地面建筑物防雷系统中雷电效应研究

摘要

近年来，由于现代建筑物的高度不断增加因此更容易受到雷击的侵害。当建筑物遭受直接雷击时，强大的雷电流自雷击点注入防雷系统，沿各分支导体传播，经接地体最终散入大地。在此暂态过程中，各分支导体上传播的雷电流将在建筑物内产生脉冲电磁场，危害电子设备的安全可靠运行;同时还会在各分支导体上产生热效应，影响建筑物钢筋框架结构的稳定性，并且在接地体周围的地面上产生电位抬高，危及地面活动人员的人身安全。因此，本文旨在对高层建筑物遭受雷击情况下的电磁效应和热效应进行仿真分析和计算，为建筑物的防雷设计提供可信的依据，从而降低建筑物的雷害损失。
　　针对建筑物多导体系统构成的大规模电网络的雷电暂态求解，本文提出了一种降阶模型。该模型基于Arnoldi算法，计算该电网络的全等变换矩阵。通过建立多导体系统的状态方程，求出等效网络的传递函数。最后运用拉普拉斯反变换和卷积定理，求出多导体系统在时域下的暂态响应。根据以上算法，本文计算了实际建筑物的雷电暂态响应，并且将计算结果与运用未降阶电路法和有限差分法得出的结果进行对比，同时还考察了雷电流波形、电磁耦合、计算步长、分段长度等因素对暂态响应的影响，并进行了缩减尺寸钢筋框架模型的雷击模拟试验。
　　从计算得出的防雷系统中各分支导体的暂态电流响应入手，推导出在计及和不计集肤效应这两种情况下导体温升的计算公式;分析了不同雷电流幅值和波形、导体横截面积、不同金属材料对导体温升的影响;开展了导体在冲击电流作用下的温升测量试验。
　　基于麦克斯韦方程组，本文采用混合法，推导出建筑物室内空间任意一点处的暂态电场和磁场的时域计算公式，通过对时间和空间的离散化处理，得出了电场和磁场的数值解法。在求得室内电磁场分布的基础上，运用两线传输线模型求出线路电涌感应过电压。通过确定室内电源线路电涌过电压水平，并设计出了配套的电涌保护器电路。
　　本文根据接地体等效电路，建立了接地网暂态计算模型，求出各接地体暂态响应，并运用积分法计算地面电位分布。其次，运用网络分割法建立人体集总参数等效电路模型，并且给出了人体各主要部分电气参数的计算公式，定量地计算了流过人体的暂态电流和能量。最后考察了不同雷电流幅值、不同雷电流波形以及人站在不同位置时对跨步电压和人体电流的影响。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 高层建筑物雷电防护的重要性

1．2 雷击建筑物过电压形式及其传输途径

1．2．1 雷电放电通道

1．2．2 雷击建筑物过电压形式

1．2．3 雷电电涌过电压的传输途径

1．3 建筑物防雷区域的划分

1．4 建筑物防雷系统中雷电效应研究现状

1．4．1 雷击建筑物电磁暂态效应研究现状

1．4．2 防雷系统中导体热效应研究现状

1．4．3 跨步电压对人体的电击效应研究现状

1．5 本文研究的主要内容

第二章 基于降阶模型计算雷电暂态响应

2．1 引言

2．2 防雷系统中分支导体电气参数计算

2．3 雷电流源

2．4 防雷系统的电路模型

2．5 降阶模型

2．5．1 Krylov子空间

2．5．2 计算全等变换矩阵

2．5．3 降阶算法

2．6 时域响应计算

2．7 降阶算法对比分析

2．8 本章小结

第三章 高层建筑物雷电暂态响应计算

3．1 引言

3．2 高层建筑物防雷系统结构

3．3 雷击建筑物时电流和电位分布情况

3．3．1 电流分布

3．3．2 电位分布

3．4 雷电暂态响应计算中若干因素的考虑

3．4．1 雷电流波形的影响

3．4．2 电气参数耦合特性的影响

3．4．3 计算步长的影响

3．4．4 分段数的影响

3．4．5 注入点位置的影响

3．4．6 钢筋束结构的影响

3．5 与有限差分法对比分析

3．6 模型试验及校验

3．6．1 试验装置

3．6．2 模拟冲击电流发生器

3．6．3 试验结果及对比分析

3．7 本章小结

第四章 防雷系统中分支导体的温升计算

4．1 引言

4．2 分支导体温升计算数学模型

4．2．1 不计集肤效应时导体的温升

4．2．2 计及集肤效应时导体的温升

4．3 雷击建筑物时分支导体温升计算

4．3．1 不计集肤效应

4．3．2 计及集肤效应

4．4 影响导体温升的若干因素

4．4．1 不同雷电流幅值对导体温升的影响

4．4．2 不同雷电流波形对温升的影响

4．4．3 导体横截面积对温升的影响

4．4．4 金属材料属性对导体温升的影响

4．5 试验验证

4．5．1 试验装置

4．5．2 计算与试验结果的对比

4．6 本章小结

第五章 室内空间电磁场及线路感应过电压计算分析

5．1 引言

5．2 混合法计算室内空间电磁场

5．2．1 偶极子法计算磁场

5．2．2 有限差分法计算电场

5．3 室内线路感应过电压计算

5．4 空间电磁场计算结果及分析

5．4．1 计算结果验证

5．4．2 室内空间电磁场分布

5．4．3 雷电流波形对空间暂态电磁场的影响

5．4．4 考虑钢筋束结构对空间电磁场的影响

5．5 室内线路感应过电压计算结果及分析

5．6 低压电源线路感应过电压防护设计

5．6．1 电涌保护器电路

5．6．2 试验验证电路保护效果

5．7 本章小结

第六章 跨步电压对人体的电击效应

6．1 引言

6．2 接地网暂态响应计算

6．2．1 分布参数效应

6．2．2 土壤电离效应

6．3 积分法计算地面电位

6．4 人体等效电路模型

6．4．1 对地等效电容参数计算

6．4．2 串联阻抗参数计算

6．4．3 人体集总参数电路模型

6．4．4 人体模型计算结果对比

6．5 计算结果及分析

6．5．1 接地网暂态计算

6．5．2 地面电位分布

6．5．3 跨步电压对人体的影响

6．6 影响跨步电压和人体电流的若干因素

6．6．1 不同雷电流幅值对跨步电压和人体电流的影响

6．6．2 不同雷电流波形对跨步电压和人体电流的影响

6．6．3 人站在不同位置时对跨步电压和人体电流的影响

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 论文的主要工作及结论

7．2 对后续工作的展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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