仿真模拟在雷击易损性定量计算中的应用研究＊

2022-04-12余蜀豫覃彬全

自动化技术与应用 2022年3期

许伟,余蜀豫,李强,覃彬全,何静

（1.重庆市防雷中心，重庆 401147；2.南通市气象局，江苏南通 226000；3.重庆市气象安全技术中心，重庆 401147)

1 引言

雷电灾害给我国造成严重的人员伤亡和经济损失，每年有上千人遭雷击伤亡，经济损失达数十亿元。雷电灾害风险评估是防雷减灾的重要措施，可以科学指导防雷设计和防雷规划，有效减小雷电造成的损失。准确的雷电灾害风险评估可指导雷电防护工作，同时也是雷电风险管理的决策依据。不过，目前我国雷电灾害风险评估的研究基本还处于起步阶段，评估方法还不完善，离科学指导防雷减灾的要求仍有一定距离。

雷电灾害风险是多种因素相互作用的产物，它受到一个区域自然系统、社会系统及其组合关系的影响。通常情况下，雷电灾害风险是由雷电灾害危险性(H)、暴露(E)、承灾体的易损性(V)3个风险因素相互交链形成[1]。承灾体易损性是指雷电灾害发生时所造成的伤害或损失程度，一般简称为雷击易损性，由于该因素涉及的成灾机制还不够明确，易损性的量化还停留在起步阶段。特定环境下，雷击损害具有特定的机制，已经有不少雷击建筑物时过电压和过电流分布的研究[2-5]，针对特定项目可以建立电气仿真模型，通过计算雷击电磁场的分布，不仅能较为准确地分析实际情况下雷电对评估对象的影响，进而能够定量地计算评估对象的雷击易损性。本文以某工业园区为例，对雷击高风险部位进行电磁环境仿真计算，结合安全阈值研究雷击易损性的量化方法。

2 评估模型和计算方法

评估对象是面积10 平方公里，以轻工业为主的工业园区。统计该园区最近十年ADTD 数据，从雷电强度分布、雷电密度分布、雷暴路径等方面深入分析该园区雷电活动规律，发现A-7 地块为雷击高概率位置。A-7 地块主要由天然气调压站组成，四周为行车道，间隔天然气调压站400米处有一变电站，除此以外无其他建筑，同时，该天然气调压站有着完善的防直击雷措施。具体现场勘测数据：变电站地网尺寸为100×100米，变电站有一出线杆塔，杆塔档距400 米，输电线高度46 米，天然气调压站尺寸为50×50米，变电站与天然气调压站直线距离500米，该处土壤电阻率为100欧米。雷击模型示意图如图1所示。

图1 雷击模型示意图

电磁环境仿真计算是基于Maxwell 方程的数值解，在三维空间中模拟需研究的对象的导体网络，同时考虑了导体网络中所有元件之间的电感性干扰、传导性干扰和电容性干扰。通过建立调压站和变电站真实三维模型，输入各自特征参数与所处位置土壤特性参数，进行模拟计算，得出所需的计算结果。这里使用标准的双指数波形模拟雷击电流，考虑雷击以后的情形，忽略雷电通道的影响，雷击电流源直接注入高风险部位，没有指定的回流点。该处观测到的最大雷电流为180kA，观测到的平均雷电流为40kA，雷电流波形为典型的10/350 波形，雷电信号上升时间为10 微秒，半波时间350 微秒。深入现场调查后发现该评估对象具有完善合格的防直击雷措施，雷电直接击中该调压站的机率极低，但是邻近的变电站却经常遭受雷击，由于变电站进出线缆跨度大、输电线架设高度高，常有雷电直接击中变电站和变电站的输电线事故发生，建筑物间直线距离短，充分考虑现场情况，结合雷电成灾机制，雷电对该处产生的危害主要分为以下四种情况：

(1) 180KA雷电流击中变电站；

(2) 40KA雷电流击中变电站；

(3) 180KA雷电流击中与变电站相连的输电线；

(4) 40KA雷电流击中与变电站相连的输电线。

仿真模拟上述四种情况下天然气调压站的雷击电磁环境，计算各雷击危险分量数值。

3 电磁环境仿真计算

为了保证计算结果的精确，傅里叶变换中，使用1.7MHz以内的电流频谱，同时每种情况计算了763个代表不同频率的HIFREQ模型并得到其频域响应。以180kA雷电流击中变电站的情况1为例，依次计算调压站中每一个观测点的地表电位升、电场、磁场等频谱响应，经傅里叶逆变换后，得到时域内该观测点地表电位电场、磁场等，最后叠加情况1发生时调压站模型中所有仿真节点的数值，结果如图2-图5所示。

图2 情况1发生时调压站地表电场强度分布

图3 情况1发生时调压站地表磁场强度分布

图4 情况1发生时调压站地表接触电压分布

图5 情况1发生时调压站地表跨步电压分布

计算情况2 发生时，调压站的电场、磁场、接触电压、跨步电压分布如图6-图9所示。

图6 情况2发生时调压站地表电场强度分布

图7 情况2发生时调压站地表磁场强度分布

图8 情况2发生时调压站地表接触电压分布

图9 情况2发生时调压站地表跨步电压分布

情况3 发生时，调压站的电场、磁场、接触电压、跨步电压分布如图10-图13所示。

图10 情况3发生时调压站地表电场强度分布

图11 情况3发生时调压站地表磁场强度分布

图12 情况3发生时调压站地表接触电压分布

图13 情况3发生时调压站地表跨步电压分布

情况4 发生时，调压站的电场、磁场、接触电压、跨步电压分布如图14-图17所示。

图14 情况4发生时调压站地表电场强度分布

图15 情况4发生时调压站地表磁场强度分布

图16 情况4发生时调压站地表接触电压分布

图17 情况4发生时调压站地表跨步电压分布

4 雷击易损性分析

雷击易损性是指雷电发生时所造成的伤害和损失程度，现在先确定产生伤害或者损失的安全阈值。雷击设备损坏的安全阈值，通用的技术规范已经有具体规定，这里分别使用设备耐冲击电压额定值[6]、击穿电压[7]、LEMP磁场强度大小[8]作为安全阈值，某些通用技术规范中给出了接触电压和跨步电压的允许值计算公式，但该公式不大符合雷击情况下使用。这里使用Dalziel’s的能量关系进行计算瞬态情况下安全能量阈值[9]，计算得出安全阈值为13.5焦耳。雷击下情况下通过人体的能量可按以下公式计算：

式中：

——iB为人身电流；

——VC为接触电压；

——T是雷击持续时间；

——RB为人体电阻；

——RF为脚和大地的接地电阻。

带入数值，仿真计算出各雷击危险分量如表1所示。

表1 雷击危险分量

不同的雷电灾害风险评估体系有着不同的雷击易损性计算方式，为了直观表现雷击易损性，这里不采用任何雷电灾害风险评估体系指标，仅使用无单位的比率直观反映雷击易损性。结合项目环境的近十年的雷电强度幅值累积概率[8]分布，平均强度的雷击环境下有超过安全阈值的雷击分量易损性取值0.5，最大强度的雷击环境下有超过安全阈值的雷击分量易损性取值0.1。使用P表示评估对象的易损性，PA、PB、PC为组成评估对象易损性的三分量，分别表示人身伤害的易损性、电气设备损坏的易损性、弱电设备失效的易损性，评估对象的P计算结果如下。

从上面的分析可以看出，由于调压站设有符合QB 50057 的防直击雷措施，雷击人身伤害的易损性微乎其微，从侧面印证了防雷装置的有效性。但是调压站仍然具有一定的雷击易损性，主要体现在可能的雷击环境下调压站会感应产生雷击磁场，其强度足以造成弱电设备误动作，对调压站内非常敏感的流量计元件等产生影响，造成故障甚至损坏，因此适当加强流量计等敏感设备的屏蔽和等电位防护可间接降低雷电造成的损失。