雷直擊建筑物時室內電磁環境研究

李 斌

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

1 雷直擊建筑物時結構鋼筋中的電流分布計算

各分支導體的電流分布是基于導體的電氣各項參數，然后把導體進行等值的表示成為耦合π型的電路，之后再把這些耦合π型的電路組成等值網絡，就可計算出各分支導體的電流分布。

本文結合專業特點，利用較為成熟的電磁暫態計算程序——EMTP，對所述問題進行數值求解。分析不同雷電流波形對電流分布的影響，模型結構見圖1，圖2。

1.1 雷直擊時結構鋼筋中電流分布的計算

對結構簡單的模型A和B進行了電流分布計算，所采用的電流源波形為10/350 μs。計算中認為大地是理想導體。結構A和B的計算結果如表1所示，表1中各分支導體的電流分布為電流幅值的最大值與總的雷電流幅值之比的百分數。

表1 不同結構時的電流分布 %

如表1所示，較高的沖擊電流位于雷擊點的正下方分支的導體，但是其他分支導體也有更為明顯的分流左右，所以，應該在建筑物設計雷防的時候應該盡可能多的設計分流導體。

對比各分支導體中的電流波形，發現與總電流波形基本一致，見圖3。

值得一提的是，在GB 50057—94建筑物防雷設計規范第3.3.4條中引用的分流系數kc，“單根引下線應為1，兩根引下線及接閃器不成閉合環的多根引下線應為0.66，接閃器成閉合環或網狀的多根引下線應為0.44”，在上述兩種結構，推薦kc=0.44，這與計算結果是比較接近的。當然，規范給出的系數是比較粗糙的，它是針對長寬高均相等的對稱結構而言的。

1.2 雷電流波形對電流分布的影響

為了分析雷電擊波對電流分布的不同影響以及波頭時間范圍從0.25 μs～10 μs，對結構A進行了計算，計算結果如表2所示。

表2 不同波形時結構A中的電流分布 %

由表2可見，對于結構A來說，不相同的波形下電流分布幅值的平均值的百分比幾乎沒有變化，這是因為沒有考慮參數的頻變特性(參數是恒定的)，因此電流分布百分比主要取決于電路結構，而與波形基本無關。

由上述分析可知，不同波形時分支導體1的電流隨著波頭逐漸減小而逐漸出現振蕩，而且波頭越小電流的振蕩就會越嚴重。分析其原因就是在波頭減小時，電路的自振頻率附近的分量會隨著沖擊電流的減小而逐漸增加。

電流源波頭越短，振蕩越嚴重，盡管振蕩的軸線(近似取平均值)不會隨波頭變動基本不會改變，但在實際的建筑物中相當于分流增加了，會對建筑物中的電子系統的干擾值加大。

另外，在同一種結構中，無論其電流源波頭怎樣，其振蕩頻率是基本穩定的，因為在不考慮參數頻變特性的情況下，電路結構決定了振蕩頻率。由此可以推測出來，在大型建筑物中，由于其幾何尺寸很大，其電路自振頻率較低，較長波頭的電流源也能引起明顯的振蕩現象。因此，在雷直擊建筑物時的電磁暫態研究中，電流源的波頭是一個十分重要的因素。

2 雷直擊建筑物時空間磁場分布的計算

雷直擊建筑物時室內的電磁干擾計算，這是一件十分復雜的工作，但同時又是十分重要的。因為在現實的建筑工程中，最重要的因素即是建筑物內電磁干擾的程度，電磁干擾的程度對室內的電子設備和人身安全造成多大影響甚或是危害都是很重要的考慮因素。

已知分支導體的電流分布，要求解該電流對室內空間可能存在的金屬回路的電磁感應，推薦采用場的方法。采用通過求解磁感應強度的方法來計算回路的感應電動勢，其優點是可以充分考慮電磁場的各個分量。

本部分采用場的方法，力求對這方面的問題作出一些定量分析。具體思路是：在前一節得到各結構鋼筋電流分布的基礎上，從電磁場的基本方程出發，先求出室內空間的磁場分布，然后求出室內各種金屬回路的感應電壓。

2.1 雷直擊時室內磁場分布的計算

本文對結構B進行了計算。在本文的一般計算情況下，所用電流為10/350 μs，并以10 m為一個分段長度。

分別計算了平面z=0 m,5 m及10 m處磁感應強度最大值的平面分布以及點(1，1，0)處的磁感應強度及其各分量隨時間的變化情況。計算中，將10 m長的導體按0.5 m均分成20段，因此z平面中有19×19=361個點。

同一平面內的磁感應強度最大值的峰值出現在緊鄰四根豎直導體的地方，而且電流大的導體附近，其磁感應強度最大值的峰值也大。另外，由于物理結構的對稱，同一平面內磁感應強度最大值也呈對稱分布。

隨著z的增加，同一x，y所對應的磁感應強度最大值逐漸減小。因此，離地面越近，磁感應強度越大。

綜上所述，可以得出以下結論：越靠近導體，磁感應強度越大；導體電流越大，磁感應強度也越大。

2.2 雷電流波形對磁場分布的影響

本節對結構B進行了不同波形下的磁感應強度計算，且以10 m為一個分段長度。

分別計算了z=0 m處磁感應強度最大值的平面分布及點處的磁感應強度隨時間的變化情況。另外，還給出了點(1，1，0)處的磁感應強度最大值與波頭的關系曲線。

不論電流源波形如何變化，磁感應強度最大值分布非常相似，均是在緊鄰豎直導體的地方出現峰值。盡管如此，但其同一點的最大值隨著波頭的減小而有較大的增加。

隨著電流源波頭的減小，磁感應強度呈現明顯的振蕩形式，而且盡管振蕩的軸線(近似取平均值)基本不隨波頭而變，但實際上是磁感應強度最大值的峰值增加了。另外，磁感應強度的振蕩頻率只與電路結構有關，而與電流源波頭無關。

因此，可得出以下結論：磁感應強度與電流源波頭密切相關，波頭越短，磁感應強度越大。

3 結論

1)在電氣參數的基礎上，本文利用EMTP程序的Windows版本PSCAD計算了導體中的電流分布。

2)通過研究雷電流波形對電流分布的影響發現，在研究建筑物雷電暫態特性時，建筑物結構尺寸越大，沖擊電流波頭時間越小，分支導體中的電流振蕩越嚴重。而且，振蕩頻率只取決于電路結構參數，與雷電流波形無關。

3)雷直擊建筑物時室內的電磁干擾計算，是一件十分復雜的工作。首先求解出電流分布，其次從電磁場的基礎理論出發，求解出建筑物內空間磁場的分布，繼而求出室內各種金屬回路的感應電壓。

4)對結構B進行了不同波形下的磁感應強度計算，計算結果表明，磁感應強度與電流源波頭密切相關，波頭2 980×0.2越短，磁感應強度越大。

參考文獻:

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