建筑物閃電電磁環(huán)境影響評(píng)估實(shí)踐

許榮華 林永強(qiáng) 孫蔡亮

（莆田市防雷監(jiān)測(cè)技術(shù)中心，福建 莆田 351100）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)已滲透到人類社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，各種信息設(shè)備應(yīng)用范圍廣、品種多、數(shù)量大，而因閃電電磁干擾引起的事故尤為突出，造成經(jīng)濟(jì)損失逐年增多。當(dāng)雷電擊中建筑物或建筑物鄰近區(qū)域時(shí)，雷電流在建筑物內(nèi)部或附近地區(qū)產(chǎn)生瞬變磁場(chǎng)，會(huì)影響建筑物內(nèi)電子信息系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行。因此，對(duì)建筑物閃電電磁環(huán)境影響的評(píng)估，找出危害源，采取措施完善電子信息系統(tǒng)閃電電磁環(huán)境影響的防護(hù)。

1 建筑物概況

某大樓是一個(gè)集天氣監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、天氣分析、災(zāi)害預(yù)警、信息發(fā)布、應(yīng)急決策等功能為一體的智能化程度相對(duì)較高的現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)，建筑主體地上8 層，地下1 層，總建筑面積為8933.82m2，建筑高度38.6m。

根據(jù)大樓施工圖初步設(shè)計(jì)方案，大樓防雷裝置按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì)，低壓配電電源由建筑物外采用電纜線直接埋地敷設(shè)入戶。該大樓主要防雷區(qū)的劃分：大樓主體（鋼筋混凝土）外部為L(zhǎng)PZ0區(qū)，其中處于接閃器保護(hù)范圍以外的為L(zhǎng)PZ0A區(qū)，處于接閃器保護(hù)范圍以內(nèi)的為L(zhǎng)PZ0B區(qū)；金屬門窗、鋼筋混凝土構(gòu)成格柵形大空間屏蔽體內(nèi)部為L(zhǎng)PZ1區(qū)；如果在LPZ1 區(qū)內(nèi)部房間或設(shè)備外加裝屏蔽體，其內(nèi)部區(qū)域?yàn)長(zhǎng)PZ2 區(qū)。

大樓建筑主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，利用每根柱子柱筋組成自然引下線，其中柱筋最大間距為9.0m；電子信息機(jī)房初步設(shè)置在大樓第四層，該機(jī)房長(zhǎng)為17.0m，寬為7.0m，機(jī)房設(shè)計(jì)采取格柵形網(wǎng)格屏蔽措施，屏蔽材料為鋼，屏蔽網(wǎng)格寬為0.3m，網(wǎng)格導(dǎo)體直徑為10mm，距墻體1.0m 處放置各類電子設(shè)備。

2 電磁環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

表1是根據(jù)福建省氣象部門提供的2005—2011年閃電監(jiān)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)出的大樓所在區(qū)域3km 范圍內(nèi)最大正負(fù)閃電強(qiáng)度。

2005—2011年間大樓建筑物所在區(qū)域3km 范圍內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)閃電非常頻繁（有1314 次），出現(xiàn)的正閃電情況極少（只有19 次），2006年閃電發(fā)生歷史極端雷電流的情況。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和最不利原則，雷擊所致的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大幅值由首次正極性雷擊產(chǎn)生，結(jié)合大樓實(shí)際情況，本次評(píng)估估算的雷電流值選擇i0=160.4kA，對(duì)應(yīng)的滾球半徑R=271.3m。

表1 大樓所在區(qū)域3km 范圍內(nèi)最大正負(fù)閃電強(qiáng)度

2.1 建筑物發(fā)生鄰近雷擊情況下的建筑物內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算[2]

首次雷擊時(shí)，雷電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于后續(xù)雷擊時(shí)的雷電流強(qiáng)度，因此，本次以首次正極性雷擊評(píng)估建筑物內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的情形。

1971年美國(guó)通用研究公司R.D 希爾的仿真試驗(yàn)通過(guò)建立模式得出：由于雷擊電磁脈沖的干擾，對(duì)當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)而言，在無(wú)屏蔽狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度大于0.07GS時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度大于2.4GS時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)生永久性損壞[1]。按新舊單位換算，0.07GS約為 5.57A/m，2.4GS約為191A/m，本次評(píng)估實(shí)踐將采用以上環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度要求值為依據(jù)。

1）LPZ0 區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算

雷電擊于建筑物外附近時(shí)，入射磁場(chǎng)可近似看作一個(gè)平面波，當(dāng)建筑物或房間無(wú)屏蔽時(shí)所產(chǎn)生的LPZ0 區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，可按下列公式估算[2]：

式中，i0為雷電流，A；Sa為從雷擊點(diǎn)到屏蔽空間中心的水平距離，m。

表2列出了不同雷擊點(diǎn)在大樓建筑物處產(chǎn)生的無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度H0。

從表2可以看出，雷擊點(diǎn)在最近處的271.3m 及較遠(yuǎn)處的3000m 時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0均大于對(duì)電子信息系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度要求值5.57A/m，所以當(dāng)在鄰近雷擊時(shí)大樓建筑物處產(chǎn)生的無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度，會(huì)對(duì)大樓無(wú)屏蔽空間體內(nèi)的電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要對(duì)大樓機(jī)房進(jìn)一步采取電子信息系統(tǒng)的防雷防護(hù)措施。

表2 不同雷擊點(diǎn)在大樓建筑物處產(chǎn)生的 無(wú)衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度

2）LPZ1 區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算

當(dāng)建筑物或房間有屏蔽時(shí)，屏蔽材料為鋼，LPZ1 區(qū)中入射磁場(chǎng)強(qiáng)度H1，可按下列公式估算[2]：

式中，H0為無(wú)屏蔽時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；H1為格柵形大空間屏蔽內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；w為格柵形空間屏蔽網(wǎng)格寬度，m；r為格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑，m。

當(dāng)SF為負(fù)值時(shí)取0。表3、表4分別列出了格柵形空間屏蔽網(wǎng)格寬度取典型值時(shí)，大樓LPZ1 區(qū)中空間體內(nèi)的屏蔽系數(shù)SF和磁場(chǎng)強(qiáng)度H1。

從表4中知，當(dāng)利用大樓建筑物作為自然屏蔽體時(shí)，自然引下線最大間距為8.0m 以上時(shí)，設(shè)在LPZ1 區(qū)內(nèi)的機(jī)房電子設(shè)備有可能遭受到閃電電磁脈沖的干擾。

3）LPZ2 區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算

LPZ2 區(qū)中入射磁場(chǎng)強(qiáng)度H2可按H2=H1/10SF/20公式進(jìn)行估算，這些磁場(chǎng)值僅在格柵形屏蔽內(nèi)部與屏蔽體有一安全距離為ds的安全空間內(nèi)才有效，安全距離（m）可按下列公式估算。

當(dāng)SF≥10 時(shí)：

當(dāng)SF＜10 時(shí)：

表5、表6分別給出了格柵形屏蔽網(wǎng)格寬取上述類似的典型值時(shí)，建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2，以及建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)部電子信息系統(tǒng)所需的安全距離。

表3 格柵形大空間屏蔽材料為鋼的屏蔽系數(shù)SF

表4 不同點(diǎn)雷擊點(diǎn)在大樓LPZ1 區(qū)中空間體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度

表5 不同雷擊點(diǎn)在建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)中心點(diǎn)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度

表6 建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)部電子信息系統(tǒng)所需的安全距離

大樓建筑物鄰近發(fā)生雷擊的情況下，通過(guò)估算，經(jīng)過(guò)鋼筋混泥土屏蔽衰減后，建筑物內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于其區(qū)間的影響更小。在大樓的初步設(shè)計(jì)方案中，設(shè)置建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)并采取了屏蔽措施，在表5中，屏蔽網(wǎng)格寬為0.3m 所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)電子信息機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備造成影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作。在建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)設(shè)置電子信息機(jī)房，由表6可得出機(jī)房?jī)?nèi)電子設(shè)備所需的對(duì)應(yīng)安全距離。

2.2 建筑物直接遭受雷擊時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算[2]

1）LPZ1 區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算

在閃電直接擊在位于LPZ0A區(qū)的格柵形大空間屏蔽或與其連接的接閃器上的情況下，其內(nèi)部LPZ1區(qū)內(nèi)安全空間內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1按下列公式估算：

式中，H1為安全空間內(nèi)某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；dr為所確定的點(diǎn)與LPZ1 屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x，m；dw為所確定的點(diǎn)與LPZ1 屏蔽壁的最短距離，m；kH為典形值取0.01；w為L(zhǎng)PZ1 區(qū)格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度，m。

根據(jù)實(shí)際情況，本次評(píng)估中機(jī)房位置的“中心點(diǎn)”dr取3.0m、dw取3.5m；另設(shè)當(dāng)機(jī)房設(shè)置在“點(diǎn)1”dr取3.0m、dw取1.0m 或“點(diǎn)2”dr取3.0m、dw取6.0m。表7分別給出了中心點(diǎn)及其他點(diǎn)在建筑物L(fēng)PZ1 區(qū)內(nèi)格柵形屏蔽網(wǎng)格寬為上述類似取典型值時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1。

表7 直接雷擊在建筑物L(fēng)PZ1 區(qū)中央間體內(nèi)產(chǎn)生的 磁場(chǎng)強(qiáng)度H1/（A/m）

從表7中，當(dāng)機(jī)房安裝在LPZ1 區(qū)內(nèi)，隨著網(wǎng)格寬度的增大H1也逐漸增大，隨著到屏蔽體距離的減少H1也逐漸增大。當(dāng)大樓直接遭受雷擊時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)對(duì)大樓內(nèi)的電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步采取電子信息系統(tǒng)的防雷防護(hù)措施。

2）LPZ2 區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的估算

LPZ2 區(qū)中入射磁場(chǎng)強(qiáng)度H2可按H2=H1/10SF/20（A/m）公式進(jìn)行估算，這些磁場(chǎng)值僅在格柵形屏蔽內(nèi)部與屏蔽體有一安全距離為ds的安全空間內(nèi)才有效，安全距離（m）可按下列公式估算。

當(dāng)SF≥10 時(shí)：

當(dāng)SF＜10 時(shí)：

表8分別給出了格柵形屏蔽網(wǎng)格寬為上述類似取典型值時(shí)，建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)部電子信息系統(tǒng)所需的安全距離，以及建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2。

表8 直接雷擊在建筑物L(fēng)PZ2 區(qū)內(nèi)中心點(diǎn)處產(chǎn)生的 磁場(chǎng)強(qiáng)度及安全距離

（續(xù)）

從表8中，LPZ2 區(qū)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2明顯的小于LPZ1 區(qū)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)采取屏蔽防護(hù)措施后，磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了衰減。

3 結(jié)論

考慮到大樓內(nèi)被保護(hù)物的特點(diǎn)、重要性和發(fā)生雷擊的后果，不允許建筑物因遭受雷擊導(dǎo)致計(jì)算機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作，根據(jù)此次的評(píng)估數(shù)據(jù)，機(jī)房宜選放在LPZ2 區(qū)內(nèi)或等后續(xù)防護(hù)區(qū)的中心部位并采取相應(yīng)的屏蔽措施，當(dāng)采用鋼材料時(shí)，屏蔽網(wǎng)格寬應(yīng)不大于0.4m，相對(duì)應(yīng)機(jī)房設(shè)備距屏蔽體的安全距離應(yīng)不大于1.03m。綜上，該大樓機(jī)房電子信息系統(tǒng)的防閃電電磁干擾的屏蔽措施符合技術(shù)要求。

在大樓防雷設(shè)計(jì)、施工檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)重視電子信息系統(tǒng)空間磁場(chǎng)雷電防護(hù)，還應(yīng)通過(guò)設(shè)置可靠的等電位連接及屏蔽措施、合理布線、能量配合的浪涌保護(hù)器等綜合防雷措施來(lái)對(duì)電子信息系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以減小或避免雷電對(duì)電子信息系統(tǒng)的損壞,做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 曹和生,吳少豐,匡本賀,等,GB/T 21431—2008.建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].2008.

[2] 林維勇,黃友根,焦興學(xué),等,GB 50057—2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2011.

[3] 王德言,李雪佩,劉壽先,等,GB 50343—2012.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].2012.

[4] 《雷電防護(hù) 第4 部分 建筑物內(nèi)的電氣系統(tǒng)電子系統(tǒng)》GB/T 21714.4—2008/IEC 62305-1: 2006.

[5] 楊仲江.雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理基礎(chǔ)[M].北京:氣象出版社,2010.

[6] 肖穩(wěn)安.防雷工程檢測(cè)驗(yàn)收及雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M].北京: 氣象出版社,2009.