雷擊高層建筑物時防雷系統(tǒng)中雷電流研究進(jìn)展

雷擊高層建筑物時防雷系統(tǒng)中

雷電流研究進(jìn)展學(xué)生：趙洪翠指導(dǎo)教師：孫偉注意省防雷中心發(fā)布提醒：陜西省已進(jìn)入雷電高發(fā)期。據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年陜西省共發(fā)生雷擊災(zāi)害約350起，其中約60％災(zāi)害發(fā)生在7-8月份。據(jù)省防雷中心說，每年7-8月份，氣溫高、濕度大，雷電天氣過程多發(fā)。比如2013年7月份，我省每天均有雷電發(fā)生。2013年8月份，雷電次數(shù)為歷年最多，達(dá)114028次。7-8月份雷擊災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年我省共發(fā)生雷擊災(zāi)害約350起，其中約60％災(zāi)害發(fā)生在7-8月份。西安住宅樓每年防雷檢測率不到50%。引言現(xiàn)代高層建筑防雷設(shè)計大多利用建筑體內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)相互聯(lián)接構(gòu)成籠式防雷網(wǎng)，以此作為雷電流的接閃、分流和接地系統(tǒng)。當(dāng)高層建筑物遭受到雷擊時，強(qiáng)大的雷電流將沿此系統(tǒng)中各個分支導(dǎo)體泄流入地，將會直接引起沖擊電位升高，同時注入的雷電流會在建筑物內(nèi)發(fā)生劇烈的電磁現(xiàn)象，在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生雷電暫態(tài)過程，將直接對室內(nèi)人員的安全以及電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響或威脅。因此，分析雷擊高層建筑物時防雷系統(tǒng)產(chǎn)生中的雷電流分布，對于充分預(yù)測雷擊暫態(tài)過程的危害程度是十分重要的。引言籠式防雷網(wǎng)即“法拉第籠”。它在物理上可以是弧立的金屬殼體，其內(nèi)部與外界隔離，但實際建筑物它不可能與外界隔離。這至少有兩種情況:一是建筑物內(nèi)人員經(jīng)常要出入；二是建筑物必有各種電纜(電源、信號)、管線(水、氣等)與外界相聯(lián)系。當(dāng)雷擊時若有人員正好出入建筑物，則此人會有遭雷擊的危險；另外各種電纜和管線也會將危險的“過電壓”引入建筑物內(nèi)。因此，對于實際建筑物來說，除由法拉第籠結(jié)構(gòu)可減小遭雷擊危險外，還應(yīng)采取等電位連接、接地等其他措施來確保建筑物內(nèi)弱電設(shè)備的安全。國內(nèi)外現(xiàn)狀雷擊建筑物時防雷系統(tǒng)電流分布的計算已經(jīng)有很多文獻(xiàn)研究,它們使用的方法主要包括電路方法和電磁場方法。有國內(nèi)學(xué)者使用耦合傳輸線方法（電路方法的一種）求解雷擊建筑物的電流分布，它使用迭代算法考慮LPS的耦合效應(yīng)。這種方法是基于矢量矩陣原理的頻域外推法。國內(nèi)主要由武漢大學(xué)，清華大學(xué)和上海交通大學(xué)等研究雷電流直擊建筑物后電磁暫態(tài)分布，國內(nèi)主要是基于矩量法的頻域計算方法（電磁場方法的一種），對防雷系統(tǒng)采用傳輸線模型進(jìn)行等效，并使用快速傅立葉正-逆變換（FFT-IFFT)在頻域內(nèi)對模型進(jìn)行求解。國內(nèi)外現(xiàn)狀還有一些國內(nèi)外學(xué)者用耦合π型電路模型仿真雷擊建筑物的電流分布情況，耦合π型電路模型的原理是將建筑物系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等值電路。除此之外有的學(xué)者對雷電波的頻率和能量還進(jìn)行了分析和研究。通過對雷電流波的頻譜分析得出雷電流所包含的頻率從低頻到高頻的分布情況，但是雷擊釋放的能量主要集中在低頻的部分。新疆大學(xué)的程銳也通過對雷電流的頻率特性以及其所含的能量進(jìn)行了分析，得出雷電流的頻率在低頻范圍之內(nèi)，能量主要集中在1-10kHz之間。本文主要對最后兩項進(jìn)行了分析。T1為波頭時間，T1值越小，則雷電流陡度越大，其周圍空間的電磁感應(yīng)越強(qiáng)；T2為半值時間，T2值越大，雷電流的能量越高。C點為雷電流的峰值。目前常用的雷電流波形:(1)10/350μS:針對回?fù)舻亩堂}沖雷電流，該波形可用在雷電電涌保護(hù)器的性能測試場合；(2)2.6/50μS：可應(yīng)用于輸電線路防雷設(shè)計。雷電流模型雷電流數(shù)學(xué)模型雷電流數(shù)學(xué)模型主要模型有：雙指數(shù)函數(shù)模型：Heidler函數(shù)模型：脈沖函數(shù)模型：雙指數(shù)函數(shù)模型，它能夠直接簡單的進(jìn)行微分和積分，而且基本可以表達(dá)雷電流的基本參數(shù)。10/350μs雷電流源波形圖2.6/50μs雷電流源波形圖雙指數(shù)函數(shù)模型10/350μs雷電流的幅值頻率分布圖2.6/50μs雷電流的幅值頻率分布圖雙指數(shù)函數(shù)模型雷電流穩(wěn)定性分析為確定建筑物仿雷系統(tǒng)中的雷電流響應(yīng),需要將建筑物仿雷系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為等值電路,在此之前必需先求取仿雷系統(tǒng)中各分支導(dǎo)體的電氣參數(shù)（電阻、電感和電容）。由于各分支導(dǎo)體之間存在著復(fù)雜的電磁耦合,這些電感和電容又表現(xiàn)為相應(yīng)的矩陣形式。對于電感矩陣,可采用電磁場理論中的牛依曼公式來計算；對于電容矩陣,可采用平均電位法來求取。在得出仿雷系統(tǒng)中各分支導(dǎo)體的電氣參數(shù)后,為了計算雷電流沿各分支導(dǎo)體傳播時的流動波特征,還需將各分支導(dǎo)體在長度上加以分段,將每一根分支導(dǎo)體都分為一定數(shù)量的子段導(dǎo)體,每一子段導(dǎo)體的段長可按雷電流源等值波頭頻率所對應(yīng)波長的十分之一來選定。這樣,整個仿雷系統(tǒng)就被劃分為一定數(shù)量的子導(dǎo)體系統(tǒng),每一個子導(dǎo)體系統(tǒng),采用一個耦合π型電路單元來表示,于是,整個仿雷系統(tǒng)就被轉(zhuǎn)化為一個含有一定數(shù)量耦合π型電路單元的等值電阻、電感和電容電路網(wǎng)絡(luò),雷擊建筑物過程也就被模擬為一個雷電流源從一條豎直向下通道向該等值電路網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點注入。雷電流穩(wěn)定性分析

本文對防雷系統(tǒng)采用耦合π型等效電路進(jìn)行處理。用于描述電路的微分方程為:

于是得最后的如下矩陣式的狀態(tài)空間模型：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:π型等效電路雷電流穩(wěn)定性分析電氣參數(shù)設(shè)置為：頻率為5OHz，單位長度的電阻值為O.lO5Ω/km，單位長度電感值為0.00127H/km，單位長度電容值為8.63×10-9F/km，線路長度為200km，段數(shù)選擇為1。負(fù)載模塊選用串聯(lián)RLC負(fù)載，負(fù)荷大小為100+j75MVA,額定電壓有效值為127KV。代入上式可得：即傳遞函數(shù)：單位階躍輸入沖激輸入動態(tài)響應(yīng)分析斜坡輸入正弦輸入動態(tài)響應(yīng)分析特征值，所以系統(tǒng)是李雅普諾夫意義下穩(wěn)定。用MATLAB驗證：>>A=[01.2;-4-8.3];>>Q=eye(2);>>p=lyap(A',Q);>>val=eig(A)val=-0.6254-7.6746李雅普諾夫判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性構(gòu)造能控矩陣系統(tǒng)，系統(tǒng)為二階構(gòu)造能觀測性矩陣，系統(tǒng)為二階系統(tǒng)的能控性和能觀性用MATLAB驗證：>>A=[01.2;-4-8.3];>>B=[0;-4];>>M1=ctrb(A,B)M1=0-4.8000-4.000033.2000>>R=rank(M1)R=2用MATLAB驗證：>>A=[01.2;-4-8.3];>>C=[10];>>M2=obsv(A,C)M2=1.0000001.2000>>R=rank(M2)R