雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁場(chǎng)環(huán)境研究*

曾 勇, 張淑霞, 黃 鈺, 李 迪, 丁 旻

(1.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 貴州 貴陽(yáng) 550001;2.貴州省人工影響天氣辦公室, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

0 引 言

雷電是一種發(fā)生在大氣層中常見的大氣物理現(xiàn)象,雷電常常會(huì)造成自然災(zāi)害,給建筑物及生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大破壞[1]。一次雷暴活動(dòng)包括成百上千個(gè)回?fù)暨^程,一次回?fù)暨^程具有放電時(shí)間短、電流強(qiáng)度大等特點(diǎn),能夠直接造成人員傷亡、建筑物等其他設(shè)施設(shè)備受損。此外,瞬間的高電位、瞬變的電磁輻射可導(dǎo)致微電子設(shè)備損壞,同時(shí)極易造成易燃易爆場(chǎng)所由于電火花引發(fā)火災(zāi)及爆炸事故。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的影響人類活動(dòng)的嚴(yán)重災(zāi)害之一,為了防止或減輕雷電災(zāi)害帶來的損失,世界各國(guó)都在防御雷電災(zāi)害方面做了大量的研究工作。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和信息化技術(shù)的不斷提升,高層智能大廈不斷涌現(xiàn)。智能建筑集通信自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、建設(shè)自動(dòng)化為一體,融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)以及建筑技術(shù)的自動(dòng)化樓宇系統(tǒng)。貴州地處云貴高原東側(cè),屬典型的山區(qū)省份,特殊的地理環(huán)境和地形地貌,造成冷暖空氣交匯活動(dòng)頻繁,天氣復(fù)雜多變,頻繁出現(xiàn)強(qiáng)雷暴單體和雷暴群,極易引發(fā)雷電天氣過程。近50年來,全省年平均雷暴日達(dá)51.6 d,屬多雷暴區(qū)。貴陽(yáng)作為目前“大數(shù)據(jù)”中心,更多高層和超高層智能大廈將落戶到貴陽(yáng)城市綜合體,伴隨而來的是更多智能電子設(shè)備。雷擊電磁環(huán)境對(duì)智能建筑內(nèi)部各種智能電子設(shè)備正常運(yùn)行構(gòu)成最大威脅。因此,開展針對(duì)貴州地區(qū)雷擊暫態(tài)下高層智能大廈電磁環(huán)境研究具有重要意義。

文獻(xiàn)[2]對(duì)高層建筑雷擊機(jī)理及防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,針對(duì)高層建筑特點(diǎn)分析其雷擊危害和雷擊機(jī)理,并提出綜合防雷設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]對(duì)現(xiàn)代智能建筑的雷電防護(hù)技術(shù)及發(fā)展前景進(jìn)行研究,提出了針對(duì)智能建筑雷電防護(hù)的有效方法。文獻(xiàn)[4-6]從現(xiàn)代建筑防雷工程角度對(duì)智能大廈弱電系統(tǒng)雷電防護(hù)進(jìn)行研究,提出更為具體的防雷措施。文獻(xiàn)[7]結(jié)合當(dāng)?shù)氐睦妆┨攸c(diǎn)、建筑物特點(diǎn)、內(nèi)部設(shè)備特點(diǎn)、設(shè)備重要性等因素,研討了智能建筑物雷電防護(hù)等級(jí)劃分、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施等方面的技術(shù)和方法。上述研究主要建立在智能建筑雷電防護(hù)技術(shù)理論基礎(chǔ)上,研究對(duì)象局限于低層智能建筑,對(duì)雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁場(chǎng)分布特征及其對(duì)電子設(shè)備、人身安全等安全評(píng)估研究基本處于空白。同時(shí),不同地區(qū)雷暴電結(jié)構(gòu)與放電參量因地理位置、地形地貌差異而具有不同特點(diǎn),只有建立基于本地化雷暴雷擊參數(shù)模型,揭示雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁環(huán)境變化規(guī)律,結(jié)合現(xiàn)有防雷技術(shù)才能從科學(xué)角度對(duì)高層智能建筑進(jìn)行雷電防護(hù)。

本文利用貴州省雷暴統(tǒng)計(jì)特征參數(shù),采用CDEGS軟件,建立高層智能大廈雷擊暫態(tài)模型,分析雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁環(huán)境特征,對(duì)電子設(shè)備安全、人員安全及火災(zāi)爆炸環(huán)境作評(píng)估,為高層智能建筑雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和雷電防護(hù)進(jìn)行技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

雷暴特征參量數(shù)據(jù)來源于2006—2015年貴州二維ADTD閃電探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù),主要雷電參量為雷電流強(qiáng)度。貴州省地閃強(qiáng)度分布如圖1所示。本次雷擊暫態(tài)模型仿真實(shí)驗(yàn)主要選取貴陽(yáng)市高層智能建筑作為研究對(duì)象,所涉及雷電參數(shù)及其他物理量均以此研究區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)。

貴陽(yáng)市最大正閃強(qiáng)度、最大負(fù)閃強(qiáng)度、平均地閃強(qiáng)度分別為244.47 kA、235.96 kA、38.09 kA。仿真試驗(yàn)雷電流強(qiáng)度選取49 kA,是研究對(duì)象中心位置3 km半徑范圍內(nèi)最大的雷電流強(qiáng)度,也是貴陽(yáng)市年平均閃電強(qiáng)度中最集中區(qū)段。雷電流波形采用標(biāo)準(zhǔn)的雙指數(shù)波形,雷電波的上升時(shí)間為5 μs,在150 μs內(nèi)衰減為0,極性為負(fù)地閃。仿真試驗(yàn)采用的10/150 μs雙指數(shù)雷電流波形如圖2所示。

圖1 貴州省地閃強(qiáng)度分布

仿真模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于實(shí)地測(cè)量。為了獲得較為準(zhǔn)確的仿真試驗(yàn)參數(shù),對(duì)選取高層智能建筑涉及參數(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,提取其防雷系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)如下:智能建筑高度為99 m,建筑長(zhǎng)度(寬度)為65(65) m,二類防雷類別,第一層土壤電阻率為136.70 Ω·m,第二層土壤電阻率為561.24 Ω·m,相對(duì)電阻率10,相對(duì)磁導(dǎo)率300,導(dǎo)體半徑為0.01 m。

分析方法主要通過CDEGS軟件對(duì)雷擊高層智能建筑最高點(diǎn)暫態(tài)下電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。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)、電磁干擾等方面問題,由RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST、FFTSES 8個(gè)工程模塊組成。利用SESCAD模塊建立雷擊高層智能建筑暫態(tài)三維數(shù)值模型,REASP模塊對(duì)實(shí)測(cè)土壤電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋,FFTSES模塊對(duì)雷擊參數(shù)進(jìn)行匹配,HIFREQ模塊基于已建模型并耦合實(shí)驗(yàn)參數(shù)方案對(duì)雷擊高層智能建筑最高點(diǎn)產(chǎn)生電磁場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)算分析[8-9]。主要物理參量計(jì)算步驟如下:

(1) 使用CDEGS軟件中的FFTSES模塊,對(duì)雷擊電流波形作傅里葉正變換,以獲得其頻譜。

(2) 將SESCAD模塊建立模型耦合到HIFREQ模塊進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算。在正向傅里葉變換FFTSES推薦的頻率下,計(jì)算各頻率下對(duì)應(yīng)的的電磁場(chǎng)。

(1)

式中:f(t)——被分析的信號(hào),指雷電流函數(shù);

F(ω)——經(jīng)過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,如地表電位升、電場(chǎng)、接觸電壓、跨步電壓等。

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

(2)

通過以上步驟,便可以計(jì)算出所需要的物理量,如接觸電壓、跨步電壓、合成電場(chǎng)分布、合成磁場(chǎng)分布等。

2 電磁參量計(jì)算分析

2.1 標(biāo)量電勢(shì)

電勢(shì)從能量的角度描述電場(chǎng)。為了獲得雷擊暫態(tài)下高層智能建筑內(nèi)導(dǎo)體表面電勢(shì)分布,在逆向傅里葉計(jì)算時(shí)增加標(biāo)量電勢(shì)計(jì)算參量,高層智能建筑底層地面標(biāo)量電勢(shì)最大值與GPR分布如圖3所示。

綜上所述，自動(dòng)化的機(jī)械制造發(fā)展必將經(jīng)歷技術(shù)革新與創(chuàng)新，核心技術(shù)內(nèi)容的掌握尤為必要。為滿足未來階段的技術(shù)發(fā)展需求，自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備制造應(yīng)以市場(chǎng)發(fā)展方向?yàn)閷?dǎo)向，對(duì)現(xiàn)階段的核心技術(shù)內(nèi)容加以改進(jìn)，并加大綜合性技術(shù)研發(fā)投入，解決關(guān)鍵性技術(shù)問題，為我國(guó)自動(dòng)化機(jī)械制造發(fā)展奠定良好的技術(shù)根基。

在雷電電磁脈沖下,高層智能建筑底層地面地表電位升和電場(chǎng)較低,而且對(duì)所有連在一起的導(dǎo)體電位分布均衡。標(biāo)量電勢(shì)和電場(chǎng)隨頻率升高而顯著增加,這是因?yàn)樵诶讚酎c(diǎn)附近的埋設(shè)導(dǎo)體泄漏電流增加。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),下降的幅度地網(wǎng)中心大,地網(wǎng)邊緣小,即越靠近地網(wǎng)中心,電位梯度越大,越容易造成電位反擊。在土壤存在明顯分層結(jié)構(gòu)時(shí),地網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要參考分層土壤模型,根據(jù)地網(wǎng)對(duì)雷電流分流建立科學(xué)合理的接地網(wǎng)[11]。

圖3 高層智能建筑底層地面標(biāo)量電勢(shì)

2.2 電磁場(chǎng)分布

雷電流經(jīng)雷擊點(diǎn)流經(jīng)引下線及建筑內(nèi)鋼筋,在最高層雷電流分流中雷電流最大,到底層逐漸衰減入地。本文分析雷電擊中高層智能大廈最高點(diǎn)時(shí),建筑底層區(qū)域的合成電場(chǎng)與磁場(chǎng)最大值。

直擊雷時(shí)底層合成磁場(chǎng)最大值與合成電場(chǎng)最大值如圖4所示。

由圖4可知,當(dāng)雷擊高層建筑最高點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)與磁場(chǎng)在靠近雷擊點(diǎn)出現(xiàn)周期振蕩,振蕩周期由建筑的共振頻率而定。該振蕩產(chǎn)生的強(qiáng)大瞬態(tài)電磁場(chǎng)比雷擊發(fā)生時(shí)的初始值高許多。雷擊高層智能大廈最高點(diǎn)時(shí),在不采取屏蔽措施的情況下建筑頂層的最大磁場(chǎng)約為13 000 A/m,遠(yuǎn)大于設(shè)備耐受的最大磁場(chǎng)800 A/m,造成設(shè)備的過電壓損壞;建筑底層最大磁場(chǎng)約為40 A/m,遠(yuǎn)小于800 A/m,不會(huì)造成設(shè)備過電壓損壞。但是在底層附近如果出現(xiàn)鄰近雷擊,則應(yīng)另作計(jì)算。

圖4 直擊雷時(shí)底層合成磁場(chǎng)最大值與合成電場(chǎng)最大值

2.3 接觸電壓與跨步電壓

雷擊高層智能建筑底層人員安全性分析采用IEC/TR 60479-4—2011《電流對(duì)人和家畜的影響 第4部分:雷擊影響》來判斷。利用該標(biāo)準(zhǔn)中的具體顫動(dòng)激勵(lì)或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy Method,SFCEM)進(jìn)行計(jì)算分析[10]。雷擊暫態(tài)下人員安全標(biāo)準(zhǔn)值:人體電阻為500 Ω時(shí),人員安全標(biāo)準(zhǔn)值為13.5 J;人體電阻為1 000 Ω時(shí),人員安全標(biāo)準(zhǔn)值為27 J。

智能建筑底層地面接觸電壓與跨步電壓最大值分布如圖5所示。在模擬雷擊波情況下,接觸電壓(人站在室內(nèi)地板上,觸摸墻壁)高達(dá)1 319 kV,而通過人體的能量為10 486 J,遠(yuǎn)大于Dalziel瞬態(tài)電流波(雷電波)的能量13.5 J的人身安全參考值。但是,由于高層建筑基本處于極高等電位體,所以跨步電壓(人站在室內(nèi)地板上)卻相對(duì)很小,只有約為2 326 V,以跨步電壓而通過人體的能量?jī)H為0.03 J,遠(yuǎn)小于Dalziel瞬態(tài)電流波(雷電波)的能量13.5 J的人身安全參考值,故安全。

圖5 智能建筑底層地面接觸電壓與跨步電壓最大值分布

3 火災(zāi)爆炸安全分析

表1 空氣與土壤在不同條件下的典型擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度

利用CDEGS軟件計(jì)算高層智能大廈最高點(diǎn)遭受直擊雷時(shí)周邊的電場(chǎng)強(qiáng)度,判斷空氣或土壤是否會(huì)發(fā)生電擊穿,評(píng)估處于建筑周邊的加油加氣站、變電站等場(chǎng)所是否會(huì)因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸。

結(jié)果表明,高層智能大廈最高點(diǎn)遭受直擊雷時(shí),在建筑周邊500 m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為600 V/mm。超高層建筑遭受直擊雷時(shí)周邊電場(chǎng)強(qiáng)度如圖6所示。雷擊時(shí)產(chǎn)生的最大電場(chǎng)小于空氣或土壤因電擊穿可能發(fā)生弧光引起火災(zāi)的參考值,即超高層建筑遭受直擊雷時(shí),建筑周邊的加油加氣站及變電站等場(chǎng)所不會(huì)因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而發(fā)生火災(zāi)爆炸。但靜電場(chǎng)只能是弧光放電的一個(gè)參考值,并不能成為評(píng)估火花放電的安全值。因此是否可能發(fā)生火花引起火災(zāi),需要看兩個(gè)導(dǎo)體間的電位差(電壓)是否大于擊穿參考值。因?yàn)楦邔又悄艽髲B外墻大部分由玻璃幕墻構(gòu)成,如果在滾球半徑以上高度一旦遭受側(cè)擊雷擊,玻璃幕墻很有可能被擊穿開裂,造成人身傷亡事故。在此高度以上應(yīng)該將玻璃幕墻和避雷設(shè)施做好等電位聯(lián)結(jié),將雷電流在極短時(shí)間內(nèi)流入大地。

圖6 超高層建筑遭受直擊雷時(shí)周邊電場(chǎng)強(qiáng)度

4 結(jié) 語

利用貴州省閃電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)資料和實(shí)測(cè)仿真模型數(shù)據(jù),使用CDEGS軟件建立高層智能建筑三維數(shù)值雷擊暫態(tài)模型,從雷擊暫態(tài)下標(biāo)量電勢(shì)、電磁場(chǎng)、設(shè)備及人員安全等方面展開分析,初步獲得如下結(jié)論:

(1) 在不采取屏蔽措施的情況下,建筑頂層的最大磁場(chǎng)約為13 000 A/m,遠(yuǎn)大于設(shè)備耐受的最大磁場(chǎng)800 A/m,造成設(shè)備的損壞;建筑底層最大磁場(chǎng)約為40 A/m,遠(yuǎn)小于800 A/m,不會(huì)造成設(shè)備損壞。

(2) 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,即越靠近地網(wǎng)中心,電位梯度越大,越容易造成地電位反擊。

(3) 接觸電壓由接地網(wǎng)邊緣向內(nèi)逐漸降低,地網(wǎng)中心地帶接觸電壓最低?？绮诫妷捍笮∨c接地體距離成反比,與接地系統(tǒng)網(wǎng)格間距成正比。在高層智能建筑地網(wǎng)主引下線接地體附近跨步電壓最大。

(4) 雷擊時(shí)最大接觸電壓和跨步電壓分別約為2 453 V和2 000 V,由此電壓引起的通過人體能量的大小分別為1.253 J和0.027 J,遠(yuǎn)小于人體所能承受的最大能量13.5 J,此時(shí)處于建筑底層的人員安全。

(5) 當(dāng)高層智能大廈最高點(diǎn)遭受直擊雷時(shí),在建筑周邊500 m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為600 V/mm,小于空氣或土壤因電擊穿可能發(fā)生弧光引起火災(zāi)的參考值3 000 V/mm,建筑周邊的加油加氣站及變電站等場(chǎng)所不會(huì)因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而發(fā)生火災(zāi)爆炸。

鑒于以上結(jié)論,在進(jìn)行高層智能建筑防雷電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí),可以參考模擬地電位分布及電磁場(chǎng)分布特征,對(duì)智能通信設(shè)備、控制設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等進(jìn)行合理布置,減少雷擊電磁波和過電壓對(duì)電子設(shè)備和人體產(chǎn)生的危害。本文只針對(duì)貴陽(yáng)地區(qū)地閃特征對(duì)雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁場(chǎng)特征進(jìn)行分析,存在一定局限性,在接下來研究中將引入貴州不同地區(qū)本地化雷電參數(shù)特征,將雷擊電磁場(chǎng)特征定性研究轉(zhuǎn)為定量評(píng)估研究,為智能建筑防雷提供科學(xué)理論支撐。