于慶武

摘 要：雷電是高層建筑物的危害來(lái)源之一，給人們的日常生產(chǎn)、生活帶來(lái)了直接、嚴(yán)重的影響。雷電防護(hù)問(wèn)題是低壓弱電和高壓強(qiáng)電的綜合體，研究高層建筑物安全有效的雷電防護(hù)措施，降低雷電災(zāi)害所帶來(lái)的損失及嚴(yán)重危害，是工程技術(shù)人員及相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者所面臨的重要課題。文章從雷電災(zāi)害對(duì)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(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)、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(chǎng)分布情況，探討避雷系統(tǒng)對(duì)建筑物內(nèi)的磁場(chǎng)分布的影響，從而研究現(xiàn)代高層建筑的雷電防護(hù)技術(shù)，對(duì)工程技術(shù)人員進(jìn)行雷擊災(zāi)害防護(hù)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；雷擊；防雷設(shè)計(jì)；雷電流分布

中圖分類(lèi)號(hào)：TU976.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0137-03

隨著信息化時(shí)代的日益發(fā)展，雷災(zāi)出現(xiàn)與以往不同的新特點(diǎn)：遭受雷電災(zāi)害的范圍逐年擴(kuò)大，從過(guò)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(huì)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(kuò)展到三維空間；過(guò)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(chǎng)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(shí)，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(xué)技術(shù)的發(fā)展使得雷災(zāi)的攻擊對(duì)象為高層建筑的電子設(shè)備，同時(shí)成為雷電電磁脈沖的破壞對(duì)象。

雷電干擾高層建筑的途徑主要包括：強(qiáng)雷電流在高層建筑避雷設(shè)備遭受雷擊時(shí)，沿鋼筋結(jié)構(gòu)導(dǎo)入大地，產(chǎn)生過(guò)壓干擾電子設(shè)備，導(dǎo)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(shí)，在金屬管線上形成直擊雷過(guò)電壓，雷擊金屬管線附近的物體，產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)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(chǎng)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(diǎn)。

1 雷擊建筑物內(nèi)導(dǎo)體電氣參數(shù)

現(xiàn)代高層建筑物防雷設(shè)計(jì)，往往利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬導(dǎo)體安裝防雷系統(tǒng)，通常稱(chēng)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(gè)建筑物得到保護(hù)，同時(shí)屏蔽、均衡暫態(tài)對(duì)地懸浮電壓。

籠網(wǎng)式避雷屬于多分支導(dǎo)體系統(tǒng)，當(dāng)高層建筑遭受雷擊時(shí)，這些分支導(dǎo)體就成為傳輸強(qiáng)雷電流的主要途徑。同時(shí)產(chǎn)生雷電暫態(tài)過(guò)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(jì)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(chǎng)在高層建筑內(nèi)的分布，得到感應(yīng)磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的大小，為保護(hù)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(duì)高層建筑防雷導(dǎo)電整體結(jié)構(gòu)分段，并將每段簡(jiǎn)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(guò)程。

研究當(dāng)中通常用電容、電阻等電氣參數(shù)對(duì)電氣特性進(jìn)行描述。由于在各分支導(dǎo)體之間存在電磁耦合，這些參數(shù)以矩陣形式表現(xiàn)出來(lái)，隨頻率的變化而變化。給定各分支的幾何尺寸及空間坐標(biāo)，即可計(jì)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(dǎo)體電容參數(shù)。對(duì)導(dǎo)體任一點(diǎn)的電位求解，求導(dǎo)體尺寸積分均值，求出電位系數(shù)。導(dǎo)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(duì)稱(chēng)。設(shè)導(dǎo)體i、j的線電荷密度分別為qi，qj，則導(dǎo)體i上任意一點(diǎn)Zg，導(dǎo)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(duì)任意豎直平行導(dǎo)體，將與地面下某一復(fù)數(shù)深度平面對(duì)稱(chēng)，該復(fù)數(shù)深度定義為：

對(duì)不規(guī)則位置的分支導(dǎo)體，可以先將其用折線逐段取代，再對(duì)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(chǎng)分布

雷電流屬于單極性的脈沖波形，約有80%～90%是負(fù)極性的。由于第一次放電的電流幅值最高，在防雷設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)對(duì)主放電的影響進(jìn)行考慮。為了把這種流動(dòng)波在雷電暫態(tài)中進(jìn)行近似反映，需要利用分段方法對(duì)防雷系統(tǒng)的導(dǎo)體進(jìn)行研究。由于段長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響計(jì)算精度，段長(zhǎng)選得過(guò)短會(huì)使電路模型復(fù)雜化，在建立防雷電路模型時(shí)，導(dǎo)體段長(zhǎng)至關(guān)重要。解決如何進(jìn)行合理分段問(wèn)題，可以先對(duì)雷電流波形的頻譜進(jìn)行分析，然后再做其他計(jì)算。在計(jì)算雷電暫態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，總是給定雷電流源的波形參數(shù)。雷電流源波形通過(guò)雙指數(shù)函數(shù)表示，經(jīng)過(guò)傅里葉變換可得：

當(dāng)子導(dǎo)體系統(tǒng)逐個(gè)被π型電路單元所取代時(shí)，整個(gè)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(duì)雷電暫態(tài)響應(yīng)進(jìn)行求解。節(jié)點(diǎn)電壓法以節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的電流源向量，Yn為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣， Un為節(jié)點(diǎn)電壓向量。在暫態(tài)計(jì)算開(kāi)始時(shí)刻，相應(yīng)電容和電感的初值來(lái)確定各歷史電流源數(shù)值，開(kāi)始暫態(tài)時(shí)刻雷電流源數(shù)值與歷史數(shù)值，二者共同決定了開(kāi)始時(shí)刻節(jié)點(diǎn)電流源向量In；算出新的歷史電流源數(shù)值，按節(jié)點(diǎn)方程解出節(jié)點(diǎn)電壓向量Un，再與新時(shí)刻的雷電流源數(shù)值一起更新節(jié)點(diǎn)電流源向量In，利用上述方法，經(jīng)過(guò)反復(fù)求解，即可得出在指定時(shí)間段內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)解。

對(duì)室內(nèi)電磁場(chǎng)分布求解，其常用方法為：其一，先求分支導(dǎo)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(chǎng)；其二，根據(jù)分支導(dǎo)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(chǎng)分布狀況。方法二能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)分布狀況進(jìn)行較全面的考慮。通過(guò)計(jì)算電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)的暫態(tài)分析，根據(jù)麥克斯韋方程組計(jì)算電磁場(chǎng)。建立逼近實(shí)際建筑工程電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)離散化處理，轉(zhuǎn)化為等價(jià)的離散數(shù)學(xué)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(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)這些理論分析，結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)，為防雷工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(chǎng)時(shí)，利用網(wǎng)格剖分對(duì)電磁場(chǎng)域進(jìn)行離散化處理，最終由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的集合構(gòu)成；以各離散點(diǎn)上函數(shù)差商近似替代該點(diǎn)的偏導(dǎo)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(diǎn)函數(shù)值，再通過(guò)插值方法從離散解得到整個(gè)電磁場(chǎng)域的近似解。

在求高層建筑內(nèi)雷電暫態(tài)電磁場(chǎng)時(shí)，先采用上述方法對(duì)分支導(dǎo)體及其鏡像導(dǎo)體細(xì)分，計(jì)算各小段電流在該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將所有小段電流在該點(diǎn)的電磁場(chǎng)矢量合成，即得該點(diǎn)的電磁場(chǎng)。

3 高層建筑防雷系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)

在高層建筑遭受雷擊時(shí)，能夠計(jì)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(chǎng)的分布，為工程施工及檢測(cè)提供參考，是高層建筑防雷工作設(shè)計(jì)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(dòng)化計(jì)算雷擊電磁暫態(tài)是關(guān)鍵問(wèn)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(gè)部分：數(shù)據(jù)處理、圖形顯示及人機(jī)交互模塊，共同完成對(duì)雷擊高層建筑暫態(tài)響應(yīng)的計(jì)算。

①人機(jī)交互設(shè)計(jì)。人機(jī)界面設(shè)計(jì)是計(jì)算系統(tǒng)與認(rèn)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(jī)界面設(shè)計(jì)中的可使用性、可靠性、靈活性是關(guān)鍵。

②圖形顯示設(shè)計(jì)。主要完成對(duì)雷電流及電位分布及電磁場(chǎng)分布的顯示功能，自動(dòng)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(jī)界面中顯示，為設(shè)計(jì)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(shí)，雷電電磁脈沖伴隨雷電流同時(shí)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(chǎng)的形式出現(xiàn)，在建筑導(dǎo)體以及通信線路中感應(yīng)出過(guò)電壓、過(guò)電流。

對(duì)高層建筑的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)考慮綜合防護(hù)，使其成為一項(xiàng)系統(tǒng)工程。通過(guò)裝設(shè)避雷網(wǎng)（帶）、避雷針?lè)雷o(hù)建筑本身，重點(diǎn)是防直擊雷；通過(guò)分區(qū)防護(hù)進(jìn)行抗雷電電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，防護(hù)高層建筑內(nèi)部設(shè)備。掌握雷擊特點(diǎn)，并熟悉其對(duì)高層建筑的危害途徑，對(duì)雷擊高層建筑內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行研究，進(jìn)行更為有效的防雷設(shè)計(jì)，給出更佳的防雷解決方案，高層建筑的綜合防雷設(shè)計(jì)如圖3所示。

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

防雷接地。為了把雷電流迅速導(dǎo)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(jí)、對(duì)防雷干擾的要求較高。無(wú)論串擊、直擊、反擊都會(huì)使設(shè)備受到不同程度的損壞。對(duì)高層建筑的防雷接地設(shè)計(jì)必須嚴(yán)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(jí)負(fù)荷，防雷設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)有電場(chǎng)存在。在干擾源與敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地，能使交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓變得小。

均壓保護(hù)。雷電流所經(jīng)過(guò)的路徑上將產(chǎn)生暫態(tài)電位升高，形成暫態(tài)電位差，當(dāng)暫態(tài)電位差超過(guò)絕緣耐受強(qiáng)度時(shí)，就導(dǎo)致?lián)舸┓烹?，使金屬體電位升高，對(duì)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(duì)室內(nèi)各種金屬物體進(jìn)行等電位連接，與建筑的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成一個(gè)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(yǔ)

高層建筑防雷保護(hù)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(diǎn)不斷改進(jìn)，對(duì)高層建筑起到防護(hù)作用，同時(shí)防護(hù)建筑內(nèi)的設(shè)備，保證其安全可靠地工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 虞昊，現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)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(hù)[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(hù)[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(guó)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）.