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高层建筑方面论文范本,与高层建筑的雷击效应防雷设计技术探究相关毕业论文范文

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摘 要:雷电是高层建筑物的危害来源之一,给人们的日常生产、生活带来了直接、严重的影响.雷电防护问题是低压弱电和高压强电的综合体,研究高层建筑物安全有效的雷电防护措施,降低雷电灾害所带来的损失及严重危害,是工程技术人员及相关领域的学者所面临的重要课题.文章从雷电灾害对高层建筑产生的雷击效应出发,研究雷击高层建筑时所产生的感应磁场、感应电流等,分析雷电流在高层建筑物金属构架上的分布及室内的磁场分布情况,探讨避雷系统对建筑物内的磁场分布的影响,从而研究现代高层建筑的雷电防护技术,对工程技术人员进行雷击灾害防护工作提供参考.

关 键 词:高层建筑;雷击;防雷设计;雷电流分布

中图分类号:TU976.1文献标识码:A文章编号:1006-8937(2013)17-0137-03

随着信息化时代的日益发展,雷灾出现与以往不同的新特点:遭受雷电灾害的范围逐年扩大,从过去主要集中在建筑与电力等领域,现如今几乎所有行业都会波及到,尤其是电子工业、航天航空、邮电通信等与高新技术关系密切的领域.在空间领域上,雷电灾害由二维扩展到三维空间;过电压波以及闪电直击沿线传输是传统雷电灾害的入侵方式,脉冲电磁场在现代雷电灾害中成为主要的表现形式,能够入侵到三维空间的任意位置.与此同时,防雷工程也随之发生变化,目前主要是防雷电电磁脉冲.科学技术的发展使得雷灾的攻击对象为高层建筑的电子设备,同时成为雷电电磁脉冲的破坏对象.

雷电干扰高层建筑的途径主要包括:强雷电流在高层建筑避雷设备遭受雷击时,沿钢筋结构导入大地,产生过压干扰电子设备,导致接地装置电位升高、电子设备反击;建筑金属管线遭受雷击时,在金属管线上形成直击雷过电压,雷击金属管线附近的物体,产生感应过压,危害室内电子设备;在几种雷击干扰中,雷击高层建筑避雷系统的危害最大,研究室内雷电电磁场分布情况,是分析高层建筑内各种电子设备和系统雷电危害的要点.

1雷击建筑物内导体电气参数

现代高层建筑物防雷设计,往往利用建筑物结构钢筋等金属导体安装防雷系统,通常称为“法拉第笼”,如图1所示,能够全方位预防高层顶部及侧面遭受雷击,使整个建筑物得到保护,同时屏蔽、均衡暂态对地悬浮电压.

笼网式避雷属于多分支导体系统,当高层建筑遭受雷击时,这些分支导体就成为传输强雷电流的主要途径.同时产生雷电暂态过程,其电磁效应将威胁高层建筑内的电子设备.为了估计暂态电磁效应,需要确定雷电流的分布情况,并以此为参考数据,最终确定电磁场在高层建筑内的分布,得到感应磁场场强的大小,为保护高层建筑的电子设备提供依据.


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依据静态系统原则,对高层建筑防雷导电整体结构分段,并将每段简化为耦合π型电路,如图2所示.一定数量的耦合π型电路单元即等效为防雷系统,求解等值网络,即得其电磁暂态过程.

研究当中通常用电容、电阻等电气参数对电气特性进行描述.由于在各分支导体之间存在电磁耦合,这些参数以矩阵形式表现出来,随频率的变化而变化.给定各分支的几何尺寸及空间坐标,即可计算其电气参数.

通常利用均电位法求解高层建筑结构钢筋分支导体电容参数.对导体任一点的电位求解,求导体尺寸积分均值,求出电位系数.导体i、j相互垂直,直径均为2a,与各自的镜象关于地面对称.设导体i、j的线电荷密度分别为qi,qj,则导体i上任意一点Zg,导体i、j的互电位系数为:

建筑结构钢筋的阻抗参数受频率影响,通常利用诺依曼公式求解.对任意竖直平行导体,将与地面下某一复数深度平面对称,该复数深度定义为:

对不规则位置的分支导体,可以先将其用折线逐段取代,再对折线段求解电容、阻抗参数.

2雷击感应电流及建筑物内磁场分布

雷电流属于单极性的脉冲波形,约有80%~90%是负极性的.由于第一次放电的电流幅值最高,在防雷设计中要重点对主放电的影响进行考虑.为了把这种流动波在雷电暂态中进行近似反映,需要利用分段方法对防雷系统的导体进行研究.由于段长过长会影响计算精度,段长选得过短会使电路模型复杂化,在建立防雷电路模型时,导体段长至关重要.解决如何进行合理分段问题,可以先对雷电流波形的频谱进行分析,然后再做其他计算.在计算雷电暂态数据时,总是给定雷电流源的波形参数.雷电流源波形通过双指数函数表示,经过傅里叶变换可得:

当子导体系统逐个被π型电路单元所取代时,整个防雷系统就被转化为等值电路,这些等值单元电路由耦合π型电路组成,该等值电路属于线性电路,包含了电容、电感以及电阻;得到完整的雷电暂态模型后,即可利用相应的算法对雷电暂态响应进行求解.节点电压法以节点电压作为未知量,是常用的求解方法,其矩阵方程为:

In等于YnUn

其中,In为注入节点的电流源向量,Yn为节点导纳矩阵,Un为节点电压向量.在暂态计算开始时刻,相应电容和电感的初值来确定各历史电流源数值,开始暂态时刻雷电流源数值与历史数值,二者共同决定了开始时刻节点电流源向量In;算出新的历史电流源数值,按节点方程解出节点电压向量Un,再与新时刻的雷电流源数值一起更新节点电流源向量In,利用上述方法,经过反复求解,即可得出在指定时间段内整个网络的暂态解.

对室内电磁场分布求解,其常用方法为:其一,先求分支导体与被感应金属回路电感,再求出金属回路的感应电磁场;其二,根据分支导体的电流分布,得出被感应的金属矢量磁位,然后确定磁场分布状况.方法二能够对电磁场分布状况进行较全面的考虑.通过计算电磁场实现对电磁场的暂态分析,根据麦克斯韦方程组计算电磁场.建立逼近实际建筑工程电磁场的数学模型,然后通过离散化处理,转化为等价的离散数学模型,构成离散方程组并求解,得到某一空间范围内任意点处的磁场强度,通过这些理论分析,结合计算数据,为防雷工程优化设计提供依据.电磁场数值计算中有限差分法是应用最早且最常用的方法.在应用有限差分法求解暂态磁场时,利用网格剖分对电磁场域进行离散化处理,最终由网格节点的集合构成;以各离散点上函数差商近似替代该点的偏导数,将偏微分方程定解转化为差分方程组,解出各离散点函数值,再通过插值方法从离散解得到整个电磁场域的近似解.

在求高层建筑内雷电暂态电磁场时,先采用上述方法对分支导体及其镜像导体细分,计算各小段电流在该点的磁感应强度,将所有小段电流在该点的电磁场矢量合成,即得该点的电磁场.

3高层建筑防雷系统相关设计

在高层建筑遭受雷击时,能够计算出建筑物金属结构内雷击电流的分布情况,获取到室内电磁场的分布,为工程施工及检测提供参考,是高层建筑防雷工作设计的关键任务.配置高层建筑物的大规模物理结构参数,输入雷击电流相关数据后,自动化计算雷击电磁暂态是关键问题.按照模块化原则,将雷击建筑暂态响应程序划分为几个部分:数据处理、图形显示及人机交互模块,共同完成对雷击高层建筑暂态响应的计算.

①人机交互设计.人机界面设计是计算系统与认为操作交互的可视化,在一定程度上决定着可用性程度.在系统应有的功能及性能基础上,人机界面设计中的可使用性、可靠性、灵活性是关键.

②图形显示设计.主要完成对雷电流及电位分布及电磁场分布的显示功能,自动转换功能显示模块程序的数据结果为图形,直观地在人机界面中显示,为设计或施工人员提供方便.

4高层建筑综合防雷措施

高层建筑遭受雷击时,雷电电磁脉冲伴随雷电流同时产生,二者是雷击放电的不同表现形式,在一定条件下相互转化.雷电流沿高层建筑金属构架传输,雷击电磁脉冲以场的形式出现,在建筑导体以及通信线路中感应出过电压、过电流.

对高层建筑的防雷设计应考虑综合防护,使其成为一项系统工程.通过装设避雷网(带)、避雷针防护建筑本身,重点是防直击雷;通过分区防护进行抗雷电电磁防护设计,防护高层建筑内部设备.掌握雷击特点,并熟悉其对高层建筑的危害途径,对雷击高层建筑内部磁场进行研究,进行更为有效的防雷设计,给出更佳的防雷解决方案,高层建筑的综合防雷设计如图3所示.

保护接地.将设备正常运行时不带电的金

关于高层建筑的雷击效应防雷设计技术探究的在职研究生毕业论文范文
高层建筑方面论文范本
属外壳与接地装置作良好的电气连接,对装置进行保护接地后,设备外壳与大地已有良好连接,发生漏电时可保障人身安全.

防雷接地.为了把雷电流迅速导入大地.现代高层建筑中的电子设备、闭路电视系统等,以及与之相应的布线系统,具有较低的耐压等级、对防雷干扰的要求较高.无论串击、直击、反击都会使设备受到不同

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