淺談雷電流效應(yīng)在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳臘生，聶武夫，陳太龍，劉偉峰,馬 崗

(1.中國(guó)石化催化劑有限公司長(zhǎng)嶺分公司，湖南岳陽(yáng) 4140002.湖南省岳陽(yáng)市氣象局，湖南岳陽(yáng) 414000)

雷電的破壞作用強(qiáng)烈，包括熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、火花效應(yīng)等直接損傷效應(yīng)和靜電感應(yīng)、二次電弧效應(yīng)、電磁感應(yīng)等間接損傷效應(yīng)。其中，熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)對(duì)外部防雷裝置影響最大，本文將對(duì)雷電熱效應(yīng)在防雷技術(shù)服務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

雷云對(duì)地放電，當(dāng)閃電擊中地面物體時(shí)，閃電電流產(chǎn)生焦耳—楞次熱效應(yīng)，雖然電流峰值很高，但作用時(shí)間很短，巨大的閃電功率在電弧與地面被擊物體之間傳輸便會(huì)形成熱效應(yīng)。雷電放電通道內(nèi)的溫度高達(dá)6 000～10 000 ℃，甚至更高，能夠使金屬熔化，樹(shù)木、草堆引燃；當(dāng)雷電流侵入建筑物內(nèi)低壓供配電線路時(shí)，可以將線路熔斷。這又包括兩個(gè)方面：一是閃電通道底部與雷擊點(diǎn)處的熱效應(yīng)；二是雷電流注入雷擊點(diǎn)后流經(jīng)金屬體的熱效應(yīng)。閃電通道底部與雷擊點(diǎn)處的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程極為復(fù)雜，可近似看成火花間隙的電弧發(fā)熱現(xiàn)象，其溫升過(guò)程不易準(zhǔn)確計(jì)算；雷電流注入雷擊點(diǎn)以后的發(fā)熱過(guò)程則比較穩(wěn)定，基本上屬于阻性發(fā)熱。實(shí)際上，雷電流的熱效應(yīng)有可能會(huì)對(duì)建筑或環(huán)境(特別是爆炸危險(xiǎn)環(huán)境)造成破壞。因此有必要對(duì)建(構(gòu))筑物防雷裝置的溫升現(xiàn)象展開(kāi)深入細(xì)致的研究。

1 雷擊點(diǎn)的熱效應(yīng)

閃電在與地物接觸之前本質(zhì)上是大氣中的放電現(xiàn)象，類似于長(zhǎng)間隙火花電弧放電。雷擊點(diǎn)的發(fā)熱過(guò)程與雷電流流入導(dǎo)體后的阻性發(fā)熱過(guò)程有很大差別。在雷擊點(diǎn)熱量交換過(guò)程中起決定作用的不是首次雷擊的電荷量，而是長(zhǎng)時(shí)間雷擊的電荷量Q。為了方便計(jì)算，忽略能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中熱量散失的部分，只考慮閃電電弧底部的能量?jī)H用于金屬的熔化，GB50057-2010推薦的熔化體積計(jì)算公式[1]為：

(1)

式中：V——被熔化金屬的體積，m3；

ua·c——陽(yáng)極或陰極表面的電壓降，V，采用30 V；

Q——雷電流的電荷，C；

γ——被熔化金屬的密度，kg/m3；

Cw——熱容量，J/(kg·K)；

θs——熔化溫度，℃；

θu——環(huán)境溫度，℃；

Cs——熔化潛熱，J/kg。

幾種常見(jiàn)接閃器材料的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種金屬物的物理特性參數(shù)

根據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中表F.0.1-4可知，第一類、第二類、第三類防雷建筑物所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)間雷擊電荷量分別為200，150，100 C，環(huán)境溫度取20 ℃，表1的相關(guān)參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算出各金屬物的熔化體積，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各類別防雷建筑物在雷電流作用下對(duì)應(yīng)的金屬熔化體積 m3

通過(guò)計(jì)算可以看出，雷電流在雷擊點(diǎn)接觸處會(huì)對(duì)金屬物造成一定程度的損壞。這一過(guò)程與雷電流流經(jīng)金屬物引起的溫升效應(yīng)明顯不同。雷電流的溫升效應(yīng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)自身而言是不具備傷害性的且是可逆的；而雷電流在雷擊點(diǎn)接觸處對(duì)金屬物的電弧熱熔化卻是不可逆轉(zhuǎn)的破壞性損傷。因此具有承重、受力等結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的金屬構(gòu)件不適合作為接閃器直接承受雷擊。例如懸索橋的鋼纜和吊桿就不適合被直接利用作為接閃器，需要另行架設(shè)接閃帶以保護(hù)其不受直接雷擊。

2 雷電流注入雷擊點(diǎn)后流經(jīng)金屬體的熱效應(yīng)

GB50057-2010版和IEC62305-1的推薦的溫升計(jì)算公式：

(2)

式中：θ-θ0——導(dǎo)體的溫升，K；

α——電阻的溫度系數(shù)，(1/K)，軟鋼取值為6.5×10-3(1/K)；

W/R——沖擊電流的單位能量，(J/Ω),根據(jù)GB50057-2010中表F.0.1-1，第一類防雷建筑物取值為10×106J/Ω；第二類防雷建筑物取值為5.6×106J/Ω；第三類防雷建筑物取值為2.5×106J/Ω。

ρ0——導(dǎo)體在環(huán)境溫度下的電阻率，Ωm；

q——導(dǎo)體的截面積，m2；

γ——物質(zhì)的密度，kg/m3；

Cw——熱容量，J/(kg·K)。

經(jīng)公式變換后可得導(dǎo)體的截面積q的計(jì)算公式如下：

(3)

按GB50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定構(gòu)件的最高允許表面溫度：對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件(如吊車梁等承受重復(fù)荷載的構(gòu)件)不宜超過(guò)60 ℃；對(duì)于屋頂托架屋面梁等不宜超過(guò)80 ℃；對(duì)于其他構(gòu)件(如柱子、基礎(chǔ))則沒(méi)有規(guī)定最高允許溫度值，對(duì)于此類構(gòu)件可按不宜超過(guò)100 ℃考慮。

以鋼導(dǎo)體為例計(jì)算各類防雷建筑物對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體截面積。對(duì)于鋼導(dǎo)體，α取值6.5×10-31/K，ρ0取值為138×10-9Ωm，γ取值為7 700 kg/m3，Cw取值為469 J/(kg·K)，取最終溫度80 ℃作為計(jì)算值，鋼筋的起始溫度取40 ℃，因此鋼導(dǎo)體的溫升考慮為40 ℃。

將參數(shù)代入式(3)后得到各防雷建筑物對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體截面積。

表3 雷電流流經(jīng)各類防雷建筑物鋼導(dǎo)體的截面積

總體而言，隨著鋼導(dǎo)體截面積的增大，雷電流引起的溫升效應(yīng)是減小的。防雷類別越高，導(dǎo)體截面積要求越大。

3 雷電流注入雷擊點(diǎn)后流經(jīng)金屬體的機(jī)械效應(yīng)

當(dāng)雷電流通過(guò)同一導(dǎo)體或金屬構(gòu)建的彎曲部分時(shí)，在彎曲部分的兩端之間，將會(huì)產(chǎn)生沖擊性的電動(dòng)推力，且拐彎的夾角越小，其間的相互電動(dòng)推力也越大。即拐彎的夾角為鈍角時(shí)較小，銳角時(shí)較大，因此接閃器及引下線等都不應(yīng)出現(xiàn)銳角彎曲[2]。如果有一根半徑為r、彎曲成90°的金屬導(dǎo)體，其兩段長(zhǎng)度分別為l1和l2的話，當(dāng)雷電流通過(guò)它時(shí)，作用于l1段上的電動(dòng)推力可以按照下式來(lái)計(jì)算：

(4)

式中：F——作用于l1段上的電動(dòng)推力,N；

r——金屬導(dǎo)體半徑,m；

Im——流經(jīng)導(dǎo)體上的雷電流,kA；

(5)

若某一項(xiàng)目所處區(qū)域最大雷電流幅值為10 kA，金屬導(dǎo)體的半徑r=5 mm，l1=1.5 m，則可以計(jì)算出l1受到雷電流的沖擊電動(dòng)推力F=58 N。這樣大的沖擊性電動(dòng)推力便有可能導(dǎo)致金屬導(dǎo)體斷裂，故在接閃器及引下線的施工及竣工驗(yàn)收過(guò)程中需對(duì)其抗沖擊性進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 雷電流幅值在電磁屏蔽計(jì)算的應(yīng)用

信息中心及機(jī)房為配送中心的控制樞紐，若某項(xiàng)目信息中心及機(jī)房位于聯(lián)合工房二層，聯(lián)合工房按第三類防雷建筑物設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)引下線共計(jì)20根，鋼筋混凝土中的鋼筋均作良好的電氣連通，構(gòu)成一個(gè)格柵形大空間屏蔽體。

依據(jù)規(guī)范GB50057-2010，針對(duì)以下兩種情況：①直接雷擊；②鄰近雷擊，分別估算信息中心及機(jī)房?jī)?nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4.1 直接雷擊時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度估算

當(dāng)其遭受直接雷擊時(shí)，引下線根數(shù)n不少于3根，當(dāng)接閃器呈閉合環(huán)或網(wǎng)狀的多根引下線時(shí)，引下線分流系數(shù)為0.44。當(dāng)信息中心及機(jī)房遭受直接雷擊時(shí)，根據(jù)雷電流在引下線中的分流情況，可計(jì)算出每根引下線的最大電流強(qiáng)度，并估算出引下線附近的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度。估算公式參考無(wú)限長(zhǎng)載流導(dǎo)體磁場(chǎng)強(qiáng)度H公式：

H=i/(2·π·Sa)

(6)

式中：H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

i——引下線中的分雷電流強(qiáng)度,kA；

Sa——所考慮點(diǎn)至引下線的水平距離,m。

首次雷擊時(shí)，雷電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于后續(xù)雷擊時(shí)的雷電流強(qiáng)度，因此，以下估算均討論首次雷擊的情形。

表4 首次雷擊引下線附近的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度

考慮最惡劣的情況，并兼顧實(shí)用性，根據(jù)被考慮點(diǎn)與引下線的不同距離(典型值1～5 m)，對(duì)雷電流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。其中i0=262.1 kA是項(xiàng)目所在地5 km半徑范圍內(nèi)的最大閃電強(qiáng)度。

根據(jù)GB/T2887-2000《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》，要求機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度不大于800 A/m。因此，如果信息中心及機(jī)房離引下線距離過(guò)近，其內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)800 A/m時(shí)，需在機(jī)房四周加裝金屬屏蔽網(wǎng)格，使機(jī)房?jī)?nèi)部形成防雷分區(qū)的LPZ2區(qū)，加裝的屏蔽網(wǎng)格必須使機(jī)房?jī)?nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足低于800 A/m的要求，并且盡可能降低[3]。機(jī)房屏蔽網(wǎng)格所需的屏蔽系數(shù)SF可用下式估算：

SF=20·lg(H1/H2)

(7)

式中：H1——LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，即信息中心及機(jī)房?jī)?nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

H2——LPZ2區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m，即加裝屏蔽網(wǎng)格后內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，上限值為800 A/m，這里取800 A/m進(jìn)行估算。

當(dāng)選用的屏蔽網(wǎng)格材料為鋼時(shí)，估算公式如下：

(8)

式中：w——格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度，m；

r——格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑，m。

安全距離ds的估算采用如下公式：

ds/1=w·SF/10SF≥10時(shí)

ds/1=wSF<10時(shí)

根據(jù)被考慮點(diǎn)距離引下線的不同(典型值1～5 m)，表5、表6估算出該點(diǎn)處所需的屏蔽網(wǎng)格寬度，還給出屏蔽網(wǎng)格內(nèi)部對(duì)應(yīng)的安全距離。

表5 不同距離屏蔽網(wǎng)格寬度

表6 不同距離設(shè)備安全距離

表5、表6中：①雷電流強(qiáng)度均為首次雷擊的雷電流強(qiáng)度；②網(wǎng)格寬度和安全距離是按照屏蔽材料為鋼結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，材料截面積為50 mm2；③根據(jù)GB/T2887-2000《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》，要求機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度不大于800 A/m，以上所有的屏蔽網(wǎng)格寬度和安全距離均按照屏蔽后的場(chǎng)強(qiáng)為800 A/m計(jì)算得出，實(shí)際使用時(shí)，為安全起見(jiàn)，可以選用適當(dāng)?shù)钠帘尉W(wǎng)格寬度；④施工圖設(shè)計(jì)可適當(dāng)將引下線變更設(shè)計(jì)至遠(yuǎn)離信息中心及機(jī)房區(qū)域，以減小雷電流釋放對(duì)機(jī)房的電磁干擾。

4.2 鄰近雷擊時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度估算

鄰近雷擊情況下，入射磁場(chǎng)可近似看作一個(gè)平面波。LPZ0B區(qū)入射磁場(chǎng)強(qiáng)度H0可按下列公式估算：

H0=i/(2·π·Sa)

(9)

雷擊所致的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值由首次雷擊產(chǎn)生，若雷電流選擇i=262.1 kA，表7中分別列出雷擊點(diǎn)距該樓為100，200，500，1 000，1 500，2 000，3 000 m時(shí)，信息中心及機(jī)房無(wú)衰減的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0。

從表7可以看出，鄰近雷擊時(shí)該區(qū)無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度H0均小于800 A/m，經(jīng)過(guò)鋼筋混凝土屏蔽衰減后，該區(qū)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于建筑內(nèi)機(jī)房設(shè)備的影響可以忽略，因此鄰近雷擊在該區(qū)內(nèi)引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以不予考慮。

表7 不同雷擊點(diǎn)在該區(qū)產(chǎn)生的無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度H0

5 結(jié)論

a)雷電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)引起熱效應(yīng)溫升過(guò)程中，導(dǎo)體的截面積起很大影響。截面積與溫升的變化呈負(fù)相關(guān)。雷電流的溫升效應(yīng)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)不具備傷害性且是可逆的。

b)雷電流在雷擊點(diǎn)處和流經(jīng)金屬體時(shí)的熱效應(yīng)過(guò)程有明顯區(qū)別。前者是電弧熱能量轉(zhuǎn)換至金屬體，后者是單純的阻性發(fā)熱[4]。雷電流在雷擊點(diǎn)接觸處對(duì)金屬體會(huì)有明顯的熔化破壞效應(yīng)，具有承重、受力等結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的金屬構(gòu)件不適合作為接閃器直接承受雷擊。

c)應(yīng)用雷電觀測(cè)的雷電流幅值數(shù)據(jù)，可估算某一特定電子信息系統(tǒng)遭受直接雷擊或鄰近雷擊時(shí)其內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而采取相應(yīng)的電磁屏蔽措施以減少閃電電磁感應(yīng)的危害[5]。