武漢二七長江大橋雷暴電場仿真模擬研究

范是琪 李政 陳仁君 馮又華

摘要：為研究武漢二七長江大橋建設前后對雷暴大氣電場的影響，利用IES電磁場仿真軟件，采用BEM（邊界元）方法模擬分析了二七長江大橋建設前后周圍空間電場的變化，進一步細化分析了不同負電荷中心高度對大橋主塔及地面場強的影V向。設定了8種不同位置的雷電先導，隨先導的逐級遞進模擬了主塔電場的變化，同時給出了電場空間分布圖，分析了電場變化的特征，進而分析雷擊點的可能性。結果表明，大橋建立以后，大橋塔頂部的電場強度明顯增大;雷云中負電荷區的高度逐步降低，地面電場強度逐步增大;雷電先導與大橋主塔的相對位置決定了最可能的雷擊點。

關鍵詞：二七長江大橋;雷暴電場;IES仿真

中圖分類號：P427.32;P46

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0045-06

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.009

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

雷暴云在地面產生的電場受下墊面建（構）筑物、樹木等的影響而產生畸變[1]，國內一些學者開展了相關研究。周璧華等[2]、周先春等[3]先后通過有限元仿真、有限差分的方法，提出了不同條件下的電場修正方法。譚涌波等[4]利用有限元法分析了建筑物直徑、彎曲度以及高度對大氣電場畸變的影響。郭秀峰[5]、耿雪瑩等[6]分別用有限差分方法，得出了大氣電場畸變、建筑物頂部的場強與高度之間存在正相關性的結論。柴健等[7]利用IES仿真得出了遮蔽仰角和影響距離均隨建筑物高度的增加而增大的結論。陳加清等[8]利用Maxwell 3D進行了仿真模擬，得出晴天天氣條件下，不同形狀、高度建筑物對地面大氣電場測量的影響。曾文君等[9]利用IES仿真軟件對特高壓變壓器出線電場仿真模擬。在模擬電場畸變的過程中大都建立了理想化的模型，而根據實際的建（構）筑物開展電場的仿真模擬較為鮮見。因此，本研究將武漢二七大橋作為基本模型，對其建設前后周圍的大氣電場進行了仿真模擬，在仿真過程中使用了電磁場仿真軟件IES[10]，采用了BEM（邊界元）方法模擬分析了二七長江大橋建設前后周圍空間電場的變化，分析了不同負電荷中心高度對大橋主塔及地面場強的影響，同時設定了不同位置的雷電先導，隨先導的逐級遞進模擬了主塔電場的變化，進而分析大橋遭受雷擊點的可能性。

1 模型的建立

IES軟件是加拿大的一款能夠計算模型周圍電場分布、電壓分布、磁場分布，并能夠得出云圖和曲線的軟件。本研究采用BEM（邊界元）方法進行仿真。云的物理材料為水汽，無先導時雷云的電勢設為-18 MV。橋的物理材料為線性鋼材，大橋局部按照網格剖分，網格剖分精度選擇自適應，滿足計算精度要求。藍色部位是水蒸氣和水，模擬積雨云和江水，草綠色是石英石，模擬大地，拉索及塔柱材料設置為線性鋼材，其余部位默認為空氣（圖1）。

為了比較準確地觀察空間電場強度的分布，從左往右依次取6條觀測線（以江北第一根主橋墩為原點建立平面坐標，單位為m），如圖2所示，1號觀測線為第11根橋墩軸線正上方700 m到地下，即坐標分別為（-790，700）、（-790，0）;2號觀測線為第18根橋墩軸線正上方700 m到地下，坐標分別為（-160，700）、（-160，0）;3號觀測線為第19根橋墩（第一根主橋墩）軸線正上方700 m到地下，坐標分別為（0，700）、（0，0）;4號觀測線為第19根橋墩（第一根主橋墩）和第20根橋墩（第二根主橋墩）中間正上方700 m到地下，坐標分別為（308，700）、（308，0）;5號觀測線為第20根橋墩（第二根主橋墩）正上方700 m到地下，坐標分別為（616，700）、（ 616，0）;6號觀測線為第21根橋墩（第三根主橋墩）正上方700m到地下，坐標分別為（1232，700）、（1 232，0）。

2 大橋建立前后對雷電電場分布的影響

圖3、圖4分別為大橋建立前后6條觀測線上隨高度模擬的電場值。

從表1和觀測曲線中可以看出，沒有大橋時電場觀測曲線幾乎為水平線，空間電場表現較為均勻，在2.5 kV/m左右，不同位置略有高低。大橋建立以后，空間電場有了很大的畸變，大橋塔頂部位的電場強度顯著增大。無橋時，3號主塔塔頂對應的位置場強為2.525 kV/m，建橋后增大到8.038 kV/m，增至原來的3倍多。無橋時，4號主塔塔頂對應位置場強為2.510 kV/m，建橋后增大到6.391 kV/m，增至原來的2倍多。無橋時，5號主塔塔頂對應位置場強為2.482 kV/m，建橋后增大到7.896 kV/m，增至原來的3倍多。其中4號主塔位置場強增大幅度較3號和5號小是因為大橋高度和雷云高度相對較小，旁邊2個主塔及拉索對中間主塔的電場有屏蔽作用。

靠近橋面尤其是索塔頂部電場強度明顯增加，雷云先導向下發展的過程中，容易產生從地面向云端的上行先導及促進下行先導向大橋塔頂的定向發展。

3 不同負電荷中心高度對雷電電場的影響

從圖5、表2可以看出，隨著負電荷中心高度的逐步降低，地面電場強度逐步增大，以3號主塔為例，負電荷區高度取7 km時，塔頂電場強度為6.771 kV/m：負電荷區高度取6 km時，塔頂電場強度為8.038 kV/m;負電荷區高度取5 km時，塔頂電場強度為9.897 kV/m;負電荷區高度取4 km時，塔頂電場強度為13.960 kV/m。由此可見，雷云中負電荷區的高度對地面電場的影響很大，一般認為負電荷區高度在5-7 km。在后面的仿真計算中，負電荷區的高度取6 km。

4 不同雷電先導對地面電場的影響

為比較雷電先導在不同位置時對地面電場的影響，取先導末端的橫坐標分別為一1 000、-600、0、308、616、924、1 232、1 832、2 232 m，對先導縱向發展到距離地面2 000、1 000和500 m時的情況進行分析，這3種情況對應的雷云電勢分別取-42、-48和-51 MV。

4.1 先導末端橫坐標為一1 000 m

從圖6、圖7及表3可以看出，雷云下端出現先導時，3根主塔塔頂部位電場強度顯著增強。隨著先導向下發展，塔頂電場強度也逐步增大。3號塔頂頂部的電場強度最高，先導離地2 000 m時，塔頂場強為24.025 kV/m，先導離地1 000 m時，塔頂電場強度為37.573 kV/m，先導離地500 m時，塔頂場強為49.856 kV/m。從先導離地500 m時的電場強度分布（圖7c）中可以看出，由于先導距離橋塔較遠，先導主要與橋面形成了強場區通道，雷電先導發生在距離3號橋塔中心線左邊1 km以外時，橋塔頂部遭遇雷擊的概率不高。

4.2 先導末端橫坐標為-600 m

從表4可以看出，3根主塔塔頂部位的電場強度較強，隨著先導逐步向下發展，各塔頂部位的電場逐步增強。3號主塔距離先導最近，其頂部的電場強度最高，先導離地2 000 m時，塔頂的電場強度為24.207 kV/m;先導離地1 000 m時，塔頂的電場強度為40.813 kV/m;先導離地500 m時，塔頂的電場強度為62.045 kV/m。先導向下發展的過程中與3號主塔塔頂以及附近的橋面之間形成了強場區通道，3號主塔塔頂遭遇雷擊的可能性增大。

4.3 先導末端橫坐標為Om

從表5可以看出，雷電先導位于3號主塔正上方時，3號主塔塔頂的場強很高，隨著先導向下發展，3根主塔塔頂場強不斷增大。以3號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為24.238 kV/m;先導離地1 000 m時，塔頂場強為43.782 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強達96.979 kV/m。從電場分布可以看出，先導向下發展到離地500 m時與3根主塔塔頂形成了十分明顯的強電場區域。3號主塔塔頂遭受雷擊的可能性較大。不僅如此，其他2根主塔塔頂的場強也很高，遭遇雷擊的風險也很高，有可能會形成多個接閃點的情況。

4.4 先導末端橫坐標為308 m

從電場分布和表6可以看出，隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的電場強度逐步增大。以3號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為24.111 kV/m;先導離地1 000 m時，塔頂場強為47.249 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強為76.023 kV/m。先導末端與3號主塔、4號主塔之間形成了強電場區域。這2根主塔塔頂遭受雷擊的風險較大，5號主塔塔頂電場強度也較強，也有遭遇雷擊的風險。

4.5 先導末端橫坐標為616 m

從表7可以看出，此種情況系先導位于4號主塔中心線正上方。隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的場強逐步增大。以4號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為19.393 kV/m;先導離地1 000 m時，塔頂場強為32.522 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強為98.091 kV/m。先導末端與3根主塔頂部之間形成了明顯強電場區域，3根主塔塔頂均有很大遭遇雷擊的風險，其中4號主塔遭遇雷擊的風險最大，也有可能3根主塔遭遇雷擊形成多個接閃點。

4.6 先導末端橫坐標為924 m

從表8可以看出，此種情況下先導位于4號塔與5號塔中間。隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的場強逐步增大。以5號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為23.632 kV/m;先導離地1000 m時，塔頂場強為41.282 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強為71.844 kV/m。先導末端與4號主塔、5號主塔頂部之間形成了比較明顯的強電場區域，2根主塔遭遇雷電的風險較大。

4.7 先導末端橫坐標為1 232 m

從表9可以看出，此種情況下先導位于5號主塔中心線正上方。隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的場強逐步增大。以5號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為23.888 kV/m;先導離地1000 m時，塔頂場強為43.179 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強為95.904 kV/m。先導末端與5號主塔頂部之間形成了十分明顯的強電場區域，5號主塔遭遇雷擊的風險最高，其次是4號主塔和3號主塔。

4.8 先導末端橫坐標為1832 m

從表10可以看出，此種情況下先導位于5號主塔中心線右邊600 m。隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的場強逐步增大。以5號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為24.120 kV/m，先導離地1000 m時，塔頂場強為41.557 kV/m，先導離地500m時，塔頂場強為65.307 kV/m。先導末端與5號主塔頂部及地面之間形成了明顯的強電場區域，5號主塔頂部具有一定的遭遇雷擊的風險。

4.9 先導末端橫坐標為2 232 m

從表11可以看出，此種情況下先導位于5號主塔中心線右邊1000 m。隨著先導向下發展，3根主塔塔頂的場強逐步增大。以5號主塔為例，先導離地2 000 m時，塔頂場強為24.069 kV/m;先導離地1000 m時，塔頂場強為38.667 kV/m;先導離地500 m時，塔頂場強為52.705 kV/m。此時先導末端主要是與地面之間形成了明顯的強電場區域，大橋塔頂遭遇雷擊的風險不大。

綜上所述，雷云先導發生在3號主塔左邊1 km時，主要是與橋面形成強電場區域，對大橋主塔影響不大。先導發生在3號主塔左邊600 m時，3號主塔頂部電場強度最高，遭遇雷擊的可能性較大。先導發生在3號主塔正上方時，3號主塔塔頂部位電場強度最高，最容易遭遇雷擊。先導發生在3號主塔與4號主塔之間時，3號、4號主塔頂部電場較大，遭遇雷擊風險較高。先導發生在4號主塔正上方時，4號主塔頂部場強最高，最易遭受雷擊，3號、5號主塔頂部遭遇雷擊的可能性也較大，可能形成多個接閃點的情況。先導發生在4號與5號主塔之間時，4號、5號主塔頂部場強較高，易遭遇雷擊。先導發生在5號主塔上方時，5號主塔頂部電場強度最高，遭遇雷擊的風險最高。先導發生在5號主塔右邊600 m時，5號主塔頂部電場強度最高，遭遇雷擊風險較高。先導發生在5號主塔右邊1km時，主要與地面形成強場區通道，對大橋影響不大。

5 小結與討論

本研究利用IES仿真軟件，對比模擬了二七大橋建設前后的空間電場分布，分析了不同負電荷中心高度對大橋主塔及地面場強的影響。設定了8種不同位置的雷電先導，隨先導逐級遞進模擬了主塔電場的變化，得到以下結論。

1）沒有大橋時電場觀測曲線幾乎為水平線，空間電場表現得較為均勻;當大橋建立以后，空間電場有了很大的畸變，大橋塔頂部的電場強度明顯增大。

2）雷云中負電荷區的高度對地面電場的影響很大。隨著負電荷中心高度的逐步降低，地面電場強度逐步增大。

3）從雷電先導的動態演化過程可以看出，雷電先導與大橋主塔的相對位置決定了最可能的雷擊點。當雷電先導距邊緣主塔的水平距離大于1 km時，雷電先導對大橋影響不大，當此距離縮減到600m時，則邊緣主塔頂部電場強度最高，遭遇雷擊的可能性較大;當雷電先導位于邊緣主塔正上方時，則當前主塔最容易遭遇雷擊;當雷電先導介于非中心兩個主塔之間時，則2個主塔頂部遭遇雷擊的可能性都較高;當雷電先導介于中心主塔時，則中心主塔最易遭受雷擊，另外2個鄰近主塔頂部遭遇雷擊的可能性也較大，進而形成多個接閃點的情形。

若在條件允許的前提下，安裝垂直梯度電場儀，后續可開展觀測與模擬的對比分析試驗。

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基金項目：湖北省氣象局科技發展基金項目（2019Q2）

作者簡介：范曼琪（1986-），女，湖北武漢人，高級T程師，碩士，主要從事雷電防護技術研究，（電話）027-67848136（電子信箱）382306369@qq.com;通信作者，李政（1984-），男，江蘇沭陽人，高級T程師，碩士，主要從事雷電監測預警技術研究，（電話）027-67848265（電子信箱）45078168@qq.com。