建筑物雷击电磁环境分析

建筑物雷击电磁环境分析
桂斌
【摘要】分析了不同类别防雷建筑在遭遇雷击灾害后的首次和后续雷击磁场强度,根据电子设备所能承受的磁场强度,为建筑内电子设备位置的设置和保护提供了数据支持,对建筑防雷设计有重要意义.
【期刊名称】《现代建筑电气》
【年(卷),期】2013(004)001
【总页数】5页(P38-42)
【关键词】电子设备;屏蔽;雷击电磁脉冲;磁场强度;防雷建筑类别;雷击磁场
【作者】桂斌
【作者单位】昆明消防指挥学校,云南昆明650208
【正文语种】中文
【中图分类】TU856
0 引言
随着科学技术的不断发展和信息化世界的到来，人民物质生活水平不断提高，高大建筑物不断兴起。

建筑物内部存在大量的电子设备，导致雷灾出现了新的特点:
(1)建筑(如智能化建筑、微波站等)会吸引落雷，使自身和附近建筑遭到雷击破坏。

(2)电子设备的大量使用，使雷电危害对象也发生了转移，从对建筑本身的损害转移到对室内电器设备(特别是电子设备)及人的损害。

(3)高大建筑和微电子设备的大量兴起导致片区内雷电多发，发生区域也发生着变化。

据统计，我国雷电损失中70%～80%是雷击电磁脉冲所造成的，只有20%～30%是由直接雷击所造成的，而损失对象也大部分是建筑内的电子设备。

可以说，如今雷电产生的雷击电磁脉冲已成为雷电的主要危害，危害的主要对象是建筑内的电子设备，而雷击电磁脉冲主要以场(即雷击磁场)和路两种形式耦合影响设备。

因雷电放电多重性的特点，电子设备会遭受到雷击电磁脉冲首次磁场和后续磁场的影响和损害。

本文主要研究了雷击所产生的雷击磁场在建筑物内的情况，提出在建筑内设置电子设备位置时应当注意和考虑的一些因素。

1 防雷现状
我国已将建筑物按一、二、三类防雷建筑进行划分，在建筑内部也进行了LPZ 的雷击磁场屏蔽分区，同时要求建筑物在不同的LPZ 分区交界处采用SPD 进行浪涌保护［1］，还将建筑物电子信息系统的雷电防护等级按防雷装置的拦截效率划分为A、B、C、D 四级［2］，这样对建筑物及建筑内的设备及人员起到一定的保护作用。

但建筑物内部的电子设备遭受雷击损坏的报道仍频繁出现，而当前的火灾自动报警系统、建筑中的中控系统及最近比较热的物流网等网络和系统中都存在大量的电子设备，这些电子设备是雷电发生时最可能受到危害的潜在对象。

此外，雷击磁场还会导致电子设备无法正常工作，从而导致像金融机构等对数据实时性要求较高的机构造成严重的经济损失。

根据国家标准电子计算机机房内，磁场干扰环境场强不大于800 A/m(设备的机壳具有一定的屏蔽效果)［3］。

晶体管、集成电路等电子设备裸露在磁场中时，磁场强度超过5.57 A/m 时，将引起电子设备的失效;磁场强度超过191 A/m 时，将遭受永久性损坏［4］。

网络设备芯片的耐冲击电压水平也只有约100 V［5］。

当前，使用较广泛的浪涌保护器(Surge Protective
Device，SPD)在雷电产生磁场时对电子设备的保护效果也非常有限，经常会出现电子设备已被雷电所损坏，而SPD 却未动作的现象，这主要是因SPD 对进出LPZ 分区间的线路所感应出的脉冲电压进行抑制，而对LPZ 分区内部的磁场感应作用效果不明显。

对于LPZ 分区内磁场感应的控制，最基本的措施是对易受雷电感应的设备进行屏蔽保护，利用各种金属屏蔽吸收或反射感应磁场，以衰减施加在设备上的电磁干扰和过电压。

当前，大部分建筑都采用了钢筋作为建筑的框架结构材料，对建筑物内的电子设备来说也是第一重磁场感应屏障，可屏蔽雷击感应磁场，而不同类别的防雷建筑在建筑物钢结构形成的有效屏蔽空间内的雷击磁场强度也是不同的。

以下将分析不同类别防雷建筑在不同情况下的首次雷击电磁场强度和后续雷击电磁场强度。

2 雷击电磁环境磁场的计算
2.1 无屏蔽衰减的计算
由于各地经济的差距，国内一些仍采用砖混结构的建筑(只采用少量的钢筋和铁丝不能形成有效的屏蔽体)，应首先分析无屏蔽衰减情况时建筑所处的电磁环境，对于距离无建筑屏蔽的建筑物为Sa 的首次雷击和后续雷击产生的最大磁场强度计算公式为
式中:i0——雷电流，A(按防雷类别从GB 50057—2010 的附表中选取); Sa——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离(如图1 所示)，m。

图1 附近雷击时的磁场环境
经计算得出，雷击无屏蔽空间不同距离上的首次和后续雷击最大电磁场强度如表1 和表2所示。

表1 首次雷击无屏蔽空间不同距离上的最大电磁场强度A/mSa /m类别10一类318.47353.86398.09454.96530.79636.94796.18 1 061.57 1 592.36 3 184.71
二类238.85265.39298.57341.22398.09477.71597.13796.18 1 194.27 2 388.54三类159.24176.93199.04227.48265.39318.47398.09530.79796.181 100 90 80 70 60 50 40 30 20 592.36
表2 后续雷击无屏蔽空间不同距离上的最大电磁场强度A/mSa /m类别10一类79.6288.4699.52113.74132.70159.24199.04265.39398.09796.18二类
59.7166.3574.6485.3099.52119.43149.28199.04298.57597.13三类
39.8144.2349.7656.8766.3579.6299.52132.70199.04 100 90 80 70 60 50 40 30 20 to 398.09
2.2 雷击格栅形屏蔽空间(大空间)以外磁场强度的计算
对于雷击格栅形屏蔽空间以外这一情况，建筑的钢筋结构只能对各格栅屏蔽体内的空间Vs(在LPZ1 内距屏蔽层安全距离ds/1 = W ·SF/10，如图2 所示)，空间才能有较好的屏蔽效果，这也是在日常生活中遭遇最多的雷击电磁感应情况。

因当前大部分建筑采用钢结构作为建筑的架构，雷击发生后，建筑物本身的钢筋结构对雷击产生的磁场产生了一定的屏蔽效果，磁场有所衰减，因此，可采用以下公式进行计算:
式中:H0——无屏蔽时产生的无衰减磁场强度，取表1 和表2 中的数值;
H1——H0 在屏蔽空间内衰减后的磁场强度(计算首次雷击时的磁场强度衰减采用表1，后续雷击时的磁场强度衰减采用表2);
i0——雷电流，A (按防雷类别从 GB 50057—2010 的附表选取);
Sa——雷击点与屏蔽空间之间的平均距离(如图1 所示)，m;
SF——屏蔽系数，按表3 进行计算。

图2 雷击格栅形屏蔽体的有效屏蔽空间Vs
因不同屏蔽材料的屏蔽系数是不同的，所以在计算时需注意屏蔽体所采用的材料，
在计算屏蔽系数SF 所用的公式也不同，而对于建筑物架构来说，一般都采用钢材料，所以在这里只探讨钢材料的屏蔽效果。

表3 格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数计算公式注:钢相对磁导率μr ≈200;W—格栅形屏蔽的网格宽，m，适用于W ≤5 m;r—格栅形屏蔽网格导体的半径，m。

SF/dB 材料25 kHz(首次雷击磁场)1 MHz(后续雷击磁场)钢20lg［(8.5/W)/1 +18·10 -6/■r］20lg(8.5/W)
在分析计算钢材料的屏蔽系数时，选择有代表性的格栅形屏蔽网格导体的钢筋半径作为r，当前建筑中较为常见的网格宽度(对于建筑物来说一般以层高为网格宽)作为W，这样就可计算出首次和后续雷击格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数SF，如表4 和表5 所示。

表4 首次雷击格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数 dBW/m r/m 3 3.5 4 4.5 5 0.005 06.695.354.193.172.25 0.010 08.336.995.834.813.89 0.012
58.577.236.075.054.14 0.025 08.927.586.425.404.49 0.050
09.017.686.525.49 4.58
表5 后续雷击格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数 dBW/m SF 3.09.05 3.57.71 4.06.55 4.55.52 5.0 4.61
可根据建筑物防雷类别和雷击点与屏蔽空间之间的平均距离Sa，在表1 中查出对应的首次雷击无屏蔽空间不同距离上的最大电磁场强度H0，再根据建筑的钢结构形成的格栅形屏蔽网格宽W，将表4 中的首次雷击格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数SF 代入式(1)，则可计算出首次雷击格栅形大空间屏蔽体附近的屏蔽后雷击最大磁场强度。

同理，将表2 和表5的数值代入式(1)，则可计算出后续雷击格栅形大空间屏蔽体附近的屏蔽后雷击最大磁场强度。

如二类防雷建筑，雷击点与屏蔽空间之间的平均距离Sa =50 m，网格宽W =3 m，网格导体半径r =0.01 m，则首次雷击格栅形大空间屏蔽的雷击最大磁场强度为
同理，可计算出后续雷击最大磁场强度为
对不同类别的防雷建筑，都代入式(1)，计算出对应的屏蔽后首次雷击和后续雷击的最大磁场强度H1。

2.3 雷击格栅形屏蔽体上的磁场强度计算
对于雷击格栅形屏蔽体的情况，建筑的钢筋结构只能对各格栅屏蔽体内的空间
Vs(在LPZ1内距屏蔽层有一定安全距离ds/2 =W，如图2 所示)才有较好的屏蔽效果。

雷击格栅形屏蔽体上的雷击最大磁场强度计算公式为
式中:H1——雷击格栅形屏蔽体形成的衰减磁场强度;
kH——形状系数，取
i0——雷电流，A (按防雷类别从 GB 50057—2010 的附表中选取);
W——格栅形屏蔽的网格宽，m;
dw——被考虑点距LPZ1 区屏蔽壁的最短距离，m;
dr——被考虑点距LPZ1 区屏蔽顶的最短距离，m。

同样，选择当前建筑中较有代表性的网格宽度(对于建筑物来说一般以层高为网格宽)作为W 和只考虑建筑本身结构的dr，dr =nW，通过上式得出首次和后续雷击格栅形大空间屏蔽体上的最大磁场强度如表6 和表7 所示。

表6 首次雷直击于格栅屏蔽体上的最大磁场强度Wdr/m一类二类三类5.0 n=1 1154.70 1069.04 1000.00 942.81 894.43 866.03 801.79 750.00 707.11 670.82 577.35 534.52 500.00 471.40 447.21 n=2 816.50 755.93 707.11 666.67 632.46 612.37 566.95 530.33 500.00 474.34 408.25 377.96 353.55
333.33 316.23 n=3 666.67 617.21 577.35 544.33 516.40 500.00 462.91 433.01 408.25 387.30 333.33 308.61 288.68 272.17 258.20 n=4 577.35 534.52 500.00 471.40 447.21 433.01 400.89 375.00 353.55 335.41 288.68 267.26 250.00 235.70 223.61 n=5 516.40 478.09 447.21 421.64 400.00 387.30 358.57 335.41 316.23 300.00 258.20 239.05 223.61 210.82 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 3.0 3.5 4.0 4.5 200.00
表7 后续雷直击于格栅屏蔽体上的最大磁场强度Wdr/m一类二类三类5.0 n=1 288.68 267.26 250.00 235.70 223.61 216.51 202.70 187.5 176.78 167.71 144.34 133.63 125.00 117.85 111.80 n=2 204.13 188.98 176.78 166.67 158.12 153.09 141.74 132.52 125.00 118.59 102.06 94.49 88.39 83.33 79.06 n=3 166.67 154.30 144.38 136.08 129.10 125.00 115.73 108.25 102.06 96.83 83.33 77.03 72.17 68.04 64.55 n=4 144.34 133.63 125.00 117.85 111.80 108.25 100.22 93.75 88.39 83.85 72.17 66.82 62.50 58.93 55.90 n=5 129.10 119.52 111.85 105.41 100.00 96.83 89.64 83.85 79.06 75.00 64.55 59.76 55.90 52.71 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 3.0 3.5 4.0 4.5 50.00 3 结语
通过分析，可以得出:
(1)对于不同类别的防雷建筑有屏蔽和无屏蔽时，建筑物内的磁场强度是不同的，即采用钢筋结构与无钢筋结构的建筑物，在建筑内部磁场强度是不同的。

采用钢结构的建筑内部磁场强度明显要小于未采用钢结构的建筑，其内部电子设备遭雷击电磁损坏的可能性也远小于未采用钢结构的建筑。

(2)建筑内的雷击磁场强度与不同的建筑防雷类别相关。

(3)屏蔽效果的理想有效范围是在Vs 这一空间内，对不同的雷击情况，建筑内的Vs 空间也不同。

雷击屏蔽体附近时，Vs 通过ds/1 =W·SF/10确定，雷直击屏蔽
体上时，Vs 通过ds/2 =W 确定。

(4)附近雷击的磁场强度与平均距离Sa相关。

(5)建筑的防雷效果与钢筋结构形成的屏蔽网格宽度、采用的屏蔽导体半径相关。

(6)直击雷击屏蔽体上时，不同楼层的磁场强度是不同的。

以以上数据为依据，根据不同设备对磁场环境的要求，设计建筑内不同楼层的使用性质，如根据计算机房内磁场强度不能大于800 A/m 的要求，得出建筑的顶层不能作为计算机房(不考虑人为再设屏蔽)，对于能满足设备要求的磁场环境的楼层，楼层的所有位置也并不都能满足要求，满足要求的环境只在空间Vs 内，所以要保证设备与墙体达到足够的安全距离，再加之SPD 的保护、等电位联结、线路屏蔽的多重效果，才能降低设备遭受雷击的可能性，尽可能避免或降低雷电发生时雷击磁场所造成的影响和损失。

［1］ GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范［S］.
［2］ GB 50343—2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］.
［3］ GB/T 2887—2011 电子计算机场地通用规范［S］.
［4］虞昊.现代防雷技术基础［M］.2 版.北京:清华大学出版社，2005.
［5］李良福，杨俐敏.计算机网络防雷技术［M］.北京:气象出版社，1999.。