雷击框架结构建筑危险性分析

张云朋

(1.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071 2.中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

雷击框架结构建筑危险性分析

张云朋1,2

(1.化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛2660712.中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

利用两个框架结构模型开展了一系列模拟试验，研究了框架结构建筑遭受雷击时雷电流的分布情况。研究结果表明：雷电流的分布情况随雷击点位置的变化而变化，距离雷击点越近，雷电流越大，距离雷击点越远，雷电流越小；当增加引下线的数量时，雷电流分布的畸变情况更加严重，距离雷击点较远的引下线上的雷电流明显减小，距离雷击点较近的引下线上的雷电流有一定程度的减小；单纯增加引下线数量不能明显改善雷电流的分布情况。根据研究结果，指出了框架结构建筑在雷电防护方面应注意的问题。

雷击 框架结构 雷电流分布 雷电防护

框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。框架建筑有很多主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇注成各种需要的截面形状。

基于以上优点，框架结构建筑在石油化工场所中得到了广泛应用，如炼油厂中的大部分生产装置、大量管廊构架以及简易厂房等。这些框架结构多是由钢结构直接搭建而成，或者采用混凝土浇注框架，根据防雷工程实践，这些钢制框架本身常被用做防雷系统中的引下线，再通过支柱底部的连接线与地下接地网相连，以此达到防雷的目的。

在这些框架结构中，分布着大量电气设备、仪表、电气线路、化学反应设备、物料储运设备等石油化工生产非常重要的装置。一旦这些装置因遭受雷击而损坏，生产过程将无法继续进行，进而有可能引发一系列严重后果。框架结构建筑物的导电构架实质上是相互连接的分支导体组成的导电框架。建筑物遭雷击时，其导电构架上流经的雷电流在室内空间产生的强大瞬态电磁场可能干扰室内敏感电子设备的正常运行。建筑物的导电构架对雷电流在导体分支上的分布和室内磁场的分布有较大的影响[1]。因此，分析框架结构建筑物遭受雷击的危险性，研究框架结构遭受雷击时的电磁场分布，对提高框架结构建筑物的雷电防护水平，增强建筑物内生产装置的安全性，保障石化生产过程的安全运行都有着重要意义。

1 理论分析

在发生雷击时，由雷电暂态电流产生的暂态电磁脉冲变化是非常快的，雷电流通过建筑物引下线泄放到大地。根据Maxwell方程，雷电流In通过n根引下线时，在建筑物内部产生的磁场强度为：

式中，rn为雷电流In侵入的引下线到测试点的距离。

根据上式，可用某引下线上雷电流In的大小近似表示该引下线周围磁场强度的大小，雷电流越大，则周围的磁场强度越大，相应的破坏作用越大，其危险性越高。

在本文的研究范围内，建筑物的尺寸远小于雷电流波的等效波长，因此雷电流在各分支导体上的分布可以用电路法求解。由于建筑物各支路之间的电感、互感与电容效应对建筑物分流的影响并不是很明显[2]，所以在试验过程中暂不考虑建筑物各支路之间的电感、互感与电容效应的影响。

2 试验研究

2.1 试验方案

根据以上分析，可通过测量某引下线上的雷电流，研究其危险程度。为便于研究，将现场中的框架建筑简化为由柱、梁组成的线形钢架模型表示。试验中利用冲击电流发生器产生的冲击浪涌电流模拟自然界中的真实雷电，用罗格夫斯基线圈对各测试点进行测试，用数字存储示波器采集记录雷电流波形和峰值。由于8/20 μS电流脉冲波形是我国防雷设计和保护装置试验规范中十分常用的标准波形，故采用8/20 μS冲击电流波作为本次试验的试验波形。

选取某一建筑物作为参照，按照一定比例对其进行缩放搭建试验模型，模型大小为1.6 m×0.8 m×1.2 m，制作材料为20 mm×3 mm角钢和扁钢，其实物如图1所示。

由于雷击具有随机性，为较全面地研究雷电流在建筑物导电构架上的分布规律，故在试验模型顶部选取了4个放电点进行雷电流放电试验，4个放电点的分布情况如图2所示，分别代表建筑物顶点、长边中心、短边中心、顶面中心遭受雷击的情况，每次放电试验后测量模型顶部各分支导线以及4条引下线上的雷电流值。试验内容分为2个方面：试验模型的分流规律研究；试验模型增加引下线后的分流规律研究。

图1 试验模型实物

图2 放电点分布

2.2 试验所用仪器设备

试验仪器有CJ0101冲击电流发生器、罗氏线圈、Tek3034C数字示波器等。其中，CJ0101冲击电流发生器能产生8/20μS冲击电流波，输出范围为5～100 kA。

2.3 试验结果及分析

2.3.1试验模型的分流规律研究

a)对①号放电点进行放电试验，试验模型顶部及4条引下线分流结果如图3、图4所示。

图3 在①号点试验模型顶部雷电流分布情况(单位：kA)

图4 在①号点试验模型引下线上雷电流分布情况

b)对②号放电点进行放电试验，试验模型顶部及4条引下线分流结果如图5、图6所示。

图5 在②号点试验模型顶部雷电流分布情况(单位：kA)

图6 在②号点试验模型引下线上雷电流分布情况

c)对③号放电点进行放电试验，试验模型顶部及4条引下线分流结果如图7、图8所示。

图7 在③号点试验模型顶部雷电流分布情况(单位：kA)

d)对④号放电点进行放电试验，试验模型顶部及4条引下线分流结果如图9、图10所示。

图8 在③号点试验模型引下线上雷电流分布情况

图9 在④号点试验模型顶部雷电流分布情况(单位：kA)

图10 在④号点试验模型引下线上雷电流分布情况

e)结果分析：对比图3、图5、图7和图9可发现，雷电流在试验模型顶部的分布情况随雷击点位置的变化而变化，距离雷击点越近，雷电流越大，随着距离的增加，雷电流有所减小，总体上看，雷电流的分布基本符合基尔霍夫电流定律。对比图4、图6、图8和图10可知，雷电流在试验模型引下线上的分布情况与雷电流在试验模型顶部的分布情况相似，距离雷击点越近，引下线上的雷电流越大，距离雷击点越远，引下线上的雷电流越小。

2.3.2试验模型增加引下线后的分流规律研究

为研究试验模型增加引下线后的分类规律，将试验模型的引下线由4条增加到12条，如图11所示，其模拟图如图12所示。

a)对①号放电点进行放电试验，试验模型引下线上的分流结果如图13。

图11 增加引下线后的试验模型

图12 试验模型模拟图

图13 增加下引线后在①号点试验模型引下线上雷电流分布情况

b)对②号放电点进行放电试验，试验模型引下线上的分流结果如图14。

图14 增加下引线后在②号点试验模型引下线上雷电流分布情况

c)对③号放电点进行放电试验，试验模型引下线上的分流结果如图15。

d)对④号放电点进行放电试验，试验模型引下线上的分流结果如图16。

e)结果分析：对比图13、图14、图15和图16可知，雷电流在试验模型引下线上的分布情况同样遵循上述规律：距离雷击点越近，引下线上的雷电流越大，距离雷击点越远，引下线上的雷电流越小。与增加引下线之前的试验结果相比，距离雷击点较远的引下线上的雷电流明显减小，说明引下线的数目对雷电流的分布有较大影响，但并没有完全改善雷电流的分布情况，雷电流分布的畸变情况仍较严重。

图15 增加下引线后在③号点试验模型引下线上雷电流分布情况

图16 增加下引线后在④号点试验模型引下线上雷电流分布情况

3 结论

研究了钢制框架结构遭受雷击时其顶部结构及引下线上雷电流的分别情况，研究结果表明：

a)雷电流的分布情况随雷击点位置的变化而变化，距离雷击点越近，雷电流越大，距离雷击点越远，雷电流越小。

b)当增加引下线的数量时，雷电流分布的畸变情况更加严重，距离雷击点较远的引下线上的雷电流明显减小，距离雷击点较近的引下线上的雷电流有一定程度的减小。

c)单纯增加引下线数量不能明显改善雷电流的分布情况。

石化企业采用框架结构作为建筑方案时，应尽量增加框架结构的支柱数量，同时应保证各支柱良好接地，以尽量减小各分支引下线上的雷电流。但是由于雷击的不确定性，根据上述研究结果，各分支引下线上均有可能承受较大的雷电流，仅增加引下线的数量不足以满足雷电防护的要求，框架建筑内的设备仍有可能遭受雷击。因此，在框架结构内安放关键设备时应注意远离支柱，同时应考虑安装浪涌保护器或采取其他雷电防护措施，以降低关键设备遭受雷击的风险，保证企业的安全生产运行。

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RiskAnalysisofLightingStrokeonFrameStructureBuilding

Zhang Yunpeng1,2

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao,2660712.State Key Laboratory for Safety Control of Chemicals, Shandong, Qingdao, 266071)

Based on two frame structure models, a series of simulation experiments are carried out to study the distribution of lighting current when a frame structure building is suffering from a lighting stroke. The result shows that: the distribution of the lighting current changes as the change of the location of the stroking point, and the nearer to the stroking point, the larger the lighting current is, which is the same on the contrary; when we add the number of down leads, the distortion of the lighting current is more serious than before, and the lighting current on the down lead which is far from the stroking point decreases much more than before and the lighting current on the down lead which is near to the stroking point decreases to some extent; only adding the number of the down leads can't improve the distribution of the lighting current. According to the result, some suggestions are made on the lighting protection of frame structure buildings.

lighting stroke; frame structure; distribution of lighting current; lighting protection

2015-08-04

张云朋，助理工程师，2011年毕业于西安石油大学电气工程及其自动化专业，现主要从事雷电静电防护与研究工作。