浅析建筑物遭受直击雷室内磁场的变化

张 逸,林 兵,杨红新,何庆军

(贵州省铜仁地区气象局,贵州 铜仁 554300)

浅析建筑物遭受直击雷室内磁场的变化

张 逸,林 兵,杨红新,何庆军

(贵州省铜仁地区气象局,贵州 铜仁 554300)

当建筑物遭受到直接雷击,雷电流沿防雷装置泄放入地过程中,在建筑内部空间存在干扰电磁场,引下线附近尤为强烈。该文对这一过程中室内磁场进行计算,计算结果表明：①雷电流强度越大,磁场强度越大;②越靠近顶层,磁场强度越大;③与引下线距离越小,磁场强度越大。根据计算结果,文中提出了相应的防护措施：①当磁场强度 ＞800A/m时,应做好屏蔽措施,屏蔽网格尺寸应符合表中要求;②设备应放置在顶 3层以下,距离引下线距离不宜小于1m。

干扰电磁场;电磁屏蔽;安全距离

1 前言

闪电发生的时候,在附近空间存在瞬变的电磁场。人类社会进入电子信息时代后,各种耐压低,敏感性高,抗扰度低的微电子器件使用越来越广泛,电磁感应成为了电子产品的致命杀手,做好电磁感应防护,对电子设备的安全起着重要的作用。本文结合本地区一重点项目铜仁博物馆的情况,对建筑物接闪时在附近产生的电磁场变化进行探析,并结合技术规范要求,提出防护意见,供同行们批评指正。

2 博物馆情况

该项目属于省级重点项目,集室内演出、展览、购物、大型会议于一体,建成后将极大的提升铜仁的旅游形象及服务能力,受到当地党委政府的高度重视。博物馆长 83.6m,宽 58.4m,高 17.2m,馆内有全智能消防控制系统、视频监控系统、电视、电话、网络系统,任何一项都对过电压十分敏感,项目对防雷装置要求非常严格。

3 直接雷击时内部磁场强度的计算

当各建筑物遭受直接雷击时,依据 GB50057-94(2000)和 IEC61024-1-2,可按如下方法计算引下线分流系数：

其中：h1～hn为环接引下线各环之间的距离;Cs、Cd为某条引下线顶雷击点至两侧最近引下线之间的距离;n为引下线数量。

按照二类防雷建筑物设计,则根据 GB50057-94(2000)规范要求,引下线间距 18m,共设 16根引下线。环之间的距离h为楼层高度,取平均值约为4.7m,CS、Cd为 18m可得如下分流系数：

则建筑物遭受直接雷击时,根据雷电流在引下线中的分流情况,可计算出在不同楼层高度流经每条引下线的最大电流强度,并计算出引下线附近的最大磁场强度,文中仅列出 i0=270KA和 i0=150KA的情况 (表 1、2)。计算公式参考无限长载流导体磁场强度公式：

i为引下线中的分雷电流强度 (A);Sa为所考虑点至引下线的水平距离 (m)。

首次雷击时,雷电流强度远大于后续雷击时的雷电流强度,因此,以下计算均讨论首次雷击的情形。

表 1 建筑物遭直接雷击时流过引下线的雷电流及其周围磁场强度计算值(i0=270KA)

表 2 建筑物遭直接雷击时流过引下线的雷电流及其周围磁场强度计算值(i0=150KA)

根据《电子计算机场地通用规范》(GB/T2887-2000),机房内磁场干扰强度应≤800A/m。因此,如果处于建筑物内部的机房离引下线距离太近,其内部的磁场强度 ＞800A/m时,需在机房四周加装六面体金属屏蔽网格,使机房内部形成防雷分区的LPZ2区,加装的屏蔽网格必须使机房内部的磁场强度满足 ＜800A/m的要求,并且在尽可能的条件下,越低越好。机房屏蔽网格所需的屏蔽系数SF可用下式计算：

H1—LPZ1区内的磁场强度,即建筑物内部磁场强度;

H2—LPZ2区内的磁场强度,即加装屏蔽网格内部上限值为 800A/m,这里取 800A/m进行计算;

依据 GB50057-94和 GB/T 19271.2-2005/IEC TS 61312-2：1999,计算所需的屏蔽系数SF及相应的屏蔽网格宽度W。

当选用的屏蔽网格材料为钢时,计算公式如下：

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)。安全距离的计算采用如下公式：

根据被考虑点距离引下线的不同距离 (典型值1～5m),计算出该点处所需的屏蔽网格宽度,考虑最恶劣的情况,并兼顾实用性,计算时同样选取了 5个典型雷电流强度进行计算,文中例出部分计算结果 (表 3、4)。

计算表格中雷电流强度均为首次雷击的雷电流强度,网格宽度是按照屏蔽材料为钢来进行计算,根据《电子计算机场地通用规范》GB/T2887-2000,要求机房内磁场干扰场强不大于 800A/m,表格中计算的所有屏蔽网格宽度依照屏蔽后的场强为 800A/m计算得出,设计机房的屏蔽网格时,为安全起见,应当选用小于表格中的屏蔽网格宽度。

表 3 屏蔽网格宽度估算值 (屏蔽材料为钢)

表 4 屏蔽网格宽度估算值 (屏蔽材料为钢)

4 防护措施

①为减少电磁干扰的感应效应,最为有效的方法即采取屏蔽措施。为了减低雷电电磁脉冲对建筑物内部电子信息设备和电气线路的影响,应充分利用建筑物结构钢筋构成法拉第笼以达到良好屏蔽效果。由建筑物各层外圈梁内两条结构主筋通长焊接构成的均压环就近与外围引下线等电位连接而构成法拉第笼,法拉第笼屏蔽网格不应大于 5m×5m。当外墙上的所有金属门窗、金属栏杆、幕墙金属构架等就近与均压环做等电位连接后,屏蔽网格可达到不大于 1m×1m。

②线路屏蔽,对处于强干扰磁场环境的电源和信号线路实施屏蔽,避免线路环路上的感应浪涌(感应电压和电流)损坏设备。一般采用带有金属屏蔽层的电缆或将非屏蔽电缆敷设在金属屏蔽线槽 (管)内,金属屏蔽层应保持良好电气连续性,并两端都接地。当系统或设备有屏蔽层单端接地要求时,应采用有绝缘隔层的双层屏蔽,外屏蔽层应至少在两端做等电位连接。尤其是室外信号和电源线路更应做好线路屏蔽。当线路穿越防雷区时,应采用金属线夹等措施将屏蔽层进行等电位连接并良好接地。

③安全距离,一般情况下,对干扰磁场敏感的信息设备应放置在机房中央远离引下线的部位,对干扰磁场敏感的线路亦应敷设在远离引下线的部位,当无法满足安全距离要求时,应对信息设备和线路进行屏蔽。

5 结束语

当建筑物遭受到直接雷击,雷电流沿防雷装置泄放入地过程中,在建筑内部空间存在干扰磁场,引下线附近尤为强烈。大量使用的耐压低,敏感性高,抗扰度低的微电子产品在雷电环境中极易损坏,防雷设计前,应对建筑物内空间干扰场强进行评估,并结合信息设备的抗扰性确定安全距离。当采取前述格栅形空间屏蔽措施实施屏蔽时,应对建筑物内空间干扰场强进行重新评估,确定线路敷设和设备摆放的安全距离。

[1] (GB50057-94).《建筑物防雷设计规范》[S].

[2] IEC61024-1-2.

[3] (GB/T2887-2000).电子计算机场地通用规范[S].

T M864

B

1003-6598(2010)增刊-0193-03

2010-09-10

张逸 (1982-),男 (侗族),助工,主要从事防雷减灾工作。