雷击暂态下高层智能建筑电磁场环境研究*

曾 勇, 张淑霞, 黄 钰, 李 迪, 丁 旻

(1.贵州省气象灾害防御技术中心, 贵州 贵阳 550001;2.贵州省人工影响天气办公室, 贵州 贵阳 550001)

0 引 言

雷电是一种发生在大气层中常见的大气物理现象,雷电常常会造成自然灾害,给建筑物及生命财产带来巨大破坏[1]。一次雷暴活动包括成百上千个回击过程,一次回击过程具有放电时间短、电流强度大等特点,能够直接造成人员伤亡、建筑物等其他设施设备受损。此外,瞬间的高电位、瞬变的电磁辐射可导致微电子设备损坏,同时极易造成易燃易爆场所由于电火花引发火灾及爆炸事故。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的影响人类活动的严重灾害之一,为了防止或减轻雷电灾害带来的损失,世界各国都在防御雷电灾害方面做了大量的研究工作。

随着经济的快速发展和信息化技术的不断提升,高层智能大厦不断涌现。智能建筑集通信自动化、办公自动化、建设自动化为一体,融合计算机技术、通信技术、控制技术以及建筑技术的自动化楼宇系统。贵州地处云贵高原东侧,属典型的山区省份,特殊的地理环境和地形地貌,造成冷暖空气交汇活动频繁,天气复杂多变,频繁出现强雷暴单体和雷暴群,极易引发雷电天气过程。近50年来,全省年平均雷暴日达51.6 d,属多雷暴区。贵阳作为目前“大数据”中心,更多高层和超高层智能大厦将落户到贵阳城市综合体,伴随而来的是更多智能电子设备。雷击电磁环境对智能建筑内部各种智能电子设备正常运行构成最大威胁。因此,开展针对贵州地区雷击暂态下高层智能大厦电磁环境研究具有重要意义。

文献[2]对高层建筑雷击机理及防雷设计进行研究,针对高层建筑特点分析其雷击危害和雷击机理,并提出综合防雷设计。文献[3]对现代智能建筑的雷电防护技术及发展前景进行研究,提出了针对智能建筑雷电防护的有效方法。文献[4-6]从现代建筑防雷工程角度对智能大厦弱电系统雷电防护进行研究,提出更为具体的防雷措施。文献[7]结合当地的雷暴特点、建筑物特点、内部设备特点、设备重要性等因素,研讨了智能建筑物雷电防护等级划分、雷击风险评估、外部防雷措施和内部防雷措施等方面的技术和方法。上述研究主要建立在智能建筑雷电防护技术理论基础上,研究对象局限于低层智能建筑,对雷击暂态下高层智能建筑电磁场分布特征及其对电子设备、人身安全等安全评估研究基本处于空白。同时,不同地区雷暴电结构与放电参量因地理位置、地形地貌差异而具有不同特点,只有建立基于本地化雷暴雷击参数模型,揭示雷击暂态下高层智能建筑电磁环境变化规律,结合现有防雷技术才能从科学角度对高层智能建筑进行雷电防护。

本文利用贵州省雷暴统计特征参数,采用CDEGS软件,建立高层智能大厦雷击暂态模型,分析雷击暂态下高层智能建筑电磁环境特征,对电子设备安全、人员安全及火灾爆炸环境作评估,为高层智能建筑雷击风险评估和雷电防护进行技术支撑。

1 数据与分析方法

雷暴特征参量数据来源于2006—2015年贵州二维ADTD闪电探测系统数据,主要雷电参量为雷电流强度。贵州省地闪强度分布如图1所示。本次雷击暂态模型仿真实验主要选取贵阳市高层智能建筑作为研究对象,所涉及雷电参数及其他物理量均以此研究区域为准。

贵阳市最大正闪强度、最大负闪强度、平均地闪强度分别为244.47 kA、235.96 kA、38.09 kA。仿真试验雷电流强度选取49 kA,是研究对象中心位置3 km半径范围内最大的雷电流强度,也是贵阳市年平均闪电强度中最集中区段。雷电流波形采用标准的双指数波形,雷电波的上升时间为5 μs,在150 μs内衰减为0,极性为负地闪。仿真试验采用的10/150 μs双指数雷电流波形如图2所示。

图1 贵州省地闪强度分布

仿真模型试验数据来源于实地测量。为了获得较为准确的仿真试验参数,对选取高层智能建筑涉及参数进行实地测量,提取其防雷系统相关参数。仿真试验模型参数如下:智能建筑高度为99 m,建筑长度(宽度)为65(65) m,二类防雷类别,第一层土壤电阻率为136.70 Ω·m,第二层土壤电阻率为561.24 Ω·m,相对电阻率10,相对磁导率300,导体半径为0.01 m。

分析方法主要通过CDEGS软件对雷击高层智能建筑最高点暂态下电磁场进行计算。CDEGS是一套功能强大的工程软件包,可用于精确分析接地、电磁场、电磁干扰等方面问题,由RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST、FFTSES 8个工程模块组成。利用SESCAD模块建立雷击高层智能建筑暂态三维数值模型,REASP模块对实测土壤电阻率数据进行反演解释,FFTSES模块对雷击参数进行匹配,HIFREQ模块基于已建模型并耦合实验参数方案对雷击高层智能建筑最高点产生电磁场进行运算分析[8-9]。主要物理参量计算步骤如下:

(1) 使用CDEGS软件中的FFTSES模块,对雷击电流波形作傅里叶正变换,以获得其频谱。

(2) 将SESCAD模块建立模型耦合到HIFREQ模块进行电磁场计算。在正向傅里叶变换FFTSES推荐的频率下,计算各频率下对应的的电磁场。

(1)

式中:f(t)——被分析的信号,指雷电流函数;

F(ω)——经过傅里叶变换后的频谱函数。

(3) 建立HIFREQ结果频谱响应的数据库。该响应可以是任何计算量,如地表电位升、电场、接触电压、跨步电压等。

(4) 执行傅里叶逆变换(使用FFTSES)以获取计算量的时域响应。

(2)

通过以上步骤,便可以计算出所需要的物理量,如接触电压、跨步电压、合成电场分布、合成磁场分布等。

2 电磁参量计算分析

2.1 标量电势

电势从能量的角度描述电场。为了获得雷击暂态下高层智能建筑内导体表面电势分布,在逆向傅里叶计算时增加标量电势计算参量,高层智能建筑底层地面标量电势最大值与GPR分布如图3所示。

综上所述，自动化的机械制造发展必将经历技术革新与创新，核心技术内容的掌握尤为必要。为满足未来阶段的技术发展需求，自动化机械设备制造应以市场发展方向为导向，对现阶段的核心技术内容加以改进，并加大综合性技术研发投入，解决关键性技术问题，为我国自动化机械制造发展奠定良好的技术根基。

在雷电电磁脉冲下,高层智能建筑底层地面地表电位升和电场较低,而且对所有连在一起的导体电位分布均衡。标量电势和电场随频率升高而显著增加,这是因为在雷击点附近的埋设导体泄漏电流增加。地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势,下降的幅度地网中心大,地网边缘小,即越靠近地网中心,电位梯度越大,越容易造成电位反击。在土壤存在明显分层结构时,地网的设计需要参考分层土壤模型,根据地网对雷电流分流建立科学合理的接地网[11]。

图3 高层智能建筑底层地面标量电势

2.2 电磁场分布

雷电流经雷击点流经引下线及建筑内钢筋,在最高层雷电流分流中雷电流最大,到底层逐渐衰减入地。本文分析雷电击中高层智能大厦最高点时,建筑底层区域的合成电场与磁场最大值。

直击雷时底层合成磁场最大值与合成电场最大值如图4所示。

由图4可知,当雷击高层建筑最高点时,电场与磁场在靠近雷击点出现周期振荡,振荡周期由建筑的共振频率而定。该振荡产生的强大瞬态电磁场比雷击发生时的初始值高许多。雷击高层智能大厦最高点时,在不采取屏蔽措施的情况下建筑顶层的最大磁场约为13 000 A/m,远大于设备耐受的最大磁场800 A/m,造成设备的过电压损坏;建筑底层最大磁场约为40 A/m,远小于800 A/m,不会造成设备过电压损坏。但是在底层附近如果出现邻近雷击,则应另作计算。

图4 直击雷时底层合成磁场最大值与合成电场最大值

2.3 接触电压与跨步电压

雷击高层智能建筑底层人员安全性分析采用IEC/TR 60479-4—2011《电流对人和家畜的影响 第4部分:雷击影响》来判断。利用该标准中的具体颤动激励或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy Method,SFCEM)进行计算分析[10]。雷击暂态下人员安全标准值:人体电阻为500 Ω时,人员安全标准值为13.5 J;人体电阻为1 000 Ω时,人员安全标准值为27 J。

智能建筑底层地面接触电压与跨步电压最大值分布如图5所示。在模拟雷击波情况下,接触电压(人站在室内地板上,触摸墙壁)高达1 319 kV,而通过人体的能量为10 486 J,远大于Dalziel瞬态电流波(雷电波)的能量13.5 J的人身安全参考值。但是,由于高层建筑基本处于极高等电位体,所以跨步电压(人站在室内地板上)却相对很小,只有约为2 326 V,以跨步电压而通过人体的能量仅为0.03 J,远小于Dalziel瞬态电流波(雷电波)的能量13.5 J的人身安全参考值,故安全。

图5 智能建筑底层地面接触电压与跨步电压最大值分布

3 火灾爆炸安全分析

表1 空气与土壤在不同条件下的典型击穿电场强度

利用CDEGS软件计算高层智能大厦最高点遭受直击雷时周边的电场强度,判断空气或土壤是否会发生电击穿,评估处于建筑周边的加油加气站、变电站等场所是否会因空气或土壤发生电击穿而导致火灾、爆炸。

结果表明,高层智能大厦最高点遭受直击雷时,在建筑周边500 m范围内产生的最大电场强度约为600 V/mm。超高层建筑遭受直击雷时周边电场强度如图6所示。雷击时产生的最大电场小于空气或土壤因电击穿可能发生弧光引起火灾的参考值,即超高层建筑遭受直击雷时,建筑周边的加油加气站及变电站等场所不会因空气或土壤发生电击穿而发生火灾爆炸。但静电场只能是弧光放电的一个参考值,并不能成为评估火花放电的安全值。因此是否可能发生火花引起火灾,需要看两个导体间的电位差(电压)是否大于击穿参考值。因为高层智能大厦外墙大部分由玻璃幕墙构成,如果在滚球半径以上高度一旦遭受侧击雷击,玻璃幕墙很有可能被击穿开裂,造成人身伤亡事故。在此高度以上应该将玻璃幕墙和避雷设施做好等电位联结,将雷电流在极短时间内流入大地。

图6 超高层建筑遭受直击雷时周边电场强度

4 结 语

利用贵州省闪电数据统计特征参数资料和实测仿真模型数据,使用CDEGS软件建立高层智能建筑三维数值雷击暂态模型,从雷击暂态下标量电势、电磁场、设备及人员安全等方面展开分析,初步获得如下结论:

(1) 在不采取屏蔽措施的情况下,建筑顶层的最大磁场约为13 000 A/m,远大于设备耐受的最大磁场800 A/m,造成设备的损坏;建筑底层最大磁场约为40 A/m,远小于800 A/m,不会造成设备损坏。

(2) 地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势,下降的幅度中心大,边缘小,即越靠近地网中心,电位梯度越大,越容易造成地电位反击。

(3) 接触电压由接地网边缘向内逐渐降低,地网中心地带接触电压最低。跨步电压大小与接地体距离成反比,与接地系统网格间距成正比。在高层智能建筑地网主引下线接地体附近跨步电压最大。

(4) 雷击时最大接触电压和跨步电压分别约为2 453 V和2 000 V,由此电压引起的通过人体能量的大小分别为1.253 J和0.027 J,远小于人体所能承受的最大能量13.5 J,此时处于建筑底层的人员安全。

(5) 当高层智能大厦最高点遭受直击雷时,在建筑周边500 m范围内产生的最大电场强度约为600 V/mm,小于空气或土壤因电击穿可能发生弧光引起火灾的参考值3 000 V/mm,建筑周边的加油加气站及变电站等场所不会因空气或土壤发生电击穿而发生火灾爆炸。

鉴于以上结论,在进行高层智能建筑防雷电磁兼容设计时,可以参考模拟地电位分布及电磁场分布特征,对智能通信设备、控制设备、计算机系统等进行合理布置,减少雷击电磁波和过电压对电子设备和人体产生的危害。本文只针对贵阳地区地闪特征对雷击暂态下高层智能建筑电磁场特征进行分析,存在一定局限性,在接下来研究中将引入贵州不同地区本地化雷电参数特征,将雷击电磁场特征定性研究转为定量评估研究,为智能建筑防雷提供科学理论支撑。