利用CDEGS軟件分析高層建筑底部人員雷擊安全

曾　勇，劉　波，李云敏，吳安坤，黃　鈺

(貴州省防雷減災(zāi)中心， 貴州　貴陽(yáng)　550081)

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利用CDEGS軟件分析高層建筑底部人員雷擊安全

曾勇，劉波，李云敏，吳安坤，黃鈺

(貴州省防雷減災(zāi)中心， 貴州貴陽(yáng)550081)

該文利用接地與電磁場(chǎng)分析軟件CDEGS，建立貴陽(yáng)市某高層建筑三維數(shù)值模型。利用土壤電阻率和土壤分層模型，結(jié)合貴陽(yáng)市雷電特征參數(shù)和建筑擬采用的防雷系統(tǒng)，分析高層建筑遭受直接雷擊時(shí)，其底層接觸電壓、跨步電壓的最大值，并計(jì)算由該接觸電壓、跨步電壓引起的通過(guò)人體的最大能量，從而分析其是否造成人員傷亡。

CDEGS軟件；接觸電壓；跨步電壓；土壤電阻率；雷擊

1　引言

貴陽(yáng)是一座“山中有城，城中有山”的城市，年平均閃電密度為4.7次/km2，屬于多雷區(qū)。受到地形的限制，貴陽(yáng)市內(nèi)的建筑絕大部分是高層建筑。高層建筑遭受雷擊的事件越來(lái)越頻繁，因雷擊而造成的損失越來(lái)越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2000年以來(lái)貴州省發(fā)生比較嚴(yán)重的雷電災(zāi)害數(shù)千起，人員傷亡600多人，造成經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元[1]。高層建筑在雷雨天氣遭受雷擊的可能性大，同時(shí)室內(nèi)聚集人員一般較多，容易對(duì)人體產(chǎn)生傷害。雷擊時(shí)造成人體傷亡的原因主要是雷電流通過(guò)接地裝置泄流入地時(shí)在建筑底層地面附近產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，接觸電壓和跨步電壓分別產(chǎn)生接觸電流和跨步電流，一旦電流流經(jīng)人體將使人心臟發(fā)生纖維性顫動(dòng)，將導(dǎo)致心跳停止造成傷亡。鑒于此，本文對(duì)雷擊高層建筑時(shí)底部人員安全性進(jìn)行分析，主要利用CDEGS軟件分析雷擊高層建筑時(shí)在底層產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓，并評(píng)估雷擊狀態(tài)下人員的安全性，為高層建筑雷電防護(hù)提供科學(xué)參考意見(jiàn)[2]。

2　雷擊狀態(tài)下人員安全標(biāo)準(zhǔn)

IEC/TR 60479-4-2011(電流對(duì)人和家畜的影響—第4部分：雷擊影響)規(guī)定了雷擊狀態(tài)下的人員安全標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，人員安全有3種分析方法[3]：

①具體顫動(dòng)激勵(lì)或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy method)。

②頻率分解法和等量RMS值法(Frequency Decomposition method yielding and equivalent RMS value)。

③多個(gè)快速突發(fā)波法(Multiple Fast Burst Wave method)。

本文采用第1種方法來(lái)分析雷擊狀態(tài)下的人員安全。雷擊狀態(tài)下，人體遭受的電壓可使用Dalziel’s的能量關(guān)系來(lái)估計(jì)：

(1)

其中：Rb是人體的電阻。

雷擊狀態(tài)下，通過(guò)人體的能量可按以下公式計(jì)算：

(2)

其中，iB和vC分別為人體遭受的電流和接觸電壓，t指雷擊信號(hào)持續(xù)時(shí)間，Rb和RF分別為人體電阻和腳與大地的接地電阻，RF=1.5×ρS，其中ρS是表層土壤電阻率(Ω-m)。人體電阻在高頻條件下典型值取500 Ω，低頻條件下典型值取1 000 Ω。以下分析雷擊狀態(tài)下，Rb取 500 Ω和1 000 Ω時(shí)，經(jīng)計(jì)算，人體所能承受的最低能量值，即雷擊狀態(tài)下的人員安全標(biāo)準(zhǔn)值(表1)，下文將以此作為最終判斷雷擊高層建筑時(shí)底層人員是否安全的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照值。

表1　雷擊狀態(tài)下的人員安全標(biāo)準(zhǔn)值

3　數(shù)值模型的建立

在貴陽(yáng)市內(nèi)選取一棟高度為99.2 m的高層建筑作為研究對(duì)象，利用CDEGS軟件的HIFREQ模塊對(duì)其建立三維數(shù)值模型，其中所涉及的雷電參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于貴州省防雷減災(zāi)中心。數(shù)值模型建立參數(shù)表如表2所示。

雷電流采用標(biāo)準(zhǔn)雙指數(shù)波形(圖3)。貴陽(yáng)市最大地閃強(qiáng)度為248.67 kA，本次地閃強(qiáng)度選取244.47 KA。分析時(shí)雷電流最大值取150 kA，上升時(shí)間5 μs，在150 μs內(nèi)衰減到0，點(diǎn)數(shù)為2 048，采樣頻率為4.608 MHz。在建立模型時(shí)，輸入高層建筑所在地土壤電阻率，其值取自于現(xiàn)場(chǎng)采用文納四極法測(cè)量到的數(shù)據(jù)。本次建模計(jì)算土壤電阻率取256 Ω·m。

表2　數(shù)值模型參數(shù)

注：表中相對(duì)電阻率對(duì)鋼，相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)空氣

圖1　仿真實(shí)驗(yàn)采用的10/350雙指數(shù)雷電流波形Fig.1　The 10/350 double exponential lightning current wave in this simulation experiment

雷擊情況下的電磁場(chǎng)電流電壓分析為時(shí)域分析，電流波形包含多個(gè)頻率分量。CDEGS是一套功能強(qiáng)大的工程軟件包，可用于精確分析接地、電磁場(chǎng)、電磁干擾等方面問(wèn)題，它由8個(gè)工程模塊組成：RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST和FFTSES。本次建模計(jì)算主要用到RESAP(土壤結(jié)構(gòu)分析模塊)、HIFREQ(模型建立模塊)和FFTSES(快速傅里葉變換模塊)[4]。使用CDEGS進(jìn)行參數(shù)分析按如下步驟：

①使用CDEGS軟件中的FFTSES模塊，對(duì)故障電流波形作傅立葉正變換，以獲得其頻譜。

②使用HIFREQ計(jì)算模塊，建立包括研究對(duì)象的計(jì)算機(jī)模型。在正向傅立葉變換FFTSES推薦的頻率下，計(jì)算各頻率下對(duì)應(yīng)的的電磁場(chǎng)。

(3)

式中：f(t)是指被分析的信號(hào)，此處主要指雷電流函數(shù)；F(ω)是指經(jīng)過(guò)傅里葉變換后的頻譜函數(shù)。

③建立HIFREQ結(jié)果頻譜響應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。該響應(yīng)可以是任何計(jì)算量，比如地表電位升、電場(chǎng)、接觸電壓、跨步電壓等。

④執(zhí)行傅立葉逆變換(使用FFTSES)以獲取計(jì)算量的時(shí)域響應(yīng)。

(4)

通過(guò)以上步驟，便可以計(jì)算出所需要的物理量接觸電壓和跨步電壓。

4　人員安全分析

通過(guò)CDEGS軟件建立高層建筑遭受雷擊三維數(shù)值模型，選取高層建筑底層周邊(高層建筑半徑500m范圍)作為觀測(cè)面，計(jì)算觀測(cè)面內(nèi)最大接觸電壓和最大跨步電壓值，計(jì)算出接觸電壓和跨步電壓三維分布圖見(jiàn)圖2和圖3所示。

圖2　高層建筑遭受直接雷擊時(shí)底層的接觸電壓分布Fig.2　 The distribution of touch voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

圖3　高層建筑遭受直接雷擊時(shí)底層的跨步電壓分布Fig.3　The distribution of step voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

當(dāng)高層建筑遭受直接雷時(shí)，接觸電壓和跨步電壓大峰值主要分布于高層建筑4個(gè)角落處，且其它小峰值主要沿高層建筑地網(wǎng)周邊分布。同時(shí)，地電位升由地網(wǎng)中心地帶向地網(wǎng)邊緣地帶呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，下降的幅度中心大，邊緣小，也就是說(shuō)越靠近地網(wǎng)中心，電位梯度越大，越容易造成反擊。所以，在對(duì)高層建筑進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)高層建筑四周邊緣及四個(gè)角落處做好防雷措施，將地網(wǎng)以最優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，以免雷擊時(shí)因接觸電壓和跨步電壓造成的人身傷害[5-6]。從圖2和圖3可以得出如下分析數(shù)據(jù)：

高層建筑物遭受直接雷擊時(shí)在建筑物底層地面所產(chǎn)生的接觸電壓、跨步電壓的最大值見(jiàn)表3，使用Dalziel’s的能量關(guān)系公式計(jì)算通過(guò)人體能量見(jiàn)表4。

表3　高層建筑遭受直接雷擊時(shí)最大接觸電壓、跨步電壓

表4　接觸電壓和跨步電壓通過(guò)人體能量

結(jié)果表明，高層建筑物遭受直接雷擊時(shí)，由接觸電壓引起的通過(guò)人體的能量為0.013 J，由跨步電壓引起的通過(guò)人體的能量為0.011 J，均遠(yuǎn)小于人體所能承受的最大能量13.5 J，因此，高層建筑遭受直接雷擊時(shí)，處于建筑底層的人員是安全的。

5　結(jié)論

本文利用CDEGS軟件對(duì)雷擊高層建筑建立三維數(shù)值模型進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

①雷擊高層建筑時(shí)在建筑物底層地面所產(chǎn)生的接觸電壓和跨步電壓最大值分別為250 V和230 V。由此接觸電壓和跨步電壓引起通過(guò)人體能量大小分別為0.013 J和0.011 J，均小于人體所能承受最大能量13.5 J，即高層建筑遭受直接雷時(shí)，處于建筑底層的人員是安全的。

②高層建筑遭受直接雷時(shí)，接觸電壓和跨步電壓大峰值主要分布于高層建筑4個(gè)角落處，且其它小峰值主要沿高層建筑地網(wǎng)周邊分布。

③地電位升由自然地網(wǎng)中心地帶向地網(wǎng)邊緣地帶呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，下降的幅度中心大，邊緣小，也就是說(shuō)越靠近地網(wǎng)中心，電位梯度越大，越容易造成反擊。

④接觸電壓和跨步電壓由接地網(wǎng)邊緣向內(nèi)逐漸降低，地網(wǎng)中心地帶接觸電壓和跨步電壓相對(duì)較低。

通過(guò)以上仿真分析，可以給高層建筑雷電防護(hù)提供幾點(diǎn)參考建議：

①盡管通過(guò)仿真計(jì)算得出雷擊高層建筑時(shí)處于建筑底層的人員是安全的，但是在地網(wǎng)四周邊緣及角落處接觸電壓和跨步電壓會(huì)出現(xiàn)峰值，應(yīng)該對(duì)這些地方增強(qiáng)防雷措施。

②地網(wǎng)的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，直接影響到雷擊時(shí)跨步電壓分布，應(yīng)該根據(jù)建筑所在區(qū)域?qū)嶋H地形地貌和地質(zhì)條件合理設(shè)計(jì)地網(wǎng)，對(duì)高土壤電阻率地區(qū)除了自然接地網(wǎng)之外還應(yīng)該鋪設(shè)人工接地網(wǎng)以達(dá)到降低跨步電壓[7]。

③在高層建筑行人道路上敷設(shè)絕緣層，在外露金屬導(dǎo)體上刷絕緣漆或者敷設(shè)絕緣外套，降低跨步電壓與接觸電壓的人身危害。

[1] 丁旻，邵莉麗，彭芳．貴州省雷暴活動(dòng)規(guī)律與雷電災(zāi)害特征相關(guān)性分析[J]．貴州氣象，2009，33(6)：12-13．

[2] 丁旻，周強(qiáng)，邱飛．綜合辦公大樓的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[J]．貴州氣象，2008，32(1)：38-40．

[3] IEC/TR 60479-4-2011電流對(duì)人和家畜的影響—第4部分：雷擊影響,2011.

[4] 王小鳳．CDEGS軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[學(xué)位論文]．杭州：浙江大學(xué),2007.

[5] 王廣文．桿塔接地電阻測(cè)量方法的研究和地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[學(xué)位論文]．武漢: 華中科技大學(xué)，2003.

[6] 孫建新.基于CDEGS的鐵路接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].水電能源科學(xué)，2010，28(6):132-135．

[7] 莊池杰，曾蠑．高土壤電阻率地區(qū)變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路．高電壓技術(shù)，2008(05)：893-897．

The Analysis on the Personnel Safety under Lightning Strike at the Bottom of High-rise Building by Using CDEGS Software

ZENG Yong,LIU Bo,LI Yunmin,WU Ankun,HUANG Yu

(The Lighting Protection and Disaster Mitigation Center of Guizhou Province, Guiyang 550081,China)

The three-dimensional numerical model was established for a high-rise building in Guiyang city by using grounding and electromagnetic field analysis software CDEGS. Then by using the soil resistivity and stratification of the soil model, in combination with the Guiyang city characteristic of lightning parameters and construction lightning protection system, the underlying touch voltage and step voltage maximum were analyzed for tall building when subjected to direct lightning stroke, and the safety of personnel caused by the touch voltage and step voltage through the body's largest energy was analyzed.

CDEGS software; touch voltage; step voltage; soil resistivity; lighting strike

1003-6598(2016)02-0073-04

2015-07-27

曾勇(1986—)，男，碩士，助工，主要從事防雷技術(shù)應(yīng)用工作，E-mail:120200859@qq.com。

貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：QN15〗17號(hào)。

TM864

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