雷击电磁脉冲（精选3篇）
雷击电磁脉冲 篇1
0 引言
钻机是石油与天然气钻井作业的重要设备,在使用过程中存在着极大风险,一旦发生事故会造成非常严重的后果[1]。由于油气钻井井场多在山区、沿江、沿海地区,属雷暴多发地区,且钻机井架高度达40-70m、电气自动化程度高等特点,极易遭受直击雷、雷电感应危害,从而引起仪表损坏、钻机卡钻、控制设备误动作等现象,严重威胁企业的安全生产及工作人员的生命安全。为了分析雷击井架产生的电磁辐射危害,基于工程模型[2,3,4,5]中的传输线类MTLL[6]雷电回击模型,采用时域有限差分法(FDTD)对雷击井架产生的雷电电磁脉冲(LEMP)的分布规律进行研究。
1 雷击钻井井架雷电通道模型
雷击钻机井架电磁辐射的计算,首先建立雷电通道模型,采用了工程模型中的传输线类MTLL模型进行理论计算研究。钻机井架可以简化为图1,钻机井架作为雷电流放电通道的一部分,会引起雷电流的反射,雷电流在井架顶部和井架底部都会存在反射,反射系数与井架顶部以上部分、井架、大地的特征阻抗有关。设井架顶部以上部分雷电通道特征阻抗为Zch,井架特征阻抗为Zob,大地特征阻抗为Zgr。则井架顶部的反射系数为:undefined (1)
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引入井架顶部和井架底部的特征阻抗后,可采用如下式计算得到雷电通道的电流分布,当0≤z′≤h,即沿井架的雷电流分布为:
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当z′≥h,即沿井架顶部以上的雷电通道电流分布为:
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式中,h为井架高度;I(z′,t)为t时刻,通道内z′位置上的电流值,z′的起始位置为井架顶部,即井架顶部z′= 0;Isc(h,,t)为雷击短路电流,即当雷电击中可忽略高度的理想接地体时的电流;c为光速;v为沿雷电通道的雷电流传播速度,当在井架顶部以上范围,设v=c/3,在井架高度范围内,设v=c;n为在井架顶部和井架底部反射波多次反射的次数。
2 雷击钻井井架电磁辐射计算方法
本文在计算中采用时域有限差分法(FDTD)[7,8]对地闪回击通道附近LEMP的分布规律进行研究。雷电放电通道采用MTLL回击模型进行模拟,假设雷电放电通道垂直于地面,则雷电放电通道周围的场具有对称性,场分量的大小与方位角无关,因此可看成一个二维问题在柱坐标下求解。雷电放电通道附近LEMP的网格划分如图2所示。
二维柱坐标系下的差分方程如下[9]:
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考虑到所计算问题的轴对称性,为减少计算量,可以只计算包含回击通道在内的半个剖面内的场,为此需要对轴线上的Ez作特殊处理。根据安培环路定理,在雷电放电通道高度范围外,不存在雷电流,采用如下差分格式:
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在雷电放电通道高度范围内,有雷电流存在,采用如下差分格式:
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式中,I(0,j)为距地面高度为jΔz处的电流元,可选择某种回击模型和通道基电流进行计算;ε和σ分别表示自由空间或大地的介电常数和电导率,地面分界面处的电导率和电容率参数设置为大地与空气的平均值。
边界的截断采用改进的Mur一阶吸收边界条件[10]:
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式中,Jmax和Jmin分别为计算域上边界和下边界处纵坐标值;Imax为右边界处横坐标值。
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Δr,Δz分别为沿r方向和z方向的空间步长,c为真空中的光速。
程序设计流程如图3所示,整个计算过程通过迭代计算得到域内的电场和磁场,雷电通道的引入通过式(9)垂直电场的计算引入,式(9)中电流I通过式(3)、(4)及MTLL雷电通道模型计算得到。
3 雷击钻井井架电磁辐射仿真结果
计算中采用的雷电通道基电流采用双指数模型,表达式为:
Isc=1.1×I0×(e-9.2×103t-e-0.8×107t) (13)
其中,I0 为强雷电情况的雷电流峰值,取100 kA。通道基电流波形如图4所示。图5给出了55m高度井架顶部的雷电流波形,可以看到雷电流出现了明显的反射。
计算中井架高度为55m,根据现场考察钻井井架的环境,取大地电导率为0.02s/m,大地相对电容率εr设为10,雷电通道高度设为1000m。
图6雷击井架在不同高度、不同距离处的水平电场分布情况。可以看出,水平电场在贴近地面时,地面上下的波形差别不大,幅度也比较接近,随着高度和深度的增大,波形差别逐渐变大。地面以上的水平电场受地面反射的影响波形变化很大,地面以下的水平电场在波形上变换不大,主要变化为大地对水平场的衰减引起的值大小变化。
图7为雷击井架在不同高度、不同距离处的垂直电场分布情况。从图中可以看出,垂直电场地面上下的差别很大,地面以上距通道10 m处的垂直电场峰值达到在200kV/m以上,而相同距离处地下的场仅有几千伏每米。从波形看,地面上下差别也很大,地面以上的波形随高度的增大差别不大,地下的波形随深度的增大变化较大,主要表现在第一个峰值随深度的增大而减小,由于反射的影响,第二个峰值随深度的增大反而有所增大。
图8 雷击井架在不同高度、不同距离处的水平磁场的分布情况。可以看出,水平磁场的变化比较规则,在地面以上,水平磁场随高度的增大几乎没有变化,仅随到通道距离的增大而减小,地下的水平磁场随深度的增大,幅度有所衰减,波形趋向平滑,说明对高频成分的衰减作用相对明显。
4 建议
通过以上计算结果可知,在100kA强雷电情况下,距离雷电通道10 m处,地上10m的水平电场峰值达到了150 kV/m以上,垂直电场峰值达到了200kV/m以上,水平磁场峰值达到了2000A/m以上。如果钻井井场的防雷工程不完善,如此强大的雷电电磁脉冲很容易对钻机的动力、井控、仪表等系统造成破坏,严重威胁着企业安全生产和人员生命安全。为了确保钻机的安全运行,针对钻机的实际运行情况,提出了以下防雷措施:
(1)完善防雷接地装置,确保井架、机房、设备接地良好,各个系统的接地宜采用共用接地系统。
(2)钻井井场屏蔽线缆的屏蔽层两端应做可靠接地、等电位连接;其余线缆应穿金属管或金属线槽敷设,并将金属管或跨接后线槽的两端做可靠接地。
(3)钻井平台、动力系统等设备金属外壳都应以最短的路径做等电位连接,有可能的情况下都做额外的多重互连。
(4)低压供电系统中应安装多级浪涌保护器,将残压控制在最低水平。信息系统信号部分应在信号线两端的接口处安装相应的信号浪涌保护器,以确保信号系统安全。
参考文献
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[9]葛德彪,闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002
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雷击电磁脉冲 篇2
1配电电源线路防雷设计
1.1从供电范围及安全防护的可靠性分析, 新建办公楼低压配电电源采用TN系统, 因此从总配电箱起供电给其内部的配电线路和分支线路必须采用TN-S系统, 即系统正常运行时PE保护线对地没有电压, 电气设备金属外壳直接接在专用保护线上, 安全可靠。低压配电线缆进入建筑物端口处应穿金属管敷设, 其长度不宜小于15m, 入户前应将金属管与建筑物柱筋相连。
1.2建筑物的配电电源防雷采用三级SPD防护, 即安装在办公楼的输入电源总配进线柜上SPD为I级 (B级) 防护, 用来保护建筑物内用电设备;安装在设备配电柜上SPD作为II级 (C级) 防护;安装在各用电设备电源端SPD为III级 (D级) 防护, 用来最终用电设备。I、II、III级试验的SPD连接导体采用铜芯导线, 截面分别为6mm2、2.5mm2和1.5mm2。
1.3选用SPD防护时, 应该在线路入户端与被保护设备处加装大通量SPD, 同时可靠接地。针对TN-S系统特点要在N线与接地线之间装设SPD, 即该系统必须安装4个SPD并且各线路的金属屏蔽层均要在不同界面处做等电位连接。为了提高雷电泄放速度, 连接SPD接地线不应过长:电源线路多级SPD防护中连接开关型与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m, 若是两级限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。
2信号线缆防雷设计
2.1光缆的传输信号速度快, 因此被广泛应用在电子信息系统中, 为了避免雷电进入光接机, 应在光缆入户处采用穿金属管作屏蔽防护, 保持管道电气连通, 且与防雷地极相连。
2.2信号线路防护应在入户前采取穿金属管作防护措施, 穿管长度不宜小于15m, 且埋地深度不宜小于60cm。同时金属管及屏蔽层于LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区的界面处作等电位连接, 并接入地网。线缆进入建筑物后于设备处加装具有相应承受能力的信号SPD, 信号线缆内芯空线及SPD接地端对应接地。
2.3进出建筑物的计算机网络系统, 其传输线路上SPD的设置:II级防护系统宜采用二级信号SPD;计算设备的输入/输出端口处安装相应的计算机SPD。
2.4信号线路SPD的安装规定:信号线路SPD应连接在被保护设备的端口上。SPD输出端与被保护设备的端口相连。SPD也可安装在机柜内, 固定在设备机架上或附近支撑物上。SPD接地端宜采用截面积不小于1.5mm2的铜芯导线与设备机房内的局部等电位接地端平直接入。
3消防系统的防雷设计
3.1对消防系统线路作电源防护, 设计方案与配电电源防护相同, 且主机电源为III级防护, 装设的SPD应良好接地, 但应注意一般要求接地电阻必须达到10欧姆以下。
3.2与消防主机连接的设备主要有联动控制、24V直流电源装置、火警电话、自动喷淋装置等, 其两端的数据线路都必须串接信号SPD。
4综合布线及屏蔽措施
4.1在防雷设计中, 必须考虑现代综合办公建筑物中照明、动力、电话和计算机等设备管线的敷线关系。为保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响, 应该将这些电线穿于金属管内, 以确保可靠屏蔽, 同时, 应该把这些管线的垂直部分设置在高层建筑物的中心部位, 且避免靠近用作引下线的柱筋, 以确保缩小被感应的范围。管线较长时, 其两端需要接地。
4.2充分利用钢筋混凝土结构内的钢筋, 即建筑物内地板、墙面及梁、柱内在钢筋, 作好屏蔽措施。无论是网络, 还是通讯机房等, 其所有建筑物均基本为框架式建筑, 故建筑物本身的梁与柱构成了大型格栅屏蔽, 即笼式避雷网。对于结构构造不同且钢筋密度不够时, 设计应按建筑需要增加网格密度。
5等电位连接
为减少雷电流所引起的电位差及防止地电位反击, 进出建筑物处电缆穿金属管道即屏蔽层及各类金属管线屏蔽层应连接在等电位连接带上, 且就近接地。在进入设备区前再进行二次等电位连接后接地。同时, 防雷接地、PE线、设备保护地和防静电地等连接到一起防止地电位反击。各级SPD良好接地后就近与等电位连接带作电气连接。
6共用接地系统
为了防止雷电反击, 建筑物中电气部分的接地和防雷接地连成一体, 使建筑物内的钢筋间构成一个法拉第笼, 在整个建筑内的电气装置和导体都与其相连, 这样就避免受到反击。共用接地系统的接地电阻按照50Hz电气装置的接地电阻确定, 并且不应大于按人身安全所确定的电阻值。
在高层建筑防雷设计中, 应在建筑物每三层设均压环:将引下线与水平层圈梁钢筋接成闭合通路, 再接到接地装置上就形成了一个安全可靠的防雷网。
7结束语
防雷工作应作为一项系统工程来考虑, 强调全面防护 (包括建筑物、传输线路、设备和接地等) , 综合治理并且要做到科学、可靠、实用和经济。
参考文献
[1]葛家君.建筑物防雷工程施工与质量验收规范[M].中国建筑工业出版社出版, 2011.
[2]中国机械工业联合会.GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].2011.
雷击电磁脉冲 篇3
雷电电磁脉冲( LEMP) 是伴随雷电放电产生的瞬态电磁现象,例如雷电电磁场、雷电感应电压和感应电流等。随着微电子技术的发展,其通过耦合效应对电子设备及输配电设备造成的危害也日益突出[1,2]。尤其是智能电子设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流保护能力差、对电磁干扰敏感等弱点,一旦设备遭受雷击,雷电电磁脉冲就会影响电气控制系统正常工作和安全运行,对人身财产安全造成威胁[3]。因此,有必要对雷电电磁脉冲的一些规律进行研究,以减少其危害。
魏明等人[4,5]采用数值计算方法计算了DU模型和TL模型下的雷击电磁场分布,他们将大地视为理想导体,得出雷击时空间电磁场有规律可循,并建议考虑大地有限电导率的影响; 杨栋新等人[6,7,8]采用时域有限差分法分别研究了土壤特征以及雷电回击参数对雷击电磁场的影响,并做了雷击电磁场随距离的变化研究,他们所做的计算都是针对地上雷击电磁场分布,考虑到目前地下场所修建的越来越多,因此有必要对地下雷击时的电磁环境进行研究。针对雷击电磁场耦合问题,余占清等人[9,10,11,12]对配电线路上的雷电感应电压进行了较多研究,而对线路终端负载方面的研究相对缺乏。
本文采用FDTD方法对雷电电磁效应进行模拟,研究雷击时地下空间的电磁场情况; 并对线缆终端负载上产生的感应电流及电压进行探讨,这对易遭受雷击地区和受雷电影响严重行业的防雷工作有重要的应用价值。
1FDTD算法参数设置
雷电流波形是进行雷电电磁场计算的前提, IEC31312 - 1标准规定了直击雷波形为10 /350μs波形,但这只是测试波形,对于某地雷击电磁场的计算,选用当地实测雷电流波形所得结果将更准确。 本文随机选用北京地区实测雷电流波形进行模拟, 其波头时间均值为2. 7μs,波尾时间均值为25. 63μs[13,14]。雷电流表达式的模拟采用10阶Heidler函数[15,16],表示为:
式中,I为所模拟的雷电波幅值。
雷电回击工程模型采用MTLE模型,任意时间t,通道中任一高度z' 的电流i (z',t) 与通道底部电流i(0,t) 的关系为[14]:
式中, u为Heaviside函数;为与高度有关的衰减因子为电流波传播速度;为回击速度。
图1为采用式( 1) 和式( 2) 所作的电流幅值为100k A时,不同高度雷电流波形图,随高度的升高, 电流波幅值降低。
FDTD仿真过程中设置空间步长dx = dy = dz = 5m ,时间步长满足Courant稳定性条件,计算后取dt = 8. 67ns 。雷电回击通道设置在原点处,采用CPML吸收边界,周围无障碍物时电场Ez的等值线如图2所示,可以看出在边界处吸收效果良好。
2雷击时地下空间电磁场仿真计算
本文依据所做课题选取地下油罐空间作为模型,因此在地下做一圆柱形空间,圆柱中心线在y轴正下方,内部为空气,圆柱尺寸如图3所示。
计算模型采用直角坐标系,仿真计算采用式 ( 1) 和式( 2) 所示雷电流模型,雷电流峰值假设为60k A。雷电回击通道位于z轴 ( 如图3 ) ,y轴上方为空气,下方为土壤,其介电常数[7]见表1。
对图3中A、B、C、D、E五点进行取样,得到电磁场各分量如图4 ~ 6,其中Ex,Hy,Hz分量为0。
通过图4 ~ 6可以看出,对于地下空间而言,接近雷击通道以及地面的一侧电磁场的数值偏大。就电场而言,相比于地上空间几百千伏每米的数量级, 地下空间的电场强度明显减小,可见地面起到了一定的屏蔽作用,但屏蔽并不彻底,其最大值仍可达到几千伏到几十千伏。比较同一点的Ey与Ez分量, 可以看到Ey明显大于Ez,因此地下空间中的电场防护以径向为主; 比较五点电磁场可以发现,在地下空间中电磁场横向分布规律与地上相似,而纵向上空间内部电场( 点D) 要大于其与土壤接触位置( 点B,D) 处的电场。
通过以上模拟可以看出土壤并不能完全屏蔽掉雷击产生的电磁场,因此对于地下油罐等存储易燃易爆物品的装置,仍然需要对装置进行防雷设计; 对于地下的一些应用到微电子技术的行业场所,感应雷防护更加不容忽视。
当前的生产生活中为避免建筑物直接遭受雷击,多数采用主动引雷的手段,如避雷针等。连接它们的接地引下线可以近似视为雷电回击通道,这样基本能够确定一个区域的雷击点。根据以上分析, 地下空间建设中对电磁场反应较敏感的元器件应放在下面,且距离接地引下线( 雷击点) 较远的一侧; 对于横向分布的电路应避免与接地引下线成径向, 如不可避免则应在电路入设备端安装相应的器件泄放径向电路中感应的雷电过电压和过电流。
3线缆终端负载的雷电感应电压和电流仿真计算
如今人们的各种活动都离不开电力系统,当发生雷击时,用电设备本身的电气特性会使其对雷击电磁场产生耦合,因此除了连接用电设备的线缆外, 还需要对线缆终端负载进行研究,计算其耦合雷电电磁脉冲所产生的感应电压和感应电流,以便采取措施,减小雷电危害。
本文采用FDTD方法进行仿真,计算模型如图7所示,雷电回击通道位于z轴,线缆垂直雷电通道水平放置,两端采用500Ω 负载接地。仿真计算采用式( 1) 和式( 2) 所示雷电流模型,雷电流幅值设为100k A,线缆直径设为1cm,长度为50m,距离雷电回击通道50m,高度为5m,负载上的雷电感应电压和感应电流如图8所示。
从图8可以看出,雷击点附近线缆终端负载上可以产生很强的电磁耦合,电压可达数百千伏,电流可达到数百安,感应电压或电流达到极值后不像雷电流有一个相对较长的波尾时间,而是迅速下降,在雷电流后期有一个较低水平的振荡过程。一般的防雷手段往往只注意对峰值电压或电流的泄放,对电子器件来说,低水平的振荡过程也可能将其击毁,而防雷器件在较低的电压或电流水平却基本不反应。 因此需要对负载雷击感应进一步研究,以完善设备对于感应雷的防护。
由图8可以看出,感应电压和电流脉冲主要发生在雷电流波头时间段,为研究雷击时负载感应电压和电流大小与雷电流波头时间的关系,本文取1.2μs波头时间的雷电流继续对上述模型进行模拟, 雷电基电流如图9所示,仿真结果如图10所示。
比较图8和图10可以发现,负载感应电压和电流的大小与雷电流波头时间有关。当雷电流幅值相等时,波头时间减小,负载感应电压和电流增大,这一规律对于不同地区的防雷工作具有一定的价值。
4结论
1) 本文采用北京地区实测雷电流进行FDTD仿真,计算雷击时地下圆柱形空间中的电磁状况,得出土壤并不能完全屏蔽掉雷击时产生的电磁场,并得出地下电场分量Ey的强度要大于Ez,地下电场防护以径向为主。
2) 对线缆终端负载进行雷击电磁场耦合,得到了负载上感应电压和感应电流的数值水平,并从感应曲线上看出感应电压和感应电流在尖峰过后会有一个足以对大多数自动化系统产生危害的振荡过程。