英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
建筑物综合防雷系统的级别、类别和预期安全性能分析（LPCS）
Giuseppe Parise，IEEE院士，Luigi Martirano，IEEE成员，Mario Lucheroni
摘要：标准IEC 62305为建筑物防雷（LPS）提供了全面的参考信息。在确定接闪器系统的位置时，标准中推荐了常用的两种方法：保护角度法和滚球法。采用3-D图形模拟可知，“滚球法”用于：分析滚动层表面内建筑物屋顶的受保护体积; 验证所设计的接闪系统的接闪能力; 评估附近建筑的引下线泄放雷电电流的能力。这种方法还影响着雷击时建筑内火花发生的可能性以及保护内部设备的间隔距离。本文通过对建筑群中建筑物进行案例研究来介绍这种方法：特别强调了与设计的空气终端系统有关的最坏情况。
关键词：接闪器设计，建筑防雷（LPS），标志图，建筑复合体防雷击，滚球法
1引言
建筑物雷防护（LPS）基本上由一个位于上部的接闪系统组成，接闪系统的部分地方通过引下线和接地系统连接。为了选择保护等级，IEC标准建议对风险进行评估[2]，并为建筑物定义了四种防雷等级（LPL）以满足所需的LPS效率等级[1]。 对于每个LPL，一组最大和最小雷电流参数是固定的。 每组包括与水平有关的（例如滚球半径，网格宽度等）和水平无关的（例如横截面，材料等）构造规则。
根据相应的LPL，将四类LPS（I，II，III，IV）定义为一组构造规则。
2预期的LPS性能
LPS系统的设计目的是根据雷电流值的加入范围，确保选定保护等级的雷击传导和拦截能力。对于每个级别，雷电流的最大预定值IM是对导体和系统组件的尺寸的参考，最小值Im定义了用于接收该类雷电的接闪器系统的网格厚度。雷击放电可以分为三个过程：先导放电阶段、后续短时主放电阶段和余辉放电阶段。三个放电阶段都能释放强大的雷电流。 在内部设施的危险火花的保护下，考虑到能量共享（电荷和振幅）时，第一阶段先导放电是主要因素。
表I列出了不同LPL的最大雷电流IM的参数，摘自IEC 62305-1 [1]的表V。但是，单个引下线只会受到这部分最大雷电流的压力。这需要通过使用网络分析软件的计算机模拟或通过IEC 62305-1附录E中给出的近似来确定电流分布。
表1.LPL的闪电参数最大值和最小值[1]
|
参数 |
LPL |
||||||
|
当前参数 |
符号 |
单位 |
I |
II |
III |
IV |
|
|
最大雷击： 传导参数 |
|||||||
|
最大峰值电流 |
IM |
kA |
200 |
150 |
100 |
100 |
|
|
滚球半径 |
r |
m |
310 |
260 |
200 |
200 |
|
|
最小雷击： 拦截参数 |
|||||||
|
最小峰值电流 |
Im |
kA |
3 |
5 |
10 |
16 |
|
|
滚球半径 |
r |
m |
20 |
30 |
45 |
60 |
|
A引下线的数量和分布距离
为了降低由于LPS中的受雷击造成损坏的可能性，引下线应该按照从金属导体接地点到接地系统的方式进行排列：a）存在几条并联电流路径; b）电流路径的长度保持最小; c）根据IEC要求执行等电位连接到结构的导电部分。
在周边周围优选等间距的引下线。引下线之间距离的典型值在IEC 62305-3-表IV中给出：I＆II等级LPS为10 m ，III等级LPS为15 m，IV等级为20 m [3]。根据最大雷电流的分配系数kc的IEC公式，可以计算在特定引下线中流动的预期电流比，具体取决于引下线的总数“n”及其位置。在建筑群中，结构之间的相互作用允许设计实际最大值的减少，即引下线中流动电流的参考。按照表IV中所述，在屋顶高度、地面高度和每10至20米的高度安装引下线的环形导线被认为是一种好的做法。
尽可能多地安装引下线，以环形导体互连的周边等间距分布，减少危险火花放电的可能性，并有助于保护内部装置（见IEC 62305-4）[4]。 也就是说，引下线和环形导体的几何形状影响外部LPS部件与结构内部的其他导电元件之间的电绝缘的分布距离。
3滚球法分析：接闪行为
在描述球体闪电行为的电几何模型的基础上，“滚球”方法允许：在建筑物的每个建筑物的屋顶上局部地确定结构中的受保护体积; 验证空气终端系统的行为; 并估算在下导体中流动的雷电流比。一个三维的图形分析（图1）可以通过与适当或相互保护水平相关的可变半径滚动球体来执行，半径选择取决于该建筑物的每个建筑物的类别（图2）[5]。知道了雷电流的峰值I，电几何模型定义了一个相关的球体，根据IEC 62305-1 art.A.4 [1]，其半径可由公式得到
r = 10·I0.65 （1）
图1.建筑物三维模拟模型，包含周围结构-滚动球体分析。在屋顶上可以看到暴露最多的区域：四个塔楼，一个中央高挡和前面的尖塔，案例研究的关键标记区域。
图2.一个结构复杂的滚球“拦截标记图”。 A楼最暴露的区域是四个塔楼，中央高挡和前面的尖塔。
A根据雷电拦截标准定位接闪系统、拦截标记贴图
在设计充气终端系统时，拦截标准是采用指定给LPS类的闪电的最小预期值，以固定更多穿透球体的半径。这种图形方法允许全面地确定建筑物的结构之间的相互作用。拦截剖面可以显示在建筑物的屋顶平面上，作为“截取标记图”（图2），由相应的LPL（标记分析）的滚球接触追踪的所有热点区域。全球收集区域的标志图显示了在综合楼顶定位接闪系统的基本综合布局[5][6]。
图形分析还使我们能够根据防护等级（表1），将接闪器系统的性能研究到雷电流的最大值，这将突出显示较高结构部件，安装杆安装杆和周围的建筑物（图3）。为了确定每个建筑屋顶的保护体积，考虑到安装工艺设备的需要，也可以进行分析，如下图4所示。在建筑物及其周围结构的3-D仿真的基础上，参照所选保护等级的类别，可以优化通常由网状导体，杆构成的接闪系统的定位、导线和网状互连导体。
要做到这一点，滚球法可以制作一个接收标记图：截取标准建议采用与所选保护水平（表1）的雷电流最小峰值Im相对应的更多穿透半径。在适当的高度，导线和网状导体上适当定位棒状屋顶的特定变量块，在接闪系统上滚动的球体在原始平面图上上升并设计虚拟表面（滚动层）。 （见LPZ0 [4]：如图5，由滚动层确定的外区LPZ0：LPZ0A直接闪击，承受全部雷电流和LPZ0B无直接闪击，承受部分闪电或感应电流）。这些层位决定了建筑物屋顶上可用于安装设备的体积。
图3.带配件棒的接闪球系统的球面三维分析，雷电流Im=3 kA，对应于半径r=20 m：它们是可见的2个塔架和图1的中心区域。
图4.经过气接端系统修改的结构部分的滚动层-雷电电流值3 kA（滚球半径r = 20 m）。
图5.由滚动层确定的外区LPZ0：LPZ0A直接闪击，承受全部雷电流和LPZ0B无直接闪击，承受部分闪电或感应电流
B根据传导标准的预估接闪系统的性能，以及流入引下线最低电流Idc
除了对前瞻性拦截标志图和实际滚动层的分析之外，还得出两个相关的中等和最大研究案例：
bull;雷电冲击暴露的建筑物临界情况（最大情况）对应于暴露于LPL预期闪电值的完整范围IM，Im（表1）的标记区域（请参阅案例研究，了解Fig的最热区域 2和图6中的最大球体所撞击的尖顶，滚动并不标记结构的边界。）。
最大值IM通常在中心区域和接闪器系统最热区域（图1和图2）上进行划分，从杆和网状导体之间的网状互连分开，最大值IM减小到预期电流 KcIM并且与顶部环形导体和引导线处相同。
bull;在普通引下线（中等情况）附近的预期累计电流Irrc，对应于下部rrrc的球体，可能撞击屋顶边界的环形导体。由于建筑物与周围建筑物的相互作用，根据建筑物的距离（参见图7中案例研究大楼的左上角）或多或少会产生影响，因此Irrc比IM要小。
图6.滚球范围气体终端系统的三维分析-雷电流值200 kA最大峰值滚球半径r = 310 m。
图7.空气终端系统的性能。 验证有效防护等级的滚珠球体三维分析验证有效防护等级-雷电流值88 kA，滚球半径r = 184 m，所选LPL的最IM的有效预期比率，转角处的标记的建筑物。 这是一个相关的边界区域，因为面对的结构比其他周围的建筑物相对更远或更低。
kcIM和Irrc之间的最高电流值假设为Idc在引下线中的预期流动。Idc/IM比率可以用来定义安全差距来对LPS类的预期表现，计算公式为
sg= 1-（Idc/IM） （2）
从引下线到放电屋顶环形导线流出的实际电流会影响发生危险火花的可能性以及保护内部装置的间隔距离。考虑到周围结构的截取贡献，基于滚球法的建议方法提供了对最大预期的第一短冲程雷电流使用较低值的可能性。根据两个相关的研究案例（在雷击暴露的普通引下线和临界情况附近的冲程）并考虑周围结构，接闪系统将向引下线传输最大雷电流Idc，其值低于所选保护等级的最大峰值IM。
4一个复杂的建筑案例分析
上述内容中已经用一些图片显示了关于应用于复合体结构上的滚动球体方法的3-D研究，用于I类LPS。
图形分析针对IEC 62305-1 art.A.4给出的雷电电流的最高峰值定义，以及由于网状接闪系统考虑的分区以及由周围的建筑影响的最大预期电流。基于结构复合体的3-D模拟（图1），应用滚球法已经定义了一个原始标记图，以便定位接闪器系统和引下线（图2）。根据拦截标准，所采用的滚球半径等于20m（66 ft），相当于I级LPS的最低雷电流3 kA（图3）。
图4显示了3kA雷电流的滚动球三维研究，以及由此产生的滚动层，它根据空气终端系统的实际位置确定了建筑物屋顶的受保护体积。由此产生的接闪系统的定位提供了一种保护措施，可防止高达99％的预期雷电电流值的直接雷电影响。然后，LPS系统已经验证了雷电流的最大值，高达200 kA（I级），给出了所有滚动球接触关键区域的标记图，半径为310 m，用公式r = 10·2000.65计算。图6显示了结构上200 kA雷电流的尖顶接触区。这些关键区域会受到最大的雷电冲击，因此在确定引下线和评估分隔距离时应考虑这些区域。对于最大雷电流，可以考虑两种相关情况。
A引下线上的电流kcIM对雷电临界区接闪系统的雷电影响
LPS各类的最大闪电将在临界区和通常在接闪系统的中间区域进行预测。然而，可以在设计合理的接闪系统的网状互连引下线线的情况下预测到雷电电流kcIM减小。
B引下线上的预期电流Irrc对雷电冲击屋顶环形导体和接闪系统的相关邻接区域的影响
由于建筑群之间的相互作用，在建筑物上滚动的最大半径rrrc
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[21947]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
