网站原创摘 要：雷电是高层建筑物的危害来源之一,给人们的日常生产、生活带来了直接、严重的影响.雷电防护问题是低压弱电和高压强电的综合体,研究高层建筑物安全有效的雷电防护措施,降低雷电灾害所带来的损失及严重危害,是工程技术人员及相关领域的学者所面临的重要课题.文章从雷电灾害对高层建筑产生的雷击效应出发,研究雷击高层建筑时所产生的感应磁场、感应电流等,分析雷电流在高层建筑物金属构架上的分布及室内的磁场分布情况,探讨避雷系统对建筑物内的磁场分布的影响,从而研究现代高层建筑的雷电防护技术,对工程技术人员进行雷击灾害防护工作提供参考.
关 键 词：高层建筑；雷击；防雷设计；雷电流分布
中图分类号：TU976.1文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）17-0137-03
随着信息化时代的日益发展,雷灾出现与以往不同的新特点：遭受雷电灾害的范围逐年扩大,从过去主要集中在建筑与电力等领域,现如今几乎所有行业都会波及到,尤其是电子工业、航天航空、邮电通信等与高新技术关系密切的领域.在空间领域上,雷电灾害由二维扩展到三维空间；过电压波以及闪电直击沿线传输是传统雷电灾害的入侵方式,脉冲电磁场在现代雷电灾害中成为主要的表现形式,能够入侵到三维空间的任意位置.与此同时,防雷工程也随之发生变化,目前主要是防雷电电磁脉冲.科学技术的发展使得雷灾的攻击对象为高层建筑的电子设备,同时成为雷电电磁脉冲的破坏对象.
雷电干扰高层建筑的途径主要包括：强雷电流在高层建筑避雷设备遭受雷击时,沿钢筋结构导入大地,产生过压干扰电子设备,导致接地装置电位升高、电子设备反击；建筑金属管线遭受雷击时,在金属管线上形成直击雷过电压,雷击金属管线附近的物体,产生感应过压,危害室内电子设备；在几种雷击干扰中,雷击高层建筑避雷系统的危害最大,研究室内雷电电磁场分布情况,是分析高层建筑内各种电子设备和系统雷电危害的要点.
1雷击建筑物内导体电气参数
现代高层建筑物防雷设计,往往利用建筑物结构钢筋等金属导体安装防雷系统,通常称为“法拉第笼”,如图1所示,能够全方位预防高层顶部及侧面遭受雷击,使整个建筑物得到保护,同时屏蔽、均衡暂态对地悬浮电压.
笼网式避雷属于多分支导体系统,当高层建筑遭受雷击时,这些分支导体就成为传输强雷电流的主要途径.同时产生雷电暂态过程,其电磁效应将威胁高层建筑内的电子设备.为了估计暂态电磁效应,需要确定雷电流的分布情况,并以此为参考数据,最终确定电磁场在高层建筑内的分布,得到感应磁场场强的大小,为保护高层建筑的电子设备提供依据.
依据静态系统原则,对高层建筑防雷导电整体结构分段,并将每段简化为耦合π型电路,如图2所示.一定数量的耦合π型电路单元即等效为防雷系统,求解等值网络,即得其电磁暂态过程.
研究当中通常用电容、电阻等电气参数对电气特性进行描述.由于在各分支导体之间存在电磁耦合,这些参数以矩阵形式表现出来,随频率的变化而变化.给定各分支的几何尺寸及空间坐标,即可计算其电气参数.
通常利用均电位法求解高层建筑结构钢筋分支导体电容参数.对导体任一点的电位求解,求导体尺寸积分均值,求出电位系数.导体i、j相互垂直,直径均为2a,与各自的镜象关于地面对称.设导体i、j的线电荷密度分别为qi,qj,则导体i上任意一点Zg,导体i、j的互电位系数为：
建筑结构钢筋的阻抗参数受频率影响,通常利用诺依曼公式求解.对任意竖直平行导体,将与地面下某一复数深度平面对称,该复数深度定义为：
对不规则位置的分支导体,可以先将其用折线逐段取代,再对折线段求解电容、阻抗参数.
2雷击感应电流及建筑物内磁场分布
雷电流属于单极性的脉冲波形,约有80%～90%是负极性的.由于第一次放电的电流幅值最高,在防雷设计中要重点对主放电的影响进行考虑.为了把这种流动波在雷电暂态中进行近似反映,需要利用分段方法对防雷系统的导体进行研究.由于段长过长会影响计算精度,段长选得过短会使电路模型复杂化,在建立防雷电路模型时,导体段长至关重要.解决如何进行合理分段问题,可以先对雷电流波形的频谱进行分析,然后再做其他计算.在计算雷电暂态数据时,总是给定雷电流源的波形参数.雷电流源波形通过双指数函数表示,经过傅里叶变换可得：
当子导体系统逐个被π型电路单元所取代时,整个防雷系统就被转化为等值电路,这些等值单元电路由耦合π型电路组成,该等值电路属于线性电路,包含了电容、电感以及电阻；得到完整的雷电暂态模型后,即可利用相应的算法对雷电暂态响应进行求解.节点电压法以节点电压作为未知量,是常用的求解方法,其矩阵方程为：
In等于YnUn
其中,In为注入节点的电流源向量,Yn为节点导纳矩阵,Un为节点电压向量.在暂态计算开始时刻,相应电容和电感的初值来确定各历史电流源数值,开始暂态时刻雷电流源数值与历史数值,二者共同决定了开始时刻节点电流源向量In；算出新的历史电流源数值,按节点方程解出节点电压向量Un,再与新时刻的雷电流源数值一起更新节点电流源向量In,利用上述方法,经过反复求解,即可得出在指定时间段内整个网络的暂态解.
对室内电磁场分布求解,其常用方法为：其一,先求分支导体与被感应金属回路电感,再求出金属回路的感应电磁场；其二,根据分支导体的电流分布,得出被感应的金属矢量磁位,然后确定磁场分布状况.方法二能够对电磁场分布状况进行较全面的考虑.通过计算电磁场实现对电磁场的暂态分析,根据麦克斯韦方程组计算电磁场.建立逼近实际建筑工程电磁场的数学模型,然后通过离散化处理,转化为等价的离散数学模型,构成离散方程组并求解,得到某一空间范围内任意点处的磁场强度,通过这些理论分析,结合计算数据,为防雷工程优化设计提供依据.电磁场数值计算中有限差分法是应用最早且最常用的方法.在应用有限差分法求解暂态磁场时,利用网格剖分对电磁场域进行离散化处理,最终由网格节点的集合构成；以各离散点上函数差商近似替代该点的偏导数,将偏微分方程定解转化为差分方程组,解出各离散点函数值,再通过插值方法从离散解得到整个电磁场域的近似解.
在求高层建筑内雷电暂态电磁场时,先采用上述方法对分支导体及其镜像导体细分,计算各小段电流在该点的磁感应强度,将所有小段电流在该点的电磁场矢量合成,即得该点的电磁场.
3高层建筑防雷系统相关设计
在高层建筑遭受雷击时,能够计算出建筑物金属结构内雷击电流的分布情况,获取到室内电磁场的分布,为工程施工及检测提供参考,是高层建筑防雷工作设计的关键任务.配置高层建筑物的大规模物理结构参数,输入雷击电流相关数据后,自动化计算雷击电磁暂态是关键问题.按照模块化原则,将雷击建筑暂态响应程序划分为几个部分：数据处理、图形显示及人机交互模块,共同完成对雷击高层建筑暂态响应的计算.
①人机交互设计.人机界面设计是计算系统与认为操作交互的可视化,在一定程度上决定着可用性程度.在系统应有的功能及性能基础上,人机界面设计中的可使用性、可靠性、灵活性是关键.
②图形显示设计.主要完成对雷电流及电位分布及电磁场分布的显示功能,自动转换功能显示模块程序的数据结果为图形,直观地在人机界面中显示,为设计或施工人员提供方便.
4高层建筑综合防雷措施
高层建筑遭受雷击时,雷电电磁脉冲伴随雷电流同时产生,二者是雷击放电的不同表现形式,在一定条件下相互转化.雷电流沿高层建筑金属构架传输,雷击电磁脉冲以场的形式出现,在建筑导体以及通信线路中感应出过电压、过电流.
对高层建筑的防雷设计应考虑综合防护,使其成为一项系统工程.通过装设避雷网（带）、避雷针防护建筑本身,重点是防直击雷；通过分区防护进行抗雷电电磁防护设计,防护高层建筑内部设备.掌握雷击特点,并熟悉其对高层建筑的危害途径,对雷击高层建筑内部磁场进行研究,进行更为有效的防雷设计,给出更佳的防雷解决方案,高层建筑的综合防雷设计如图3所示.
保护接地.将设备正常运行时不带电的金属外壳与接地装置作良好的电气连接,对装置进行保护接地后,设备外壳与大地已有良好连接,发生漏电时可保障人身安全.
防雷接地.为了把雷电流迅速导入大地.现代高层建筑中的电子设备、闭路电视系统等,以及与之相应的布线系统,具有较低的耐压等级、对防雷干扰的要求较高.无论串击、直击、反击都会使设备受到不同程度的损坏.对高层建筑的防雷接地设计必须严密、可靠.所有功能接地要以防雷接地为基础,建立完整防雷结构.
高层建筑大多属于一级负荷,防雷设计时接闪器采用避雷针带组合接闪器,避雷带采用镀锌扁钢在建筑顶部组成的网格,并与屋面金属构件以及建筑内的金属构架作电气连接；引下线利用楼宇钢筋以及外墙所有金属构件与防雷系统连接,组成多层屏蔽体的笼形防雷体系,以有效防止雷击损坏建筑及设备,防止电磁干扰.
与接地配合使用,屏蔽能起到较好效果.将金属屏蔽体接地,外侧正电荷流入大地,将不会有电场存在.在干扰源与敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体,并将金属屏蔽体接地,能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得小.
均压保护.雷电流所经过的路径上将产生暂态电位升高,形成暂态电位差,当暂态电位差超过绝缘耐受强度时,就导致击穿放电,使金属体电位升高,对其它金属体击穿放电.为了消除雷电暂态电流路径与金属物体之间的击穿放电,将钢筋与金属构件电气连接,形成笼式避雷网,具有屏蔽与均压作用；并对室内各种金属物体进行等电位连接,与建筑的防雷接地系统相连接,形成一个电气整体,可有效限制设备与构件、设备之间的暂态电位差,避免发生反击,使得其彼此间等电位并维持在低电位水平.
5结语
高层建筑防雷保护的整体措施,能够防直（侧）击雷与雷电电磁脉冲危害.将常规防雷技术中的屏蔽、均压、接地等措施结合高层建筑的特点不断改进,对高层建筑起到防护作用,同时防护建筑内的设备,保证其安全可靠地工作.
#91;3]张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京：电子工业出版社,2000.[4]苗静康.建筑防雷与电气安全技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2003.
[5]吴丹.智能楼宇的电气接地探讨[J].浙江建筑,2005,（6）.