利用CDEGS軟件分析高層建筑底部人員雷擊安全

曾　勇，劉　波，李云敏，吳安坤，黃　鈺

(貴州省防雷減災中心， 貴州　貴陽　550081)

?

利用CDEGS軟件分析高層建筑底部人員雷擊安全

曾勇，劉波，李云敏，吳安坤，黃鈺

(貴州省防雷減災中心， 貴州貴陽550081)

該文利用接地與電磁場分析軟件CDEGS，建立貴陽市某高層建筑三維數值模型。利用土壤電阻率和土壤分層模型，結合貴陽市雷電特征參數和建筑擬采用的防雷系統，分析高層建筑遭受直接雷擊時，其底層接觸電壓、跨步電壓的最大值，并計算由該接觸電壓、跨步電壓引起的通過人體的最大能量，從而分析其是否造成人員傷亡。

CDEGS軟件；接觸電壓；跨步電壓；土壤電阻率；雷擊

1　引言

貴陽是一座“山中有城，城中有山”的城市，年平均閃電密度為4.7次/km2，屬于多雷區。受到地形的限制，貴陽市內的建筑絕大部分是高層建筑。高層建筑遭受雷擊的事件越來越頻繁，因雷擊而造成的損失越來越大。據不完全統計，2000年以來貴州省發生比較嚴重的雷電災害數千起，人員傷亡600多人，造成經濟損失數億元[1]。高層建筑在雷雨天氣遭受雷擊的可能性大，同時室內聚集人員一般較多，容易對人體產生傷害。雷擊時造成人體傷亡的原因主要是雷電流通過接地裝置泄流入地時在建筑底層地面附近產生接觸電壓和跨步電壓，接觸電壓和跨步電壓分別產生接觸電流和跨步電流，一旦電流流經人體將使人心臟發生纖維性顫動，將導致心跳停止造成傷亡。鑒于此，本文對雷擊高層建筑時底部人員安全性進行分析，主要利用CDEGS軟件分析雷擊高層建筑時在底層產生的接觸電壓和跨步電壓，并評估雷擊狀態下人員的安全性，為高層建筑雷電防護提供科學參考意見[2]。

2　雷擊狀態下人員安全標準

IEC/TR 60479-4-2011(電流對人和家畜的影響—第4部分：雷擊影響)規定了雷擊狀態下的人員安全標準，根據此標準，人員安全有3種分析方法[3]：

①具體顫動激勵或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy method)。

②頻率分解法和等量RMS值法(Frequency Decomposition method yielding and equivalent RMS value)。

③多個快速突發波法(Multiple Fast Burst Wave method)。

本文采用第1種方法來分析雷擊狀態下的人員安全。雷擊狀態下，人體遭受的電壓可使用Dalziel’s的能量關系來估計：

(1)

其中：Rb是人體的電阻。

雷擊狀態下，通過人體的能量可按以下公式計算：

(2)

其中，iB和vC分別為人體遭受的電流和接觸電壓，t指雷擊信號持續時間，Rb和RF分別為人體電阻和腳與大地的接地電阻，RF=1.5×ρS，其中ρS是表層土壤電阻率(Ω-m)。人體電阻在高頻條件下典型值取500 Ω，低頻條件下典型值取1 000 Ω。以下分析雷擊狀態下，Rb取 500 Ω和1 000 Ω時，經計算，人體所能承受的最低能量值，即雷擊狀態下的人員安全標準值(表1)，下文將以此作為最終判斷雷擊高層建筑時底層人員是否安全的標準對照值。

表1　雷擊狀態下的人員安全標準值

3　數值模型的建立

在貴陽市內選取一棟高度為99.2 m的高層建筑作為研究對象，利用CDEGS軟件的HIFREQ模塊對其建立三維數值模型，其中所涉及的雷電參數數據來源于貴州省防雷減災中心。數值模型建立參數表如表2所示。

雷電流采用標準雙指數波形(圖3)。貴陽市最大地閃強度為248.67 kA，本次地閃強度選取244.47 KA。分析時雷電流最大值取150 kA，上升時間5 μs，在150 μs內衰減到0，點數為2 048，采樣頻率為4.608 MHz。在建立模型時，輸入高層建筑所在地土壤電阻率，其值取自于現場采用文納四極法測量到的數據。本次建模計算土壤電阻率取256 Ω·m。

表2　數值模型參數

注：表中相對電阻率對鋼，相對磁導率對空氣

圖1　仿真實驗采用的10/350雙指數雷電流波形Fig.1　The 10/350 double exponential lightning current wave in this simulation experiment

雷擊情況下的電磁場電流電壓分析為時域分析，電流波形包含多個頻率分量。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，它由8個工程模塊組成：RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST和FFTSES。本次建模計算主要用到RESAP(土壤結構分析模塊)、HIFREQ(模型建立模塊)和FFTSES(快速傅里葉變換模塊)[4]。使用CDEGS進行參數分析按如下步驟：

①使用CDEGS軟件中的FFTSES模塊，對故障電流波形作傅立葉正變換，以獲得其頻譜。

②使用HIFREQ計算模塊，建立包括研究對象的計算機模型。在正向傅立葉變換FFTSES推薦的頻率下，計算各頻率下對應的的電磁場。

(3)

式中：f(t)是指被分析的信號，此處主要指雷電流函數；F(ω)是指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，比如地表電位升、電場、接觸電壓、跨步電壓等。

④執行傅立葉逆變換(使用FFTSES)以獲取計算量的時域響應。

(4)

通過以上步驟，便可以計算出所需要的物理量接觸電壓和跨步電壓。

4　人員安全分析

通過CDEGS軟件建立高層建筑遭受雷擊三維數值模型，選取高層建筑底層周邊(高層建筑半徑500m范圍)作為觀測面，計算觀測面內最大接觸電壓和最大跨步電壓值，計算出接觸電壓和跨步電壓三維分布圖見圖2和圖3所示。

圖2　高層建筑遭受直接雷擊時底層的接觸電壓分布Fig.2　 The distribution of touch voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

圖3　高層建筑遭受直接雷擊時底層的跨步電壓分布Fig.3　The distribution of step voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

當高層建筑遭受直接雷時，接觸電壓和跨步電壓大峰值主要分布于高層建筑4個角落處，且其它小峰值主要沿高層建筑地網周邊分布。同時，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，也就是說越靠近地網中心，電位梯度越大，越容易造成反擊。所以，在對高層建筑進行防雷設計時，應該對高層建筑四周邊緣及四個角落處做好防雷措施，將地網以最優化設計方式，以免雷擊時因接觸電壓和跨步電壓造成的人身傷害[5-6]。從圖2和圖3可以得出如下分析數據：

高層建筑物遭受直接雷擊時在建筑物底層地面所產生的接觸電壓、跨步電壓的最大值見表3，使用Dalziel’s的能量關系公式計算通過人體能量見表4。

表3　高層建筑遭受直接雷擊時最大接觸電壓、跨步電壓

表4　接觸電壓和跨步電壓通過人體能量

結果表明，高層建筑物遭受直接雷擊時，由接觸電壓引起的通過人體的能量為0.013 J，由跨步電壓引起的通過人體的能量為0.011 J，均遠小于人體所能承受的最大能量13.5 J，因此，高層建筑遭受直接雷擊時，處于建筑底層的人員是安全的。

5　結論

本文利用CDEGS軟件對雷擊高層建筑建立三維數值模型進行分析，主要結論如下：

①雷擊高層建筑時在建筑物底層地面所產生的接觸電壓和跨步電壓最大值分別為250 V和230 V。由此接觸電壓和跨步電壓引起通過人體能量大小分別為0.013 J和0.011 J，均小于人體所能承受最大能量13.5 J，即高層建筑遭受直接雷時，處于建筑底層的人員是安全的。

②高層建筑遭受直接雷時，接觸電壓和跨步電壓大峰值主要分布于高層建筑4個角落處，且其它小峰值主要沿高層建筑地網周邊分布。

③地電位升由自然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，也就是說越靠近地網中心，電位梯度越大，越容易造成反擊。

④接觸電壓和跨步電壓由接地網邊緣向內逐漸降低，地網中心地帶接觸電壓和跨步電壓相對較低。

通過以上仿真分析，可以給高層建筑雷電防護提供幾點參考建議：

①盡管通過仿真計算得出雷擊高層建筑時處于建筑底層的人員是安全的，但是在地網四周邊緣及角落處接觸電壓和跨步電壓會出現峰值，應該對這些地方增強防雷措施。

②地網的設計較為關鍵，直接影響到雷擊時跨步電壓分布，應該根據建筑所在區域實際地形地貌和地質條件合理設計地網，對高土壤電阻率地區除了自然接地網之外還應該鋪設人工接地網以達到降低跨步電壓[7]。

③在高層建筑行人道路上敷設絕緣層，在外露金屬導體上刷絕緣漆或者敷設絕緣外套，降低跨步電壓與接觸電壓的人身危害。

[1] 丁旻，邵莉麗，彭芳．貴州省雷暴活動規律與雷電災害特征相關性分析[J]．貴州氣象，2009，33(6)：12-13．

[2] 丁旻，周強，邱飛．綜合辦公大樓的雷擊風險評估方法[J]．貴州氣象，2008，32(1)：38-40．

[3] IEC/TR 60479-4-2011電流對人和家畜的影響—第4部分：雷擊影響,2011.

[4] 王小鳳．CDEGS軟件在電力系統中的應用[學位論文]．杭州：浙江大學,2007.

[5] 王廣文．桿塔接地電阻測量方法的研究和地網優化設計[學位論文]．武漢: 華中科技大學，2003.

[6] 孫建新.基于CDEGS的鐵路接地網優化設計研究[J].水電能源科學，2010，28(6):132-135．

[7] 莊池杰，曾蠑．高土壤電阻率地區變電站接地網設計思路．高電壓技術，2008(05)：893-897．

The Analysis on the Personnel Safety under Lightning Strike at the Bottom of High-rise Building by Using CDEGS Software

ZENG Yong,LIU Bo,LI Yunmin,WU Ankun,HUANG Yu

(The Lighting Protection and Disaster Mitigation Center of Guizhou Province, Guiyang 550081,China)

The three-dimensional numerical model was established for a high-rise building in Guiyang city by using grounding and electromagnetic field analysis software CDEGS. Then by using the soil resistivity and stratification of the soil model, in combination with the Guiyang city characteristic of lightning parameters and construction lightning protection system, the underlying touch voltage and step voltage maximum were analyzed for tall building when subjected to direct lightning stroke, and the safety of personnel caused by the touch voltage and step voltage through the body's largest energy was analyzed.

CDEGS software; touch voltage; step voltage; soil resistivity; lighting strike

1003-6598(2016)02-0073-04

2015-07-27

曾勇(1986—)，男，碩士，助工，主要從事防雷技術應用工作，E-mail:120200859@qq.com。

貴州省氣象局青年基金項目，項目編號：QN15〗17號。

TM864

B