仿真模擬在雷擊易損性定量計算中的應(yīng)用研究＊

許 偉,余蜀豫,李 強,覃彬全,何 靜

（1.重慶市防雷中心，重慶 401147；2.南通市氣象局，江蘇 南通 226000；3.重慶市氣象安全技術(shù)中心，重慶 401147)

1 引言

雷電災(zāi)害給我國造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，每年有上千人遭雷擊傷亡，經(jīng)濟損失達數(shù)十億元。雷電災(zāi)害風(fēng)險評估是防雷減災(zāi)的重要措施，可以科學(xué)指導(dǎo)防雷設(shè)計和防雷規(guī)劃，有效減小雷電造成的損失。準(zhǔn)確的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估可指導(dǎo)雷電防護工作，同時也是雷電風(fēng)險管理的決策依據(jù)。不過，目前我國雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的研究基本還處于起步階段，評估方法還不完善，離科學(xué)指導(dǎo)防雷減災(zāi)的要求仍有一定距離。

雷電災(zāi)害風(fēng)險是多種因素相互作用的產(chǎn)物，它受到一個區(qū)域自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)及其組合關(guān)系的影響。通常情況下，雷電災(zāi)害風(fēng)險是由雷電災(zāi)害危險性(H)、暴露(E)、承災(zāi)體的易損性(V)3個風(fēng)險因素相互交鏈形成[1]。承災(zāi)體易損性是指雷電災(zāi)害發(fā)生時所造成的傷害或損失程度，一般簡稱為雷擊易損性，由于該因素涉及的成災(zāi)機制還不夠明確，易損性的量化還停留在起步階段。特定環(huán)境下，雷擊損害具有特定的機制，已經(jīng)有不少雷擊建筑物時過電壓和過電流分布的研究[2-5]，針對特定項目可以建立電氣仿真模型，通過計算雷擊電磁場的分布，不僅能較為準(zhǔn)確地分析實際情況下雷電對評估對象的影響，進而能夠定量地計算評估對象的雷擊易損性。本文以某工業(yè)園區(qū)為例，對雷擊高風(fēng)險部位進行電磁環(huán)境仿真計算，結(jié)合安全閾值研究雷擊易損性的量化方法。

2 評估模型和計算方法

評估對象是面積10 平方公里，以輕工業(yè)為主的工業(yè)園區(qū)。統(tǒng)計該園區(qū)最近十年ADTD 數(shù)據(jù)，從雷電強度分布、雷電密度分布、雷暴路徑等方面深入分析該園區(qū)雷電活動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)A-7 地塊為雷擊高概率位置。A-7 地塊主要由天然氣調(diào)壓站組成，四周為行車道，間隔天然氣調(diào)壓站400米處有一變電站，除此以外無其他建筑，同時，該天然氣調(diào)壓站有著完善的防直擊雷措施。具體現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)：變電站地網(wǎng)尺寸為100×100米，變電站有一出線桿塔，桿塔檔距400 米，輸電線高度46 米，天然氣調(diào)壓站尺寸為50×50米，變電站與天然氣調(diào)壓站直線距離500米，該處土壤電阻率為100歐米。雷擊模型示意圖如圖1所示。

圖1 雷擊模型示意圖

電磁環(huán)境仿真計算是基于Maxwell 方程的數(shù)值解，在三維空間中模擬需研究的對象的導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，同時考慮了導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)中所有元件之間的電感性干擾、傳導(dǎo)性干擾和電容性干擾。通過建立調(diào)壓站和變電站真實三維模型，輸入各自特征參數(shù)與所處位置土壤特性參數(shù)，進行模擬計算，得出所需的計算結(jié)果。這里使用標(biāo)準(zhǔn)的雙指數(shù)波形模擬雷擊電流，考慮雷擊以后的情形，忽略雷電通道的影響，雷擊電流源直接注入高風(fēng)險部位，沒有指定的回流點。該處觀測到的最大雷電流為180kA，觀測到的平均雷電流為40kA，雷電流波形為典型的10/350 波形，雷電信號上升時間為10 微秒，半波時間350 微秒。深入現(xiàn)場調(diào)查后發(fā)現(xiàn)該評估對象具有完善合格的防直擊雷措施，雷電直接擊中該調(diào)壓站的機率極低，但是鄰近的變電站卻經(jīng)常遭受雷擊，由于變電站進出線纜跨度大、輸電線架設(shè)高度高，常有雷電直接擊中變電站和變電站的輸電線事故發(fā)生，建筑物間直線距離短，充分考慮現(xiàn)場情況，結(jié)合雷電成災(zāi)機制，雷電對該處產(chǎn)生的危害主要分為以下四種情況：

(1) 180KA雷電流擊中變電站；

(2) 40KA雷電流擊中變電站；

(3) 180KA雷電流擊中與變電站相連的輸電線；

(4) 40KA雷電流擊中與變電站相連的輸電線。

仿真模擬上述四種情況下天然氣調(diào)壓站的雷擊電磁環(huán)境，計算各雷擊危險分量數(shù)值。

3 電磁環(huán)境仿真計算

為了保證計算結(jié)果的精確，傅里葉變換中，使用1.7MHz以內(nèi)的電流頻譜，同時每種情況計算了763個代表不同頻率的HIFREQ模型并得到其頻域響應(yīng)。以180kA雷電流擊中變電站的情況1為例，依次計算調(diào)壓站中每一個觀測點的地表電位升、電場、磁場等頻譜響應(yīng)，經(jīng)傅里葉逆變換后，得到時域內(nèi)該觀測點地表電位電場、磁場等，最后疊加情況1發(fā)生時調(diào)壓站模型中所有仿真節(jié)點的數(shù)值，結(jié)果如圖2-圖5所示。

圖2 情況1發(fā)生時調(diào)壓站地表電場強度分布

圖3 情況1發(fā)生時調(diào)壓站地表磁場強度分布

圖4 情況1發(fā)生時調(diào)壓站地表接觸電壓分布

圖5 情況1發(fā)生時調(diào)壓站地表跨步電壓分布

計算情況2 發(fā)生時，調(diào)壓站的電場、磁場、接觸電壓、跨步電壓分布如圖6-圖9所示。

圖6 情況2發(fā)生時調(diào)壓站地表電場強度分布

圖7 情況2發(fā)生時調(diào)壓站地表磁場強度分布

圖8 情況2發(fā)生時調(diào)壓站地表接觸電壓分布

圖9 情況2發(fā)生時調(diào)壓站地表跨步電壓分布

情況3 發(fā)生時，調(diào)壓站的電場、磁場、接觸電壓、跨步電壓分布如圖10-圖13所示。

圖10 情況3發(fā)生時調(diào)壓站地表電場強度分布

圖11 情況3發(fā)生時調(diào)壓站地表磁場強度分布

圖12 情況3發(fā)生時調(diào)壓站地表接觸電壓分布

圖13 情況3發(fā)生時調(diào)壓站地表跨步電壓分布

情況4 發(fā)生時，調(diào)壓站的電場、磁場、接觸電壓、跨步電壓分布如圖14-圖17所示。

圖14 情況4發(fā)生時調(diào)壓站地表電場強度分布

圖15 情況4發(fā)生時調(diào)壓站地表磁場強度分布

圖16 情況4發(fā)生時調(diào)壓站地表接觸電壓分布

圖17 情況4發(fā)生時調(diào)壓站地表跨步電壓分布

4 雷擊易損性分析

雷擊易損性是指雷電發(fā)生時所造成的傷害和損失程度，現(xiàn)在先確定產(chǎn)生傷害或者損失的安全閾值。雷擊設(shè)備損壞的安全閾值，通用的技術(shù)規(guī)范已經(jīng)有具體規(guī)定，這里分別使用設(shè)備耐沖擊電壓額定值[6]、擊穿電壓[7]、LEMP磁場強度大小[8]作為安全閾值，某些通用技術(shù)規(guī)范中給出了接觸電壓和跨步電壓的允許值計算公式，但該公式不大符合雷擊情況下使用。這里使用Dalziel’s的能量關(guān)系進行計算瞬態(tài)情況下安全能量閾值[9]，計算得出安全閾值為13.5焦耳。雷擊下情況下通過人體的能量可按以下公式計算：

式中：

——iB為人身電流；

——VC為接觸電壓；

——T是雷擊持續(xù)時間；

——RB為人體電阻；

——RF為腳和大地的接地電阻。

帶入數(shù)值，仿真計算出各雷擊危險分量如表1所示。

表1 雷擊危險分量

不同的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系有著不同的雷擊易損性計算方式，為了直觀表現(xiàn)雷擊易損性，這里不采用任何雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系指標(biāo)，僅使用無單位的比率直觀反映雷擊易損性。結(jié)合項目環(huán)境的近十年的雷電強度幅值累積概率[8]分布，平均強度的雷擊環(huán)境下有超過安全閾值的雷擊分量易損性取值0.5，最大強度的雷擊環(huán)境下有超過安全閾值的雷擊分量易損性取值0.1。使用P表示評估對象的易損性，PA、PB、PC為組成評估對象易損性的三分量，分別表示人身傷害的易損性、電氣設(shè)備損壞的易損性、弱電設(shè)備失效的易損性，評估對象的P計算結(jié)果如下。

從上面的分析可以看出，由于調(diào)壓站設(shè)有符合QB 50057 的防直擊雷措施，雷擊人身傷害的易損性微乎其微，從側(cè)面印證了防雷裝置的有效性。但是調(diào)壓站仍然具有一定的雷擊易損性，主要體現(xiàn)在可能的雷擊環(huán)境下調(diào)壓站會感應(yīng)產(chǎn)生雷擊磁場，其強度足以造成弱電設(shè)備誤動作，對調(diào)壓站內(nèi)非常敏感的流量計元件等產(chǎn)生影響，造成故障甚至損壞，因此適當(dāng)加強流量計等敏感設(shè)備的屏蔽和等電位防護可間接降低雷電造成的損失。

5 結(jié)束語

(1) 大多數(shù)時候用戶更關(guān)心風(fēng)險的隱患在什么位置和如何低成本減低風(fēng)險，利用仿真模擬技術(shù)分析雷擊易損性，能十分直觀地展現(xiàn)易損性來源和大小，具有較好的現(xiàn)實價值。

(2) 在利用仿真模擬計算出雷擊危險分量后，可以結(jié)合概率分布情況或者典型概率分布函數(shù)進一步深入研究雷擊易損性的組成情況和分布狀態(tài)，雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法可以朝著這個方向進一步發(fā)展。