高層建筑的雷擊效應(yīng)及防雷設(shè)計技術(shù)探究

于慶武

摘 要：雷電是高層建筑物的危害來源之一，給人們的日常生產(chǎn)、生活帶來了直接、嚴重的影響。雷電防護問題是低壓弱電和高壓強電的綜合體，研究高層建筑物安全有效的雷電防護措施，降低雷電災(zāi)害所帶來的損失及嚴重危害，是工程技術(shù)人員及相關(guān)領(lǐng)域的學者所面臨的重要課題。文章從雷電災(zāi)害對高層建筑產(chǎn)生的雷擊效應(yīng)出發(fā)，研究雷擊高層建筑時所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場、感應(yīng)電流等，分析雷電流在高層建筑物金屬構(gòu)架上的分布及室內(nèi)的磁場分布情況，探討避雷系統(tǒng)對建筑物內(nèi)的磁場分布的影響，從而研究現(xiàn)代高層建筑的雷電防護技術(shù)，對工程技術(shù)人員進行雷擊災(zāi)害防護工作提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；雷擊；防雷設(shè)計；雷電流分布

中圖分類號：TU976.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0137-03

隨著信息化時代的日益發(fā)展，雷災(zāi)出現(xiàn)與以往不同的新特點：遭受雷電災(zāi)害的范圍逐年擴大，從過去主要集中在建筑與電力等領(lǐng)域，現(xiàn)如今幾乎所有行業(yè)都會波及到，尤其是電子工業(yè)、航天航空、郵電通信等與高新技術(shù)關(guān)系密切的領(lǐng)域。在空間領(lǐng)域上，雷電災(zāi)害由二維擴展到三維空間；過電壓波以及閃電直擊沿線傳輸是傳統(tǒng)雷電災(zāi)害的入侵方式，脈沖電磁場在現(xiàn)代雷電災(zāi)害中成為主要的表現(xiàn)形式，能夠入侵到三維空間的任意位置。與此同時，防雷工程也隨之發(fā)生變化，目前主要是防雷電電磁脈沖?？茖W技術(shù)的發(fā)展使得雷災(zāi)的攻擊對象為高層建筑的電子設(shè)備，同時成為雷電電磁脈沖的破壞對象。

雷電干擾高層建筑的途徑主要包括：強雷電流在高層建筑避雷設(shè)備遭受雷擊時，沿鋼筋結(jié)構(gòu)導入大地，產(chǎn)生過壓干擾電子設(shè)備，導致接地裝置電位升高、電子設(shè)備反擊；建筑金屬管線遭受雷擊時，在金屬管線上形成直擊雷過電壓，雷擊金屬管線附近的物體，產(chǎn)生感應(yīng)過壓，危害室內(nèi)電子設(shè)備；在幾種雷擊干擾中，雷擊高層建筑避雷系統(tǒng)的危害最大，研究室內(nèi)雷電電磁場分布情況，是分析高層建筑內(nèi)各種電子設(shè)備和系統(tǒng)雷電危害的要點。

1 雷擊建筑物內(nèi)導體電氣參數(shù)

現(xiàn)代高層建筑物防雷設(shè)計，往往利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬導體安裝防雷系統(tǒng)，通常稱為“法拉第籠”，如圖1所示，能夠全方位預(yù)防高層頂部及側(cè)面遭受雷擊，使整個建筑物得到保護，同時屏蔽、均衡暫態(tài)對地懸浮電壓。

籠網(wǎng)式避雷屬于多分支導體系統(tǒng)，當高層建筑遭受雷擊時，這些分支導體就成為傳輸強雷電流的主要途徑。同時產(chǎn)生雷電暫態(tài)過程，其電磁效應(yīng)將威脅高層建筑內(nèi)的電子設(shè)備。為了估計暫態(tài)電磁效應(yīng)，需要確定雷電流的分布情況，并以此為參考數(shù)據(jù)，最終確定電磁場在高層建筑內(nèi)的分布，得到感應(yīng)磁場場強的大小，為保護高層建筑的電子設(shè)備提供依據(jù)。

依據(jù)靜態(tài)系統(tǒng)原則，對高層建筑防雷導電整體結(jié)構(gòu)分段，并將每段簡化為耦合π型電路，如圖2所示。一定數(shù)量的耦合π型電路單元即等效為防雷系統(tǒng)，求解等值網(wǎng)絡(luò)，即得其電磁暫態(tài)過程。

研究當中通常用電容、電阻等電氣參數(shù)對電氣特性進行描述。由于在各分支導體之間存在電磁耦合，這些參數(shù)以矩陣形式表現(xiàn)出來，隨頻率的變化而變化。給定各分支的幾何尺寸及空間坐標，即可計算其電氣參數(shù)。

通常利用均電位法求解高層建筑結(jié)構(gòu)鋼筋分支導體電容參數(shù)。對導體任一點的電位求解，求導體尺寸積分均值，求出電位系數(shù)。導體i、j相互垂直，直徑均為2 a，與各自的鏡象關(guān)于地面對稱。設(shè)導體i、j的線電荷密度分別為qi，qj，則導體i上任意一點Zg，導體i、j的互電位系數(shù)為：

建筑結(jié)構(gòu)鋼筋的阻抗參數(shù)受頻率影響，通常利用諾依曼公式求解。對任意豎直平行導體，將與地面下某一復(fù)數(shù)深度平面對稱，該復(fù)數(shù)深度定義為：

對不規(guī)則位置的分支導體，可以先將其用折線逐段取代，再對折線段求解電容、阻抗參數(shù)。

2 雷擊感應(yīng)電流及建筑物內(nèi)磁場分布

雷電流屬于單極性的脈沖波形，約有80%～90%是負極性的。由于第一次放電的電流幅值最高，在防雷設(shè)計中要重點對主放電的影響進行考慮。為了把這種流動波在雷電暫態(tài)中進行近似反映，需要利用分段方法對防雷系統(tǒng)的導體進行研究。由于段長過長會影響計算精度，段長選得過短會使電路模型復(fù)雜化，在建立防雷電路模型時，導體段長至關(guān)重要。解決如何進行合理分段問題，可以先對雷電流波形的頻譜進行分析，然后再做其他計算。在計算雷電暫態(tài)數(shù)據(jù)時，總是給定雷電流源的波形參數(shù)。雷電流源波形通過雙指數(shù)函數(shù)表示，經(jīng)過傅里葉變換可得：

當子導體系統(tǒng)逐個被π型電路單元所取代時，整個防雷系統(tǒng)就被轉(zhuǎn)化為等值電路，這些等值單元電路由耦合π型電路組成，該等值電路屬于線性電路，包含了電容、電感以及電阻；得到完整的雷電暫態(tài)模型后，即可利用相應(yīng)的算法對雷電暫態(tài)響應(yīng)進行求解。節(jié)點電壓法以節(jié)點電壓作為未知量，是常用的求解方法，其矩陣方程為：

In=YnUn

其中，In為注入節(jié)點的電流源向量，Yn為節(jié)點導納矩陣， Un為節(jié)點電壓向量。在暫態(tài)計算開始時刻，相應(yīng)電容和電感的初值來確定各歷史電流源數(shù)值，開始暫態(tài)時刻雷電流源數(shù)值與歷史數(shù)值，二者共同決定了開始時刻節(jié)點電流源向量In；算出新的歷史電流源數(shù)值，按節(jié)點方程解出節(jié)點電壓向量Un，再與新時刻的雷電流源數(shù)值一起更新節(jié)點電流源向量In，利用上述方法，經(jīng)過反復(fù)求解，即可得出在指定時間段內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)解。

對室內(nèi)電磁場分布求解，其常用方法為：其一，先求分支導體與被感應(yīng)金屬回路電感，再求出金屬回路的感應(yīng)電磁場；其二，根據(jù)分支導體的電流分布，得出被感應(yīng)的金屬矢量磁位，然后確定磁場分布狀況。方法二能夠?qū)﹄姶艌龇植紶顩r進行較全面的考慮。通過計算電磁場實現(xiàn)對電磁場的暫態(tài)分析，根據(jù)麥克斯韋方程組計算電磁場。建立逼近實際建筑工程電磁場的數(shù)學模型，然后通過離散化處理，轉(zhuǎn)化為等價的離散數(shù)學模型，構(gòu)成離散方程組并求解，得到某一空間范圍內(nèi)任意點處的磁場強度，通過這些理論分析，結(jié)合計算數(shù)據(jù)，為防雷工程優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

電磁場數(shù)值計算中有限差分法是應(yīng)用最早且最常用的方法。在應(yīng)用有限差分法求解暫態(tài)磁場時，利用網(wǎng)格剖分對電磁場域進行離散化處理，最終由網(wǎng)格節(jié)點的集合構(gòu)成；以各離散點上函數(shù)差商近似替代該點的偏導數(shù)，將偏微分方程定解轉(zhuǎn)化為差分方程組，解出各離散點函數(shù)值，再通過插值方法從離散解得到整個電磁場域的近似解。

在求高層建筑內(nèi)雷電暫態(tài)電磁場時，先采用上述方法對分支導體及其鏡像導體細分，計算各小段電流在該點的磁感應(yīng)強度，將所有小段電流在該點的電磁場矢量合成，即得該點的電磁場。

3 高層建筑防雷系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計

在高層建筑遭受雷擊時，能夠計算出建筑物金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)雷擊電流的分布情況，獲取到室內(nèi)電磁場的分布，為工程施工及檢測提供參考，是高層建筑防雷工作設(shè)計的關(guān)鍵任務(wù)。配置高層建筑物的大規(guī)模物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，輸入雷擊電流相關(guān)數(shù)據(jù)后，自動化計算雷擊電磁暫態(tài)是關(guān)鍵問題。按照模塊化原則，將雷擊建筑暫態(tài)響應(yīng)程序劃分為幾個部分：數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及人機交互模塊，共同完成對雷擊高層建筑暫態(tài)響應(yīng)的計算。

①人機交互設(shè)計。人機界面設(shè)計是計算系統(tǒng)與認為操作交互的可視化，在一定程度上決定著可用性程度。在系統(tǒng)應(yīng)有的功能及性能基礎(chǔ)上，人機界面設(shè)計中的可使用性、可靠性、靈活性是關(guān)鍵。

②圖形顯示設(shè)計。主要完成對雷電流及電位分布及電磁場分布的顯示功能，自動轉(zhuǎn)換功能顯示模塊程序的數(shù)據(jù)結(jié)果為圖形，直觀地在人機界面中顯示，為設(shè)計或施工人員提供方便。

4 高層建筑綜合防雷措施

高層建筑遭受雷擊時，雷電電磁脈沖伴隨雷電流同時產(chǎn)生，二者是雷擊放電的不同表現(xiàn)形式，在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。雷電流沿高層建筑金屬構(gòu)架傳輸，雷擊電磁脈沖以場的形式出現(xiàn)，在建筑導體以及通信線路中感應(yīng)出過電壓、過電流。

對高層建筑的防雷設(shè)計應(yīng)考慮綜合防護，使其成為一項系統(tǒng)工程。通過裝設(shè)避雷網(wǎng)（帶）、避雷針防護建筑本身，重點是防直擊雷；通過分區(qū)防護進行抗雷電電磁防護設(shè)計，防護高層建筑內(nèi)部設(shè)備。掌握雷擊特點，并熟悉其對高層建筑的危害途徑，對雷擊高層建筑內(nèi)部磁場進行研究，進行更為有效的防雷設(shè)計，給出更佳的防雷解決方案，高層建筑的綜合防雷設(shè)計如圖3所示。

保護接地。將設(shè)備正常運行時不帶電的金屬外殼與接地裝置作良好的電氣連接，對裝置進行保護接地后，設(shè)備外殼與大地已有良好連接，發(fā)生漏電時可保障人身安全。

防雷接地。為了把雷電流迅速導入大地?，F(xiàn)代高層建筑中的電子設(shè)備、閉路電視系統(tǒng)等，以及與之相應(yīng)的布線系統(tǒng)，具有較低的耐壓等級、對防雷干擾的要求較高。無論串擊、直擊、反擊都會使設(shè)備受到不同程度的損壞。對高層建筑的防雷接地設(shè)計必須嚴密、可靠。所有功能接地要以防雷接地為基礎(chǔ)，建立完整防雷結(jié)構(gòu)。

高層建筑大多屬于一級負荷，防雷設(shè)計時接閃器采用避雷針帶組合接閃器，避雷帶采用鍍鋅扁鋼在建筑頂部組成的網(wǎng)格，并與屋面金屬構(gòu)件以及建筑內(nèi)的金屬構(gòu)架作電氣連接；引下線利用樓宇鋼筋以及外墻所有金屬構(gòu)件與防雷系統(tǒng)連接，組成多層屏蔽體的籠形防雷體系，以有效防止雷擊損壞建筑及設(shè)備，防止電磁干擾。

與接地配合使用，屏蔽能起到較好效果。將金屬屏蔽體接地，外側(cè)正電荷流入大地，將不會有電場存在。在干擾源與敏感電路之間設(shè)置導電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地，能使交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓變得小。

均壓保護。雷電流所經(jīng)過的路徑上將產(chǎn)生暫態(tài)電位升高，形成暫態(tài)電位差，當暫態(tài)電位差超過絕緣耐受強度時，就導致?lián)舸┓烹姡菇饘袤w電位升高，對其它金屬體擊穿放電。為了消除雷電暫態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，將鋼筋與金屬構(gòu)件電氣連接，形成籠式避雷網(wǎng)，具有屏蔽與均壓作用；并對室內(nèi)各種金屬物體進行等電位連接，與建筑的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成一個電氣整體，可有效限制設(shè)備與構(gòu)件、設(shè)備之間的暫態(tài)電位差，避免發(fā)生反擊，使得其彼此間等電位并維持在低電位水平。

5 結(jié) 語

高層建筑防雷保護的整體措施，能夠防直（側(cè)）擊雷與雷電電磁脈沖危害。將常規(guī)防雷技術(shù)中的屏蔽、均壓、接地等措施結(jié)合高層建筑的特點不斷改進，對高層建筑起到防護作用，同時防護建筑內(nèi)的設(shè)備，保證其安全可靠地工作。

參考文獻：

[1] 虞昊，現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2] 郭榮祥，應(yīng)洪正.結(jié)合雷擊事例完善信息系統(tǒng)防雷保護[J].建筑電氣，2003，（2）.

[3] 張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[4] 苗靜康.建筑防雷與電氣安全技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5] 吳丹.智能樓宇的電氣接地探討[J].浙江建筑，2005，（6）.