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雷电回击对建构筑物内部设备危害的研究

时间:2012-08-18作者:来源:中国论文库
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  摘 要 本文首先利用 Umen 提出的雷电电磁脉冲场的天线模型得出了雷电回击电流与雷电放电通道底部电流的关系 ,并且利用传输线模型(TL)对雷电回击电流和雷电电磁场进行了计算。在假定了雷电放

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  摘 要 本文首先利用 Umen 提出的雷电电磁脉冲场的天线模型得出了雷电回击电流与雷电放电通道底部电流的关系 ,并且利用传输线模型(TL)对雷电回击电流和雷电电磁场进行了计算。在假定了雷电放电通道底部电流的关系式之后 ,对雷电回击模型(传输线模型)进行仿真 ,得出了雷电放电通道底部电流的波形、雷电电磁场电场强度波形和磁场强度波形。在此基础上 ,通过选取不同的回击电流速度得出了雷电电磁场与回击电流速度的关系 ,通过选取不同的观测点水平距离得出了雷电电磁场与观测点水平距离之间的关系 ,即得出了雷电回击危害与回击电流速度、设备离回击线路距离之间的关系。

  关 键 词 雷电回击 ;回击电流速度 ;电磁场 ;危害0 引言Uman[1]提出了雷电电磁脉冲(LEMP)场的天线模型 ,如图 1 所示 ,根据这个模型 ,可以将雷电放电通道看作垂直于地面的直天线(其电导率为无穷大),该天线的高度为 ,图中为观测点的水平距离 ,表示无穷小偶极子离观测点的距离 ,观测点在时刻看到的电流波前在通道中的高度用表示。可通过添加一个镜像来满足地面上的边界条件。

  根据这个模型 ,我们可把回击电流 i ( z ', t )沿通道向上传播的过程视为整个回击过程。这样 ,通道底部的电流 i (0, t )与通道中任意高度 z' 的电流 i ( z ', t )在时刻 t 的关系为[2]:( ', ) ( '/ ) ( ') (0, '/ )fi z t = u t z v P z i t z v其中 , u 为阶跃函数 , 在 '/ft ≥ z v时取值为 1,否则取值为 0 ;

  v 为电流波传播速度 ;P ( z ')是衰减因子且与高度有关 ;vf为回击速度 ;不同的 v 和不同的 P ( z ')对应的模型有 TCS 模型 ,BG模型 ,传输线模型(TL)等[3][4]。

  通过解麦克斯韦方程组 ,得观从上述电磁场公式可知 ,给定了通道底部的电流 i (0, t ),即可确定雷电回击电流、雷电电磁场的情况。此时 ,计算雷电电磁场的关键就是选择通道底部的电流 i (0, t ),通常用 Heidier函数或双指数函数[6]来表示通道底部电流。通道底部电流函数在计算电磁场时的选取需满足两个条件 :其一是当 t = 0时 ,函数一阶导数连续 ;其二是当 t = 0时 ,函数连续并且可积分。

  然而 ,Heidier 函数或双指数函数都无法同时满足以上两点 ,为此我们将采用脉冲函数作为解决方案 :2.1 雷电回击模型与回击速度的关系由于本文针对雷电回击对建构筑物内部设备的影响 ,且雷电电磁脉冲近场往往对电子设备乃至人员能造成巨大危害[5],因此重点对近场模型进行研究。

  采用 8/20 波形来计算雷电电磁场。将 i (0, t )参数分别取 :0I = 10kA,n=2,t13.5 10-6s,t216 10-6s,120ε8.85 10 F /m = ×,雷电通道高度为 L=10km,观测点到通道的水平距离 r=10m(L r)。此时分别取回击速度7 6 6 6 6v = 10 ,8 × 10 , 4 × 10 , 2 × 10 ,10 m /s。

  根据已建立的数学模型和给定通道底部电流 ,通过MATLAB 绘制出通道底部电流、电场波形图。见图 2。

  图 2(a) i (0, t )雷电通道底部电流波形图 2(b)电场强度 'zE 近场波形2.2 雷电回击模型与观测点水平距离的关系此 时 回 击 速 度7v = 10 m /s, 分 别 取 水 平 距 离r =5,10,15, 20,30m,其它参数同上。得到电场、磁场波形图。

  见图 3。

  2.3 计算结果分析

  1)通道底部电流及其一阶导数均为脉冲函数 ;2)近场区域的同一观测点(即某一电器设备),当回击电流速度不同时(与磁导率和相对介电常数有关),雷电电磁场大小也不同。表明同一设备当雷电回击电流速度不同时 ,遭受雷电回击的危害成都也不同 ,回击电流速度越大 ,设备遭受雷电回击的危害反而越小 ;3)在近场区域 ,当雷电回击电流速度一定时 ,不同观测点(即不同电器设备)的电磁场大小也不同。表明对于同一雷电回击 ,不同的设备遭受雷电回击的危害也不一样 ,离雷电回击点越近的设备遭受雷电回击的危害性越大。

  3 结论

  1)雷电通过防雷装置放电可以产生强大的电磁脉冲在建筑物周围 ,该现象将对其内部电气设备造成很大的影响 ,乃至破坏 ;2)回击速度与介质有关 ,因此不同建筑物引下线材料的选取需根据设计要求进行考虑 ;3)建筑内电器设备应与回击线路保持一定距离 ,离回击点越远越能保护设备的安全 ;4)雷击接闪器后 ,雷电流沿着引下线泄流时会使其各点电位达到高值 ,这样在接闪器及引下线与被保护物之间就有可能产生反击型放电。在此举例说明 :雷电流幅值 I = 10kA;雷电流陡度 di / dt = 30 kA /μs;引下线单位长度电感0L = 1.5 μH /m;高度h=30m ;接地装置的冲击接地电阻 10gR = ,则 :0/ 10 10 1.5 30 30 1450( )gU = IR + L hdi dt = × + × × =kV可以看出 ,电压会达到高值 ,在这种情况下 ,接闪器及引下线与被保护物之间的放电现象就容易发生 ,继而影响甚至破坏被保护的设备 ;

  5)针对现代建筑内的电子信息系统的综合雷电防护是必不可少的。

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