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摘 要：运用暂态过程和稳态过程分析，对建筑物分析其防雷系统在遭受雷击时的雷电暂态和稳态过程，确定了在各自情况下防雷系统中的反击电压。
关键词：避雷针；接闪；反击电压
1 雷击建筑物的电路模型
1.1 保护系统的结构模型
无论是独立的雷电保护系统，还是以建筑物本身钢筋结构构成的雷电保护系统，在考虑电流分布时，可不考虑混凝土墙壁的作用。[1]因此，在计算雷电流分布时，可将两种类型保护系统结构等效为由导电结构组成的框架。
1.2 雷电流模型
为计算方便，采用雷电流幅值为100KA，波形为10/350μs的电源流直接加在建筑物上。
1.3 接地电阻
实验表明，只有当土壤电阻率很高且接地体长度很小时才会发生比较剧烈的土壤电离。因此，当雷击建筑物时，由于雷电保护系统中雷电流将通过多根导体及电极入地，接地体表面的电场强度将远小于土壤临界击穿值。
1.4 电路模型简化
在建筑物内还有水管，煤气管道及电话线的浪涌保护设备等都可些放掉部分雷电流，在本文中，不考虑这部分雷电流泄放通道的影响。
2 计算方法及过程
选取某建筑物外形尺寸为5m×5m×3.5m，设置均压环，钢筋柱为4根，设置在四个墙角，每根钢筋柱由4根直径为20mm的钢筋绑扎而成，每根钢筋的截面积为314mm2，土壤电阻率р=200Ω·m， 响应时间t=8μs， 钢筋电阻率ρ为1×10-7Ω·m，电导率取1×107S/m，接地电阻取4Ω计算。
2.1暂态过程[2]
1. 把所有钢筋等效为一根钢筋，其截面积为314×4×4=5024mm2，等效直径d=2×（5024/π）1/2 =79.98mm 。
其电阻为r = ρL/S≈6.97×10-5Ω，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为：
冲击暂态分布电感量：
LH=[2ρLog （2L/d）]×10-7≈7.77×10-5（H）
式中：ρ为导体电阻率；L为导体长度；d为导体半径。
冲击暂态冲击电阻量：
R=（ρ/2πL）×Log（2L/d）≈17.67（Ω）
冲击暂态阻抗Z：
Z=（LH R/4t+Rr）1/2≈6.55（Ω）
式中：t为响应时间
根据 IEC61312-1：1995雷电流分配有关条款假定：雷电流i的50%进入的各种设施，变压器低压侧三相五线供电线路n=5，所以雷击建筑物时产生的瞬间脉冲幅度为：
u= Z ×（i/5）=65.5 （kV）
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为265.5（kV）
2.计算每根钢筋阻抗
其电阻为r=ρ1 L/S =1.11×10-3Ω，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为：
冲击暂态分布电感量：
LH=[2ρLog （2L/d）]×10-7≈1.02 ×10-4（H）
冲击暂态冲击电阻量：
R=（ρ/2πL）×Log （2L/d）≈23.14 （Ω）
冲击暂态阻抗Z1：
Z1=（LH R/4t+R r）1/2 ≈8.59（Ω）
房内钢筋总数为4×4=16根，16根钢筋的并联电阻值Z=8.59/16≈0.537（Ω）
根据 IEC61312-1：1995雷电流分配有关条款假定：雷电流i的50%进入的各种设施，变压器低压侧三相五线供电线路n=5，所以雷击建筑物时产生的瞬间脉冲幅度为：
u= Z ×（i/5）=0.537 ×（50/5）=5.37 （kV）
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为205.37（kV）
2.2.稳态过程[3]
1.把建筑物等效看做一圆柱体，计算建筑物的阻抗。
= =4×10-9 （Ω） （2.1）
归一化电阻： （2.2）
归一化电感： （2.3）
其中 （2.4）
式中：
a为所求物体截面积；
f为雷电流波形频率；
μ为物体磁导率；
？啄cond为物体电导率。
计算f时，将雷电流看做等值余弦波，其数学表达式可表示为：
，
式中，Im为给定雷电流幅值， ，
所以， =50KHZ （2.5）
联立（4.1）～（4.5）式求解，得
（a=2.8，δ=3.26×10-8，ω=3.14×107）
R=0.172 （Ω），L=3.26×10-9 （H）
雷电流等值波形按等值斜角波计算。
波头陡度 = =20KA/μs.=20×109A/s
從而电流波形函数为：I=20t
U= =3.51KA
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为203.51（kV）
3. 结论
通过上述计算，可以从中发现如下结论：
1. 在波头持续时间内，相比于电感产生的电位降，欧姆电位降是微不足道的。
2.在建筑物防雷中，在截面积相同的前提下，多根引下线接地与单根引下线接地相比，前者能更好的泄放雷电流，这与IEC规范要求的基本相符。
3. 由计算结果可以看出，雷击建筑物时，在建筑物上产生的电位降是巨大的，而这种电位降主要是由于接地电阻产生的。避雷接地装置在雷击瞬间使其周围的地电位上升，这样，即使该避雷接地装置与建筑物内其他设备的工作接地装置分开，也免不了因两个接地装置之间的距离不够安全要求而造成地中放电，致使仍处于零电位的其他设备的工作接地引入反击电流而损坏设备。
参考文献
[1] 林福昌，姚宗干，蒋政龙.雷击建筑物时电流分布的计算. [J].高电压技术.1998，23卷第一期：56-58.
[2] 马守山.多级电源SPD之间能量配合的分析. [J].中国防雷.2006， NO.2：49-53.
[3] Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko [美].射频电子线路[M]，王子宇，张肇仪，徐承和等译.北京：电子工业出版社，2000.05.
关键词：避雷针；接闪；反击电压
1 雷击建筑物的电路模型
1.1 保护系统的结构模型
无论是独立的雷电保护系统，还是以建筑物本身钢筋结构构成的雷电保护系统，在考虑电流分布时，可不考虑混凝土墙壁的作用。[1]因此，在计算雷电流分布时，可将两种类型保护系统结构等效为由导电结构组成的框架。
1.2 雷电流模型
为计算方便，采用雷电流幅值为100KA，波形为10/350μs的电源流直接加在建筑物上。
1.3 接地电阻
实验表明，只有当土壤电阻率很高且接地体长度很小时才会发生比较剧烈的土壤电离。因此，当雷击建筑物时，由于雷电保护系统中雷电流将通过多根导体及电极入地，接地体表面的电场强度将远小于土壤临界击穿值。
1.4 电路模型简化
在建筑物内还有水管，煤气管道及电话线的浪涌保护设备等都可些放掉部分雷电流，在本文中，不考虑这部分雷电流泄放通道的影响。
2 计算方法及过程
选取某建筑物外形尺寸为5m×5m×3.5m，设置均压环，钢筋柱为4根，设置在四个墙角，每根钢筋柱由4根直径为20mm的钢筋绑扎而成，每根钢筋的截面积为314mm2，土壤电阻率р=200Ω·m， 响应时间t=8μs， 钢筋电阻率ρ为1×10-7Ω·m，电导率取1×107S/m，接地电阻取4Ω计算。
2.1暂态过程[2]
1. 把所有钢筋等效为一根钢筋，其截面积为314×4×4=5024mm2，等效直径d=2×（5024/π）1/2 =79.98mm 。
其电阻为r = ρL/S≈6.97×10-5Ω，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为：
冲击暂态分布电感量：
LH=[2ρLog （2L/d）]×10-7≈7.77×10-5（H）
式中：ρ为导体电阻率；L为导体长度；d为导体半径。
冲击暂态冲击电阻量：
R=（ρ/2πL）×Log（2L/d）≈17.67（Ω）
冲击暂态阻抗Z：
Z=（LH R/4t+Rr）1/2≈6.55（Ω）
式中：t为响应时间
根据 IEC61312-1：1995雷电流分配有关条款假定：雷电流i的50%进入的各种设施，变压器低压侧三相五线供电线路n=5，所以雷击建筑物时产生的瞬间脉冲幅度为：
u= Z ×（i/5）=65.5 （kV）
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为265.5（kV）
2.计算每根钢筋阻抗
其电阻为r=ρ1 L/S =1.11×10-3Ω，分流系数取5，则冲击暂态阻抗Z计算步骤为：
冲击暂态分布电感量：
LH=[2ρLog （2L/d）]×10-7≈1.02 ×10-4（H）
冲击暂态冲击电阻量：
R=（ρ/2πL）×Log （2L/d）≈23.14 （Ω）
冲击暂态阻抗Z1：
Z1=（LH R/4t+R r）1/2 ≈8.59（Ω）
房内钢筋总数为4×4=16根，16根钢筋的并联电阻值Z=8.59/16≈0.537（Ω）
根据 IEC61312-1：1995雷电流分配有关条款假定：雷电流i的50%进入的各种设施，变压器低压侧三相五线供电线路n=5，所以雷击建筑物时产生的瞬间脉冲幅度为：
u= Z ×（i/5）=0.537 ×（50/5）=5.37 （kV）
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为205.37（kV）
2.2.稳态过程[3]
1.把建筑物等效看做一圆柱体，计算建筑物的阻抗。
= =4×10-9 （Ω） （2.1）
归一化电阻： （2.2）
归一化电感： （2.3）
其中 （2.4）
式中：
a为所求物体截面积；
f为雷电流波形频率；
μ为物体磁导率；
？啄cond为物体电导率。
计算f时，将雷电流看做等值余弦波，其数学表达式可表示为：
，
式中，Im为给定雷电流幅值， ，
所以， =50KHZ （2.5）
联立（4.1）～（4.5）式求解，得
（a=2.8，δ=3.26×10-8，ω=3.14×107）
R=0.172 （Ω），L=3.26×10-9 （H）
雷电流等值波形按等值斜角波计算。
波头陡度 = =20KA/μs.=20×109A/s
從而电流波形函数为：I=20t
U= =3.51KA
由接地电阻产生的电压为50×4=200KV
所以在建筑物上产生的最大可能电压为203.51（kV）
3. 结论
通过上述计算，可以从中发现如下结论：
1. 在波头持续时间内，相比于电感产生的电位降，欧姆电位降是微不足道的。
2.在建筑物防雷中，在截面积相同的前提下，多根引下线接地与单根引下线接地相比，前者能更好的泄放雷电流，这与IEC规范要求的基本相符。
3. 由计算结果可以看出，雷击建筑物时，在建筑物上产生的电位降是巨大的，而这种电位降主要是由于接地电阻产生的。避雷接地装置在雷击瞬间使其周围的地电位上升，这样，即使该避雷接地装置与建筑物内其他设备的工作接地装置分开，也免不了因两个接地装置之间的距离不够安全要求而造成地中放电，致使仍处于零电位的其他设备的工作接地引入反击电流而损坏设备。
参考文献
[1] 林福昌，姚宗干，蒋政龙.雷击建筑物时电流分布的计算. [J].高电压技术.1998，23卷第一期：56-58.
[2] 马守山.多级电源SPD之间能量配合的分析. [J].中国防雷.2006， NO.2：49-53.
[3] Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko [美].射频电子线路[M]，王子宇，张肇仪，徐承和等译.北京：电子工业出版社，2000.05.