雷直击建筑物时室内电磁环境研究

李 斌

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037006)

1 雷直击建筑物时结构钢筋中的电流分布计算

各分支导体的电流分布是基于导体的电气各项参数，然后把导体进行等值的表示成为耦合π型的电路，之后再把这些耦合π型的电路组成等值网络，就可计算出各分支导体的电流分布。

本文结合专业特点，利用较为成熟的电磁暂态计算程序——EMTP，对所述问题进行数值求解。分析不同雷电流波形对电流分布的影响，模型结构见图1，图2。

1.1 雷直击时结构钢筋中电流分布的计算

对结构简单的模型A和B进行了电流分布计算，所采用的电流源波形为10/350 μs。计算中认为大地是理想导体。结构A和B的计算结果如表1所示，表1中各分支导体的电流分布为电流幅值的最大值与总的雷电流幅值之比的百分数。

表1 不同结构时的电流分布 %

如表1所示，较高的冲击电流位于雷击点的正下方分支的导体，但是其他分支导体也有更为明显的分流左右，所以，应该在建筑物设计雷防的时候应该尽可能多的设计分流导体。

对比各分支导体中的电流波形，发现与总电流波形基本一致，见图3。

值得一提的是，在GB 50057—94建筑物防雷设计规范第3.3.4条中引用的分流系数kc，“单根引下线应为1，两根引下线及接闪器不成闭合环的多根引下线应为0.66，接闪器成闭合环或网状的多根引下线应为0.44”，在上述两种结构，推荐kc=0.44，这与计算结果是比较接近的。当然，规范给出的系数是比较粗糙的，它是针对长宽高均相等的对称结构而言的。

1.2 雷电流波形对电流分布的影响

为了分析雷电击波对电流分布的不同影响以及波头时间范围从0.25 μs～10 μs，对结构A进行了计算，计算结果如表2所示。

表2 不同波形时结构A中的电流分布 %

由表2可见，对于结构A来说，不相同的波形下电流分布幅值的平均值的百分比几乎没有变化，这是因为没有考虑参数的频变特性(参数是恒定的)，因此电流分布百分比主要取决于电路结构，而与波形基本无关。

由上述分析可知，不同波形时分支导体1的电流随着波头逐渐减小而逐渐出现振荡，而且波头越小电流的振荡就会越严重。分析其原因就是在波头减小时，电路的自振频率附近的分量会随着冲击电流的减小而逐渐增加。

电流源波头越短，振荡越严重，尽管振荡的轴线(近似取平均值)不会随波头变动基本不会改变，但在实际的建筑物中相当于分流增加了，会对建筑物中的电子系统的干扰值加大。

另外，在同一种结构中，无论其电流源波头怎样，其振荡频率是基本稳定的，因为在不考虑参数频变特性的情况下，电路结构决定了振荡频率。由此可以推测出来，在大型建筑物中，由于其几何尺寸很大，其电路自振频率较低，较长波头的电流源也能引起明显的振荡现象。因此，在雷直击建筑物时的电磁暂态研究中，电流源的波头是一个十分重要的因素。

2 雷直击建筑物时空间磁场分布的计算

雷直击建筑物时室内的电磁干扰计算，这是一件十分复杂的工作，但同时又是十分重要的。因为在现实的建筑工程中，最重要的因素即是建筑物内电磁干扰的程度，电磁干扰的程度对室内的电子设备和人身安全造成多大影响甚或是危害都是很重要的考虑因素。

已知分支导体的电流分布，要求解该电流对室内空间可能存在的金属回路的电磁感应，推荐采用场的方法。采用通过求解磁感应强度的方法来计算回路的感应电动势，其优点是可以充分考虑电磁场的各个分量。

本部分采用场的方法，力求对这方面的问题作出一些定量分析。具体思路是：在前一节得到各结构钢筋电流分布的基础上，从电磁场的基本方程出发，先求出室内空间的磁场分布，然后求出室内各种金属回路的感应电压。

2.1 雷直击时室内磁场分布的计算

本文对结构B进行了计算。在本文的一般计算情况下，所用电流为10/350 μs，并以10 m为一个分段长度。

分别计算了平面z=0 m,5 m及10 m处磁感应强度最大值的平面分布以及点(1，1，0)处的磁感应强度及其各分量随时间的变化情况。计算中，将10 m长的导体按0.5 m均分成20段，因此z平面中有19×19=361个点。

同一平面内的磁感应强度最大值的峰值出现在紧邻四根竖直导体的地方，而且电流大的导体附近，其磁感应强度最大值的峰值也大。另外，由于物理结构的对称，同一平面内磁感应强度最大值也呈对称分布。

随着z的增加，同一x，y所对应的磁感应强度最大值逐渐减小。因此，离地面越近，磁感应强度越大。

综上所述，可以得出以下结论：越靠近导体，磁感应强度越大；导体电流越大，磁感应强度也越大。

2.2 雷电流波形对磁场分布的影响

本节对结构B进行了不同波形下的磁感应强度计算，且以10 m为一个分段长度。

分别计算了z=0 m处磁感应强度最大值的平面分布及点处的磁感应强度随时间的变化情况。另外，还给出了点(1，1，0)处的磁感应强度最大值与波头的关系曲线。

不论电流源波形如何变化，磁感应强度最大值分布非常相似，均是在紧邻竖直导体的地方出现峰值。尽管如此，但其同一点的最大值随着波头的减小而有较大的增加。

随着电流源波头的减小，磁感应强度呈现明显的振荡形式，而且尽管振荡的轴线(近似取平均值)基本不随波头而变，但实际上是磁感应强度最大值的峰值增加了。另外，磁感应强度的振荡频率只与电路结构有关，而与电流源波头无关。

因此，可得出以下结论：磁感应强度与电流源波头密切相关，波头越短，磁感应强度越大。

3 结论

1)在电气参数的基础上，本文利用EMTP程序的Windows版本PSCAD计算了导体中的电流分布。

2)通过研究雷电流波形对电流分布的影响发现，在研究建筑物雷电暂态特性时，建筑物结构尺寸越大，冲击电流波头时间越小，分支导体中的电流振荡越严重。而且，振荡频率只取决于电路结构参数，与雷电流波形无关。

3)雷直击建筑物时室内的电磁干扰计算，是一件十分复杂的工作。首先求解出电流分布，其次从电磁场的基础理论出发，求解出建筑物内空间磁场的分布，继而求出室内各种金属回路的感应电压。

4)对结构B进行了不同波形下的磁感应强度计算，计算结果表明，磁感应强度与电流源波头密切相关，波头2 980×0.2越短，磁感应强度越大。

参考文献:

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