电子信息系统雷电空间磁场强度分析与防护技术-苍南

电子信息系统雷电空间磁场强度分析与防护技术
林念萍卢卫星王小英
（苍南县气象局浙江苍南 325800）
摘要：本文通过对闪电击于建筑物附近、直接击在建筑物上产生的空间磁场强度进行计算分析，提出一些电子信息系统空间磁场雷电防护技术与读者共同探讨。

关键词：磁场强度合理布线屏蔽接地等电位
引言
随着微电子技术的高速发展，电子信息系统元器件的集成度愈来愈高，精度不断提高，工作电压仅有几伏，信息电流仅有微安级，故对外界干扰极其敏感，对雷电电磁脉冲的耐受能力很低，当雷电产生的空间磁场强度达到某一阀值时，轻则引起系统失灵，重则导致系统或其元器件永久性损坏，而当前防雷技术中往往侧重对电子信息系统设备的电涌保护器防护，而忽视雷电空间磁场对电子信息系统的危害。

本文通过对闪电击于建筑物附近、直接击在建筑物上产生的空间磁场强度进行计算分析，提出一些电子信息系统空间磁场雷电防护技术与读者共同探讨。

1．闪电击于建筑物附近的空间磁场强度
在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0，相当于处于LPZ 0A和LPZ 0B区内的磁场强度，应按下式计算：
H0 = i0/(2πsa) (A/m)
式中 i0 —雷电流(A)，按GB50057-94规范附录六选取；
sa —雷击点与屏蔽空间之间的平均距离(m)（图1）。

图1 附近雷击时的环境情况
sa—雷击点至屏蔽空间的平均距离
在闪电击在建筑物附近的最坏（磁场强度最大）情况下，按建筑物的防雷类别、高度、宽度（或长度）可确定可能的最小距离sa，其方法如下。

从图2可看出，最小距离sa是建筑物高度H(m)、宽度W(m)（或长度L）以及所选雷电流对应的滾球半径R(m)的一个函数。

图2 取决于滚球半径和建筑物尺寸的距离sa
滚球半径按下式确定。

R = 10(i0)0.65
式中 i0—雷电流(kA)，按本规范附录六选取。

对应三类防雷建筑物的R值见表1。

表1 与雷电流对应的滚球半径
雷电流（kA）对应的滚球半径R(m)
防雷建筑物类别
首次雷击后续雷击首次雷击后续雷击
第一类200 50 313 127
第二类150 37.5 260 105
第三类100 25 200 81 距离sa应按下式确定。

当H＜R时 sa =
+ L/2
当H≥R时 sa = R + L/2
注：1长度L根据具体情况可用宽度W代入。

2对所取距离sa小于上式计算值的情况，闪电将直接击在建筑物
上。

当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ 1区内的磁场强度从H0减为H1，其值应按下式计算。

H1 = H0/10SF/20 (A/m)
式中 SF—屏蔽系数(dB)，按表2的公式计算。

表2 格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数
材料
SF（dB）
25 kHz（见注1） 1 MHz（见注2）铜/铝20·log(8.5/w)20·log(8.5/w)
钢（见注3）20·log
20·log(8.5/w)
注:1适用于首次雷击的磁场；
2适用于后续雷击的磁场；
3相对磁导系数μr≈200；
4 w—格栅形屏蔽的网格宽(m)；
r—格栅形屏蔽网格导体的半径(m)；
表2的计算值仅对在各LPZ区内距屏蔽层有一安全距离ds/1的安全空间Vs 内才有效（见图3），ds/1应按下列方法计算：
当SF≥10 时ds/1 = w·SF/10 (m)
当SF＜10 时ds/1 = w (m)
式中 w —格栅形屏蔽的网格宽(m)；
SF —按表2计算的屏蔽系数(dB)。

图3 在LPZ n区内供安放电气和电子系统的空间
当前许多电子信息系统机房设在建筑物内，除建筑物自然屏蔽体外无专门的屏蔽措施，例1假设一座二类防雷建筑物，长(L)、宽(W)、高(H)均为60m，柱内钢筋直径为25mm，电子信息机房距LPZ 1区屏蔽顶的最短距离dr =3m，距LPZ 1区屏蔽壁的最短距离dw =3m，LPZ 1区格栅形屏蔽的网格宽w=3m，在首次雷击的情况下，查表1得R=260m，H<R，sa =
+ L/2，求得雷击点与屏蔽空间之间的平均距离sa=196.13m，计算无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0=121.78A/m，约为1.53Gs，有屏蔽时所产生的磁场强度
H1=45.39A/m，约为0.57Gs，屏蔽系数SF=8.57dB，安全距离ds/1=3m，1971年美国通用研究公司R.D希尔的仿真试验通过建立模式得出：由于雷击电磁脉冲的干扰，对当时的计算机而言，在无屏蔽状态下，当环境磁场强度大于0.07Gs时，计
算机会误动作；当环境磁场强度大于2.4Gs时，设备会发生永久性损坏。

根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008第5.2.3条“主机房和辅助区内磁场干扰环境场强不应大于800A/m”。

闪电击于二类防雷建筑物附近的屏蔽空间磁场强度理论计算值能满足GB50174-2008规范的要求，但计算机还是会发生误动作，而且一般建筑物的防雷分区中内部空间一般为LPZ1区，LPZ2区基本没有，而建筑物的空间布局中间一般为走廊，四周为房间，电子信息机房一般设在四周靠外墙，而机房要置于安全距离ds/1的安全空间Vs内也很难做到。

2．闪电直接击在建筑物上的空间磁场强度
在闪电直接击在位于LPZ 0A区的格栅形大空间屏蔽或与其连接的接闪器上的情况下，其内部LPZ 1区内Vs空间内某点的磁场强度H1应按下式计算（见图4）。

H1 = kH·i0·w/(dw
) (A/m)
式中 dr—所考虑的点距LPZ 1区屏蔽顶的最短距离(m)；
dw—所考虑的点距LPZ 1区屏蔽壁的最短距离(m)；
kH—形状系数（1/
），取kH =0.01（1/
）；
w — LPZ 1区格栅形屏蔽的网格宽(m)。

图4 闪电直接击于屋顶接闪器时LPZ 1区内的磁场强度上式的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离ds/2的空间Vs内有效，应符合下式的要求。

ds/2 = w (m)
电子系统应仅安装在Vs空间内。

流过包围LPZ 2区及以上区的格栅形屏蔽的分雷电流将不会有实质性的影响作用，处在LPZ n区内LPZ n+1区的磁场强度将由LPZ n区内的磁场强度Hn减至LPZ n+1区内的Hn+1，其值可近似地按下式计算。

Hn+1 = Hn/10SF/20 (A/m)
例1中，闪电直接击在建筑物上的LPZ1区内空间磁场强度H1=866A/m，约为10.88Gs，LPZ2区内空间磁场强度H2=322A/m，约为4.04Gs，安全距离ds/2=3m，这种情况下，不能满足GB50174-2008规范的要求，计算机会发生误动作。

不难发现当利用建筑物做为自然屏蔽体时设在LPZ1、LPZ2区内的电子信息系统机房空间布置均很难满足要求。

3．电子信息系统空间磁场雷电防护技术
3.1 合理的空间布局及屏蔽接地
电子信息系统机房不应取紧靠建筑物外墙格棚磁场强度特强的部位，机房宜选择在建筑物低层中心部位，其设备应远离外墙结构柱，设置在雷电防护区的高级别区域内，信息设备应安装在Vs空间内，减少电磁干扰产生的雷电感应效应，建筑物和电子信息机房的外部应设屏蔽措施，所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属物均应等电位连接在一起，并与防雷装置相连，电子信息机房应专设屏蔽网格，网格大小取值应符合规范要求，信息设备金属机壳应设屏蔽接地，并做好等电位连接。

在需要保护的空间内，应采用屏蔽电缆，其屏蔽层两端应做等电位连接接地，在穿越雷电防护区交界处应做等电位连接接地。

当屏蔽电缆要求只在一端作等电位连接接地时，应采用两层屏蔽，其外屏蔽层应在穿越雷电防护区交界处应做等电位连接接地。

3.2 合理的综合布线
综合布线应有良好的接地系统。

当采用屏蔽线系统时，应保持各子系统中屏蔽层的电气连续性。

在电缆屏蔽层两端接地时，两个接地装置之间的接地电位差不应大于1Vr.m.s。

建筑物内敷设信息系统线缆的主干线，宜装设在电气竖井内，应避开作为防雷引下线的结构柱子。

建筑物内敷设的综合布线电缆、光缆与其它管线、附近可能产生电磁干扰的电力电缆、电气设备之间应保持必要的间距。

3.2 等电位
穿过各防雷区界面的金属物和系统，以及在一个防雷区内部的金属物和系统均应在界面处做等电位连接，所有导电物、电力线、通信线、电梯轨道、吊车、金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架等大尺寸的内部导电物、信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件应做等电位连接，等电位连接可以采用S型星形结构和M型网形结构。

3.4 电涌保护器
应按电子信息系统雷电防护等级要求设置电涌保护器，重要的信息设备信号端口应安装适配的信号线路电涌保护器。

3．结论
雷电空间磁场对电子信息系统危害大，防雷实践过程往往容易被忽视。

因此，在防雷设计、施工验收过程中应重视电子信息系统空间磁场雷电防护，采取相应的雷电电磁脉冲防护措施，做到安全可靠，经济合理。

参考文献：
[1] 机械工业部. GB50057-94建筑物防雷设计规范.北京:中国计划出版社，2000
[2] 中国气象局.GB/T 21431-2008建筑物防雷装置检测技术规范.北京:中国标准出版社，2008
作者简介：林念萍（1980-），男，浙江苍南县，浙江省温州市苍南县气象局，工程师，工学学士，研究方向为雷电防护
联系：浙江省苍南县灵溪镇河滨东路178号，邮编:325800，电
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