建筑物屏蔽效能綜合分析研究

劉林 劉為

湖南省氣象災害防御技術中心

一、引言

隨著現代科技發展，各類電子設備得到了廣泛應用，耐壓低、靈敏度高的設備投入使用頻率越來越高。在雷電流的強大電磁脈沖下，其承受的雷電災害風險損失也越來越高。2015年6月，粵東某大型A級通信大樓IDC數據機房發生雷擊事故，造成電源跳閘，直接影響200多臺服務器工作異常，故障歷時約1個小時，給通信服務造成了較大影響[1]。2009年6月，嘉興市行政中心遭受雷擊，造成樓宇控制系統癱瘓，大量電子設備損壞，直接經濟損失65萬余元[2]。近年來的雷災事故表明：新型電子設備在雷電作用下，呈現出受損范圍廣、系統易癱瘓、經濟損失大的特點，因此，做好電子信息設備雷電防護，顯得越來越重要和緊迫。

建筑電磁屏蔽是對需要隔離電磁波干擾和防止電磁波外泄的建筑物所采取的建筑技術措施，能夠防止外來雷電電磁波干擾，有效保證電子設備安全，避免和減少雷電災害損失。文章以長沙磁浮工程長沙南站為例，利用相關電子設備損失類型實驗結論，對雷擊在建筑物附近和建筑物上的磁場分布進行了計算分析，提出防范電子設備各類損失的屏蔽需求，同時結合設備所在位置，提出優化的屏蔽方案。

二、長沙南站周邊建構筑設施雷擊電磁屏蔽防護分析

（一）電子信息系統設備損失類型安全閥值

根據美國通用研究公司的研究結果（GBT21431-2008），磁場強度為0.07GS時，可以造成計算機誤動作，磁場強度為2.4GS時，可以造成計算機元件永久損壞，本次運算取上述結果作為驗算標準，計算機誤動作對應H1=0.07GS，約為5.55A/m，永久損壞對應H1=2.4GS，約為190.2A/m。

（二）項目與周邊建構筑設施雷擊電磁分布計算

根據GB50343-2012，建筑物接閃后LPZ0區內磁場強度參照下式進行計算：

H0 = i0/(2πsa)

式中：i0----雷電流幅值（A），取歷史最大雷電流值363.5＊103A；

sa----從雷擊點到屏蔽空間中心的距離（m）。

結合美國通用研究公司的研究結果，可以得出電子信息系統各類損壞類型風險臨界范圍計算公式：

sa= i0/(2πH1)

式中H1為美國通用研究公司的研究結果臨界值，計算結果見下表：對于項目內安裝有重要設備的路段和建筑，應根據其承受風險的能力，防范周邊一定范圍內具有明顯引雷作用的設施和建筑直接雷擊情況下對項目的磁場影響。對于項目周邊具有重要敏感電子信息系統的場所，應指導其加強雷電防護，避免應項目遭受直接雷擊而對其電子信息系統造成影響和破壞。

表1 不考慮屏蔽情況下電子信息系統各類損壞類型風險對應的臨界范圍

（三）項目與周邊建構筑設施雷擊電磁屏蔽防護需求

考慮屏蔽情況下，假設將各類損壞控制在50、100和200m范圍，計算其最小屏蔽系數。

在LPZ1區內磁場強度按下式計算

式中SF為屏蔽系數。

有屏蔽系數公式：SF=20lg(i0/(2πsaH1)

計算結果見下表：

表2 控制電子信息系統各類損失風險的屏蔽系數要求

三、長沙南站遭受直擊雷的內部磁場影響分析

（一）電子設備損失風險類型分析

選取長沙南站進行雷電電磁環境評估，取售票機房墻面鏤空尺寸進行計算，其尺寸為13.8×4.93m，等效網格寬度W=8.25m。

當計算直擊雷所產生的內部磁場強度影響時，使用下式進行計算：

式中dr ----被考慮的點距LPZ1區屏蔽頂的最短距離

dW ----被考慮的點距LPZ1區屏蔽壁的最短距離

W -----LPZ1區格柵形屏蔽的網格寬

考察站臺層中心位置電磁場環境：取最大雷電流幅值對應值i＝219kA，dW＝10.5m，dr＝2.35m，w＝8.25m。

因此H1=0.01＊219＊103＊8.25/(10.5＊2.350.5)＝1122.47A/m。

考察站廳層中心位置電磁場環境，dW＝10.5m，dr＝8.3m，w＝8.25m。

此時H1=0.01＊219＊103＊8.25/(10.5＊8.30.5)＝597.27A/m。

考察地面層中心位置電磁場分布情況，dr＝10.5m，dW＝17.15m，w＝8.25m。

此時磁場強度為：H1=0.01＊219＊103＊8.25/(10.5＊17.150.5)＝415.50A/m。

從上面分析可知，當長沙南站遭受直接雷擊時，各層設備均有永久性損壞的風險。若要控制其風險在安全范圍，需增加相應的屏蔽措施，主要方法有減小LPZ1區屏蔽網格尺寸和增加LPZ2的屏蔽效能。

（二）屏蔽方案比較

假設使用減小LPZ1區屏蔽網格尺寸的方法降低雷擊電磁損壞風險，要使站臺層中心位置電磁場強度達不到永久性損壞標準，屏蔽網格寬度應達到如下要求：

W≤10.5＊2.350.5＊190.2/0.01＊219＊103=1.40

假設使用增加LPZ2的屏蔽效能的方法降低雷擊電磁損壞風險，要使站臺層中心位置電磁場強度達不到永久性損壞標準，在現有LPZ1區等效網格寬度不變的情況下，LPZ2區的屏蔽系數應達到如下要求：

SF≥20lg(1122.47/190.2)=15.42

從上述計算結果來看，前一種方法防范范圍較大，但對等效網格密度要求太高，工程造價較大，而后一種方法造價低、工程簡單，但防護范圍有限，建議采取兩種方法綜合運用的措施來加強防護，

（三）多重屏蔽分區屏蔽要求

在建立兩層屏蔽分區的情況下，假設LPZ1區等效網格寬度降低到2.5米，按照上節所示方法進行計算，站臺層、站廳層、地面層中心位置電磁場強度分別為340.14 A/m、180.99A/m、125.91A/m，較之8.25米等效網格寬度的電磁場強度均有較大的降低，此時站廳層、地面層中心均沒有電子設備永久性損壞的風險，在降低等效網格寬度的基礎上，假設各層中心位置建立為LPZ2區，LPZ2區的屏蔽系數達到10，則站臺層、站廳層、地面層中心位置電磁場強度分別為107.56A/m、57.23A/m、39.82A/m，均能滿足該位置電磁場強度達不到設備永久性損壞的風險。

因此，建議采用減小LPZ1區屏蔽網格尺寸和增加LPZ2的屏蔽效能兩種方式相結合的方法，降低長沙南站遭受直接雷擊的建筑物內設備受強電磁場干擾的損失風險，盡可能降低LPZ1區屏蔽網格尺寸，建設包括重要的儀器設備、敏感設備的LPZ2防雷分區。

結論：從前面的分析可知，利用GB50343，能夠較好地完成雷擊后的建筑物附近和內部磁場計算分析，參考電子信息設備受損類型閾值，可以對控制各類損失風險提出屏蔽系數要求；針對需要保護的電子信息系統所在區域，能夠給出最優化防護建議，以期對電子設備雷電電磁脈保護提供參考。