利用CDEGS软件分析高层建筑底部人员雷击安全

曾　勇，刘　波，李云敏，吴安坤，黄　钰

(贵州省防雷减灾中心， 贵州　贵阳　550081)



利用CDEGS软件分析高层建筑底部人员雷击安全

曾勇，刘波，李云敏，吴安坤，黄钰

(贵州省防雷减灾中心， 贵州贵阳550081)

该文利用接地与电磁场分析软件CDEGS，建立贵阳市某高层建筑三维数值模型。利用土壤电阻率和土壤分层模型，结合贵阳市雷电特征参数和建筑拟采用的防雷系统，分析高层建筑遭受直接雷击时，其底层接触电压、跨步电压的最大值，并计算由该接触电压、跨步电压引起的通过人体的最大能量，从而分析其是否造成人员伤亡。

CDEGS软件；接触电压；跨步电压；土壤电阻率；雷击

1　引言

贵阳是一座“山中有城，城中有山”的城市，年平均闪电密度为4.7次/km2，属于多雷区。受到地形的限制，贵阳市内的建筑绝大部分是高层建筑。高层建筑遭受雷击的事件越来越频繁，因雷击而造成的损失越来越大。据不完全统计，2000年以来贵州省发生比较严重的雷电灾害数千起，人员伤亡600多人，造成经济损失数亿元[1]。高层建筑在雷雨天气遭受雷击的可能性大，同时室内聚集人员一般较多，容易对人体产生伤害。雷击时造成人体伤亡的原因主要是雷电流通过接地装置泄流入地时在建筑底层地面附近产生接触电压和跨步电压，接触电压和跨步电压分别产生接触电流和跨步电流，一旦电流流经人体将使人心脏发生纤维性颤动，将导致心跳停止造成伤亡。鉴于此，本文对雷击高层建筑时底部人员安全性进行分析，主要利用CDEGS软件分析雷击高层建筑时在底层产生的接触电压和跨步电压，并评估雷击状态下人员的安全性，为高层建筑雷电防护提供科学参考意见[2]。

2　雷击状态下人员安全标准

IEC/TR 60479-4-2011(电流对人和家畜的影响—第4部分：雷击影响)规定了雷击状态下的人员安全标准，根据此标准，人员安全有3种分析方法[3]：

①具体颤动激励或能量法(Specific Fibrillation Charge or Energy method)。

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

③多个快速突发波法(Multiple Fast Burst Wave method)。

本文采用第1种方法来分析雷击状态下的人员安全。雷击状态下，人体遭受的电压可使用Dalziel’s的能量关系来估计：

(1)

其中：Rb是人体的电阻。

雷击状态下，通过人体的能量可按以下公式计算：

(2)

其中，iB和vC分别为人体遭受的电流和接触电压，t指雷击信号持续时间，Rb和RF分别为人体电阻和脚与大地的接地电阻，RF=1.5×ρS，其中ρS是表层土壤电阻率(Ω-m)。人体电阻在高频条件下典型值取500 Ω，低频条件下典型值取1 000 Ω。以下分析雷击状态下，Rb取 500 Ω和1 000 Ω时，经计算，人体所能承受的最低能量值，即雷击状态下的人员安全标准值(表1)，下文将以此作为最终判断雷击高层建筑时底层人员是否安全的标准对照值。

表1　雷击状态下的人员安全标准值

3　数值模型的建立

在贵阳市内选取一栋高度为99.2 m的高层建筑作为研究对象，利用CDEGS软件的HIFREQ模块对其建立三维数值模型，其中所涉及的雷电参数数据来源于贵州省防雷减灾中心。数值模型建立参数表如表2所示。

雷电流采用标准双指数波形(图3)。贵阳市最大地闪强度为248.67 kA，本次地闪强度选取244.47 KA。分析时雷电流最大值取150 kA，上升时间5 μs，在150 μs内衰减到0，点数为2 048，采样频率为4.608 MHz。在建立模型时，输入高层建筑所在地土壤电阻率，其值取自于现场采用文纳四极法测量到的数据。本次建模计算土壤电阻率取256 Ω·m。

表2　数值模型参数

注：表中相对电阻率对钢，相对磁导率对空气

图1　仿真实验采用的10/350双指数雷电流波形Fig.1　The 10/350 double exponential lightning current wave in this simulation experiment

雷击情况下的电磁场电流电压分析为时域分析，电流波形包含多个频率分量。CDEGS是一套功能强大的工程软件包，可用于精确分析接地、电磁场、电磁干扰等方面问题，它由8个工程模块组成：RESAP、MALT、MALZ、SPLITS、TRALN、HIFREQ、FCDIST和FFTSES。本次建模计算主要用到RESAP(土壤结构分析模块)、HIFREQ(模型建立模块)和FFTSES(快速傅里叶变换模块)[4]。使用CDEGS进行参数分析按如下步骤：

①使用CDEGS软件中的FFTSES模块，对故障电流波形作傅立叶正变换，以获得其频谱。

②使用HIFREQ计算模块，建立包括研究对象的计算机模型。在正向傅立叶变换FFTSES推荐的频率下，计算各频率下对应的的电磁场。

(3)

式中：f(t)是指被分析的信号，此处主要指雷电流函数；F(ω)是指经过傅里叶变换后的频谱函数。

③建立HIFREQ结果频谱响应的数据库。该响应可以是任何计算量，比如地表电位升、电场、接触电压、跨步电压等。

④执行傅立叶逆变换(使用FFTSES)以获取计算量的时域响应。

(4)

通过以上步骤，便可以计算出所需要的物理量接触电压和跨步电压。

4　人员安全分析

通过CDEGS软件建立高层建筑遭受雷击三维数值模型，选取高层建筑底层周边(高层建筑半径500m范围)作为观测面，计算观测面内最大接触电压和最大跨步电压值，计算出接触电压和跨步电压三维分布图见图2和图3所示。

图2　高层建筑遭受直接雷击时底层的接触电压分布Fig.2　 The distribution of touch voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

图3　高层建筑遭受直接雷击时底层的跨步电压分布Fig.3　The distribution of step voltage at the bottom of high-rise building when lightning strike

当高层建筑遭受直接雷时，接触电压和跨步电压大峰值主要分布于高层建筑4个角落处，且其它小峰值主要沿高层建筑地网周边分布。同时，地电位升由地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势，下降的幅度中心大，边缘小，也就是说越靠近地网中心，电位梯度越大，越容易造成反击。所以，在对高层建筑进行防雷设计时，应该对高层建筑四周边缘及四个角落处做好防雷措施，将地网以最优化设计方式，以免雷击时因接触电压和跨步电压造成的人身伤害[5-6]。从图2和图3可以得出如下分析数据：

高层建筑物遭受直接雷击时在建筑物底层地面所产生的接触电压、跨步电压的最大值见表3，使用Dalziel’s的能量关系公式计算通过人体能量见表4。

表3　高层建筑遭受直接雷击时最大接触电压、跨步电压

表4　接触电压和跨步电压通过人体能量

结果表明，高层建筑物遭受直接雷击时，由接触电压引起的通过人体的能量为0.013 J，由跨步电压引起的通过人体的能量为0.011 J，均远小于人体所能承受的最大能量13.5 J，因此，高层建筑遭受直接雷击时，处于建筑底层的人员是安全的。

5　结论

本文利用CDEGS软件对雷击高层建筑建立三维数值模型进行分析，主要结论如下：

①雷击高层建筑时在建筑物底层地面所产生的接触电压和跨步电压最大值分别为250 V和230 V。由此接触电压和跨步电压引起通过人体能量大小分别为0.013 J和0.011 J，均小于人体所能承受最大能量13.5 J，即高层建筑遭受直接雷时，处于建筑底层的人员是安全的。

②高层建筑遭受直接雷时，接触电压和跨步电压大峰值主要分布于高层建筑4个角落处，且其它小峰值主要沿高层建筑地网周边分布。

③地电位升由自然地网中心地带向地网边缘地带呈现逐渐降低的趋势，下降的幅度中心大，边缘小，也就是说越靠近地网中心，电位梯度越大，越容易造成反击。

④接触电压和跨步电压由接地网边缘向内逐渐降低，地网中心地带接触电压和跨步电压相对较低。

通过以上仿真分析，可以给高层建筑雷电防护提供几点参考建议：

①尽管通过仿真计算得出雷击高层建筑时处于建筑底层的人员是安全的，但是在地网四周边缘及角落处接触电压和跨步电压会出现峰值，应该对这些地方增强防雷措施。

②地网的设计较为关键，直接影响到雷击时跨步电压分布，应该根据建筑所在区域实际地形地貌和地质条件合理设计地网，对高土壤电阻率地区除了自然接地网之外还应该铺设人工接地网以达到降低跨步电压[7]。

③在高层建筑行人道路上敷设绝缘层，在外露金属导体上刷绝缘漆或者敷设绝缘外套，降低跨步电压与接触电压的人身危害。

[1] 丁旻，邵莉丽，彭芳．贵州省雷暴活动规律与雷电灾害特征相关性分析[J]．贵州气象，2009，33(6)：12-13．

[2] 丁旻，周强，邱飞．综合办公大楼的雷击风险评估方法[J]．贵州气象，2008，32(1)：38-40．

[3] IEC/TR 60479-4-2011电流对人和家畜的影响—第4部分：雷击影响,2011.

[4] 王小凤．CDEGS软件在电力系统中的应用[学位论文]．杭州：浙江大学,2007.

[5] 王广文．杆塔接地电阻测量方法的研究和地网优化设计[学位论文]．武汉: 华中科技大学，2003.

[6] 孙建新.基于CDEGS的铁路接地网优化设计研究[J].水电能源科学，2010，28(6):132-135．

[7] 庄池杰，曾蝾．高土壤电阻率地区变电站接地网设计思路．高电压技术，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，硕士，助工，主要从事防雷技术应用工作，E-mail:120200859@qq.com。

贵州省气象局青年基金项目，项目编号：QN15〗17号。

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