雷击建筑物附着点概率、电流传输、磁场变化特征

1雷击建筑物附着点概率特征

    雷击附着点位置概率特征通过EM静电场工作室仿真定性分析,为模拟雷暴云与建筑物及大地之间的电势差,在图1所示模型外部仿真空间距离建筑物顶部60m平面(求解域上边界)施加-10V电位，大地电位为0,仿真只根据相对值进行定性分析,电位量值无参考意义。静电场仿真可准确描述建筑物顶部区域不同位置表面电位(图3),据此推断雷击不同位置的附着点概率,为后续雷击效应仿真选取恰当雷击注入点提供参考。

    根据仿真不同区域电位图示可知框架-核心简建筑女儿墙位置及楼顶电梯房顶黑色部分电位较高,而在侧面位置向下电位逐渐降低,在接近楼层总高2/3位置以下电位降低较为明显,因此说明:女儿墙位置及楼顶电梯机房顶部是所有位置中雷电直击风险最高区域,雷击效应仿真分析可将雷电流激励源注入该拐角位置(图4),符合雷击附着点实际风险特征;在建筑物上方1/3位置侧击风险较高，屋顶平面直接雷击风险虽不及前述两处位置,但风险总体相对较高。

2建筑物表面电流传输特征

    观察建筑物不同位置表面瞬态雷电流变化及流动特征,可归纳在雷击模型后散流特征:竖直结构柱散流效果较水平结构柱较为明显,这是由于雷电流优先向阻抗较小的大地方向传输,同时水平框架较多在竖直结构柱形成汇聚效应;女儿墙及高层水平框架雷电流强度变化较为剧烈,低层框架雷电流强度较弱,因此注重高层位置的框架有效电气连接,可防止出现局部过电压发生闪络现象;表面雷电流强度在10～50us达到峰值,滞后雷电流波形峰值,随后50～200us逐渐减弱,原因主要是由于框架等金属结构形成的阻抗特性。
    通过分析框架核心筒模型屋顶及中部楼层区域附近雷电流矢量方向可分析塔楼顶部拐角处的雷电流流向(图5),选取雷击时刻为10us,可发现从雷击点出发泄流主要通道以雷击点为中心向女儿墙两侧、屋顶平面及附近竖直结构柱外围传输,方向呈向外发散状;中部楼层区域雷电流在竖直方向传输一致向下,而水平框架及核心筒位置电流流向随位置和时间变化传输规律均呈现不规律性。

3雷击空间磁场变化特征

    磁场瞬态变化容易因电磁感应在线缆等导体上形成过电压,易对敏感设备造成电气击穿等事故。雷击空间电磁场定性和定量仿真分析是两种常用研究方法,定性方法主要通过对比不同参考截面电磁场变化分布规律以探寻合理的雷击电磁场防护措施,定量方法主要是通过在特定位置设置参考探针以探寻该位置电磁场随时间的变化关系,对比分析不同高度磁场振荡特性、幅值区间及变化趋势。

3.1 定性分析

为定性分析雷击外框架内核心筒结构建筑物在不同高度处的磁场变化特征,选取了XY方向上楼顶层41层,中部31层﹑中部21层以及地面层1层4楼层中部区域横截面空间磁场分布(图6),选取时刻为雷击电流源波峰时间10us。

    从不同楼层磁场分布的横向对比分析,在楼顶层部位和低楼层部分磁场强度较强,中间楼层部分磁场强度相对较弱,楼顶磁场强度较强原因主要是由于雷击源距离较近,而低楼层磁场较强的原因主要是因为雷电流汇聚在此向大地泄流,土壤本身具有一定的感抗,对高频电流向大地的泄放起到一定的阻碍,因此磁场场强较强,而楼层中间部位由于泄流通道众多,核心筒和水平框架等不同部位电气连接形成的旁路作用形成的泄流效果降低了局部磁场强度。可见合理增加金属构架连接点和垂直立柱能有效降低流经金属构架的雷电流强度和空间磁场强度。

    另外从磁场分布区域分布同向对比可以发现场强较强区域核心筒对内部空间屏蔽效果更好,场强较弱区域核心筒屏蔽效果一般,但整体来说内部空间磁场由于核心筒屏蔽作用相对框架区域场强有所衰减,建议在顶部电梯机房等重要敏感设备区域且雷击场强较强区域应尤为注意雷击电磁脉冲防护。

3.2磁场强度定量分析

    选取中间楼层从里到外3处位置对比框架-核心筒结构建筑物空间磁场强度变化特性,探针位置设置在1层至42层每隔两层垂直方向楼层中间位置(1 ,4…40),继而分析核心筒和框架结构对雷击磁场的屏蔽性能,探针位置在平面图中的选取位置见图7(探测点1在核心筒内;探测点2在中间位置;探测点3在外部框架)。

     选取磁场强度雷击时刻为雷击源峰值时间10us。磁场强度在不同位置谐振强度不一致,探针不与谐振点重合,磁场强度幅值见图8。

    从图8可归纳不同楼层平面不同位置的空间磁场定量分析变化特性:
    越靠近核心筒内部中心位置磁场强度整体越弱,雷电流主要泄放通道远离内部核心筒导致近处辐射电磁场较小,另外核心筒墙体对外部空间磁场起到相当屏蔽作用,以使得相同的变化距离范围内核心筒内部的磁场强度衰减幅度相比中间位置较大。
    从不同楼层高度变化趋势分析,顶部楼层接近雷击点位置磁场强度较强,楼层底部位置如前述汇流作用磁场强度也有一定程度上升,整体楼层中间位置磁场强度较小。GB/T 2887—2011中规定,电子计算机机房内磁场干扰环境场强不应大于800A/m,处于框架处不同楼层整体均超过该强度,且.顶部和底部远超该场强阈值要求;中部楼层场强稍有衰减,中间部分楼层场强符合阈值;核心筒内部场强衰减程度较大,但楼层顶部不符合场强要求。从变化趋势来看中部及中下楼层场强较小,仅约相当于框架处1/4。根据以上平面空间磁场定量分析特征，建议机房﹑配电线路位置设置在核心筒靠近中心位置,可在雷击瞬间磁场变化过程中降低感应过电压,减少设备损坏概率。

4结论

    文中通过对典型框架—核心筒结构超高层建筑物的雷击仿真,基于雷击附着点特性及实际雷电流幅值特征条件下对比分析雷电流在框架传输特性,对不同楼层、不同平面位置电流强度及磁场强度的时域变化特征进行全面分析,重点研究了核心筒结构对空间磁场强度的衰减特性,初步得到以下结论:
    1)附着点仿真证明表面女儿墙位置及楼顶电梯机房等顶部凸出位置是所有位置中雷电直击风险最高区域,不同结构建筑物应通过附着点仿真判定风险差异性特征,在附着点仿真结论最高位置处注入附近2 km监测雷电流幅值该建筑物可能承受的较强雷电直击典型特征。

    2)整体来说楼层顶部及底部电流分布相对较为集中,中部位置由于框架及核心筒柱网参数的旁路作用导致电流较为分散;由于雷击首次回击电流源及电流表面传输特征表面雷电流强度在10~50 us之间达到峰值,其后逐渐衰减。
    3)磁场强度定性结论分析。表面顶部是磁场强度最强区域,底部楼层也相对较强,中间楼层整体磁场较弱,但框架处磁场也有局部较强区域,定量分析结论表明,符合计算机场地标准要求的场地位于中部楼层的核心筒位置并应尽量远离框架等金属结构。

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