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建筑物金属构架对近区雷击的磁场屏蔽效果

发表于2005-7-19  2条回复  1085次阅读    搜索相似帖  复制链接  只看楼主

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摘要:基于电路法计算分析近区雷击时建筑物金属构架的磁场蔽效果,并进行了实验验证。研究表明,金属构架对脉冲磁场有屏蔽效果。磁场屏蔽系数以构架网格为单位呈阶梯式分布,其效果是使得建筑物内的磁场分布趋于均匀。
关键词:近区雷击 磁场屏蔽 建筑物金属构架 电路法

Shielding Effect of the Building Metal Cage Against Magnetic Fields Excited by Near Lightning Strokes
Abstract The shielding effect of the building metal cage agaist magnetic field excited by a near-field lightning strike is investigated based on circuit approach simulations. The effectiveness of the simulation is evaluated by experimental measurements. The results show that the metal cage does have shielding effect against the LEMP. Due
to the effect of the induced current, the shielding factor curve features a cascade distribution. The effect is to homogenize magnetic field distribution inside the building.
Key words Near-field lightning strike Building metal cage Shielding effect
1 引言
国内外对建筑物遭直接雷击时室内的磁场分布已经有很多的研究。但对非直接雷击情况下建筑物内的电磁环境的研究相对较少。实际上在现代城市建筑群中雷击邻近的高层建筑物以及雷击点在建筑物附近的所谓近区雷击现象比直接雷击更频繁。另外,当建筑物有独立的防雷引下线时实际上也属于一种邻近雷击的特例。通常认为,r《λ/2π的区域为近场区。当雷击建筑物附近时,按2.6/40μs、8/20μs和10/350μs的雷击电流波形考虑,其近区场的范围约为r<497m、1528m和1910m。
本文按距离建筑物500m的范围讨论近区雷击产生的磁场。在此条件下雷电通道对建筑物内的电磁环境的影响主要是静电场和感应场的作用,可以通过适当简化,将雷电放电通道模拟成直载流线,引入电路法来计算建筑物金属构架上的感应电流分布,在此基础上计算室内的磁场分布和金属构架的屏蔽效果。
2 数值计算及其实验验证
图1为雷电通道或防雷引下线的一个分段和建筑物金属构架之间的耦合关系示意图。图中,Ls、Rs、Cs1,和Cs2分别为其等效电感、电阻和对地电容,Lm,、Cml和Cm2:分别为相互间的互电感和互电容。在计算金属构架上的感应电流分布时,各分段支路之间的耦合作用必须考虑。因为雷电通道和金属构架之间的电磁耦合作用,金属构架上产生感应电流。
数值计算采用考虑全耦合作用的电路法,雷电流采用双指数波形。电路法已有很多文献介绍,在此不作介绍。分支导体的分段长度不超过雷电流最大频谱分量对应波长的1/10。每个分段导体采用耦合丌型集中参数电路来模拟,并考虑大地的镜像作用。自电感、互电感采用考虑大地影响的复数透人深度的Neumann积分公式计算;自电容、互电容采用平均电位法来计算。先求各支路的暂态电流分布。然后应用麦克斯维方程和毕奥一沙伐定律求解磁场分布。
为验证计算结果,实验室搭建的建筑物金属构架比例模型如图2所示。直径lcm的圆钢焊接成尺寸为2mX2mX2m的共有260条支路构架,底部牢固焊接在面积为2.4m×2.4m厚度为1.5mm厚的钢板上。雷电通道或独立防雷引下线用高2.5m的圆钢模拟,通过铜带引入冲击电流。圆钢的电导率取σ=9.78×10-6S/m。
根据图2的模型结构和参数建立数值计算的电路模型,编制Fortran程序计算近区雷击时构架上的感应电流和内部磁场分布。主放电回路的冲击电,流用分流器测量,金属构架上的感应电流用罗果夫’斯基线圈测量,构架内的磁场用自制的经过校核的磁场探测线圈测量。
由于支路数多,选取12条主要支路进行实验测量,测量支路的编号见图2。磁场测量点选在构架内正对引下线圆钢的对角线上均匀取24个点,测量高度为0.75m。因每次施加的冲击电流有一定的分散性,电流测量时考虑支路感应电流(Ir)与施加电流(Is)的比值,磁场测量时考虑各测点的磁感应强度与施加电流的比值。按实验中实际产生的峰值为5kA波形为7.4/18.2μs的模拟雷电流进行计算。计算中考虑了引线对电流分布的影响。计算值和测量值比较于图3和图4。电流的最大偏差小于10%。在模型的中间部分,由于线圈的定位困难且磁场很小,磁场计算值与测量值的偏差较大。从图中可见,总的来说计算具有很好的准确度,电流分布和磁场的计算值与实测值相符。说明这种电路法计算近区雷击对建筑物内的磁场分布是有效的,可用于分析金属构架的磁场屏蔽效果。
3 金属构架的磁场屏蔽效果分析
验证了数值计算的有效性,计算研究近区雷击时建筑物金属构架的屏蔽效果。计算模型见图2,设建筑物尺寸为20m×20m×20m,雷击点坐标位置为(-0.5m,-0.5m)。图5和图6分别给出了在h=10m处的磁场分布和沿对角线上的磁场屏蔽系数(定义为有建筑物存在和没有建筑物存在时同一点上的磁感应强度峰值之比); 可见磁场屏蔽系数具有和磁场分布相反的分布特点,在靠近雷击点的区域,磁场强度大,屏蔽系数小,即屏蔽效果好;在远离雷击点的区域,磁场强度小,屏蔽系数大,即

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 当前离线   发表于2005-7-19  | 只看该作者      

2

这篇够专业的,不懂没法评价,还是转专业版块吧。

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 当前离线   发表于2005-7-20  | 只看该作者      

3

文章是好,就是少了图解部分,要是图解部分也在就更棒了。

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