接闪杆对雷电击中不同屋顶外形的发生模式所产生影响的实验论证外文翻译资料

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接闪杆对雷电击中不同屋顶外形的发生模式所产生影响的实验论证

Irshad Ullah1,*, MNR Baharom1, H.Ahmed1, HM. Luqman1, Zainab Zainal

Department of Electrical Power Engineering, University Tun Hussein Onn, 86400, Batu Pahat Johor, Malaysia

摘要：对于科研人员来说，雷电防护一直以来都是一份具有挑战性的工作。由不同建筑物结构形状而引发的雷击结果是不尽相同的，因此为了能够向行业以外的人提供关于闪电的信息，需要对这方面的原理取得更加透彻的理解与发现。本论文主要研究分析闪电在击中不同形状的建筑物时所产生的发生模式。该工作基于实际在高压实验室中的实验结果，其中选取了不同形状、规模和结构的建筑物，以此来研究雷电压的均匀分布特征，该特征将会为我们提供雷电击中所选用建筑物接闪杆的最大可能性。建筑物外形对于雷电防护来说十分重要，屋顶形状有着不同的几何外观，这对接闪杆的安装会产生一定的影响。根据马来西亚周边的天气状况，安装在不同几何外形上的接闪杆均能承受高电压脉冲。当用于实验的结构模型几何外形相同，并且保持所有测试目标物之间的气隙不变时，即可得到高压脉冲的均匀分布。雷电压均匀分布特征同时也证明了雷击点更有可能出现在建筑结构的屋檐和檐角处。

1 介绍

本论文介绍了闪电击中五种不同形状的建筑物屋顶时不同的发生模式，论文中所有实验均在高压实验室内完成。根据马来西亚周边的天气状况，选用了高电压与低电流的冲击实验。从被选用建筑外形的前后两面进行测试实验。

闪电，从很久以前的古代就被视为无法解释的谜团，人们往往对其产生崇拜，并且认为闪电是值得颂扬之物，这种想法在许多现代人的潜意识中仍然存在着^[1]。而第一次人类真正意义上的对闪电的研究工作，是在1746年富兰克林与他的同事一同开展的。从那以后直到1752年的数年间，他们为探究闪电的物理现象以及发生特性进行了许多重要的实验。这些实验结果由他们编写整理，在1752年正式发表^[2]。他们认为，伴随闪电所释放出来的能量是无规律的。为保护建筑物，电气工程师们需着重考虑人员及电气设备的安全^[3]。闪电按照其发生位置主要分为四种不同的类型，分别是云内闪电，云际闪电，云空闪电和云地闪电，大部分科研人员都更关心云地闪电及其的研究^[4]。在一次负极性闪电的过程中，闪电是由一次或多次的闪击构成的，闪击进一步构成了梯级先导以及同样包含回击的迎面先导^[5]。

2 雷电防护装置（LPS）

在雷电防护装置（LPS）中，接闪杆是最重要的一部分。它以不同的布局形式安装在几何结构不同的建筑物外部，当雷击击中装有接闪杆的建筑物时，接闪杆可将雷电吸引并保证建筑物其余部位的安全。接闪杆与引下线和接地线相连，并且在三者的共同作用下将电流安全地引入地下^[6]。

关于雷电防护装置，国际上有着许多不同的标准。在美国，有美国消防协会颁布的NFPA-780和NFPA-781规范；在英国也有类似的BS-6652，IEC-61024，62305-1-2规范。所有的这些规范都对接闪杆的安装、防护技术、保护范围和防护系统的设计进行了说明^[7]。

雷电防护装置可降低闪电对建筑物的损害。作为一种低概率事件，闪电可直接击中建筑物本体，也可以通过感应雷的形式间接损害内部器件。基于此，雷电防护装置可分为两类，称为外部防雷装置和内部防雷装置。在如上的情况中，闪电流经接闪杆、接地导体和接地线；而当闪电对内部设备构成威胁时，内部防雷装置也会同样地形成一个保护区，免受电磁场效应的影响^[8]。

3 接闪杆与建筑结构

随着科技的发展，日益完善的防护技术改变了传统的建筑物防护体制，因此让建筑物免受电磁效应的影响成为了雷电防护中最为重要的一环^[9]。当直击雷击中建筑物时，不仅会造成损坏，甚至有可能引发火灾。为保护建筑结构，接闪杆应安装在适宜的位置，并且与引下线和接地导线相连^[10]，保护建筑物及周边的安全。接闪杆可引雷并将其泄放入地，实现闪电拦截。要实现这一过程，接闪杆的位置尤为重要^[9]。

4 雷击概率

长期以来，接闪杆的引雷能力众说纷纭。有实验表明，钝杆在接闪时更能发挥其功效，而锋利的杆则会使其周围产生电晕，降低了接闪能力^[11]。以某建筑为例，Monte Carlo技术已证实雷击点通常是在屋檐和檐角处^[12]。有研究表明，在接闪杆安装过程中，将小型接闪杆安装在屋檐拐角处所产生的引雷概率大于同等条件下将尺寸较大的接闪杆安装在建筑物中心的情况^[13]。

5 实验过程

对所选定的建筑物形状进行高压脉冲发生器实验，其中包括矩形、山墙形、圆形、倾斜状和六边形五种不同的形状。除圆形外，所有建筑物都将从前后两面进行测试，正前面是指施加脉冲电压时自东向西的方向；而将接闪杆的位置排列转变为东西方向时，即转变为后视图。实验所用的Terco HV91500脉冲发生器是一款基础的高电压低电流发生器，平均施加82kV的脉冲电压。上电极与接闪杆由金属材料制成，而所采用的建筑物是绝缘体。上电极接收到来自测试电容器HV91500的脉冲电压，由于所安装的接闪杆保证接地，因此施加脉冲电压产生的电流能安全地流入大地。

考虑到高压脉冲发生器的规格，3m的单层建筑将被等效至10cm的高度^[14],[15]。其等效方法为

测量比例=M_I== （1）

模型高度=M_M== （2）

M_P是真实的特征高度，M_M是模拟相应的高度（下标为M）。如等式（1）所示，将单层建筑的3m=300cm等效为10cm得到

M_I==30 （3）

等式（3）的逆过程反应了1:30的比例因子，因此从等式（2）可计算出一座单层建筑的高度为

M_M ===10cm （4）

该比例模型将在高压直流电和高压脉冲的条件下分别进行测试，包括气温、气压和湿度在内的气象因子都将纳入考虑因素。上电极用于获取来自控制盘的高电压，上电极与接闪杆末梢的气隙将保持在相同的3cm。每个形状模型都将进行30次闪电模拟实验，除圆形模型外剩余的都将从正反两面进行测试。同样地，在整个实验过程中，接闪杆的长度都将保持一致。

6 实验结果

在高压条件下，均可对每种形状模型的测试结果进行解释。

6.1矩形模型的实验结果

对于矩形模型，我们采用了六个接闪杆，分别安装在其边缘和拐角处。在当时天气情况下施加的电压情况如表1所示。

表1 对矩形模型的雷击模式

从表1中所显示的前后面接闪杆被模拟雷击击中次数来看，雷击是均匀分布的。然而第4号接闪杆由于几乎处于模型的中间位置，并没有被模拟雷击击中。

在上述同样的情况下，图1（a）和（b）给出了前后面被雷击中时的接闪杆的图示。

（a）

（b）

图1（a）（b） 矩形模型下的前后面雷击模式

图1（a）（b）清晰地表明了矩形模型下前后两面的雷击分布。

6.2圆形模型的雷击模式

在圆形模型的情况下，采用四根接闪杆，并且只从正面进行测试。测试结果显示，所有接闪杆均受到雷击，电压值与周围环境情况如表2所示。

表2 圆形模型的雷击模式

表2记录了所采用的的电压值，以及当时天气情况下圆形模型实验的雷击次数。

图2 圆形模型的雷击示意图

图2代表了圆形模型的雷击模式。

6.3 倾斜状模型的雷击模式

在倾斜状模型下，将采用6个接闪杆进行实验。由于形状倾斜，故只有最开始的两根保持着相同的高度，而其余的高度不同。其雷击次数如表3所示。

表3 倾斜状模型的雷击模式

表3记录了倾斜状模型的雷击次数。其前后面的雷击图示如图3所示。

（a）

（b）

图3 倾斜状模型的雷击模式

图3显示了倾斜状模型前后两面的雷击模式。从图表中可清晰地看出，只有第1、2号接闪杆被击中，而剩余的均未被击中。

6.4 山墙状模型的雷击模式

山墙状模型将在装有三个接闪杆的情况下进行实验，在其前后两面施加30次模拟闪电。表4给出了当时的天气情况、所加电压情况以及雷击次数，图4则显示了山墙状模型的雷击模式。

表4 山墙状模型的雷击模式

表4显示了击中在山墙状模型的不同接闪杆上各自的次数。

（a）

（b）

图4 山墙状模型的雷击模式

从所给图中可知，雷击发生模式在山墙形状上有所体现。由于安装在该结构的中间位置，第2号接闪杆就相对地只接收到了非常少的雷击。

6.5 六边形模型的雷击模式

实验所用六边形模型装有五个接闪杆，并且第1号接闪杆处于中间较高位置。根据对称性，该模型的前后面无区别，雷电模式不会改变。

表5 六边形模型的雷击模式

表5显示了六边形模型的受雷击次数。可以看出，由于第1号接闪杆处于更高的位置，更容易吸引闪电，所有雷击均发生在第1号接闪杆上。

图5 六边形模型的雷击模式

由于第1号接闪杆处于更高的位置，因此更容易吸引闪电，所有30次试验模拟闪电均打在第1号接闪杆上。

7 讨论

对于高电压技术研究人员来说，建筑物面临着雷击的威胁，建筑物防雷是一个极为重要的问题。本论文根据研究五种不同的建筑物外形接收雷电闪击发生时的模式不同，分析了雷电脉冲的均匀分布。为保证实验系统的稳定性，对所有建筑物模型的前后两面都进行了30次模拟雷电脉冲，这样做保证了所进行实验的平衡性。如果安装的接闪杆位置正确，不同形状的外形比例合适，那么即便位置改变了，该系统还是能正常防雷。所有实验均在马来西亚的STP条件下进行。实验中的不同形状均是指宏观尺度上的，并且除了形状模型以外保证其他变量不变，从正面进行的实验所得结果与从反面得到的结果相同，这表明电压在每一个接闪杆上是均匀分布的。雷电压的均匀分布理论也许会使一些专家学者、政府承包商以及高电压工程师们研发出一套综合的建筑物防雷系统。

8 结论

根据以上所有提出的实验及其结果，可以得出结论：装有接闪杆的建筑物要实现防雷，其屋顶外形也是一个重要的影响因素。本实验所讨论的雷电模式均是指直击雷现象。每种形状都会有不同的接闪杆安装方法，因此雷电击中时的产生的效果也会不同。对于建筑物的同一高度处，其安装的接闪杆也应该有着相同的高度，这样才能确保即使是在一年中的不同时候，闪电也是均匀分布。接闪杆与建筑构件相同的几何外形，确保了适当的防雷效果。

本文中对建筑物模型进行的实验均采用高电压低电流，可将建筑物与接闪杆高度设为变量，并将电压电流施加在在不同几何外形的模型上进行研究。相应地，可增加建筑物模型外形的种类数量，以便对实验结果的分析。与此同时，可进一步讨论复杂建筑结构模型条件下的闪电分布结果，得到相应的电场模拟情况。

在此，作者要感谢ORICC在Vot.U563协议下对实验的支持。同时也特别感谢FKEE给予的精神上的支持。

9 参考文献

1.M.Szczerbinski,J.Electrostat.,48,pp.145–154,(2000).

2.E. P. Krider, Proceedings of the International Commission on History of Meteorology,1,pp. 1-13, (2004).

3.D. W. Zipse, IEEE Trans. Ind. Appl., 37, 2,pp.407–414, (2001).

4. Z. a. Baharudin, N. A. Ahmad, J. S. Mauml;kelauml;,M.Fernando, and V. Cooray, J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys., 108, pp. 61–67, (2014).

5. R. Hartono Zainal Abidin, Ibrahim, Forum on Lighting Protection, Petaling Jaya, Malaysia 2004, pp. 1–39, (2004).

6. M. Abu et al., 4th Student Conference on Research and Development (SCOReD), pp. 27–28, (2006).

7. G. Nourirad, M. Baojahmadi, and R. Ahmed, IEEE 7th International Power Engineering

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