雷电直击建筑物时瞬态电磁效应的建模与分析

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针对由雷电直击建筑物时引发的电磁效应和过电压干扰问题,本课题利用快速的计算方法和高效的运行程序设计了一种对建筑物防雷网络框架中的电磁现象和感应电动势进行计算建模分析的策略,为建筑防雷设计施工提供了新的思路。本课题首先根据实际的建筑物防雷系统设计模拟出两类完整合理的防雷网络框架模型,根据输电线网络方程将整个框架等效成一个电网络,使用国际标准中的电容电阻电感相关公式计算出网络上节点导纳矩阵的各项参数。然后根据防雷规范中定义的雷电流参数,选取合适的冲击电流表达式模拟出打在防雷网络框架上的雷电流波形,在频域内对雷电冲击电流进行求解,利用节点导纳矩阵计算出各个网络节点的频域电压值,之后将电压值转换为时域形式,利用等效输电线模型,计算出各分支导体上的时域电流,这样便得到了防雷网络框架上的电流电压分布特性。其次再根据电流分布特性利用将差分法和解析法进行结合的半解析法对防雷网络内部的电磁场大小和空间分布进行计算模拟,对整体网络框架和任意平面进行了磁场的仿真,利用电磁感应定律和微元法在时域和空间域模拟出网络内部任一回路感应电动势的大小,在程序编写上使用了快捷的向量平面投影法,加快了程序运行的效率。为验证本课题方法的准确可靠性,采用文中方法和国际雷电防护标准《IEC62305-4》中的方法分别对同一问题进行了计算,结果表明:课题方法在精度上符合IEC标准,在效率上也更为快捷。最后通过定量探究冲击电流波形参数、防雷网络框架导体材质、防雷架构导体直径、接地电阻和避雷针安装点对防雷网络电磁效应和感应电动势大小的影响程度,得出在雷击点和冲击电流的主要泄放通道附近感应磁场和感应电动势最强,在网络内部衰减严重,防雷架构导体四周感应电压较强,会有负电压的产生,后续的雷击的干扰问题不可忽视,敏感设备的放置位置要远离干扰区等重要结论。本课题以更为快速的计算方法,更简洁有效的运行程序为建筑物防雷网络框架的优化设计提供了新的思路,对建筑物防雷施工提供了新的建议。
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