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

地閃放電過程可看成是云地之間超長間隙擊穿空氣放電過程，當(dāng)云層聚集電荷量足以使云地之間的電場強度達(dá)到擊穿臨界值時，云層電荷便會對地放電，與地面的迎面先導(dǎo)連接時發(fā)生雷擊過程。先導(dǎo)步長為幾十米至數(shù)百米，觸發(fā)先導(dǎo)的發(fā)展受云層電場和先導(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，地面電場情況受到地形、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。

雷擊空間電磁場計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，近年來，學(xué)者采用FDTD法來解決數(shù)十至數(shù)百米大雷擊空間雷擊場的數(shù)值計算方法[1-3]。架空線路近地電場由雷暴云靜電場、下行先導(dǎo)通道激勵電荷場及地面物體感應(yīng)場3部分進行矢量疊加作用，研究電場分布通?？紤]雷暴云靜電場，并將下行先導(dǎo)激勵場作為近地電場的激勵分量電場。在以上電場作用下，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。當(dāng)雷云和導(dǎo)線之間電場達(dá)到放電臨界場強25～30 kV/cm時[4]，先導(dǎo)就會逐步發(fā)展形成閃電過程。因此通過仿真計算電場分布特性可對放電路徑差異性進行分析。

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)，其頂端畸變電場容易產(chǎn)生迎面向上先導(dǎo)。計算時，假設(shè)此時下行先導(dǎo)頭部位置為一級定位點，此后下行先導(dǎo)將沿與地面空間電場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或順序產(chǎn)生。上下行先導(dǎo)的連接過程取決于下行先導(dǎo)最后的躍變，下行先導(dǎo)此時的位置可定義為二級定位點。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)計截面不同高程的各相鄰點所連成的曲線圖，架空電力線路規(guī)劃設(shè)計以及工程施工中桿塔及線路的架設(shè)布置不可避免的會重點考慮地形地貌的走勢特征。高程參數(shù)是其中一項重要地理信息，其反映了架設(shè)線路平斷面的地形地勢起伏變化特征，其數(shù)值與直線桿、轉(zhuǎn)角桿、線路單跨距長度以及線路弧度桿等架設(shè)定位數(shù)據(jù)相關(guān)，如平斷面走勢設(shè)計中相鄰桿塔高程落差超過規(guī)程值，易導(dǎo)致導(dǎo)線受力不均，導(dǎo)致線路故障風(fēng)險將會加劇。考慮三維地形空間計算復(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行分析，有助于反映高程信息對雷擊空間電場分布差異性影響。

實現(xiàn)方法是基于CAD制圖軟件利用電力系統(tǒng)優(yōu)化插件實現(xiàn)將地形測試GPS高程數(shù)據(jù)向選取地形二維平斷面圖的轉(zhuǎn)化，測量數(shù)據(jù)源獲取于GPS或全站儀測量工程數(shù)據(jù)，其可直接通過插件自動提取數(shù)據(jù)功能導(dǎo)入生成平斷面，測量未生成電子數(shù)據(jù)或通過人工測量數(shù)據(jù)的可通過表單輸入方式單個輸入不同測量點以生成平斷面。為避免平斷面的選取高程差過大，可以參考等高線圖（地面上高程相等的各相鄰點所連成的閉合曲線）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)計插件中添加地形點測量數(shù)據(jù)或自動獲取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就表示此位置高程），布桿設(shè)置為自動，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擊地形圖轉(zhuǎn)斷面圖及連接斷面地形點后生成所需平斷面圖，繼而通過插件自動連續(xù)繪制桿塔后可實現(xiàn)連接桿塔間的線路及對線、對地安全線。

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)展條件下對地面電場強度影響較大，為模擬特定實際地形起伏變化，截取四川省某市山區(qū)地形（地形高程及里程數(shù)據(jù)（見表1）為例實現(xiàn)利用多點GPS高程數(shù)據(jù)建立其橫斷面模型?？紤]架空線路距離長及地形地貌、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，選取雙檔距局部線路進行建模，根據(jù)線路設(shè)計安裝規(guī)程尺寸及平斷面地形建立架空線路雙檔距模型，見圖1。平斷面最左側(cè)地形點位置為坐標(biāo)原點，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GPS測量數(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，計算中激勵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，雷暴云靜電場計算實際模型見圖2。

圖1 構(gòu)建仿真雙檔距實際架空線路模型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]。

繪制靜電場模型，預(yù)處理單位模型采用二維靜電場分析中的Plane121二維8節(jié)點靜電單元及Infin110二維4節(jié)點或8節(jié)點無限遠(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)場耗散問題，采用Infin110無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劃分，同時采用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，以滿足計算精度要求。仿真參數(shù)采用國際單位，電壓單位為kV，長度單位為m。

2 雷暴靜電場區(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發(fā)生變化，采用節(jié)點電位能更直觀地反映電場分量的空間分布特征，對比架設(shè)線路附近空間不同觀測路徑電位可分析空間電場變化趨勢?；谇笆龇抡婺Ｐ驮O(shè)置參數(shù)，施加邊界條件和激勵源進行仿真計算，得出架設(shè)線路附近節(jié)點電位分布等值線見圖3，調(diào)整顯示電位步長并對架空線路局部顯示放大見圖4。

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

圖4 調(diào)整步長顯示架空線路局部節(jié)點電位分布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作用下出現(xiàn)越靠近地面空間節(jié)點電位越小，電場強度的變化率也逐漸趨緩，而同時受架空線路存在的影響使得電場強度圍繞線路空間出現(xiàn)一定程度電場畸變，兩側(cè)桿塔突出位置處節(jié)點電位畸變尤為明顯，解釋了工程中物理突出位置靜電感應(yīng)過電壓通常較高原因。為研究靜電場空間分布特性，按照圖5中數(shù)字（1-7）順序和坐標(biāo)設(shè)置電場水平及垂直觀測路徑，提取電場矢量強度路徑映射結(jié)果見圖6。

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

圖6 靜電場路徑映射計算電場強度矢量和（EFSUM）Fig.6 The vector sum of electric field intensity（EFSUM）by the calculation of path mapping.

分析圖5和圖6不同路徑電場矢量強度變化趨勢，可得出以下規(guī)律：

1）對比路徑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，雷暴電場強度值越大，同時電場強度越靠近中心位置，其在垂直方向上變化趨勢逐漸減小。

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

3）觀察路徑4—5可知，在其路徑上電場強度出現(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)特性對電場具有一定的屏蔽作用，故路徑點4與5之間（沿路徑方向進出屏蔽區(qū)域）電場強度值依次出現(xiàn)兩次突變現(xiàn)象。雷暴靜電場作用下架空線路區(qū)域頂部區(qū)域電場強度較強，電位等值線較其他位置密集，證明其激勵電場分布相對集中；同時線路兩端桿塔最高端電場畸變明顯，桿塔和導(dǎo)線頂部電場畸變程度近乎階躍式突變，下行先導(dǎo)發(fā)展的過程中先導(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，地面附近等位線分布變化幅度較小。

3 先導(dǎo)發(fā)展電場仿真與放電路徑差異性定性分析

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

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算時刻下行先導(dǎo)躍變高度Hy≈121～400 m，本文下行先導(dǎo)仿真計算形狀參考學(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時線路附近及局部空間節(jié)點電位等值線分布。

從先導(dǎo)發(fā)展至400 m時仿真電場空間分布規(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，同時等值線較其他區(qū)域密集，表明此區(qū)域先導(dǎo)激勵電場分布較為集中，而遠(yuǎn)離架空線路區(qū)域電位等值線分布逐步變稀；線路區(qū)域受線路電壓激勵源影響等位線分布尤為密集，節(jié)點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空間沿不同垂直路徑分布特征，設(shè)置4條垂直觀測線為電場強度提取路徑（見圖9），400 m下行先導(dǎo)作用下映射電場矢量強度變化特性見圖10。

圖7 先導(dǎo)發(fā)展高度400 m時線路附近空間節(jié)點電位分布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)作用下電場垂直觀測路徑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)作用下垂直觀測路徑映射電場矢量強度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不同路徑電場矢量強度變化趨勢，可得出以下規(guī)律：

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

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

3）對比3與2、4觀測線電場強度發(fā)現(xiàn)距離線路高度0～35 m處線路兩側(cè)上方，電場強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，主要原因在于模型設(shè)置檔距空間有限，兩側(cè)的桿塔位于制高點缺少線路屏蔽作用而使電場在桿塔附近出現(xiàn)畸變，4號與2號觀測線電場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，其空間電場矢量和分布見圖11。

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

根據(jù)觀測下行先導(dǎo)探測數(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應(yīng)電場矢量分布見圖12。

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

圖12 電荷集中先導(dǎo)頭部時空間節(jié)點電位分布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)電場分布特性，也影響走廊內(nèi)的雷擊頻次，文獻[15]統(tǒng)計珠三角地區(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)相對于平原地區(qū)會增加在線路附近地閃發(fā)生概率的結(jié)論。為進行不同地形下放電路徑分布的差異性進行定性分析，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)進行電場分布特征仿真，分析不同地形下雷擊位置潛在發(fā)展趨勢，以驗證上述統(tǒng)計結(jié)論。

建立不同地形下先導(dǎo)影響電場分布的架空線路桿塔模型（見圖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 電場仿真計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條件下空間電場分布與分布節(jié)點電位圖（顏色從深到淺表示電位或電場依次增加）。

圖14 建筑區(qū)（左）與平原區(qū)（右）先導(dǎo)影響電場空間變化分布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)空間電場分布特性可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）建筑區(qū)電場變化區(qū)域相對于平原地區(qū)孤立點更廣、畸變點更多，說明建筑區(qū)相對于平原區(qū)雷擊風(fēng)險更大，雷擊桿塔及線路附近概率也越大。

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

3）對建筑物形狀和高度影響分析發(fā)現(xiàn)，建筑物高度越高，其對電場變化影響的空間范圍也越大，制高點的電場強度相對于較矮同種形狀建筑物更強，與現(xiàn)行建筑物雷電防護基礎(chǔ)理論一致；另外從建筑物尖端節(jié)點電位分布看出，尖端尺寸越小，引起尖端部位局部電場畸變程度越大，更易導(dǎo)致尖端在電暈環(huán)境達(dá)到電場閾值觸發(fā)上行先導(dǎo)，從而增加尖端的接閃概率，與文獻[16-17]利用實驗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與節(jié)點電位等值線分布。

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)空間電場分布仿真圖有以下規(guī)律：

1）山區(qū)桿塔附近電場相對平原區(qū)及建筑群畸變程度強，可推測山區(qū)桿塔及線路遭雷電直擊概率相對較高，但由于山區(qū)桿塔電場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)在地形突變點桿塔附近電位變化率較高，而地形相對平緩位置桿塔附近電位變化率變低，同時與先導(dǎo)頭部距離增加電位變化率有降低趨勢。

綜合3種不同地形下雷電先導(dǎo)發(fā)展過程中電場強度與電位等值線分布進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)過電壓的危害也最大；山區(qū)桿塔線路相對于其他地形，由于缺少屏蔽作用，其雷電直擊風(fēng)險最高，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[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結(jié)論一致。

5 線路設(shè)計與雷擊防護

5.1 電場畸變點控制

通過建模分析，可確定架空線路設(shè)計中減少線路突出點位置數(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畸變的防護方式：

1）通常桿塔位置較線路其他位置電場畸變程度要高，線路架設(shè)設(shè)計時實現(xiàn)將線路弧度、桿塔高度及橫擔(dān)位置、地線保護角度的整體設(shè)計配合，將電場畸變區(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)過電壓。

2）降低接地電阻可實現(xiàn)保護地線、桿塔的電位均衡，消除由于局部電位不均衡而帶來的電場畸變。

3）線路架設(shè)地理位置的考量也是降低線路電場畸變的有效方式，仿真說明，將線路架設(shè)在建筑群區(qū)（埋地效果更好）線路附近電場畸變點最少，即使不可避免地架設(shè)在山區(qū)，也應(yīng)盡量避開地形起伏點，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

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

1）三相架空線、保護地線及桿塔之間的保護角度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐亻W統(tǒng)計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)驗公式統(tǒng)計不同角度及不同架設(shè)方式下雷擊不同位置的放電概率，實現(xiàn)線路最優(yōu)化防護效果。

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地線、降低桿塔對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)安裝級數(shù)[20]，可有效降低由于雷擊引起的線路感應(yīng)過電壓，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效果。

6 結(jié)論與建議

基于GPS測量地形數(shù)據(jù)建立實際地形橫斷面圖，分析計算了特定地形下雷暴空間靜電場及雷電先導(dǎo)在不同高度時刻雷擊電磁場分布及變化特性，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變化趨勢，繼而對線路附近空間不同位置接閃放電路徑概率進行差異性分析，得出如下結(jié)論與防護建議：

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

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

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）可利用仿真計算空間電場分布特性對電場畸變及預(yù)判放電路徑作出線路雷擊防護具體措施的依據(jù)。