建筑防雷參數(shù)建模

建筑防雷參數(shù)建模

1 接地裝置的參數(shù)

接地裝置包括各種多功能的設備，并且需要滿足防止浪涌和電磁兼容性接地的所有安全和操作的要求。為了達到這個標準，電氣接地設備(輸入電阻、工作時長及觸摸和跨步電壓等)的操作特性必須同時符合交流(頻率為50Hz)和脈沖電流的要求。接地裝備的波形參數(shù)具備實用和科學的研究價值，例如：波的傳播常數(shù)和速度、興波阻力、反射和折射指數(shù)等。在研究離散接地設備的雷擊電流和電壓分布情況時需要參考這些參數(shù)。

雷電流的能譜很寬，電流范圍為2kA(約85%～90%)～200kA(約0.7%～1.0%)。為了確定流經(jīng)接地系統(tǒng)、通訊對象的電流以及接地設備開端的電勢，首先要計算當頻率分別為50Hz、25kHz(初始雷電脈沖的主頻率)以及1MHz(第二和第三雷電脈沖的主頻率)時系統(tǒng)的電阻值。

在雷電電流脈沖的影響下，可使人不受傷害的限制條件如式(1)所示：

(1)

式中：in(t)為電流脈沖流經(jīng)人體的時間，A；[P]為脈沖邊緣可接受能量，不會改變心室心跳，W·s；Rn為人體估計電阻值，Ω；T為電流脈沖的持續(xù)時間，s。

電位均衡導線上可能出現(xiàn)的最大電壓可由公式(2)計算：

(2)

式中：iL(t)為雷電流，A；RiE為接地設備的電阻值；L為長度為1m的接地導體的電感(L≈1.5…2μH/m)；l為接地設備與電位均衡導線之間接地導體的長度。

脈沖電阻是流經(jīng)這些設備的雷電流的定量特性。脈沖電阻的大小不同于工業(yè)頻率電流的接地電阻，而是取決與雷電流、天氣狀況、接地裝置附近的建筑物和其他物體以及特定的接地電阻等參數(shù)。接地裝置脈沖電阻的峰值具有重要意義，可以近似為t=τf(脈沖前沿持續(xù)時間)。接地裝置可以根據(jù)雷電脈沖電流沖擊特性進行分類：

· 集中型。距離比較短，感應器對于特定的土質(zhì)以及脈沖前言持續(xù)時間沒有任何重大影響，因此，所有點的電勢幾乎相同；

· 延伸型。當計算接地設備時必須要對電壓、電流以及感應器件的傳播波特性等可增加脈沖電阻的參數(shù)進行評估。深度接地裝置也屬于此類；

· 閉合回路接地。此類包括了集中型和延伸型兩類接地裝置的優(yōu)勢。

建筑接地裝置的國際防雷標準分類為：

· A型(水平和垂直接地的結(jié)合，深入接地裝置)；

· B型(環(huán)形或基礎接地裝置)。

獨立設立的避雷器上的防雷接地裝置與常規(guī)的接地裝置在安裝時是隔離開、獨立安裝的。除此之外，他們與該對象的常規(guī)接地裝置是相互連接的。因此，在一般情況下，系統(tǒng)中集中型和延伸型接地裝置會同時存在。

在對集中型接地裝置的接地屬性進行討論時，需要參考瞬態(tài)過程中的時間常數(shù)，這也是接地裝置中的一個標準：

(3)

持續(xù)時間T與整個接地裝置的電感(L×l)和電導率(1/R)成正比。如果τf>>T，接地裝置的瞬態(tài)過程會快速消失并且雷電流也不會達到最大值。若τf與T有相同的順序，則當雷電流達到最大值時，接地裝置的脈沖電阻是Zi>R。Zi/R的比值被稱為脈沖系數(shù)。

當雷電流的進入點與接地裝置最遠距離的點之間的距離最短時，最小脈沖系數(shù)就是接地裝置的特征值。在這種情況下，就可以有目的性的以最小半徑距離去構(gòu)造多點的星型結(jié)構(gòu)的接地裝置。然而，接地裝置的效率系數(shù)會隨著點數(shù)的增加而減小，因此點數(shù)不可超過4。集中型接地裝置的脈沖系數(shù)通常小于1。

2 接地裝置建模

通過接地裝置中的元素和計算對雷電流傳播的過程進行分析時需要用到建模的方法。

然而用于不同地面類型和不同雷電參數(shù)的接地裝置的參數(shù)解析計算問題仍然沒有解決。當然，關于電壓的脈沖電流沖擊對接地裝置參數(shù)的影響也進行了大量的研究。

瞬態(tài)特性(瞬態(tài)電阻或瞬態(tài)電導率)可被用于脈沖模式下接地裝置瞬態(tài)過程的建模；這些特性可以被定義為接地裝置在應對單位電流脈沖時的反應。接地裝置的脈沖特性可被用于以狄克拉函數(shù)的模式進行輸入時接地設備的反應。

通過引入瞬態(tài)特性的概念，在杜哈梅積分公式的基礎上接地裝置電壓(電流)的表達式可以寫為：

(4)

公式中的最后一項可以根據(jù)實際測量的u(t)和i(t)值計算出在所有電流脈沖影響下接地裝置的z(t)值。這種方法成功地應用于描述簡易接地裝置的瞬態(tài)過程。

集中型接地裝置參數(shù)判定的復雜性不會帶來額外的困難，在Mathcad、EMTP和Pspice的開發(fā)環(huán)境中都可以編程實現(xiàn)。在研究電流脈沖影響下集中型接地設備的效率之前必須要先評估土壤的電離效應。

在分析細長型接地裝置時，大多數(shù)研究者都把接地裝置看做是一條長輸電線路；它的參數(shù)利用麥克斯韋方程來確定：

(5)

通過這種方法，電場參數(shù)E和磁場闡述H可以通過空間中的任何一個點來確定。該方法的優(yōu)勢在于計算接地裝置的頻率特性時表現(xiàn)出來的嚴謹性和可能性。

其他的方法經(jīng)常采用視圖的方式分析接地設備，將其視為泄露到地面上的長電感傳輸線。這種觀點沒有任何實際依據(jù)。

最近出現(xiàn)的第三種方法連接了前兩種方法中提到的觀點。將接地裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)加入到了平面波方程中。中間結(jié)果通常被視作接地裝置興波阻力頻率特性。在工程實踐中，通常根據(jù)等效頻率對電流或電壓脈沖參數(shù)進行評估。

fdkv=1/4τf

(6)

利用等效頻率可以將時間域轉(zhuǎn)換到頻率域。

帶分布參數(shù)的長傳輸電路的等效電路圖可以用于細長型接地裝置的電磁分析(如圖1所示)。

圖1 細長型接地裝置的等效電路

其中：ZK為雷電通道電阻；L為縱向電感；r為有源縱向電阻；gi和Ci為有源脈沖電導率；Ci為部分接地裝置的電容。

由于在高電流密度下電流會擊穿接地裝置附近的土壤層以及接地裝置的半徑在某種程度上會有所增大，電導率g和電容Ci的幅值都是不斷變化的。通常，電極的有源縱向電阻都要小于接地裝置的電阻并且在計算時會被忽略。接地裝置有效電路參數(shù)的計算公式已經(jīng)給出了。

如果該對象的接地裝置與防雷接地裝置相連，則該對象的接地裝置的電磁波的瞬態(tài)特性就可以用于T型等效電路的建模，該電路由縱向電阻Ri、電感Ls、電導率gi和電容Ci組成，并會受到脈沖電路的影響(電路如圖2所示)。

圖2 非雷電保護接地裝置的等效電路圖

目前，已經(jīng)有各種復雜的和不用功能的計算機軟件應用于對接地裝置的分析中。

計算機軟件可以對基于某種特定土壤電阻率的接地裝置的電阻和脈沖系數(shù)，接地裝置的距離和雷電流的幅值，屬于水平接地裝置還是垂直接地裝置，是否考慮土壤的電離現(xiàn)象等影響地接裝置電阻非線性特性的因素進行分析。使用這些程序可以對不同土壤類型的接地電阻和不同規(guī)模的電極進行分析。分析確定下來的參數(shù)可以用于接地裝置的設計和計算。這些都是軟件的基本功能，可以分析接地系統(tǒng)中波沿導體傳播中的點此過程。根據(jù)這些分析結(jié)果可以確定接地系統(tǒng)和供電系統(tǒng)中所有導電元件的電勢和電流。

針對某特定土壤電阻率ρ的暫態(tài)過程持續(xù)時間與接地裝置的距離l之間的關系如圖3所示。

圖3 暫態(tài)過程持續(xù)時間與接地裝置的距離之間的關系圖

從圖3所示的分析結(jié)果可以看出，應該對距離超過20m并且土壤電阻率低于300Ω·m的接地裝置進行暫態(tài)過程的評估。

某特定土壤電阻率中的可變電阻Rvar和脈沖電阻Rpuls的關系如圖4所示。從圖中所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)可以看出，可變電阻Rvar和脈沖電阻Rpuls之間的差距隨著特定土壤電阻率的增加而增大。

圖4 某特定土壤電阻率中可變電阻Rvar和脈沖電阻Rpuls的關系

接地裝置的距離l=10m，Epr=800kV/m,IL=63kV。

細長水平型接地裝置的脈沖系數(shù)取決于它的距離和脈沖前沿電流持續(xù)時間τf，接地裝置距離越長持續(xù)時間越短，脈沖系數(shù)αi的值越大(如圖5所示)。

集中型接地裝置的脈沖系數(shù)隨著流經(jīng)整個接地系統(tǒng)的雷電流和特定土壤電阻率的減小而增大(如圖6所示)。

前面給出的模擬結(jié)果都沒有考慮接地裝置周圍的火花區(qū)域?；鸹▍^(qū)域中脈沖系數(shù)的值如表1所示。系數(shù)值是通過建模和實驗獲得的。

表1 不同距離的豎向接地裝置脈沖系數(shù)在考慮火花區(qū)域和不考慮火花區(qū)域下的值

圖5 雷電波前沿持續(xù)時間的脈沖系數(shù)αi的關系

圖6 垂直接地裝置脈沖系數(shù)αi在不同雷電流和特定土壤電阻率下的關系圖

IL=60kA，ρ=180ΩmIL=60kA，ρ=450Ωml=10ml=20ml=10ml=20mαi(未考慮火花)0，5630，6730，4470，568αi(考慮火花)1，2351，3841，2341，248

(IL—雷電流，ρ—特定土壤電阻率)

3 結(jié)論

該計算機程序是為研究接地裝置的電阻和脈沖系數(shù)編寫的。使用該軟件可以測得不同規(guī)模的和基于特定土壤電阻率的水平、垂直接地裝置的電阻變化。

在建模中測得接地裝置的脈沖電阻隨著雷電流的減小而呈指數(shù)增加趨勢。

通過對計算機建模結(jié)果進行分析可得，在不考慮接地裝置周圍的火花區(qū)域時，理論計算值與實驗測得值非常接近。

于娟編譯自

“http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=5291496&queryText%3DModelling+of+Building+Lightning+Protection+Parameters”，肖昕宇審校。

Modelling of Building Lightning Protection Parameters

Bagdanavicius, N. / Nakvosas, M. / Drabatiukas, A. / Kilius, S.