武汉二七长江大桥雷暴电场仿真模拟研究

范是琪 李政 陈仁君 冯又华

摘要：为研究武汉二七长江大桥建设前后对雷暴大气电场的影响，利用IES电磁场仿真软件，采用BEM（边界元）方法模拟分析了二七长江大桥建设前后周围空间电场的变化，进一步细化分析了不同负电荷中心高度对大桥主塔及地面场强的影V向。设定了8种不同位置的雷电先导，随先导的逐级递进模拟了主塔电场的变化，同时给出了电场空间分布图，分析了电场变化的特征，进而分析雷击点的可能性。结果表明，大桥建立以后，大桥塔顶部的电场强度明显增大;雷云中负电荷区的高度逐步降低，地面电场强度逐步增大;雷电先导与大桥主塔的相对位置决定了最可能的雷击点。

关键词：二七长江大桥;雷暴电场;IES仿真

中图分类号：P427.32;P46

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020）12-0045-06

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

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雷暴云在地面产生的电场受下垫面建（构）筑物、树木等的影响而产生畸变[1]，国内一些学者开展了相关研究。周璧华等[2]、周先春等[3]先后通过有限元仿真、有限差分的方法，提出了不同条件下的电场修正方法。谭涌波等[4]利用有限元法分析了建筑物直径、弯曲度以及高度对大气电场畸变的影响。郭秀峰[5]、耿雪莹等[6]分别用有限差分方法，得出了大气电场畸变、建筑物顶部的场强与高度之间存在正相关性的结论。柴健等[7]利用IES仿真得出了遮蔽仰角和影响距离均随建筑物高度的增加而增大的结论。陈加清等[8]利用Maxwell 3D进行了仿真模拟，得出晴天天气条件下，不同形状、高度建筑物对地面大气电场测量的影响。曾文君等[9]利用IES仿真软件对特高压变压器出线电场仿真模拟。在模拟电场畸变的过程中大都建立了理想化的模型，而根据实际的建（构）筑物开展电场的仿真模拟较为鲜见。因此，本研究将武汉二七大桥作为基本模型，对其建设前后周围的大气电场进行了仿真模拟，在仿真过程中使用了电磁场仿真软件IES[10]，采用了BEM（边界元）方法模拟分析了二七长江大桥建设前后周围空间电场的变化，分析了不同负电荷中心高度对大桥主塔及地面场强的影响，同时设定了不同位置的雷电先导，随先导的逐级递进模拟了主塔电场的变化，进而分析大桥遭受雷击点的可能性。

1 模型的建立

IES软件是加拿大的一款能够计算模型周围电场分布、电压分布、磁场分布，并能够得出云图和曲线的软件。本研究采用BEM（边界元）方法进行仿真。云的物理材料为水汽，无先导时雷云的电势设为-18 MV。桥的物理材料为线性钢材，大桥局部按照网格剖分，网格剖分精度选择自适应，满足计算精度要求。蓝色部位是水蒸气和水，模拟积雨云和江水，草绿色是石英石，模拟大地，拉索及塔柱材料设置为线性钢材，其余部位默认为空气（图1）。

为了比较准确地观察空间电场强度的分布，从左往右依次取6条观测线（以江北第一根主橋墩为原点建立平面坐标，单位为m），如图2所示，1号观测线为第11根桥墩轴线正上方700 m到地下，即坐标分别为（-790，700）、（-790，0）;2号观测线为第18根桥墩轴线正上方700 m到地下，坐标分别为（-160，700）、（-160，0）;3号观测线为第19根桥墩（第一根主桥墩）轴线正上方700 m到地下，坐标分别为（0，700）、（0，0）;4号观测线为第19根桥墩（第一根主桥墩）和第20根桥墩（第二根主桥墩）中间正上方700 m到地下，坐标分别为（308，700）、（308，0）;5号观测线为第20根桥墩（第二根主桥墩）正上方700 m到地下，坐标分别为（616，700）、（ 616，0）;6号观测线为第21根桥墩（第三根主桥墩）正上方700m到地下，坐标分别为（1232，700）、（1 232，0）。

2 大桥建立前后对雷电电场分布的影响

图3、图4分别为大桥建立前后6条观测线上随高度模拟的电场值。

从表1和观测曲线中可以看出，没有大桥时电场观测曲线几乎为水平线，空间电场表现较为均匀，在2.5 kV/m左右，不同位置略有高低。大桥建立以后，空间电场有了很大的畸变，大桥塔顶部位的电场强度显著增大。无桥时，3号主塔塔顶对应的位置场强为2.525 kV/m，建桥后增大到8.038 kV/m，增至原来的3倍多。无桥时，4号主塔塔顶对应位置场强为2.510 kV/m，建桥后增大到6.391 kV/m，增至原来的2倍多。无桥时，5号主塔塔顶对应位置场强为2.482 kV/m，建桥后增大到7.896 kV/m，增至原来的3倍多。其中4号主塔位置场强增大幅度较3号和5号小是因为大桥高度和雷云高度相对较小，旁边2个主塔及拉索对中间主塔的电场有屏蔽作用。

靠近桥面尤其是索塔顶部电场强度明显增加，雷云先导向下发展的过程中，容易产生从地面向云端的上行先导及促进下行先导向大桥塔顶的定向发展。

3 不同负电荷中心高度对雷电电场的影响

从图5、表2可以看出，随着负电荷中心高度的逐步降低，地面电场强度逐步增大，以3号主塔为例，负电荷区高度取7 km时，塔顶电场强度为6.771 kV/m：负电荷区高度取6 km时，塔顶电场强度为8.038 kV/m;负电荷区高度取5 km时，塔顶电场强度为9.897 kV/m;负电荷区高度取4 km时，塔顶电场强度为13.960 kV/m。由此可见，雷云中负电荷区的高度对地面电场的影响很大，一般认为负电荷区高度在5-7 km。在后面的仿真计算中，负电荷区的高度取6 km。

4 不同雷电先导对地面电场的影响

为比较雷电先导在不同位置时对地面电场的影响，取先导末端的横坐标分别为一1 000、-600、0、308、616、924、1 232、1 832、2 232 m，对先导纵向发展到距离地面2 000、1 000和500 m时的情况进行分析，这3种情况对应的雷云电势分别取-42、-48和-51 MV。

4.1 先导末端横坐标为一1 000 m

从图6、图7及表3可以看出，雷云下端出现先导时，3根主塔塔顶部位电场强度显著增强。随着先导向下发展，塔顶电场强度也逐步增大。3号塔顶顶部的电场强度最高，先导离地2 000 m时，塔顶场强为24.025 kV/m，先导离地1 000 m时，塔顶电场强度为37.573 kV/m，先导离地500 m时，塔顶场强为49.856 kV/m。从先导离地500 m时的电场强度分布（图7c）中可以看出，由于先导距离桥塔较远，先导主要与桥面形成了强场区通道，雷电先导发生在距离3号桥塔中心线左边1 km以外时，桥塔顶部遭遇雷击的概率不高。

4.2 先导末端横坐标为-600 m

从表4可以看出，3根主塔塔顶部位的电场强度较强，随着先导逐步向下发展，各塔顶部位的电场逐步增强。3号主塔距离先导最近，其顶部的电场强度最高，先导离地2 000 m时，塔顶的电场强度为24.207 kV/m;先导离地1 000 m时，塔顶的电场强度为40.813 kV/m;先导离地500 m时，塔顶的电场强度为62.045 kV/m。先导向下发展的过程中与3号主塔塔顶以及附近的桥面之间形成了强场区通道，3号主塔塔顶遭遇雷击的可能性增大。

4.3 先导末端横坐标为Om

从表5可以看出，雷电先导位于3号主塔正上方时，3号主塔塔顶的场强很高，随着先导向下发展，3根主塔塔顶场强不断增大。以3号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为24.238 kV/m;先导离地1 000 m时，塔顶场强为43.782 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强达96.979 kV/m。从电场分布可以看出，先导向下发展到离地500 m时与3根主塔塔顶形成了十分明显的强电场区域。3号主塔塔顶遭受雷击的可能性较大。不仅如此，其他2根主塔塔顶的场强也很高，遭遇雷击的风险也很高，有可能会形成多个接闪点的情况。

4.4 先导末端横坐标为308 m

从电场分布和表6可以看出，随着先导向下发展，3根主塔塔顶的电场强度逐步增大。以3号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为24.111 kV/m;先导离地1 000 m时，塔顶场强为47.249 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强为76.023 kV/m。先导末端与3号主塔、4号主塔之间形成了强电场区域。这2根主塔塔顶遭受雷击的风险较大，5号主塔塔顶电场强度也较强，也有遭遇雷击的风险。

4.5 先导末端横坐标为616 m

从表7可以看出，此种情况系先导位于4号主塔中心线正上方。随着先导向下发展，3根主塔塔顶的场强逐步增大。以4号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为19.393 kV/m;先导离地1 000 m时，塔顶场强为32.522 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强为98.091 kV/m。先导末端与3根主塔顶部之间形成了明显强电场区域，3根主塔塔顶均有很大遭遇雷击的风险，其中4号主塔遭遇雷击的风险最大，也有可能3根主塔遭遇雷擊形成多个接闪点。

4.6 先导末端横坐标为924 m

从表8可以看出，此种情况下先导位于4号塔与5号塔中间。随着先导向下发展，3根主塔塔顶的场强逐步增大。以5号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为23.632 kV/m;先导离地1000 m时，塔顶场强为41.282 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强为71.844 kV/m。先导末端与4号主塔、5号主塔顶部之间形成了比较明显的强电场区域，2根主塔遭遇雷电的风险较大。

4.7 先导末端横坐标为1 232 m

从表9可以看出，此种情况下先导位于5号主塔中心线正上方。随着先导向下发展，3根主塔塔顶的场强逐步增大。以5号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为23.888 kV/m;先导离地1000 m时，塔顶场强为43.179 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强为95.904 kV/m。先导末端与5号主塔顶部之间形成了十分明显的强电场区域，5号主塔遭遇雷击的风险最高，其次是4号主塔和3号主塔。

4.8 先导末端横坐标为1832 m

从表10可以看出，此种情况下先导位于5号主塔中心线右边600 m。随着先导向下发展，3根主塔塔顶的场强逐步增大。以5号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为24.120 kV/m，先导离地1000 m时，塔顶场强为41.557 kV/m，先导离地500m时，塔顶场强为65.307 kV/m。先导末端与5号主塔顶部及地面之间形成了明显的强电场区域，5号主塔顶部具有一定的遭遇雷击的风险。

4.9 先导末端横坐标为2 232 m

从表11可以看出，此种情况下先导位于5号主塔中心线右边1000 m。随着先导向下发展，3根主塔塔顶的场强逐步增大。以5号主塔为例，先导离地2 000 m时，塔顶场强为24.069 kV/m;先导离地1000 m时，塔顶场强为38.667 kV/m;先导离地500 m时，塔顶场强为52.705 kV/m。此时先导末端主要是与地面之间形成了明显的强电场区域，大桥塔顶遭遇雷击的风险不大。

综上所述，雷云先导发生在3号主塔左边1 km时，主要是与桥面形成强电场区域，对大桥主塔影响不大。先导发生在3号主塔左边600 m时，3号主塔顶部电场强度最高，遭遇雷击的可能性较大。先导发生在3号主塔正上方时，3号主塔塔顶部位电场强度最高，最容易遭遇雷击。先导发生在3号主塔与4号主塔之间时，3号、4号主塔顶部电场较大，遭遇雷击风险较高。先导发生在4号主塔正上方时，4号主塔顶部场强最高，最易遭受雷击，3号、5号主塔顶部遭遇雷击的可能性也较大，可能形成多个接闪点的情况。先导发生在4号与5号主塔之间时，4号、5号主塔顶部场强较高，易遭遇雷击。先导发生在5号主塔上方时，5号主塔顶部电场强度最高，遭遇雷击的风险最高。先导发生在5号主塔右边600 m时，5号主塔顶部电场强度最高，遭遇雷击风险较高。先导发生在5号主塔右边1km时，主要与地面形成强场区通道，对大桥影响不大。

5 小结与讨论

本研究利用IES仿真软件，对比模拟了二七大桥建设前后的空间电场分布，分析了不同负电荷中心高度对大桥主塔及地面场强的影响。设定了8种不同位置的雷电先导，随先导逐级递进模拟了主塔电场的变化，得到以下结论。

1）没有大桥时电场观测曲线几乎为水平线，空间电场表现得较为均匀;当大桥建立以后，空间电场有了很大的畸变，大桥塔顶部的电场强度明显增大。

2）雷云中負电荷区的高度对地面电场的影响很大。随着负电荷中心高度的逐步降低，地面电场强度逐步增大。

3）从雷电先导的动态演化过程可以看出，雷电先导与大桥主塔的相对位置决定了最可能的雷击点。当雷电先导距边缘主塔的水平距离大于1 km时，雷电先导对大桥影响不大，当此距离缩减到600m时，则边缘主塔顶部电场强度最高，遭遇雷击的可能性较大;当雷电先导位于边缘主塔正上方时，则当前主塔最容易遭遇雷击;当雷电先导介于非中心两个主塔之间时，则2个主塔顶部遭遇雷击的可能性都较高;当雷电先导介于中心主塔时，则中心主塔最易遭受雷击，另外2个邻近主塔顶部遭遇雷击的可能性也较大，进而形成多个接闪点的情形。

若在条件允许的前提下，安装垂直梯度电场仪，后续可开展观测与模拟的对比分析试验。

参考文献：

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[10]李如箭，李京校，逯曦，等.城市轨道交通高架站雷击时磁场空间分布模拟[J].气象科技，2015，43（6）：1170-1175.

基金项目：湖北省气象局科技发展基金项目（2019Q2）

作者简介：范曼琪（1986-），女，湖北武汉人，高级T程师，硕士，主要从事雷电防护技术研究，（电话）027-67848136（电子信箱）382306369@qq.com;通信作者，李政（1984-），男，江苏沭阳人，高级T程师，硕士，主要从事雷电监测预警技术研究，（电话）027-67848265（电子信箱）45078168@qq.com。