【摘要】：雷电是大气中超强的放电现象，具有大电流(150kA)、高电压(10万kV)、强电磁辐射等特征。电子设备受雷击损坏有三个途径：一是传导性，二是辐射性，三是地电位反击。雷电以磁脉冲的形式通过空气耦合到电子设备内部，使电子设备内部电路产生感应电压和电流。根据美国通用研究公司的R.D.希尔用仿真试验建立的模型，对无屏蔽的计算机进行雷电磁场强度的抗扰性进行试验，当磁感应强度B=0.07G（高斯）时，计算机发生误动作；当磁感应强度≥2.4G（高斯）时，计算机发生永久性损坏。
【关键词】：引下线；阻抗；电磁感应；理论计算
引言：
自然雷电是多个脉冲电流[1]，频率范围广，由感抗的计算公式：，频率越高，感抗越大，从而导致阻抗越大。一个61m长的水平接地体，在小于10kHz频率下的阻抗约为6Ω～7Ω，当频率增大至1MHz时，其阻抗将加大到52Ω[2]。在雷电通道中，阻抗越小，产生的压降及磁感应强度越小，保护效果越好。高层建筑引下线很长，如何降低引下线的阻抗，是防雷的重中之重。
1雷电流流过引下线的压降分析
1.1雷电流在线路上的传输距离
对于较高的建筑物，基本利用建筑物基础柱筋做引下线，引下线很长，在不同高度，不同频率的雷电流传输的距离也不同。根据波长计算公式：
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雷电流波头1.2μs在线路传播360m，使得在同一时刻，线路上（各点）的雷电压不一样。
1.2雷电波折射与反射对引下线压降的影响
电压、电流以波的形式沿着导线传播称为行波，行波阻抗（波阻抗Z）反映电压波与电流波的关系，与单位长度线路的电容、电感、导线周围的介质、导线半径、高度有关，其计算公式为：
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当行波传播到线路的某一节点，波阻抗发生变化，由于节点前后波阻抗的不同，而行波又必须保持单位长度导线的电场能量和磁场能量总和相等的规律，就会发生电磁场能量的重新分配，即在此节点上发生行波的折射和反射[3]。
在节点A（图2）处，折、反射波电压与入射波电压的关系：
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图 3
计算表明：当波到达开路末端时，将发生全反射。电流发生负的全反射，使得末端的电流为0，结果使末端电压上升到入射波电压的2倍。由于行波的折射与反射会叠加在原有雷通道上，会导致电阻电压降和电感电压降上升，不利于设备的安全。
2辐射强度的计算与磁场的空间分布分析
2.1辐射强度计算
按照波过程理论，雷电流产生的电磁场是一种波过程[4]，可根据工程需要，单独对磁场进行分析。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的雷击磁场公式 [2]46：
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磁场强度和磁感应强度的单位不同，在对磁场进行分析计算中，主要有两种单位制，一种是国际单位制(SI)，另一种是高斯单位制。在国际单位制中，磁场强度单位为安培/米（A/m），磁感应强度的单位为特斯拉（T），在高斯单位制中，磁场强度的单位为奥斯特（Oe），磁感应强度的单位为高斯（G）。
在实际运用中，经常要用到不同单位的转换，根据磁感应强度与磁场强度的转换[5]关系，可得出以下关系式：
1奥斯特(Oe)＝1×10-4韦伯/平方米(Wb/m2)＝1×10-4特斯拉(T)＝1高斯(G)
结合磁感应强度与磁场强度的转换公式，得出磁感应强度计算公式：
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2.2磁场磁场的空间分布分析
根据磁感应强度计算公式，安全距离（Sa）计算公式：
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雷击电流的取值采用国际大电网会议（Cigre）负雷击平均电流峰值的全球分布i=30kA[6]，代入上述公式可得出磁场空间分布（图1）；
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图1磁场空间分布
从图1中磁场的空间分布可见，在安全距离内，磁场强度与雷击通道的距离成反比。多条引下线形成闭合环路时存在分流系数[2]77，因此最大雷电流会降低，安全距离会更小，建筑物可直接利用的空间更大。
3降低磁感应强度及引下线压降理论计算
3.1降低磁感应强度理论计算
（1）单条钢筋电感计算公式
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LT ——单条钢筋电感（H）
L0——钢筋的单位长度电感（μH/m）,取值范围（1.0μH/m～1.5μH/m）；
l——钢筋长度（m）
（2）单根柱子电感计算公式
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LZ——单根柱子电感（H）
LTN——单根柱子钢筋数量
（3）单栋建筑物钢筋总电感计算公式
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LJ ——单栋建筑物钢筋总电感（H）
LZN——单栋建筑物柱子数量
在理论条件下：设每条钢筋长度为100m，L0=1μH，每根柱子有10条钢筋，建筑物共有10根柱子，建筑物的总电感为：
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由计算结果可知，按照此方法可将因雷电流产生的电感降低100倍。
3.2引下线压降理论计算
引下线压降可按电阻电压降和电感电压降相应求出的距离相加而得 [2]115：
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当雷电流作用在引下线时，为了防止对建筑物或与其有联系的金属物发生反击,应保持一定的安全距离[2]115，其计算公式为：
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4优化方法
按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的做法，第二类防雷建筑物引下线平均间距不大于18米，第三类防雷建筑物引下线平均间距不大于25米。此做法未充分考虑到较长引下线流过雷电流所产生的压降及感应的磁场强度。建议将建筑物外墙所有柱子做引下线，每根柱子设短路环，用均压环将各条引下线在同一高度处连接（建议采用热熔焊接，确保阻抗的连续性），当建筑物遭受雷击时，通过外墙所有柱子分流，有效降低雷电流产生的阻抗，使每条引下线所产生的电场、磁场强度降低，减少设备损坏风险。
此做法优点在于：单根钢筋通过雷电流时，因为雷电流的陡度[2]80非常大，在电流路径上的感抗（雷电流产生的阻抗Z）会极其明显，一方面解决了柱内上下钢筋波阻抗的不连续问题，避免产生雷电波的反射、折射，另一方面大大减小了雷击阻抗，从而有效降低了雷击电磁场的辐值，大大优化了建筑物内部的电磁环境。
建筑物内雷击电磁场强度分布理论计算（电子设备损坏值2.4G），是确保建筑物内电子设备不受雷电辐射性损坏的有效措施。计算结果主要用于指导区域内各单体建筑物的屏蔽，电子设备的安装和各类线路屏蔽及架设形式的选择。当新安装电子设备时，应考虑安装在2.4G等值线范围内，电源等布线应避免与外墙结构柱子平行布置，信息系统机房应选择在磁场较弱的位置。
参考文献
[1] V.A.Rakov等. 雷电参数的工程应用[M]. 高燚，杨少杰等译. 北京：气象出版社，2019.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50057-2010建筑物防雷设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2011.
[3] 张建华，张国俊，凌永顺. 脉冲波反射折射特性的分析计算[J]. 电波科学学报， 2001(02)：64-66+77.
[4] 张一尘等.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2015
[5] 王益民，王津生，张伯礼等. 磁场强度和磁感应强度的单位及相互关系[J]. 中医工程 1998，17（4）：43.
[6]《LIGHTNING PARAMETERS FOR ENGINEERING APPLICATIONS》[R]CIGRE Final Report 2013-WG C4.407.