雷电流在各类钢构结构中衰减程度计算分析

范宏飞 黄克俭 冯又华 柴 健

（1. 湖北省气象信息与技术保障中心 2. 湖北省防雷中心）

0 引言

在对大型建筑物进行雷击风险评估时，需要了解雷电流在大型建筑物的分布情况及雷电流在大型建筑物中影响的范围。为此，通过CDEGS软件对雷电流在各类钢构结构中传输距离进行仿真计算，分析雷电流在各类钢构结构中的衰减情况，以期为大型建筑物的雷击风险评估提供参考。

1 计算思路与方法

使用CDEGS中的HIFREQ模块进行仿真计算。CDEGS软件是Current distribution、Electromagnetic Field、Grounding and Soil Structure Analysis（电流分布、电磁场、接地和土壤结构分布）的缩写，由加拿大SES公司（Safe Engineering Services& Technologies Ltd.，安全技术工程服务有限公司）出品，目前是国际上成熟的、商业化的通用接地分析软件。HIFREQ模块是CDEGS软件8个核心模块之一，主要用来分析地下和地上载流导体的网络特性，特别适合于激励频率从零到数百兆赫兹情况下的大型导体网络特性的研究。

在 HIFREQ模块中建立直线多点接地型模型，分别对接地点间距不同、土壤电阻率不同、结构长度不同和结构横截面积不同的情况进行仿真计算雷电流在各类钢构结构中传输距离。

2 计算模型的确定

为便于仿真计算分析比较，选取较为简单的建筑物接地模型，本次仿真对象为单根 50m长导体直线多点接地型、两根φ16，50m长导体直线多点接地型和单根100m长导体直线多点接地型。

（1）单根50m长导体直线多点接地型

研究导体截面积为 50mm²，长度为 50m，垂直接地体间距为5m和10m，垂直接地极长度为4m时，在不同土壤电阻率条件下雷电流在导体中传输距离。图1为仿真模型。

（2）两根φ16，50m长导体直线多点接地型

图1 单根50m带间隔5m垂直接地极模型

研究导体为两根φ16钢筋，长度为50m，垂直接地体间距为5m和10m，垂直接地极长度为4m时，在不同土壤电阻率条件下雷电流在导体中传输距离。图2为仿真模型，两根导体上下水平排列，间隔0.2m。

图2 两根50m带间隔5m垂直接地极模型

（3）单根100m长导体直线多点接地型

研究导体截面积为50mm2，长度为100m，垂直接地体间距为5m，垂直接地极长度为4m时，在不同土壤电阻率条件下雷电流在导体中传输距离。仿真模型与图1类似。

3 计算结果与分析

采用波形为10/350μs，幅值为10kA模拟冲击电流进行冲击计算。图3为计算出的土壤电阻率20Ω·m，垂直接地极间隔5m时导体上的电流分布。下表为注入电流为10kA时在不同土壤电阻率条件下各类导体模型的末端电流值。图4为各类导体模型末端电流对比图。

图3 土壤电阻率20Ω·m，垂直接地极间隔5m时导体上电流分布

表 不同土壤电阻率条件下各导体末端电流

图4 各类导体模型末端电流对比图

由图4可知，随着土壤电阻率增加，末端电流增量逐渐减小，当土壤电阻率大于500Ω·m时，末端电流基本不变。单根50m和垂直接地极间距5m的导体模型，土壤电阻率小于500Ω·m时，末端电流值小于1000A，雷电流衰减超过90%；单根50m导体垂直接地极间距10m和两根50m导体垂直接地极间距10m的导体模型，整段导体电流全部大于 1000A；单根100m导体垂直接地极间距5m的导体模型，土壤电阻率小于 1000Ω·m时，末端电流值小于 1000A，雷电流衰减超过90%；两根50m导体垂直接地极间距5m的导体模型，土壤电阻率小于50Ω·m时，末端电流值小于1000A，雷电流衰减超过90%，土壤电阻率大于50Ω·m时，整段导体电流全部大于1000A。

对比垂直接地极间距5m和10m的导体模型，垂直接地极间距5m导体模型的末端电流值远小于垂直接地极间距 10m导体模型的末端电流值，单根垂直接地极间距5m导体模型的末端电流值大约只有单根垂直接地极间距10m导体模型的50%。两根垂直接地极间距5m导体模型的末端电流值大约只有两根垂直接地极间距10m导体模型的60%。

对比100m和50m的导体模型，100m导体模型的末端电流值远小于 50m导体模型的末端电流值，且土壤电阻率越小差别越大，在土壤电阻率为20Ω·m时，100m导体模型的末端电流值只有50m的导体模型的36%。

对比两根和一根导体模型，发现两根 50m导体垂直接地极间距5m的导体模型的末端电流值大于单根50m导体垂直接地极间距5m的导体模型的末端电流值，而垂直接地极间距10m，正好相反。主要原因为单根和双根导体的电感效应在不同土壤电阻率和不同垂直接地体密集程度时有不同的体现所致，50m导体垂直接地极间距5m的导体模型中，雷电流通过水平接地体的散流比例很小，单根和双根导体主要影响是电感大小不同，电感大的末端电流会小一点。但在50m导体垂直接地极间距10m的导体模型中，水平接地体的散流较大，特别是在高土壤电阻率情况下不能忽略，所以单根和双根导体会出现数据相反的情况。

4 结束语

对于上述所有导体模型，随着土壤电阻率增加，末端电流增量逐渐减小，当土壤电阻率大于500Ω·m时，末端电流基本不变。

水平导体长度、垂直接地极越密集程度以及土壤电阻率等因素都影响雷电流在导体中的衰减，当水平导体长度达到50m，垂直接地极越密集程度为5m时，雷电流在导体中的衰减可达到90%左右。当水平导体长度达到100m，垂直接地极越密集程度为5m时，雷电流在导体中的衰减可达到95%左右。