闪电回击过程中高层建筑物顶部感应电流电荷特征分析

蔡然 罗欣 高彦 杜其江 庄红波 彭筱虹 傅春华

（1 深圳市气象服务中心，深圳 518000；2 香港理工大学，香港；3 广东省东莞市气象局，东莞 523086）

0 引言

随着我国城市化进程的加快推进，在全国范围内出现了越来越多的高层建筑物，其中广泛分布着各种种类、各种型号的电子产品。在高建筑物受到直接雷击时，不但高层建筑物自身结构会遭到破坏，放置于建筑物内的某些精密电子产品也有很大可能受到雷电流的干扰甚至被损坏。因此，为了保护高建筑物本身及其中的电子设备，需要对高建筑物（高塔）闪电进行一些特性分析和研究。

近年来，大量的科学工作者[1-2]对雷电进行了深入的研究。当一个下行先导（downward leader）接近地面时，在地面上凸起的物体上（例如高塔和高建筑物）会激发上行先导（upward leader），当这个上行先导最终和下行先导连接时，就形成了闪电回击过程。目前，国内外针对高层建筑物（高塔）闪电特性进行了一些研究和分析[3-6]。一些研究[7-9]以广州塔（高600 m）为参考对象，分析资料得到一系列关于广州塔对于附近区域雷电发生密度、回击峰值电流、闪电极性和回击次数产生影响的结论。同时，国外一些专家学者也针对高塔闪电进行了一些观测和研究。

然而，目前有关高层建筑物对自然闪电电荷特性的影响仅局限于观测结果的分析，缺乏具体的理论基础和模拟结果对实际工作中高层建筑物雷电防护进行帮助和指导。通过合理的技术仿真及数值运算，分析量化回击过程中高层建筑对其顶部所产生的感应电流和感应电荷变化的影响特征，研究一套从高层建筑物雷电基础参数出发，针对高层建筑的高效、合理的综合防雷体系，指导城市高层建筑防雷理论建设，进而更好地为深圳城市高层建筑提供科学合理的防雷技术指导和依据，对今后指导高层建筑防雷设计、提升雷电防护效果等方面有着极其重要的意义。

1 资料与方法

深圳市气象观测梯度塔位于深圳市宝安区石岩气象观测基地内，集边界层气象垂直探测、大气环境监测、雷电防御科学研究、气象灾害实景监视于一体，梯度塔为桅杆结构，桅杆高度为356 m，塔身为2.5 m×2.5 m，采用PHC管桩基础和5层（65、130、195、260、325 m）纤绳固定（图1）。高塔雷电观测平台于2016年建成，开展了雷电流、快慢电场、高速摄像等多种观测试验[10]。

图1 深圳市气象观测梯度塔实景图 Fig. 1 Shenzhen meteorological gradient tower

为了研究自然闪电的起始过程和连接过程，利用其观测数据进行分析研究。该闪电光学观测站建立在一栋三层楼房的房顶，观测站距离梯度塔的水平距离约为440 m，直线距离约为560 m。在观测站中放置了两台不同配置的Photron Fastcam高速摄像机（HC-1和HC-2）用来观测和记录梯度塔塔顶上发生的闪电发展通道。HC-1镜头的焦距为20 mm，像素大小为20 μs，其对应的空间分辨率为0.56 m。拍摄时HC-1设置的帧数为20,000 FPS，每帧的曝光时间为10 μs。每个闪电过程的记录时间为50 ms，其中回击前的预触发时间占到总记录时间的20%。HC-2镜头的焦距为14 mm，像素大小为20 μs，其对应的空间分辨率为0.8 m。拍摄时HC-2设置的帧数为370000 FPS，每帧的曝光时间为2 μs。每个闪电过程的记录时间为50 ms，其中回击前的预触发时间占到总记录时间的12%。

通过高速摄像机观测并拍摄到发生在梯度塔上的两次上行闪电过程，从图像中得到先导的发展通道和通道长度。通过每帧图像之间的时间间隔，求得两次上行先导过程的平均速度分别为2.2×105和1.1×105m/s。基于以上雷电观测影像资料，建立接近自然闪电的模拟通道，对高塔周围环境和观测到的实际闪电通道进行建模，最终研究得到梯度塔对自然闪电发展过程中塔顶产生的电荷密度分布和电流分布的影响。同时，为了便于比较分析，选取以深圳地王——京基建筑群为代表的高层建筑物群和以深圳平安大厦为代表的超高层建筑物，利用COMSOL仿真软件模拟自然闪电过程，并对上述三种不同类型高层建筑物上感应的电流与电荷进行仿真计算。

2 电荷密度发展特征研究

在建筑物上方发生的自然闪电中携带的电荷越多，在下方建筑物上所产生的感应电荷也越多，相应建筑物上感应电荷的能量密度也越大。根据现有条件，不能在模式中直接求出自然闪电传播过程中携带的电荷量的大小，所以选用高层建筑物屋顶上感应电荷的能量密度的大小，与相同条件下没有建筑物时所产生的感应电荷能量密度的大小做比较，来求得建筑物对实际闪电电荷的影响。将有高层建筑物时建筑物屋顶上感应电荷的能量密度与无建筑物时所产生的感应电荷能量密度之间的比值定义为扩大系数，并量化该系数。研究对象示意图见图2。

图2 研究对象示意图 Fig. 2 Sketch map of the subjects in the study

2.1 建筑物高度对扩大系数的影响

根据上文介绍的方法，仿真模拟并对模拟数据进行统计分析（图3），其中5条曲线分别代表建筑物顶部平台面积分别为6.25（边长为2.5 m）、100、3500、10000和25000 m2时，建筑物高度和扩大系数的关系。

根据图3可以看出，在5条曲线中，系数都随建筑物高度的增加而增加，系数的变化范围为2.0～4.5。高层建筑对其上感应电荷的影响强度随着建筑物自身高度增加而增加，同时建筑物顶部平台面积越小，对感应电荷影响越大，但不论顶部平台面积扩大或缩小，在600 m高度的时候变化率均趋于缓和。

图3 建筑物高度和扩大系数的关系 Fig. 3 The relationship between enlargement coefficient and height of building

2.2 建筑物顶部平台大小对扩大系数的影响

图4为建筑物顶部平台面积和扩大系数的关系。图中不同颜色曲线分别代表普通建筑物（高度为50 m）、高层建筑物（高度为100 m）、深圳气象梯度观测塔（356 m）和平安大厦（600 m）这4种情况。从图4中可以明显看出，4种不同高度的建筑物的扩大系数都随其顶部平台面积的增大而减小，系数的变化范围为2.3～4.5。另外随着建筑物高度越高，建筑物对地面感应电荷的影响也越高，与2.1节分析的结论一致。在建筑物不同高度和顶部面积的情况下，有无建筑物所造成的顶部感应电荷的扩大系数分布见表1所示。

图4 建筑物顶部平台面积和扩大系数的关系 Fig. 4 The relationship between enlargement coefficient and area of roofs

2.3 建筑群对扩大系数的影响

选取深圳市内京基100大厦和地王大厦作为一个建筑物群，来开展对建筑物顶部感应电荷扩大系数的研究。京基100的高度为441 m、顶部面积为4900 m2；地王大厦的高度为383 m、顶部面积为2500 m2。两栋大楼的水平距离为400 m。

表1 建筑物造成的电荷扩大系数 Table 1 Enlargement coefficient data by building

当京基100大楼单独存在时，其顶部平台在闪电通道下所产生的感应电荷的扩大系数为3.8；如果两栋高建筑物同时存在，京基100顶部平台感应电荷的扩大系数为3.9。另一方面，当地王大厦单独存在时，其顶部平台在闪电通道下所产生的感应电荷系数为3.7；如果两栋高建筑物同时存在，其顶部系数不变，具体数据如表2所述。当闪电通道在京基100楼顶时，地王大厦顶部产生的感应电荷为京基100楼顶上所产生的感应电荷的1.8%；当闪电通道在地王大厦顶部时，京基100楼顶的感应电荷为地王大厦顶部的4.4%。

表2 两个相邻高建筑物对建筑物顶部感应电荷扩大系数的影响 Table 2 Induced charge expansion coefficient for two adjacent buildings

进一步把建筑物C（高度500 m，顶部平台面积900 m2）纳入研究范围，研究三个建筑物构成的超高建筑物群在闪电发生时的相互影响作用。三个超高建筑物所对应的分布如图5所示。三个建筑物之间互相影响的结果如表3所示。当闪电通道在京基100楼顶时，地王大厦顶部产生的感应电荷为京基100楼顶上所产生的感应电荷的1.8%，建筑物C上的感应电荷为京基100上的0.8%；当闪电通道在地王大厦顶部时，京基100楼顶的感应电荷为地王大厦顶部的4.3%，建筑物C上的感应电荷为地王大厦的2%；而当闪电通道在建筑物C头顶时，地王大厦的感应电荷和京基100的感应电荷均为建筑物C的2.2%。

图5 建筑物群示意图 Fig. 5 Sketch map of the buildings

表3 三个相邻高建筑物对建筑物顶部感应电荷系数的影响 Table 3 Induced charge expansion coefficient for three adjacent buildings

建筑物A为京基100大厦；建筑物B为地王大厦；建筑物C高度为500 m，顶部平台面积为900 m2。

根据对这一建筑物群的研究，可以发现：

1）有无相邻建筑物对建筑物顶部感应电荷的扩大系数影响很小；

2）闪电通道在复杂地面上所产生的感应电荷，主要集中于正下方建筑物平面上。随着闪电通道离地面越来越近，其他建筑物顶部产生的感应电荷与通道正下方建筑物顶部产生的感应电荷的比率越来越小。

3 电流发展特征影响

选取深圳气象梯度塔为研究对象，固定塔高为356 m，研究塔顶平台面积不同时，感应电流系数的变化（图6）。当塔顶平台面积为6.25 m2时，高塔对闪电所引起的感应电流的扩大系数为4.3，而当平台面积增大至10000 m2时，其扩大系数下降至3.4，这与表1的数据结论一致。这说明高层建筑对闪电通道内电流的影响趋势与对电荷的影响趋势一致。

图6 电流扩大系数分布 Fig. 6 The current enlargement coefficient

另外，根据电流与电荷的关系公式I=ρ×V，当感应电荷密度ρ一定时，感应电流I的大小与传播速度V成正比。以深圳塔观测到的两个自然闪电个例为例：个例一发生于2016年7月30日15时35分38秒，先导传播时拍摄到的高速摄像照片如图7a所示。根据对应的高速摄像资料，得到这一个例传播过程中的速度为2.2×105m/s。个例二发生于同一日的15时42分03秒，拍摄到的高速摄像照片如图7b所示，其对应的二维速度为1.1×105m/s。

图7 2016年7月30日深圳塔上发生的两次自然闪电过程（a）15时35分38秒；（b）15时42分03秒 Fig. 7 Two processes occurred on Shenzhen Meteorological Gradient Tower: (a) 15:35:38, (b) 15:42:03

根据电流公式，这两次过程中电流和电荷的对应关系如图8所示。从图8中可知，不同自然闪电过程中，先导的传播速度不同，对最终感应电流的大小也有很大影响。

图8 感应电荷密度和感应电流大小的关系 Fig. 8 The relationship between induced charge and induced current

4 结论

通过上述分析，得到以下结论：

1）高层建筑感应电流的影响趋势与对感应电荷的影响趋势一致，其影响程度与建筑物自身高度呈正比，同时与建筑物顶部平台面积成反比，对绝大多数情况而言，其扩大系数在2.0～4.5；

2）有无相邻建筑物对建筑物顶部感应电荷的扩大系数影响很小；

3）闪电通道在复杂地面上所产生的感应电荷，主要集中于正下方建筑物平面上。随着闪电通道离地面越来越近，其他建筑物顶部产生的感应电荷与通道正下方建筑物顶部产生的感应电荷的比率越来越小。由于先导的传播速度不同，对最终感应电流的大小也有很大影响。

目前对深圳市内高塔和高建筑物上发生的自然闪电的观测资料有限，本文中所使用的仿真资料主要局限于自然闪电的光学图像资料，利用这些资料进行仿真计算并给出一些初步的结论。未来计划逐步完善深圳气象局石岩观测基地的高塔闪电综合观测站，对发生在深圳气象梯度塔上的闪电过程进行快慢电场、电流、磁场和光学等各方面的综合观测。利用综合观测资料，针对例如高层建筑物对自然闪电的传播速度是否会有影响，进而影响闪电通道内的电流扩大系数等问题进行深入的研究和分析。