浅谈雷电流效应在雷电防护设计中的应用

陈腊生，聂武夫，陈太龙，刘伟峰,马 岗

(1.中国石化催化剂有限公司长岭分公司，湖南岳阳 4140002.湖南省岳阳市气象局，湖南岳阳 414000)

雷电的破坏作用强烈，包括热效应、机械效应、冲击波效应、火花效应等直接损伤效应和静电感应、二次电弧效应、电磁感应等间接损伤效应。其中，热效应和机械效应对外部防雷装置影响最大，本文将对雷电热效应在防雷技术服务中的应用进行探讨。

雷云对地放电，当闪电击中地面物体时，闪电电流产生焦耳—楞次热效应，虽然电流峰值很高，但作用时间很短，巨大的闪电功率在电弧与地面被击物体之间传输便会形成热效应。雷电放电通道内的温度高达6 000～10 000 ℃，甚至更高，能够使金属熔化，树木、草堆引燃；当雷电流侵入建筑物内低压供配电线路时，可以将线路熔断。这又包括两个方面：一是闪电通道底部与雷击点处的热效应；二是雷电流注入雷击点后流经金属体的热效应。闪电通道底部与雷击点处的能量转换过程极为复杂，可近似看成火花间隙的电弧发热现象，其温升过程不易准确计算；雷电流注入雷击点以后的发热过程则比较稳定，基本上属于阻性发热。实际上，雷电流的热效应有可能会对建筑或环境(特别是爆炸危险环境)造成破坏。因此有必要对建(构)筑物防雷装置的温升现象展开深入细致的研究。

1 雷击点的热效应

闪电在与地物接触之前本质上是大气中的放电现象，类似于长间隙火花电弧放电。雷击点的发热过程与雷电流流入导体后的阻性发热过程有很大差别。在雷击点热量交换过程中起决定作用的不是首次雷击的电荷量，而是长时间雷击的电荷量Q。为了方便计算，忽略能量转换过程中热量散失的部分，只考虑闪电电弧底部的能量仅用于金属的熔化，GB50057-2010推荐的熔化体积计算公式[1]为：

(1)

式中：V——被熔化金属的体积，m3；

ua·c——阳极或阴极表面的电压降，V，采用30 V；

Q——雷电流的电荷，C；

γ——被熔化金属的密度，kg/m3；

Cw——热容量，J/(kg·K)；

θs——熔化温度，℃；

θu——环境温度，℃；

Cs——熔化潜热，J/kg。

几种常见接闪器材料的相关参数见表1。

表1 3种金属物的物理特性参数

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中表F.0.1-4可知，第一类、第二类、第三类防雷建筑物所对应的长时间雷击电荷量分别为200，150，100 C，环境温度取20 ℃，表1的相关参数代入式(1)，可计算出各金属物的熔化体积，结果见表2。

表2 各类别防雷建筑物在雷电流作用下对应的金属熔化体积 m3

通过计算可以看出，雷电流在雷击点接触处会对金属物造成一定程度的损坏。这一过程与雷电流流经金属物引起的温升效应明显不同。雷电流的温升效应对金属结构自身而言是不具备伤害性的且是可逆的；而雷电流在雷击点接触处对金属物的电弧热熔化却是不可逆转的破坏性损伤。因此具有承重、受力等结构力学性质的金属构件不适合作为接闪器直接承受雷击。例如悬索桥的钢缆和吊杆就不适合被直接利用作为接闪器，需要另行架设接闪带以保护其不受直接雷击。

2 雷电流注入雷击点后流经金属体的热效应

GB50057-2010版和IEC62305-1的推荐的温升计算公式：

(2)

式中：θ-θ0——导体的温升，K；

α——电阻的温度系数，(1/K)，软钢取值为6.5×10-3(1/K)；

W/R——冲击电流的单位能量，(J/Ω),根据GB50057-2010中表F.0.1-1，第一类防雷建筑物取值为10×106J/Ω；第二类防雷建筑物取值为5.6×106J/Ω；第三类防雷建筑物取值为2.5×106J/Ω。

ρ0——导体在环境温度下的电阻率，Ωm；

q——导体的截面积，m2；

γ——物质的密度，kg/m3；

Cw——热容量，J/(kg·K)。

经公式变换后可得导体的截面积q的计算公式如下：

(3)

按GB50010-2002《混凝土结构设计规范》规定构件的最高允许表面温度：对于需要验算疲劳的构件(如吊车梁等承受重复荷载的构件)不宜超过60 ℃；对于屋顶托架屋面梁等不宜超过80 ℃；对于其他构件(如柱子、基础)则没有规定最高允许温度值，对于此类构件可按不宜超过100 ℃考虑。

以钢导体为例计算各类防雷建筑物对应的导体截面积。对于钢导体，α取值6.5×10-31/K，ρ0取值为138×10-9Ωm，γ取值为7 700 kg/m3，Cw取值为469 J/(kg·K)，取最终温度80 ℃作为计算值，钢筋的起始温度取40 ℃，因此钢导体的温升考虑为40 ℃。

将参数代入式(3)后得到各防雷建筑物对应的导体截面积。

表3 雷电流流经各类防雷建筑物钢导体的截面积

总体而言，随着钢导体截面积的增大，雷电流引起的温升效应是减小的。防雷类别越高，导体截面积要求越大。

3 雷电流注入雷击点后流经金属体的机械效应

当雷电流通过同一导体或金属构建的弯曲部分时，在弯曲部分的两端之间，将会产生冲击性的电动推力，且拐弯的夹角越小，其间的相互电动推力也越大。即拐弯的夹角为钝角时较小，锐角时较大，因此接闪器及引下线等都不应出现锐角弯曲[2]。如果有一根半径为r、弯曲成90°的金属导体，其两段长度分别为l1和l2的话，当雷电流通过它时，作用于l1段上的电动推力可以按照下式来计算：

(4)

式中：F——作用于l1段上的电动推力,N；

r——金属导体半径,m；

Im——流经导体上的雷电流,kA；

(5)

若某一项目所处区域最大雷电流幅值为10 kA，金属导体的半径r=5 mm，l1=1.5 m，则可以计算出l1受到雷电流的冲击电动推力F=58 N。这样大的冲击性电动推力便有可能导致金属导体断裂，故在接闪器及引下线的施工及竣工验收过程中需对其抗冲击性进行检验。

4 雷电流幅值在电磁屏蔽计算的应用

信息中心及机房为配送中心的控制枢纽，若某项目信息中心及机房位于联合工房二层，联合工房按第三类防雷建筑物设计，设计引下线共计20根，钢筋混凝土中的钢筋均作良好的电气连通，构成一个格栅形大空间屏蔽体。

依据规范GB50057-2010，针对以下两种情况：①直接雷击；②邻近雷击，分别估算信息中心及机房内部的磁场强度。

4.1 直接雷击时内部磁场强度估算

当其遭受直接雷击时，引下线根数n不少于3根，当接闪器呈闭合环或网状的多根引下线时，引下线分流系数为0.44。当信息中心及机房遭受直接雷击时，根据雷电流在引下线中的分流情况，可计算出每根引下线的最大电流强度，并估算出引下线附近的最大磁场强度。估算公式参考无限长载流导体磁场强度H公式：

H=i/(2·π·Sa)

(6)

式中：H——磁场强度，A/m；

i——引下线中的分雷电流强度,kA；

Sa——所考虑点至引下线的水平距离,m。

首次雷击时，雷电流强度远大于后续雷击时的雷电流强度，因此，以下估算均讨论首次雷击的情形。

表4 首次雷击引下线附近的最大磁场强度

考虑最恶劣的情况，并兼顾实用性，根据被考虑点与引下线的不同距离(典型值1～5 m)，对雷电流强度进行计算。其中i0=262.1 kA是项目所在地5 km半径范围内的最大闪电强度。

根据GB/T2887-2000《电子计算机场地通用规范》，要求机房内磁场干扰强度不大于800 A/m。因此，如果信息中心及机房离引下线距离过近，其内部的磁场强度超过800 A/m时，需在机房四周加装金属屏蔽网格，使机房内部形成防雷分区的LPZ2区，加装的屏蔽网格必须使机房内部的磁场强度满足低于800 A/m的要求，并且尽可能降低[3]。机房屏蔽网格所需的屏蔽系数SF可用下式估算：

SF=20·lg(H1/H2)

(7)

式中：H1——LPZ1区内的磁场强度，即信息中心及机房内部磁场强度，A/m；

H2——LPZ2区内的磁场强度，A/m，即加装屏蔽网格后内部磁场强度，上限值为800 A/m，这里取800 A/m进行估算。

当选用的屏蔽网格材料为钢时，估算公式如下：

(8)

式中：w——格栅形屏蔽的网格宽度，m；

r——格栅形屏蔽网格导体的半径，m。

安全距离ds的估算采用如下公式：

ds/1=w·SF/10SF≥10时

ds/1=wSF<10时

根据被考虑点距离引下线的不同(典型值1～5 m)，表5、表6估算出该点处所需的屏蔽网格宽度，还给出屏蔽网格内部对应的安全距离。

表5 不同距离屏蔽网格宽度

表6 不同距离设备安全距离

表5、表6中：①雷电流强度均为首次雷击的雷电流强度；②网格宽度和安全距离是按照屏蔽材料为钢结构来进行计算，材料截面积为50 mm2；③根据GB/T2887-2000《电子计算机场地通用规范》，要求机房内磁场干扰强度不大于800 A/m，以上所有的屏蔽网格宽度和安全距离均按照屏蔽后的场强为800 A/m计算得出，实际使用时，为安全起见，可以选用适当的屏蔽网格宽度；④施工图设计可适当将引下线变更设计至远离信息中心及机房区域，以减小雷电流释放对机房的电磁干扰。

4.2 邻近雷击时内部磁场强度估算

邻近雷击情况下，入射磁场可近似看作一个平面波。LPZ0B区入射磁场强度H0可按下列公式估算：

H0=i/(2·π·Sa)

(9)

雷击所致的磁场强度最大值由首次雷击产生，若雷电流选择i=262.1 kA，表7中分别列出雷击点距该楼为100，200，500，1 000，1 500，2 000，3 000 m时，信息中心及机房无衰减的磁场强度H0。

从表7可以看出，邻近雷击时该区无衰减磁场强度H0均小于800 A/m，经过钢筋混凝土屏蔽衰减后，该区内部磁场强度对于建筑内机房设备的影响可以忽略，因此邻近雷击在该区内引起的磁场强度可以不予考虑。

表7 不同雷击点在该区产生的无衰减磁场强度H0

5 结论

a)雷电流流经导体时引起热效应温升过程中，导体的截面积起很大影响。截面积与温升的变化呈负相关。雷电流的温升效应对金属结构不具备伤害性且是可逆的。

b)雷电流在雷击点处和流经金属体时的热效应过程有明显区别。前者是电弧热能量转换至金属体，后者是单纯的阻性发热[4]。雷电流在雷击点接触处对金属体会有明显的熔化破坏效应，具有承重、受力等结构力学性质的金属构件不适合作为接闪器直接承受雷击。

c)应用雷电观测的雷电流幅值数据，可估算某一特定电子信息系统遭受直接雷击或邻近雷击时其内部的磁场强度，从而采取相应的电磁屏蔽措施以减少闪电电磁感应的危害[5]。