曾 勇, 張淑霞, 黃 鈺, 李 迪, 丁 旻

(1.貴州省氣象災害防御技術中心, 貴州 貴陽 550001;2.貴州省人工影響天氣辦公室, 貴州 貴陽 550001)

0 引 言

雷電是一種發(fā)生在大氣層中常見的大氣物理現象,雷電常常會造成自然災害,給建筑物及生命財產帶來巨大破壞[1]。一次雷暴活動包括成百上千個回擊過程,一次回擊過程具有放電時間短、電流強度大等特點,能夠直接造成人員傷亡、建筑物等其他設施設備受損。此外,瞬間的高電位、瞬變的電磁輻射可導致微電子設備損壞,同時極易造成易燃易爆場所由于電火花引發(fā)火災及爆炸事故。雷電災害是“聯合國國際減災十年”公布的影響人類活動的嚴重災害之一,為了防止或減輕雷電災害帶來的損失,世界各國都在防御雷電災害方面做了大量的研究工作。

隨著經濟的快速發(fā)展和信息化技術的不斷提升,高層智能大廈不斷涌現。智能建筑集通信自動化、辦公自動化、建設自動化為一體,融合計算機技術、通信技術、控制技術以及建筑技術的自動化樓宇系統(tǒng)。貴州地處云貴高原東側,屬典型的山區(qū)省份,特殊的地理環(huán)境和地形地貌,造成冷暖空氣交匯活動頻繁,天氣復雜多變,頻繁出現強雷暴單體和雷暴群,極易引發(fā)雷電天氣過程。近50年來,全省年平均雷暴日達51.6 d,屬多雷暴區(qū)。貴陽作為目前“大數據”中心,更多高層和超高層智能大廈將落戶到貴陽城市綜合體,伴隨而來的是更多智能電子設備。雷擊電磁環(huán)境對智能建筑內部各種智能電子設備正常運行構成最大威脅。因此,開展針對貴州地區(qū)雷擊暫態(tài)下高層智能大廈電磁環(huán)境研究具有重要意義。

文獻[2]對高層建筑雷擊機理及防雷設計進行研究,針對高層建筑特點分析其雷擊危害和雷擊機理,并提出綜合防雷設計。文獻[3]對現代智能建筑的雷電防護技術及發(fā)展前景進行研究,提出了針對智能建筑雷電防護的有效方法。文獻[4-6]從現代建筑防雷工程角度對智能大廈弱電系統(tǒng)雷電防護進行研究,提出更為具體的防雷措施。文獻[7]結合當地的雷暴特點、建筑物特點、內部設備特點、設備重要性等因素,研討了智能建筑物雷電防護等級劃分、雷擊風險評估、外部防雷措施和內部防雷措施等方面的技術和方法。上述研究主要建立在智能建筑雷電防護技術理論基礎上,研究對象局限于低層智能建筑,對雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁場分布特征及其對電子設備、人身安全等安全評估研究基本處于空白。同時,不同地區(qū)雷暴電結構與放電參量因地理位置、地形地貌差異而具有不同特點,只有建立基于本地化雷暴雷擊參數模型,揭示雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁環(huán)境變化規(guī)律,結合現有防雷技術才能從科學角度對高層智能建筑進行雷電防護。

本文利用貴州省雷暴統(tǒng)計特征參數,采用CDEGS軟件,建立高層智能大廈雷擊暫態(tài)模型,分析雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁環(huán)境特征,對電子設備安全、人員安全及火災爆炸環(huán)境作評估,為高層智能建筑雷擊風險評估和雷電防護進行技術支撐。

1 數據與分析方法

雷暴特征參量數據來源于2006—2015年貴州二維ADTD閃電探測系統(tǒng)數據,主要雷電參量為雷電流強度。貴州省地閃強度分布如圖1所示。本次雷擊暫態(tài)模型仿真實驗主要選取貴陽市高層智能建筑作為研究對象,所涉及雷電參數及其他物理量均以此研究區(qū)域為準。

貴陽市最大正閃強度、最大負閃強度、平均地閃強度分別為244.47 kA、235.96 kA、38.09 kA。仿真試驗雷電流強度選取49 kA,是研究對象中心位置3 km半徑范圍內最大的雷電流強度,也是貴陽市年平均閃電強度中最集中區(qū)段。雷電流波形采用標準的雙指數波形,雷電波的上升時間為5 μs,在150 μs內衰減為0,極性為負地閃。仿真試驗采用的10/150 μs雙指數雷電流波形如圖2所示。

圖1 貴州省地閃強度分布

仿真模型試驗數據來源于實地測量。為了獲得較為準確的仿真試驗參數,對選取高層智能建筑涉及參數進行實地測量,提取其防雷系統(tǒng)相關參數。仿真試驗模型參數如下:智能建筑高度為99 m,建筑長度(寬度)為65(65) m,二類防雷類別,第一層土壤電阻率為136.70 Ω·m,第二層土壤電阻率為561.24 Ω·m,相對電阻率10,相對磁導率300,導體半徑為0.01 m。

分析方法主要通過CDEGS軟件對雷擊高層智能建筑最高點暫態(tài)下電磁場進行計算。CDEGS是一套功能強大的工程軟件包,可用于精確分析接地、電磁場、電磁干擾等方面問題,由RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST、FFTSES 8個工程模塊組成。利用SESCAD模塊建立雷擊高層智能建筑暫態(tài)三維數值模型,REASP模塊對實測土壤電阻率數據進行反演解釋,FFTSES模塊對雷擊參數進行匹配,HIFREQ模塊基于已建模型并耦合實驗參數方案對雷擊高層智能建筑最高點產生電磁場進行運算分析[8-9]。主要物理參量計算步驟如下:

(1) 使用CDEGS軟件中的FFTSES模塊,對雷擊電流波形作傅里葉正變換,以獲得其頻譜。

(2) 將SESCAD模塊建立模型耦合到HIFREQ模塊進行電磁場計算。在正向傅里葉變換FFTSES推薦的頻率下,計算各頻率下對應的的電磁場。

(1)

式中:f(t)——被分析的信號,指雷電流函數;

F(ω)——經過傅里葉變換后的頻譜函數。

(3) 建立HIFREQ結果頻譜響應的數據庫。該響應可以是任何計算量,如地表電位升、電場、接觸電壓、跨步電壓等。

(4) 執(zhí)行傅里葉逆變換(使用FFTSES)以獲取計算量的時域響應。

(2)

通過以上步驟,便可以計算出所需要的物理量,如接觸電壓、跨步電壓、合成電場分布、合成磁場分布等。

2 電磁參量計算分析

2.1 標量電勢

電勢從能量的角度描述電場。為了獲得雷擊暫態(tài)下高層智能建筑內導體表面電勢分布,在逆向傅里葉計算時增加標量電勢計算參量,高層智能建筑底層地面標量電勢最大值與GPR分布如圖3所示。

綜上所述，自動化的機械制造發(fā)展必將經歷技術革新與創(chuàng)新，核心技術內容的掌握尤為必要。為滿足未來階段的技術發(fā)展需求，自動化機械設備制造應以市場發(fā)展方向為導向，對現階段的核心技術內容加以改進，并加大綜合性技術研發(fā)投入，解決關鍵性技術問題，為我國自動化機械制造發(fā)展奠定良好的技術根基。

在雷電電磁脈沖下,高層智能建筑底層地面地表電位升和電場較低,而且對所有連在一起的導體電位分布均衡。標量電勢和電場隨頻率升高而顯著增加,這是因為在雷擊點附近的埋設導體泄漏電流增加。地電位升由地網中心地帶向地網邊緣地帶呈現逐漸降低的趨勢,下降的幅度地網中心大,地網邊緣小,即越靠近地網中心,電位梯度越大,越容易造成電位反擊。在土壤存在明顯分層結構時,地網的設計需要參考分層土壤模型,根據地網對雷電流分流建立科學合理的接地網[11]。

圖3 高層智能建筑底層地面標量電勢

2.2 電磁場分布

雷電流經雷擊點流經引下線及建筑內鋼筋,在最高層雷電流分流中雷電流最大,到底層逐漸衰減入地。本文分析雷電擊中高層智能大廈最高點時,建筑底層區(qū)域的合成電場與磁場最大值。

直擊雷時底層合成磁場最大值與合成電場最大值如圖4所示。

由圖4可知,當雷擊高層建筑最高點時,電場與磁場在靠近雷擊點出現周期振蕩,振蕩周期由建筑的共振頻率而定。該振蕩產生的強大瞬態(tài)電磁場比雷擊發(fā)生時的初始值高許多。雷擊高層智能大廈最高點時,在不采取屏蔽措施的情況下建筑頂層的最大磁場約為13 000 A/m,遠大于設備耐受的最大磁場800 A/m,造成設備的過電壓損壞;建筑底層最大磁場約為40 A/m,遠小于800 A/m,不會造成設備過電壓損壞。但是在底層附近如果出現鄰近雷擊,則應另作計算。

圖4 直擊雷時底層合成磁場最大值與合成電場最大值

2.3 接觸電壓與跨步電壓

雷擊高層智能建筑底層人員安全性分析采用IEC/TR 60479-4—2011《電流對人和家畜的影響 第4部分:雷擊影響》來判斷。利用該標準中的具體顫動激勵或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy Method,SFCEM)進行計算分析[10]。雷擊暫態(tài)下人員安全標準值:人體電阻為500 Ω時,人員安全標準值為13.5 J;人體電阻為1 000 Ω時,人員安全標準值為27 J。

智能建筑底層地面接觸電壓與跨步電壓最大值分布如圖5所示。在模擬雷擊波情況下,接觸電壓(人站在室內地板上,觸摸墻壁)高達1 319 kV,而通過人體的能量為10 486 J,遠大于Dalziel瞬態(tài)電流波(雷電波)的能量13.5 J的人身安全參考值。但是,由于高層建筑基本處于極高等電位體,所以跨步電壓(人站在室內地板上)卻相對很小,只有約為2 326 V,以跨步電壓而通過人體的能量僅為0.03 J,遠小于Dalziel瞬態(tài)電流波(雷電波)的能量13.5 J的人身安全參考值,故安全。

圖5 智能建筑底層地面接觸電壓與跨步電壓最大值分布

3 火災爆炸安全分析

表1 空氣與土壤在不同條件下的典型擊穿電場強度

利用CDEGS軟件計算高層智能大廈最高點遭受直擊雷時周邊的電場強度,判斷空氣或土壤是否會發(fā)生電擊穿,評估處于建筑周邊的加油加氣站、變電站等場所是否會因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而導致火災、爆炸。

結果表明,高層智能大廈最高點遭受直擊雷時,在建筑周邊500 m范圍內產生的最大電場強度約為600 V/mm。超高層建筑遭受直擊雷時周邊電場強度如圖6所示。雷擊時產生的最大電場小于空氣或土壤因電擊穿可能發(fā)生弧光引起火災的參考值,即超高層建筑遭受直擊雷時,建筑周邊的加油加氣站及變電站等場所不會因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而發(fā)生火災爆炸。但靜電場只能是弧光放電的一個參考值,并不能成為評估火花放電的安全值。因此是否可能發(fā)生火花引起火災,需要看兩個導體間的電位差(電壓)是否大于擊穿參考值。因為高層智能大廈外墻大部分由玻璃幕墻構成,如果在滾球半徑以上高度一旦遭受側擊雷擊,玻璃幕墻很有可能被擊穿開裂,造成人身傷亡事故。在此高度以上應該將玻璃幕墻和避雷設施做好等電位聯結,將雷電流在極短時間內流入大地。

圖6 超高層建筑遭受直擊雷時周邊電場強度

4 結 語

利用貴州省閃電數據統(tǒng)計特征參數資料和實測仿真模型數據,使用CDEGS軟件建立高層智能建筑三維數值雷擊暫態(tài)模型,從雷擊暫態(tài)下標量電勢、電磁場、設備及人員安全等方面展開分析,初步獲得如下結論:

(1) 在不采取屏蔽措施的情況下,建筑頂層的最大磁場約為13 000 A/m,遠大于設備耐受的最大磁場800 A/m,造成設備的損壞;建筑底層最大磁場約為40 A/m,遠小于800 A/m,不會造成設備損壞。

(2) 地電位升由地網中心地帶向地網邊緣地帶呈現逐漸降低的趨勢,下降的幅度中心大,邊緣小,即越靠近地網中心,電位梯度越大,越容易造成地電位反擊。

(3) 接觸電壓由接地網邊緣向內逐漸降低,地網中心地帶接觸電壓最低。跨步電壓大小與接地體距離成反比,與接地系統(tǒng)網格間距成正比。在高層智能建筑地網主引下線接地體附近跨步電壓最大。

(4) 雷擊時最大接觸電壓和跨步電壓分別約為2 453 V和2 000 V,由此電壓引起的通過人體能量的大小分別為1.253 J和0.027 J,遠小于人體所能承受的最大能量13.5 J,此時處于建筑底層的人員安全。

(5) 當高層智能大廈最高點遭受直擊雷時,在建筑周邊500 m范圍內產生的最大電場強度約為600 V/mm,小于空氣或土壤因電擊穿可能發(fā)生弧光引起火災的參考值3 000 V/mm,建筑周邊的加油加氣站及變電站等場所不會因空氣或土壤發(fā)生電擊穿而發(fā)生火災爆炸。

鑒于以上結論,在進行高層智能建筑防雷電磁兼容設計時,可以參考模擬地電位分布及電磁場分布特征,對智能通信設備、控制設備、計算機系統(tǒng)等進行合理布置,減少雷擊電磁波和過電壓對電子設備和人體產生的危害。本文只針對貴陽地區(qū)地閃特征對雷擊暫態(tài)下高層智能建筑電磁場特征進行分析,存在一定局限性,在接下來研究中將引入貴州不同地區(qū)本地化雷電參數特征,將雷擊電磁場特征定性研究轉為定量評估研究,為智能建筑防雷提供科學理論支撐。