雷電流在各類鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)中衰減程度計(jì)算分析

范宏飛 黃克儉 馮又華 柴 健

（1. 湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心 2. 湖北省防雷中心）

0 引言

在對大型建筑物進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，需要了解雷電流在大型建筑物的分布情況及雷電流在大型建筑物中影響的范圍。為此，通過CDEGS軟件對雷電流在各類鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)中傳輸距離進(jìn)行仿真計(jì)算，分析雷電流在各類鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)中的衰減情況，以期為大型建筑物的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考。

1 計(jì)算思路與方法

使用CDEGS中的HIFREQ模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。CDEGS軟件是Current distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（電流分布、電磁場、接地和土壤結(jié)構(gòu)分布）的縮寫，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services& Technologies Ltd.，安全技術(shù)工程服務(wù)有限公司）出品，目前是國際上成熟的、商業(yè)化的通用接地分析軟件。HIFREQ模塊是CDEGS軟件8個(gè)核心模塊之一，主要用來分析地下和地上載流導(dǎo)體的網(wǎng)絡(luò)特性，特別適合于激勵(lì)頻率從零到數(shù)百兆赫茲情況下的大型導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)特性的研究。

在 HIFREQ模塊中建立直線多點(diǎn)接地型模型，分別對接地點(diǎn)間距不同、土壤電阻率不同、結(jié)構(gòu)長度不同和結(jié)構(gòu)橫截面積不同的情況進(jìn)行仿真計(jì)算雷電流在各類鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)中傳輸距離。

2 計(jì)算模型的確定

為便于仿真計(jì)算分析比較，選取較為簡單的建筑物接地模型，本次仿真對象為單根 50m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型、兩根φ16，50m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型和單根100m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型。

（1）單根50m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型

研究導(dǎo)體截面積為 50mm2，長度為 50m，垂直接地體間距為5m和10m，垂直接地極長度為4m時(shí)，在不同土壤電阻率條件下雷電流在導(dǎo)體中傳輸距離。圖1為仿真模型。

（2）兩根φ16，50m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型

圖1 單根50m帶間隔5m垂直接地極模型

研究導(dǎo)體為兩根φ16鋼筋，長度為50m，垂直接地體間距為5m和10m，垂直接地極長度為4m時(shí)，在不同土壤電阻率條件下雷電流在導(dǎo)體中傳輸距離。圖2為仿真模型，兩根導(dǎo)體上下水平排列，間隔0.2m。

圖2 兩根50m帶間隔5m垂直接地極模型

（3）單根100m長導(dǎo)體直線多點(diǎn)接地型

研究導(dǎo)體截面積為50mm2，長度為100m，垂直接地體間距為5m，垂直接地極長度為4m時(shí)，在不同土壤電阻率條件下雷電流在導(dǎo)體中傳輸距離。仿真模型與圖1類似。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

采用波形為10/350μs，幅值為10kA模擬沖擊電流進(jìn)行沖擊計(jì)算。圖3為計(jì)算出的土壤電阻率20Ω·m，垂直接地極間隔5m時(shí)導(dǎo)體上的電流分布。下表為注入電流為10kA時(shí)在不同土壤電阻率條件下各類導(dǎo)體模型的末端電流值。圖4為各類導(dǎo)體模型末端電流對比圖。

圖3 土壤電阻率20Ω·m，垂直接地極間隔5m時(shí)導(dǎo)體上電流分布

表 不同土壤電阻率條件下各導(dǎo)體末端電流

圖4 各類導(dǎo)體模型末端電流對比圖

由圖4可知，隨著土壤電阻率增加，末端電流增量逐漸減小，當(dāng)土壤電阻率大于500Ω·m時(shí)，末端電流基本不變。單根50m和垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型，土壤電阻率小于500Ω·m時(shí)，末端電流值小于1000A，雷電流衰減超過90%；單根50m導(dǎo)體垂直接地極間距10m和兩根50m導(dǎo)體垂直接地極間距10m的導(dǎo)體模型，整段導(dǎo)體電流全部大于 1000A；單根100m導(dǎo)體垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型，土壤電阻率小于 1000Ω·m時(shí)，末端電流值小于 1000A，雷電流衰減超過90%；兩根50m導(dǎo)體垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型，土壤電阻率小于50Ω·m時(shí)，末端電流值小于1000A，雷電流衰減超過90%，土壤電阻率大于50Ω·m時(shí)，整段導(dǎo)體電流全部大于1000A。

對比垂直接地極間距5m和10m的導(dǎo)體模型，垂直接地極間距5m導(dǎo)體模型的末端電流值遠(yuǎn)小于垂直接地極間距 10m導(dǎo)體模型的末端電流值，單根垂直接地極間距5m導(dǎo)體模型的末端電流值大約只有單根垂直接地極間距10m導(dǎo)體模型的50%。兩根垂直接地極間距5m導(dǎo)體模型的末端電流值大約只有兩根垂直接地極間距10m導(dǎo)體模型的60%。

對比100m和50m的導(dǎo)體模型，100m導(dǎo)體模型的末端電流值遠(yuǎn)小于 50m導(dǎo)體模型的末端電流值，且土壤電阻率越小差別越大，在土壤電阻率為20Ω·m時(shí)，100m導(dǎo)體模型的末端電流值只有50m的導(dǎo)體模型的36%。

對比兩根和一根導(dǎo)體模型，發(fā)現(xiàn)兩根 50m導(dǎo)體垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型的末端電流值大于單根50m導(dǎo)體垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型的末端電流值，而垂直接地極間距10m，正好相反。主要原因?yàn)閱胃碗p根導(dǎo)體的電感效應(yīng)在不同土壤電阻率和不同垂直接地體密集程度時(shí)有不同的體現(xiàn)所致，50m導(dǎo)體垂直接地極間距5m的導(dǎo)體模型中，雷電流通過水平接地體的散流比例很小，單根和雙根導(dǎo)體主要影響是電感大小不同，電感大的末端電流會(huì)小一點(diǎn)。但在50m導(dǎo)體垂直接地極間距10m的導(dǎo)體模型中，水平接地體的散流較大，特別是在高土壤電阻率情況下不能忽略，所以單根和雙根導(dǎo)體會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)相反的情況。

4 結(jié)束語

對于上述所有導(dǎo)體模型，隨著土壤電阻率增加，末端電流增量逐漸減小，當(dāng)土壤電阻率大于500Ω·m時(shí)，末端電流基本不變。

水平導(dǎo)體長度、垂直接地極越密集程度以及土壤電阻率等因素都影響雷電流在導(dǎo)體中的衰減，當(dāng)水平導(dǎo)體長度達(dá)到50m，垂直接地極越密集程度為5m時(shí)，雷電流在導(dǎo)體中的衰減可達(dá)到90%左右。當(dāng)水平導(dǎo)體長度達(dá)到100m，垂直接地極越密集程度為5m時(shí)，雷電流在導(dǎo)體中的衰減可達(dá)到95%左右。