第一章绪论
1.1高层建筑物雷电防护的重要性
雷电是一种强烈的自然放电现象，其危害性很大，它会破坏地面基础设施，同时还会对电力、电讯等设备造成损坏。近年来雷击建筑物造成的事故时有发生，这些事故不仅造成了巨大的经济损失，同时还给人们生产、生活带来诸多不便，甚至危及人身安全。随着地面新建建筑物高度的增加，其遭受雷击的概率增大。当建筑物遭受雷击时，强大的雷电流通常从建筑物顶部注入，经防雷系统中各分支导体导入接地装置，并由接地装置散入大地。在此暂态过程中，雷电流在建筑物防雷系统中产生雷电电磁效应和热效应，从而影响室内电子设备正常工作，同时还会影响到建筑物结构的稳定性。因此，对高层建筑物防雷系统中雷电效应进行研究是十分必要的。
鉴于高层建筑物雷电防护的重要性与迫切性，如何根据雷击建筑物产生的电磁效应和热效应，解决建筑物内部电子设备的电磁兼容性和外部框架的机械稳定性以及接地装置的安全性，就成了亟待研究的重要课题。
1.2雷击建筑物过电压形式及其传输途径
当建筑物遭受雷击时，强大的雷电流经电晕通道及其所产生的空间电磁脉冲能够以传导、感应和稱合等方式在建筑物内电子系统中以及接地体周围地面上产生各种暂态过电压。这些暂态过电压对电子系统的安全正常运行颇具危害，容易造成电子设备的工作失灵或损坏，同时还会危及地面活动人员的人身安全。为此，需要了解雷击建筑物时过电压形式及其传输途径。
1.2.1雷电放电通道
雷电放电是由带电荷的雷云引起的。通常在雷云的下部聚集大量负电荷同时会在地面和建筑物上感应出等量的正电荷，在雷云和大地之间将建立起空间电场。由于雷云电荷分布不均，在某些电荷集中的地方，电场强度将达到空气击穿场强，导致空气电离，产生一个向地面发展的等离子通道，称为先导。下行负先导是一级一级向下发展的，称为梯级先导。该先导通道的电晕区域半径约为0.6~6m左右。当下行先导到达地面，或与地面上的突出物上产生的迎面先导相遇，就会在通道端部因大气强烈游离而产生高密度的等离子区，此区域自下而上迅速传播，形成一条高导电率的等离子通道，使先导通道以及雷云中的负电荷与大地的正电荷迅速中和，这就是回击放电过程。如图1-1所示为雷云对地面高层建筑放电产生的回击放电通道。
1.2.2雷击建筑物过电压形式
雷击建筑物时产生的过电压形式主要包括：直击雷过电压、感应过电压、侵入波过电压、跨步电压和地电位抬高等。
(1)直击雷过电压：指雷电放电先导通道直接击中建筑物时，大量雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体汇入大地，在此过程中将在防雷系统中产生暂态高电位。
(2)感应过电压：当建筑物遭受直接雷击或建筑物附近发生雷击时，在建筑物防雷系统中流过的暂态电流或雷电放电通道中的雷电流将在建筑物内部产生脉冲暂态电磁场，这种快速变化的磁场交链这些回路后，将在回路中感应出暂态过电压，危及与这些回路相端接的电子设备。
(3)侵入波过电压：因直接雷击或感应雷击在输电线路导线或金属管道中形成迅速流动的电荷称之为雷电进行波。雷电进行波对其前进道路上的电气设备构成威胁，因此也称为雷电侵入波。雷电电涌过电压波可能沿着这些管线侵入室内电子设备。
(4)跨步电压：当雷电流沿建筑物外部防雷系统入地时，由于大地具有一定电阻率，电流入地点及电流流经的地方就会出现一定的电势。雷电流入地点附近的地表将会呈现一定的电位分布，若此时雷击点附近正好有人或动物，由于站立或行走于地表的不同两点，就会在这两点之间产生跨步电压，从而作用在人和动物身上，可能会造成伤亡。
(5)地电位抬高：雷电流入地后，由于地网接地电阻的作用使得地电位被瞬间抬高，如果有自接地极引出的金属管道，就可能将接地极的高电位传递到很远的地方，危及远处的生命和财产安全。
第二章基于降阶模型计算雷电暂态响应
2.1引言
建筑物防雷系统主要是由多根水平和竖直分支导体相互连接构成的，如图2-1示意，它实质是一个三维的多分支导体系统，可以等效成一个电阻、电感和电容网络，求取等效网络的雷电暂态响应可以为髙层建筑物的防雷设计提供基本依据。由于高层建筑物外部防雷系统实际尺寸较大并且结构比较复杂，从而导致其等效的网络规模相当庞大。为了节省存储容量和计算时间，需要对该网络的规模进行简化，否则电路计算将很难执行。就目前己公布的文献资料而言，尚未见有较为系统的研究结果报道。因此，对于简化这种大规模等效网络来说，建立其降阶模型就显得十分有必要的。
本章建议了一种无源降阶宏模型算法，与其他降阶方法相比，该算法是基于Krylov子空间方法并能够提供一个无源的、稳定的、精确的宏模型。为了减少该电路系统状态方程中矩阵的维数，需要运用Amoldi算法计算出全等变换矩阵。该降阶算法是通过利用无源降阶技术和Krylov子空间过程之间的联系，推出了一种简化的电路模型。根据本文所提出的多导体系统的降阶模型，就可以定量的计算出电路的幅频和相频特性曲线，并且与未降阶电路系统计算得出的幅频和相频特性曲线进行比较。此外，该电路系统的时间函数就可以通过拉普拉斯逆变换求得，从而运用卷积定理就可以求出该电路的雷电暂态响应。最后，本章将对一个简单的防雷系统钢筋框架结构进行计算，将运用降阶算法计算的结果与运用原始电路模型计算的结果进行比较，以验证所建模型的有效性。
2.2防雷系统中分支导体电气参数计算
由于防雷系统是由多根水平和竖直分支导体相互连接而构成的，该多导体系统的电气参数可以由电容、电阻和电感来表示。下面将具体介绍分支导体电气参数计算方法。
根据以上介绍的导体电容和电感参数的计算方法，本文给出一个算例，计算如图2-3所示结构模型中分支导体的自电容、自电感以及导体之间的互电容、互电感。该模型为两层网状结构，由直径为lOmm钢筋构成，每层长15m，宽10m,高5m。由于该模型导体分支数较多，本次计算将选取8根导体，计算结果如表2-1和2-2所示。
从表2-1和2-2中可以看出，导体之间的互电容、互电感要比导体的自电容、自电感要小得多。而对于互电容、互电感来说，当导体间的距离越大，互电感及互电容就越小。因此，对于现代高层建筑物防雷系统结构，由于任意两根分支导体的距离相对较远，出于简化计算的目的，可以不计导体间的互电容和互电感。
雷击建筑物防雷系统后，在防雷系统中产生的暂态过程从本质上讲是一个波动过程，为了在雷电暂态计算中近似反应这种流动波特征，需要将防雷系统中各分支导体适当地分成若干段。在建立防雷系统电路模型时，导体分段段长的确定是至关重要的。因为当分段段长被选得过长会影响流动波波过程计算的精度；当分段段长被选得过短，会使电路模型复杂化而大大增加计算量。为了合理进行分段，可以从雷电流源波形的频谱分析入手加以解决，对于防雷系统中雷电暂态的计算来说，雷电流源的波形参数总是给定的。
第三章高层建筑物雷电暂态响应计算...........27
3.1引言......................................27
3.2高层建筑物防雷系统结构...................27
第四章防雷系统中分支导体的温升计算...........57
4.1 引言......................................57
4.2分支导体温升计算数学模型...................57
4.2.1不计集肤效应时导体的温升...................57
4.2.2计及集肤效应时导体的温升...................59
4.3雷击建筑物时分支导体温升计算...................61
第五章室内空间电磁场及线路感应过电压计算分析...........79
5.1 引言......................................79
5.2混合法计算室内空间电磁场...................79
5.2.1偶极子法计算磁场...................79
5.2.2有限差分法计算电场...................82
5.3室内线路感应过电压计算...................84
第六章跨步电压对人体的电击效应
6.1引言
建筑物遭受雷击时，强大的雷电流经建筑物防雷系统流入接地装置，通过接地体将电流泄散到土壤中，其散流状况直接决定着由雷击产生的地面暂态电位的抬高水平。当人站在地面上时，两脚之间就会产生跨步电压，会对人体造成危害。为了预测雷击建筑物时地面跨步电压对人体产生的电击效应，本章首先需要建立接地网等效电路模型，计算出接地网中各分支导体的暂态响应。其次运用积分法计算地面电位分布，求出人站在地面上时两脚产生的跨步电压。然后再建立人体的等效电路模型，根据网络分割法,将人体分为多个部位，分别计算出人体各部分的电气参数，利用集总参数电路模型来模拟，使其更能合理地表征人体结构的电气特性。在此基础上，就可以运用编程计算所求出的跨步电压离散数据，通过软件模拟进一步求出流入人体的暂态电流和能量，从而预测跨步电压对人体的危害性。
6.2接地网暂态响应计算
为了预测雷击时地面电位抬高对人体产生的电击效应，需要求出整个防雷与接地系统的雷电暂态响应。由于建筑物防雷系统的雷电暂态计算已在本文第三章中作了阐述，本节将主要针对接地网进行建模与仿真，计算出接地网的暂态响应。由于在发生雷击时强大的雷电流经接地网向土壤散流，会产生土壤电离效应和分布参数效应，这两种效应对于接地系统的雷电暂态响应具有重要影响，因此需要予以考虑。
建筑物遭受直击雷时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和地网汇入大地，接地网向土壤泄散的是高幅值的快速雷电冲击电流，其散流状况直接影响到由雷击产生的接地体周围地面的电位分布情况。为了计算地面跨步电压需要求出地面的电位分布。本节运用积分法来计算地面电位分布。
通过上述给出的接地网暂态响应计算方法，则地网中各分支导体的暂态电流就可以计算出来。下面将地面有限区域离散成若干个点，运用公式(6-15)计算出每跟载流导体在地面上任意一点产生的电位，则整个接地网在该点产生的电位就是通过所有分支导体在该点产生电位相叠加求得，这样就能够得出地面有限区域的电位分布，最终能够计算出人体跨步电压。
根据人体结构基本的解剖部位,可以将人体划分为11个主要部分(头部、胸部、大臂、前臂、腹部、大腿、小腿)，以模拟人体的各个肢体。图6-4给出了一个站立在大地平面上的人体，人体由棉球形导体连接而成，可以通过引入人体的镜像来考虑大地的作用。下面运用网络分割法分别计算人体主要部分对地等效电容以及电阻和电感大小。
第七章结论与展望
由于雷击产生的电磁效应和热效应会对高层建筑物内电子设备安全稳定运行以及防雷系统结构的稳定性产生重要影响。为此，本文采用理论分析，仿真计算和模拟实验等方法对高层建筑物的雷击效应进行了研究，提出了防雷系统的降阶计算模型和人体等效电路模型；计算了建筑物整个防雷与接地系统的雷电暂态响应以及室内空间电磁场的分布和室内安装线路的电涌感应过电压；分析了防雷系统中分支导体温升变化情况同时预测了地面跨步电压对人体的电击效应。
7.1论文的主要工作及结论
1.建立了防雷系统等效电路模型并写出该等效电路的状态方程。在此基础上提出了一种降阶算法计算防雷系统雷电暂态响应，该算法是基于Krylov子空间法，运用Amoldi-型算法求出全等变换矩阵，对该电路状态方程中的参数矩阵进行降阶，从而节省了计算时间和存储容量。
2.针对高层建筑物的雷电暂态响应进行计算，分析了不同楼层电流和电位分布情况以及若干因素对暂态响应的影响。结果表明，在建筑物高层的支路中出现了电流分布不均勾的情况，但随着雷电流向下流动的过程中，流过各层分支导体的电流自上而下分布越来越趋于均匀。雷电流的幅值越大，暂态响应也越大；幅值保持一定时，其波头时间越短，波形振荡越明显。考虑参数稱合时的波形振荡较未考虑参数耦合时要剧烈，而对于电压响应来说，未考虑参数稱合时波形振荡幅度较大；不同分段数计算得出的暂态响应波形总体上还是比较接近的，而对于短波头时存在着一定的差别；单根钢筋结构和钢筋束结构计算得出的暂态响应差别较小可以近似忽略钢筋束结构的影响。在计算中还应根据防雷系统的结构尺寸和雷电流波形合理地选取计算步长和各分支导体的分段数。
3.本文采用纳秒级短波头冲击试验电流对缩减尺寸的试验装置进行了模拟试验，该方法能够较好地反映雷电流沿实际防雷系统分支导体的波动传输特性，同时将计算结果与试验结果加以对比，可以得出计算结果与试验结果能够较好的吻合，从而充分验证了文中所提出算法的有效性。
4.提出了导体温升计算的数学模型，分别计算了雷击建筑物时分支导体的温升，同时还考察了若干因素对导体温升的影响。结果表明：在注入雷电流波头时间较长时，在计及和不计集肤效应这两种情况下，计算得出的分支导体的温升差别不大；对于短波头的雷电流，两者差别较为明显，应考虑集肤效应的影响；随着导体横截面积的不断增大，导体的温升逐渐减小；钢筋产生的温升效应要比锅和铜导体更为明显。因此，在进行防雷设计时需合理选择导体的材料属性和横截面积。针对不同金属材料导体幵展了冲击试验，测量其温升数据，并与相应的计算结果进行了比较。比较表明，温升测量值和计算值基本吻合，这就在很大程度上验证了本文所述计算方法的正确性。
参考文献（略）