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雷电流波形对雷击建筑物时室内磁场分布的影响 |
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| 雷电流波形对雷击建筑物时室内磁场分布的影响 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:25:20  |
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王庆1 傅正财1 周岐斌1 杜亚平2
1.上海交通大学 上海200030 2.香港理工大学
0 引言
建筑物的导电构架常被用作其避雷系统的引下线。建筑物遭雷击时导电构架上流经的雷电流在室内产生的瞬态电磁场可能干扰敏感电子设备的正常运行。因此雷击时室内电磁环境的分析对雷电危害的准确评估具有重要意义。在雷击时室内电磁场分布的数值仿真和模型试验方面已有较多研究[1,4]，在这些研究中雷电流通常被模拟为波头时间>2 μｓ的双指数波。但有观测结果表明实测的雷电流波形可能要陡得多，波头时间<1 μｓ的并不罕见[2～3]。现有文献在雷电流波形对室内磁场分布的影响方面尚缺乏研究。本文用该数值仿真方法对此进行分析。
1 数值仿真方法及其实验验证
建筑物的导电构架可看成互相连接的分支导体构成的框架，见图1。当建筑物尺寸远小于雷电流波的等效波长时，室内电磁场可看成准静态场。在导电构架模型中将各分支导体分段，每段用集中参数π形等效电路表示。建立导电构架等效电路模型后，可用电路法计算构架中的电流分布 ，再用麦克斯韦方程和比奥—萨法特定律求解建筑物内的磁场分布[4]。据此编写了计算室内磁场分布的数值仿真软件。
图1所示的导电构架模型用直径1 cm的圆钢构成3×4×3的导体网格，每段长0.6 m。施加7.8/16 μｓ峰值为1.7 kA的试验电流。用罗果夫斯基线圈测量各支路电流，用自制磁场测量线圈测量空间磁场，经校核测量系统线性误差<5%。将相应的双指数脉冲电流波形参数代入仿真程序得到计算值。图2比较第二层中垂直支路分流系数(支路电流与总注入电流的峰值之比)的测量值与计算值 。实测和计算值间差异<10%。为减小引线电流(从Y轴方向引入)的影响，测量Y方向的磁场。图3是在Z=90 cm(第二层)，X＝3 cm的各点上磁感应强度的测量和计算结果，实测值和计算值吻合。
2 雷电流波形的模拟
为分析雷电流波形对雷击时室内磁场的影响，用表1的6种雷电流模型进行仿真计算。模型A和B是根据文献[2]提出的雷电流模型忽略建筑物高度的影响得到的。A、B和C的波头时间相近，形状相异，见图4。C在出现波峰后电流衰减较慢，B有较大直流分量，C、D、E和F都是双指数波，主要差别为波头时间不同。
模型A的表达式为：
模型B的表达式为：
3 雷电流波形对室内磁场分布的影响
导电构架如图1所示的建筑物，假定各分支导体长10 m，直径2 cm，电阻率ρ＝9.8×10-8Ω·ｍ，接地电阻0.25 Ω，雷电流从楼顶的一角引入。用表1中的6种雷电流模型计算各分支导体上的电流分布和高度为5、15和25 m平面上的磁场分布。模型A、B、C下分支导体上的电流波形大致相同，有较强的高频振荡。图5比较采用模型B和D计算的第10条分支导体(图1中虚线位置)上的电流波形。采用模型D时的电流波形上的高频振荡要小得多。
用不同的雷电流波形算得的磁场分布见表2。用模型A、B、C计算的三个楼层上的磁场分布大致相同。图6是采用B计算的第二层的磁场分布。比较表2中用C、D、E和F计算的磁场分布，在相同雷电流峰值下，波头时间越短室内的磁场强度越大。雷电流波形对磁场分布的影响是电流波在导电构架中的折反射引起的。因而雷电流的波头时间对磁场分布的影响较大，而雷电流波形形状的影响很小。此外，当波头时间较大时，随着楼层的降低磁场明显下降。在波头 时间<1 μｓ时各层间的磁场分布较接近。此时虽然随着楼层的降低电流分布渐趋平衡，但低层分支导体上的高频振荡加剧，导致低层空间的磁场强度变大，使各层间的磁场分布相接近。
为进一步了解雷电流波头时间对磁场分布的影响，在1×2×2的建筑物导电构架模型上(分支导体长度为10 m)，采用C、D、E、F进行计算。图7是在高度为15 m(第二层)和5 m(第一层)处，沿X＝0.5 m各点上的磁场分布(以雷击点正下方地面处为坐标原点)，图中4条曲线从上到下依次对应于模型C、D、E、F。室内磁场强度随波头时间减小而升高的趋势很明显。
4 结 论
不同雷电流波形下室内磁场分布的仿真结果表明，在雷电流波头时间相近时，雷电流波形的形状对建筑物导电构架上的电流分布和空间磁场分布影响不大，但雷电流波头时间的影响较大，波头时间越短室内磁场越大。在雷击时室内磁场分布的估算中采用双指数雷电流波形即可，但采用的波头时间>2 μｓ时会因波头陡度不足而低估室内可能出现的磁场水平。
参考文献
1Sowa A. Surge Current Distribution in building during a direct lightning stroke. In: Proc IEEE 1991 Int Symp EMC, New Jersey, 1991
2 Nucci C A et al. Lightning return stroke current models with specified channel base current: a review and comparison. Geophys Res, 1990, 95:20395
3 Cooray V et al. The effects of variation of current amplitude, current risetime, and return stroke velocity along the return stroke channel on the electromagnetic fields generated by return strokes. Geophys Res, 1990, 95:18617
4 戴传友.雷击金属结构物时近区磁场分布的研究.武汉水利电力大学博士学位论文.武汉，1998
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