析建筑群區(qū)與平原區(qū)空間電場(chǎng)分布特性可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）建筑區(qū)電場(chǎng)變化區(qū)域相對(duì)于平原地區(qū)孤立點(diǎn)更廣、畸變點(diǎn)更多，說(shuō)明建筑區(qū)相對(duì)于平原區(qū)雷擊風(fēng)險(xiǎn)更大，雷擊桿塔及線路附近概率也越大。

2）對(duì)比不同地形下桿塔電場(chǎng)分布，建筑區(qū)中桿塔電位分布均勻，建筑物頂端形成的電場(chǎng)畸變對(duì)桿塔形成了直接雷擊屏蔽作用，而平原地區(qū)畸變點(diǎn)位于桿塔上，因此建筑區(qū)雷電直擊桿塔概率相對(duì)平原區(qū)較低。

3）對(duì)建筑物形狀和高度影響分析發(fā)現(xiàn)，建筑物高度越高，其對(duì)電場(chǎng)變化影響的空間范圍也越大，制高點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于較矮同種形狀建筑物更強(qiáng)，與現(xiàn)行建筑物雷電防護(hù)基礎(chǔ)理論一致；另外從建筑物尖端節(jié)點(diǎn)電位分布看出，尖端尺寸越小，引起尖端部位局部電場(chǎng)畸變程度越大，更易導(dǎo)致尖端在電暈環(huán)境達(dá)到電場(chǎng)閾值觸發(fā)上行先導(dǎo)，從而增加尖端的接閃概率，與文獻(xiàn)[16-17]利用實(shí)驗(yàn)與仿真分析不同形狀和高度的尖端放電閾值結(jié)論較為一致。

圖16與圖17為建筑區(qū)與山區(qū)模型在前述條件下空間電場(chǎng)與節(jié)點(diǎn)電位等值線分布。

圖16 建筑區(qū)（左）與山區(qū)（右）先導(dǎo)影響電場(chǎng)空間變化分布Fig.16 The distribution of electric field intensity affected by the downward leaders at the position of the buildings area（left）and the mountains（right）

圖17 建筑區(qū)與山區(qū)先導(dǎo)影響空間節(jié)點(diǎn)電位等值線Fig.17 The isoline distribution of electric field intensity affected by the downward leaders at the position of the buildings area（left）and the mountains（right）

分析建筑群區(qū)與山區(qū)空間電場(chǎng)分布仿真圖有以下規(guī)律：

1）山區(qū)桿塔附近電場(chǎng)相對(duì)平原區(qū)及建筑群畸變程度強(qiáng)，可推測(cè)山區(qū)桿塔及線路遭雷電直擊概率相對(duì)較高，但由于山區(qū)桿塔電場(chǎng)畸變空間范圍不及建筑群區(qū)，因此雷擊發(fā)生在建筑群區(qū)桿塔及線路附近概率最高。

2）對(duì)比山區(qū)自左向右分布三等距桿塔附近電位等值線分布，發(fā)現(xiàn)在地形突變點(diǎn)桿塔附近電位變化率較高，而地形相對(duì)平緩位置桿塔附近電位變化率變低，同時(shí)與先導(dǎo)頭部距離增加電位變化率有降低趨勢(shì)。

綜合3種不同地形下雷電先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中電場(chǎng)強(qiáng)度與電位等值線分布進(jìn)行放電路徑分布的差異性定性分析，總結(jié)出雷電直擊建筑區(qū)線路附近概率高于其他地形，且由于建筑物附近，精密電子器件分布也較密集，因此在建筑區(qū)附近線路耦合產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓的危害也最大；山區(qū)桿塔線路相對(duì)于其他地形，由于缺少屏蔽作用，其雷電直擊風(fēng)險(xiǎn)最高，因此通常山區(qū)線路由于雷擊閃絡(luò)而導(dǎo)致的線路跳閘故障率要明顯高于其他地形，與文獻(xiàn)[18]利用操作沖擊電壓波研究平地和山區(qū)地形下的線路雷擊模擬放電試驗(yàn)結(jié)論一致。

5 線路設(shè)計(jì)與雷擊防護(hù)

5.1 電場(chǎng)畸變點(diǎn)控制

通過(guò)建模分析，可確定架空線路設(shè)計(jì)中減少線路突出點(diǎn)位置數(shù)量、降低接地電阻及選取架設(shè)位置是有效降低局部電場(chǎng)畸變的防護(hù)方式：

1）通常桿塔位置較線路其他位置電場(chǎng)畸變程度要高，線路架設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)將線路弧度、桿塔高度及橫擔(dān)位置、地線保護(hù)角度的整體設(shè)計(jì)配合，將電場(chǎng)畸變區(qū)域面積降至最低，能有效降低線路上由于雷暴靜電感應(yīng)而造成的線路靜電感應(yīng)過(guò)電壓。

2）降低接地電阻可實(shí)現(xiàn)保護(hù)地線、桿塔的電位均衡，消除由于局部電位不均衡而帶來(lái)的電場(chǎng)畸變。

3）線路架設(shè)地理位置的考量也是降低線路電場(chǎng)畸變的有效方式，仿真說(shuō)明，將線路架設(shè)在建筑群區(qū)（埋地效果更好）線路附近電場(chǎng)畸變點(diǎn)最少，即使不可避免地架設(shè)在山區(qū)，也應(yīng)盡量避開(kāi)地形起伏點(diǎn)，將線路架設(shè)在地形較為平緩地區(qū)。

5.2 預(yù)判放電路徑

基于實(shí)際地形下線路空間電場(chǎng)分布，預(yù)判放電路徑概率較高位置，在風(fēng)險(xiǎn)較高位置增設(shè)特殊防護(hù)方式、降低因雷擊感應(yīng)過(guò)電壓及采取強(qiáng)送決策方案[19]降低線路故障概率：

1）三相架空線、保護(hù)地線及桿塔之間的保護(hù)角度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐亻W統(tǒng)計(jì)資料確定雷電流幅值的前提下，基于EGM模型，利用雷擊擊距經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)計(jì)不同角度及不同架設(shè)方式下雷擊不同位置的放電概率，實(shí)現(xiàn)線路最優(yōu)化防護(hù)效果。

2）可在預(yù)判放電路徑位置局部增加地線線徑，或用銅材料代替其他材料保護(hù)地線、降低桿塔對(duì)地接地電阻等方式降低線路發(fā)生閃絡(luò)及故障概率。

3）增加預(yù)判路徑區(qū)域線路避雷器安裝密度及變壓器二次側(cè)安裝級(jí)數(shù)[20]，可有效降低由于雷擊引起的線路感應(yīng)過(guò)電壓，增加絕緣子耐受電壓，降低其閃絡(luò)概率亦能起到很好防護(hù)效果。

6 結(jié)論與建議

基于GPS測(cè)量地形數(shù)據(jù)建立實(shí)際地形橫斷面圖，分析計(jì)算了特定地形下雷暴空間靜電場(chǎng)及雷電先導(dǎo)在不同高度時(shí)刻雷擊電磁場(chǎng)分布及變化特性，分析了不同地形（山地、平原及建筑群區(qū)）影響雷電先導(dǎo)發(fā)展電磁環(huán)境影響線路附近空間電場(chǎng)變化趨勢(shì)，繼而對(duì)線路附近空間不同位置接閃放電路徑概率進(jìn)行差異性分析，得出如下結(jié)論與防護(hù)建議：

1）雷暴靜電場(chǎng)條件下，線路兩端桿塔頂部等物理形狀較突出位置電場(chǎng)強(qiáng)度畸變程度較高，線路下方空間電場(chǎng)由于屏蔽作用電場(chǎng)衰減較為明顯。

2）先導(dǎo)向地面發(fā)展過(guò)程中，線路附近上方空間電場(chǎng)特性發(fā)生急劇變化，如電荷集中先導(dǎo)頭部時(shí)約束先導(dǎo)下方空間電場(chǎng)分布范圍更廣，電場(chǎng)畸變更為明顯。

3）山區(qū)、建筑群區(qū)、平原區(qū)的雷電直擊線路概率依次降低，而雷擊建筑群區(qū)線路附近概率高于其它地形。

4）可利用仿真計(jì)算空間電場(chǎng)分布特性對(duì)電場(chǎng)畸變及預(yù)判放電路徑作出線路雷擊防護(hù)具體措施的依據(jù)。