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本科生毕业论文(设计)外文翻译
题 目 计算雷击建筑物的电流和磁场分布
第九届防雷保护国际研讨会
2007年11月26-30号 巴西福斯做伊瓜苏
计算雷击建筑物的电流和磁场分布
石板真正
东京大学工业科学研究所
m.ishii@ieee.org
日本东京市153-8505目黑区4-6-1
摘要：IEC 61024-1建议等电位连接为一建筑物的接地系统。金属通信线路电气配线应通过电涌保护器连接到每个楼层的钢框架（SPD）。当SPD被闪电直接击中建筑物产生过电压激活，雷电流分流通过SPD流入的电子线路或通信线路。过电压的产生不仅通过雷电流的分流，也由磁场诱导的T流入导体的雷电电流。在SPD的安装过程中可靠计算脉冲电流和磁场在建筑物空间的分布是不可缺少的。两种类型的模型，即电路模型和电磁模型，目前为止已被用来解决这个问题到。电磁模型自动结合和电磁耦合之间的导体，他们主要研究的现象在几微秒内。结果表明，矩量法的应用，其中的代表数字电磁场分析的方法，对这一课题在今后较长的时间范围内也很有用。
1引言
雷电直接击中建筑物产生的过电压，不仅通过雷电流分流也由雷电流流入导体引起的电磁场。IEC 61024-1建议等电位连接的接地系统的建设不使危险电压损坏电气设备。实现等电位需要所有导体直接连接或通过浪涌保护装置（SPD）。当SPD被闪电直接击中建筑物产生过电压激活，雷电流分数会流入电气配线激活SPD。
电子设备的干扰程度与感应磁场的时间导数有关，这取决于建筑物内部的位置。感应电流在回路导体通过磁场渗透产生的。有必要了解建筑物内雷电流的分布，以评估与感应磁场相关的SPD电流和干扰。
目前计算建筑物内部雷电流分布的方法可以分为两种。一组采用电路模型，和采用其他电磁 型号。电路模型表示导体的集总或分布式阻抗，电流分布在电路理论的基础上解决。电磁模型的基础上建立的即使几何参数和电参数，如每单位长度的电阻，对建筑物的导体。雷电信道也需要被建模为激发源。闪电电流的分布是由麦斯威尔方程组的数值给定的边界条件下解决。一旦电流的分布被确定，研究电磁模型它是很容易的来计算建筑物内感应磁场的空间分布。
电磁模型是更严格的处理导体之间的电磁耦合，虽然电磁模型的数值分析经常遭受不稳定或过多的计算时间。由于这一特点，电磁模型主要研究几微秒内的现象。SPD安装在一个建筑物内要设计其能量等级，但是，要知道有多少部分雷电流流入配线通过SPD在更长的时间范围。在本文中，对数值电磁应用实例在很短的时间范围内磁场分布的的分析，对雷电电流在一个比较长的时间的证明范围。
2分析法
数值方法应用于雷电浪涌问题的代表性方法迄今已矩量法（MoM）和时域有限差分法（FDTD）。 后者将整个分析空间划分为单元，并在时域中逐步进行计算。在将其应用到开放空间中的模型中，如在通过构建雷击模型的情况下，仔细分析设置限制空间的边界是必不可少的，使反射的限制不影响计算结果。由于最大输入步长的大小受单元大小的限制，由于计算时间的增加，在典型的雷电浪涌问题中很难计算超过几微秒。信号内部的比细胞的大小，这通常是一个基本要素在雷电浪涌问题，需要特别照顾处理。FDTD方法的优点是，它是稳定的在限制时间步长，和技术是不需要产生一个模型。
MOM将边界划分为段，并计算每个段的电流，使边界条件得到满足。时域和频域的编码代码是可行的和频域码称为数值电磁学代码（NEC）被广泛应用于天线社区。劳伦斯Livermore实验室开发的，其第二版NEC2是公开发布的。它可以应用于时域分析，结合傅立叶变换，和计算结果的准确性已被验证与实验比较。这种方法是有利于处理的开放空间和细线，而一些技术是必要的建模的物理条件，有时是不稳定的，即使涉及的参数AR在推荐条件下。目前，NEC-4 是可用的，这是更稳定和扩大处理能力较厚的导线埋设导体。
本文的计算结果和NEC-4的帮助。由NEC的计算是在频域中进行，和逆傅立叶变换被施加到获得R结果在时间域。图1显示了使用模型的5层建筑，包括电气接线。建筑物的宽度和深度为20米，高度为每层5米。一棚10米times;10米的宽度和深度是建立在屋顶上。闪电击中5米的避雷针附在小屋的角落。八立柱连接到地面，这H被完全的导电平面所覆盖。每个列的接地电阻为零。在实际的建筑，柱子的脚连接到埋地钢框架；因此，IMBA每根脚的接地电阻的枪几乎不会影响电流的分布。
图1 包括建筑电气接线模式。
图2 为接线图1中的五层楼计算电流波形。
梁、柱的直径为50厘米的线是1cm。
图3 五层楼顶层布线中雷电流的分数。
梁、柱的直径为50厘米的线是1cm。
由于电缆阻抗高，从外部电缆或通信线路中的导线会被忽略。下导体用立式钢柱代替。电缆的水平长度在各楼层配线20米，SPD连接下导体和电气配线之间不显示在图1因为他们打开时，雷电流流入下导体。在钢结构的帮助下，对避雷针和电线的设置为零，因为电流分布的贡献比比自感频率范围更小。的闪电通道和电线的直径是1厘米。对于闪电通道，采用电磁模型，其中一个V电压源在通道将雷电流通往底部，
图2显示的电流波形计算实例，对4的时间，进入配线图1中的五层楼。电流从钢结构到配电线定义D为阳性。钢框架梁柱的直径为50厘米。图3显示了在频域中的雷电电流的分数到顶部的电线的例子图1的建筑面积。闪电电流的一小部分定义为建筑物的每一部分电流与闪电连接点处的电流之比。随着频率变低，曲线接近极限值，然而，它开始偏离限制值约0.3兆赫。这个频率表示NEC-4频率下限可以处理为结构图1。
测试电流波形为10／350，由IEC61312-1规定闪电的首次回击，可由NEC-4超出频率下限，然而，SPD能量分级是占雷电电流持续时间的长主导地位。恒定的值表明几乎偏离约0.3 MHz，该系统的电感几乎是独立的，频率低于约0.3兆赫，而系统的电阻频率只有几十赫兹以下是不可忽略。因此，在建筑物的每一部分具有持续时间长的电流的分数可以是EST动画从其限值在频率域。通过外推曲线在低频率的电流的分数对频率的依赖性限制到到的 CY区域的值，如图3所示。
对感应磁场的分布评估，测试电流波形表示后续的雷电电流在IEC 61312-1的定义，前0.25micro;有10～90%虚拟时间。采用导体中电流和磁场的时间导数，DH / dt，与NEC-4帮助计算。这一计算，电气布线所示图1中所示，以获得更清晰的概况。
3长时间雷电电流分布
对于图1的几何形状，在地板顶部的布线的雷电流的分流是最大的楼层。图4显示了长时间雷击电流分布在五层楼，其中图中的数字表示每个部分的雷电电流的百分数。钢框架的直径为50厘米。在建筑物的上部，在导线下面更多的雷电电流流过，它是平坦的下部。时域分析的FDTD方法，它是很难计算超过几微秒的响应，由于计算时间的增加。
表1总结了长时间分别在各种高度的建筑物布线的雷电流计算分数。不管是什么建筑在顶层布线雷电流流入的分数是最大的，它流到接地系统在较低的楼层，在底层的分数是最大的。当建筑物超过五层时，顶部和底层的部分几乎没有变化。流入楼层中间的闪电电流分数小。这种类型的结果可用于确定要安装的SPD的额定能量。
图4 图1建筑物长时间雷电流分布图。
表1：流入建筑物各种高度布线的部分雷电流。
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Number of floors |
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8 stories |
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5 stories |
4 stories |
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2 stories |
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8th floor |
2.5% |
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7th floor |
0.7% |
2.5% |
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6th floor |
0.1% |
0.6% |
2.4% |
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5th floor |
-0.2% |
-0.0% |
0.6% |
2.3% |
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4th floor |
-0.3% |
-0.3% |
-0.1% |
0.4% |
2.1% |
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3rd floor |
-0.5% |
-0.5% |
-0.5% |
-0.3% |
0.2% |
1.8% |
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2nd floor |
-0.8% |
-0.8% |
-0.8% |
-0.8% |
-0.7% |
-0.2% |
1.3% |
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1st floor |
-1.5% |
-1.5% |
-1.6% |
-1.7% |
-1.7% |
-1.7% |
-1.3% |
图5：从底部布线到一五层钢框架柱直径的雷电流分数的依赖性。导线的直径 1cm。
图5显示了变化的闪电电流的分数，配线的依赖性从底层一五层楼的钢框架元素的直径。对电线的直径是1厘米。图中的三行对应于不同的布线连接，图1所示的线路被称为“系统1”。这里的讨论的差量很小并不重要。钢柱的直径上的分流的依赖性强时，该列是薄约20厘米。这类时域有限差分法在处理细导线时有限制。
4次雷击后磁场分布
感应电压在方形开环是穿透磁场的时间导数成比例，这一环有一段1米times;1米的DH / dt 2000A/m/micro;s为2.5 kV。这 感应电压威胁类型电子设备。为了评估这种类型的感应电压的严重程度，脉冲电流代表随后的雷击有振幅 50 kA和0.25micro;s的10-90%虚拟前时间注入到图1所示的建筑。通过NEC-4分析建筑的DH / dt值峰值的分布。
在图6中，峰电流的时间导数在各部分的百分比建筑物相对的通道底部电流，这将是衡量是否同样的闪电通道直接连接到地面。图4也显示不同，图6中闪电附着点的值不是100%。这是由于闪电通道有限阻抗 L，这导致减少一个陡峭的前雷电电流注入高结构的高峰。一个慢前沿雷电流的峰值，如图4的情况下，在地面上结构的闪电通道高度基本没有受影响。因为图6中的数字是DI / dt的峰，DI / dt的峰的时间可能不相同。因此，总和到节点中的数一定是零，并且数字到地的总和是100%以上
图6 对电流的时间导数计算的峰值在每个部分在图1的建筑，在随后的闪电有0.25micro;s的虚拟前时间的注入电流。装电线建筑物中的省略。这些值相对于该通道的基极电流，如果相同的闪电通道直接连接到地面这将被测量。
（a）顶（第五）楼，Z = 21m。
（b）中（第三）地板，Z = 11m。
图7 间分布
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