法拉第笼和防雷

法拉第笼与防雷
方家光
（清华大学物理系，北京 100084）
引 言
在雷电防护技术中，采用法拉第笼结构以防止或减小雷击所造成的损失，最早是由法拉第的学生J.C.Maxwell 在1876年所提出的。

我国资深防雷专家王时煦教授在负责1958年人民大会堂工程的电气和防雷设计中首先采用了法拉第笼结构，将人民大会堂工程结构中的梁、板、柱以及基础内的所有钢筋全部焊成一体，形成金属网笼，俗称法拉第笼结构，使整幢建筑物实现了等电位连接，成为一个等位体，从而达到防雷的目的。

1 法拉第笼是等位体
从物理学上讲法拉第笼原是指一个密封的金属腔体，它最早是由英国物理学家法拉第(Michael Farady)根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构，该结构后来被人们称作法拉第圆筒。

由物理学可知，当有空腔的导体放入电场中时，导体中的电子要在外电场作用下发生移动，最后达到静电平衡，电子不再定向移动，此时电场分布不随时间变化，金属空腔的内表面上处处没有电荷，电荷只能分布在腔体的外表面。

由电场唯一性定理，腔内没有电场，电位处处相等，整个腔体是个等位体。

这样空腔导体隔离了外电场的作用，使外电场不能透入空腔内部。

因此，金属腔体保护了它所围的区域，实现了静电屏蔽。

在实际应用中，腔体不需要完全密封，如果腔体上有小孔或腔体由金属网格（类似法拉第笼）构成，除了直接靠近小孔或网格附近，网格内其他地方的电场是非常弱的。

2 法拉第笼对磁场的屏蔽作用
实际的法拉第笼不可能完全密封，它一般由金属网或金属格栅组成。

当外界电磁波传播到法拉第笼表面时，由于空气与金属界面波阻抗的不同，入射的电磁波会在界面处发生反射和折射。

电磁波反射和折射的多少与金属材料的性能、网格结构等因素有关。

雷电是一种单极性脉冲波，其频谱范围较宽，从几十Hz 到几MHz 。

当由雷电产生的电磁波传播到法拉第笼表面时，同样会产生反射和折射，使电磁波发生衰减，或者说对电磁波产生了屏蔽效应。

法拉第笼或金属网格对电磁波屏蔽的有效性，可通过模拟实验进行分析，国内外防雷工作者对此进行了大量的工作，可参阅有关文献。

如果模拟实验条件不允许，也可按如下两种方法估算屏蔽作用。

2.1 邻近雷击情况下法拉第笼的屏蔽作用
如果雷击点距法拉第笼（或金属格栅）的水平距离为d ，由电磁学原理可知，笼内磁场强度为
，式中为无法拉第笼时的磁场强度（20/0110/SF H H =0H d
I H π200=SF ），为雷电流大小；为法拉第笼（或金属网格）的屏蔽系数，它的大小与网格的材料、网格结构及电流频率有关。

对于首次雷击来说，若采用钢筋作为金属支承或金属框架，则屏蔽系数如下式表示：
0I SF ]/10181/)/5.8lg[(206r w SF −×+=
式中W 为网格宽度(m)，r 为钢筋的半径(m)。

在现代建筑物中常利用钢筋混凝土内的钢筋网构成法拉第笼，竖直钢筋柱之间距离一般为6m ，钢筋本身直径为10mm ，由此可算出SF 约为2.84。

2.2 雷电直接击在金属网格上某一点
当雷电直接击到金属网格上时，网格上将会有电流通过，这样在网格内会产生磁场，其磁场大小，在IEC 文件中用下式表示：
)/(01r w H d d w I k H ⋅⋅⋅=
)/(m A 式中k 为网格的结构因子，一般取为0.01m H -1/2；为雷电流大小（A ）；为网格宽度(m)；d 为所考虑点离网格侧面的水平距离；d 为所考虑点离网格顶部的垂直距离(。

利用此式可估算对于
10m ×10m ×10m 的金属网格中心处的磁场大小，若雷电流大小为100KA ，则H 0I w m w )m (r )1约为8.9×102
A/m 。

如果以磁感应强度表示，相当于11.2G （高斯）。

这说明虽然采用法拉第笼对磁场进行了屏蔽，
但由于法拉第笼不是完全密封的导体，因此内部的磁场并不为零。

根据美国学者希尔对计算机所做的模拟实验，2.4G 的磁场即可使计算机元件受损，因此为使笼内弱电设备得到安全，还要采取其他防护措施。

)(0H B B µ=
3 实际建筑物与法拉第笼的区别
由上分析，法拉第笼对外界电磁场的屏蔽作用是明显的。

对于现代建筑物来说，大多数采用钢筋混凝土结构或全金属框架结构，而且整个建筑物在电气上是连通的，这为防止雷击提供了有利条件。

但必须指出的是实际建筑物与法拉第笼是有区别的。

法拉第笼在物理上可以是弧立的金属壳体，其内部与外界隔离，但实际建筑物它不可能与外界隔离。

这至少有两种情况：一是建筑物内人员经常要出入；二是建筑物必有各种电缆（电源、信号）、管线（水、气等）与外界相联系。

当雷击时若有人员正好出入建筑物，则此人会有遭雷击的危险；另外各种电缆和管线也会将危险的“过电压”引入建筑物内。

因此，对于实际建筑物来说，除由法拉第笼结构可减小遭雷击危险外，还应采取等电位连接、接地等其他措施来确保建筑物内弱电设备的安全。