基于中波廣播信號測量法的建筑物雷電電磁脈沖屏蔽效能分析

羅佳俊 郭 光 吳志輝

基于中波廣播信號測量法的建筑物雷電電磁脈沖屏蔽效能分析

羅佳俊1郭 光2吳志輝2

（1. 深圳市盾牌防雷技術有限公司，廣東 深圳 518132；2. 珠海市斗門區公共氣象服務中心，廣東 珠海 519125）

本文提出使用調幅/調頻（AM/FM）場強儀測試中波信號電平，計算建筑物對雷電電磁脈沖（LEMP）的屏蔽效能。選取兩個不同頻點的中波電臺模擬LEMP信號源，測量建筑物不同垂直和水平空間的信號電平，計算屏蔽效能值及衰減量。對測試數據進行線性回歸分析，結果表明垂直空間上頂樓的LEMP衰減量最大，水平空間內距離門窗等屏蔽網格越遠，信號衰減量越大。測試還發現，衰減量與信號頻率、測試高度正相關。試驗結論可為電子信息系統的LEMP屏蔽設計、屏蔽效能檢測提供理論數據和應用支持。

中波廣播信號測量法；信號電平；屏蔽效能；衰減量；線性回歸

0 引言

電磁屏蔽按原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。近場中，低電壓大電流干擾以磁場為主[1]。文獻[2-3]研究雷電電磁脈沖（lightning electro- magnetic pulse, LEMP）屏蔽時，以磁場屏蔽為主要研究方向。LEMP屏蔽是雷電防護系統設計中非常重要的措施之一，設計目的是為電涌和磁場干擾耐受等級低的靈敏設備提供全面保護[4]。因此LEMP屏蔽以磁場屏蔽為主，工程中采用高磁導率的金屬材料，屏蔽效果更好。

LEMP屏蔽通常分為兩種：①空間屏蔽，主要衰減直接雷擊或鄰近雷擊在雷電防護區（lightning protection zone, LPZ）中產生的電磁場，并減小內部電涌；②內部線路屏蔽，利用鎧裝屏蔽線纜或線纜穿金屬管減少感應進入設備的電涌。

本文研究建筑物墻體等自然屏蔽結構對LEMP的屏蔽效能。雷擊建筑物時格柵型屏蔽網格內產生的磁場隨網格尺寸和距離的變化規律表明，網格越密，屏蔽效能越好，但當距離超過3m后，屏蔽網格尺寸對磁場大小的抑制已可以忽略[4]。因此，網格尺寸對屏蔽效能的影響不在本文的研究范圍內。

目前建筑物LEMP屏蔽的設計、施工和檢測僅停留在屏蔽體材料、網格尺寸、接地和等電位等幾個要素，不能直觀地展示建筑物框架結構或者專用屏蔽體對LEMP的屏蔽效果。文獻[5]第6.3.2條給出了對屏蔽效率未做試驗和理論研究時，磁場強度的衰減計算公式，但是計算復雜，不利于實際操作和屏蔽效能檢測。文獻[6]附錄F給出磁場測量和屏蔽效率的計算公式，其測量方法包含雷電流發生器法、浸入法、大環法、中波廣播信號測量法四種方法。受設備和現場條件限制，中波廣播信號測量法是最為簡易和經濟的測量方法。本文測試數據均采用中波廣播信號測量法獲得。

1 中波廣播信號測量法

文獻[7-8]對五種雷電波函數模型進行傅里葉變換，通過分析不同雷電流波形得出雷電頻譜主要分布在1MHz以內，但雷電流的能量主要集中在低頻段，在0～20kHz的頻段內集中了絕大部分能量。文獻[9]通過三維雷電探測數據證明，正地閃和負地閃頻譜相似，箭式先導頻譜集中在100kHz以上。文獻[10]通過研究浪涌保護器的殘壓波頻譜分布，證明8/20ms波形能量的頻譜主要集中在20kHz以下。文獻[11]通過人工觸發閃電觀測雷電流頻譜發現，90%以上的幅值累積和99.999%以上的能量累積分布在0～1MHz。中波廣播頻段的頻率范圍為525.5～1 605.5kHz[12]。上述研究表明，中波廣播信號與雷電波的頻率分布有重疊頻段。因此，中波廣播信號可部分替代雷電波作為信號源，用調幅（ampli- tude modulation, AM）/調頻（frequency modulation, FM）場強儀測量信號電平，從而計算出屏蔽效能。

1.1 利用場強儀電平值計算屏蔽效能的可行性

以當地中波廣播頻點對應的波頭作為信號源，將信號接收機天線分別置于建筑物內外，分別測試信號強度0和1。利用式（1）計算屏蔽效能[6]E。

式中：E為屏蔽效能（dB）；0為無屏蔽處信號電勢（V）；1為有屏蔽處信號電勢（V）。

AM/FM場強儀測量的信號電平值是以1mV為0dB作為參考標準，單位是dBmV。則計算屏蔽效能所需的參數與AM/FM場強儀測得的信號電平值的換算關系為

式中：ref=1mV。

式（2）可以將場強儀測量數據的單位由dBmV轉換為V，以滿足式（1）的要求。則有

無屏蔽處的信號電勢為

有屏蔽處的信號電勢為

將式（4）、式（5）代入式（1）得

由式（6）可知，屏蔽效能可直接轉化為由AM/ FM場強儀測得的無屏蔽與有屏蔽處信號電平的差值，不再需要按照式（1）計算，使屏蔽效能計算更加簡單。

1.2 場強儀天線系數、電纜及附件引入損耗的影響

計算屏蔽效能除采用電平值外，還可將式（1）中的電勢改為磁場強度（A/m）或者電場強度（V/m）。

無線電信號場強測量方法中要求對電磁輻射遠場區的電場分量進行測量，通用單位為dBmV/m。

電壓電平值與電場強度測量值的轉換關系為[13]

式中：f為信號電場強度測量值（dBmV/m）；為接收天線系數（dB/m）；為連接電纜及其附件引入的衰減值（dB）；為測量儀器測得的電壓電平值（dBmV）。

由式（6）可知，當測量值單位是dBmV時，屏蔽效能是兩個測量值的差值；由式（7）可知電場強度測量值與電壓電平值是線性關系，天線系數與連接電纜及其附件引入的衰減值均為常數。

屏蔽效能為

因此，當以電場強度測量值（dBmV/m）計算屏蔽效能時可以直接轉化為電平值（dBmV）計算屏蔽效能。這樣做的好處是在測試過程中可以忽略天線系數、連接電纜及其附件等引入的損耗等常數，使測量變得簡單。

1.3 中波廣播信號測量法的要求

測試時，場強儀應采用測量電磁場的標準有源環形天線，測量范圍20kHz～30MHz，它可以將接收到的中波信號放大。當天線在室外時，環形天線設置高度0.6～0.8m；當天線在室內時，其高度應與室外布置同高，并置在距外墻或門窗3～5m遠處[6]。為了更好地評估被保護設備所處的屏蔽環境，天線架設高度不應該超過被保護設備的高度。

通過場強儀的頻譜掃描功能，獲取當地中波電臺信號頻譜如圖1所示。為便于研究屏蔽效能的規律，選擇1MHz兩側兩個電平值最高的頻率作為信號源，且戶外信號電平在60dBmV以上。

圖1 中波信號頻譜

2 中波信號電平的采集和分析

文獻[14]的研究成果表明，建筑物對雷電磁場起屏蔽作用的不是電阻率很高的混凝土，而是混凝土中的鋼筋網格。因此，為使研究結論具有普遍性，選取城市中常見的鋼筋混凝土框架結構建筑物作為研究對象。測試地點位于珠海市斗門區，選取702kHz（中國國際廣播電臺）、1 062kHz（珠江經濟廣播電臺）作為信號源。某建筑物位于一座小山旁邊，小山高度約等于10層樓的高度。該建筑物共有11層，1層為架空層，樓頂有高1.5m的女兒墻，樓頂除女兒墻外沒有其他物體。在1層、5層、9層、10層、11層、樓頂分別測試無屏蔽時的信號電平和距離陽臺推拉門1m、2m和3m時的信號電平，從而計算出不同樓層和距離下的屏蔽效能。其中陽臺推拉門的尺寸為3m×2.5m，由于目前框架結構的建筑物，外柱間距一般為6m，層高不超過6m，由此組成的法拉第籠網格尺寸與中波波長（以1MHz頻率為例，波長=/=3.0×108/106m=300m）相比可以忽略不計。因此，不考慮其他方位的門窗尺寸對實驗數據的影響。電平測量界面如圖2所示。

圖2 電平測量界面

根據屏蔽效能與衰減量的關系，推導出衰減量的公式并計算衰減量，從而直觀地展示建筑物本體結構對信號的衰減規律。

由于中波信號白天受電離層影響，主要以地面波傳播為主[15]，地面上的物體會對信號產生衰減，另外由于測試時間長，不同時間段接收的中波信號強度有微小變化，但是不影響整體數據的分析。

根據文獻[6]中附錄F.3屏蔽效率與衰減量的對應表和式（3），可以推導出屏蔽效能和衰減量之間的關系為

式中：為衰減量。

2.1 702kHz信號下的屏蔽效能及衰減量分析

1）不同樓層、位置的信號電平測量

702kHz中波信號的電平測試數據見表1。文獻[16]研究了中波途經建筑物空間畸變的影響因素，分別有建筑物高度、發射臺距離和建筑物形狀等。因此，受1樓架空層的影響，1m水平距離的信號電平高于室外；受建筑物旁邊小山影響，10層測試點的信號電平略有下降。以上環境因素不影響信號整體變化趨勢及研究結論。

表1 702kHz中波信號的電平測試數據

表1顯示，在垂直空間上無屏蔽空間信號強度隨著樓層的升高而呈變大趨勢，樓頂的信號強度最大。在水平空間上，信號強度隨著與陽臺推拉門距離的增加而呈減小趨勢。

2）不同樓層、位置的信號屏蔽效能變化規律

根據式（6）及表1計算各測試點的屏蔽效能值。

不同樓層、距離下的屏蔽效能如圖3所示，垂直空間上屏蔽效能隨著樓層高度的升高而呈增大趨勢，樓頂信號沒有衰減。水平空間上，同一樓層距離陽臺推拉門越遠，屏蔽效能越大，反之屏蔽效能越小。距離3m時11層屏蔽效能最高。這表明當附近發生閃電時，在無屏蔽空間的樓頂產生的LEMP是最強的。同一個樓層，與門窗等大網格的距離越遠，信號強度越小，屏蔽效能越大。

圖3 不同樓層、距離下的屏蔽效能（702kHz）

3）不同樓層、位置的屏蔽效能的線性回歸

對不同樓層不同位置的屏蔽效能做線性回歸處理得到擬合曲線如圖4所示，從而得到屏蔽效能的變化規律。距離陽臺推拉門3m距離時，得到的線性回歸方程擬合度最好，公式為=2.057 3+2.047 7，2=0.980 5。式中，為屏蔽效能，為樓層。2是擬合優度，其值越接近1，擬合度越好。

圖4 不同樓層、距離下的屏蔽效能線性回歸曲線（702kHz）

4）不同樓層、位置的信號衰減量變化規律

根據式（11）及表1計算出各測試點的信號衰減量。

不同樓層、距離下的信號衰減量如圖5所示，信號在水平空間上和垂直空間上的衰減量規律與屏蔽效能一致。垂直空間上隨著高度增加衰減量呈增大趨勢；水平空間上隨著距離的增加衰減量也呈增大趨勢。11層衰減量最大，樓頂信號沒變化。

圖5 不同樓層、距離下的信號衰減量（702kHz）

2.2 1 062kHz信號下的屏蔽效能及衰減量分析

1）不同樓層、位置的信號電平測量

1 062kHz中波信號的電平測試數據見表2。受1樓架空層影響，1m水平距離的信號電平高于室外；受建筑物旁邊小山影響，10層測試點的信號電平略有下降。以上與702kHz信號實驗規律一致，環境因素不影響信號整體變化趨勢及研究結論。

表2 1 062kHz中波信號的電平測試數據

由表2可知，在垂直空間上信號強度隨著樓層的升高而呈增大趨勢，樓頂的信號強度最大。在水

平空間上，信號強度隨著與陽臺推拉門距離的增加而呈減小趨勢。同一個樓層，與門窗等大網格的距離越遠，信號強度越小。測試數據表明，1 062kHz信號電平變化規律與702kHz的信號電平變化規律一致。

2）不同樓層、位置的信號屏蔽效能變化規律

根據式（6）及表2計算各測試點的屏蔽效能值。不同樓層、距離下的屏蔽效能如圖6所示，垂直空間上屏蔽效能隨著樓層高度的升高而呈增大趨勢。距離陽臺推拉門1m時屏蔽效能隨高度變化遠小于距離3m時屏蔽效能隨高度變化。水平空間上，距離陽臺推拉門越遠，屏蔽效能越高。距離3m時11層的屏蔽效能是最高的，為31.8dB，高于702kHz對應的最高屏蔽效能25.4dB。不同位置下1 062kHz信號的屏蔽效能普遍高于702kHz信號的屏蔽效能。

圖6 不同樓層、距離下的屏蔽效能（1 062kHz）

3）不同樓層、位置的屏蔽效能的線性回歸

對不同樓層不同位置的屏蔽效能做線性回歸處理得到擬合曲線如圖7所示，從而得到屏蔽效能的變化規律。距離陽臺推拉門3m距離時，得到的線性回歸方程擬合度最好，公式為=2.966 3-3.437 2，2=0.942。與720kHz的線性回歸擬合曲線比較，擬合優度稍低。

圖7 不同樓層、距離下的屏蔽效能線性回歸曲線（1 062kHz）

兩個頻率的線性回歸方程組合得到以下方程組為

由方程組（12）解得當樓層高于6層時，該建筑物距陽臺推拉門3m處對1 062kHz信號的屏蔽效能高于對720kHz信號的屏蔽效能。

4）不同樓層、位置的信號衰減量變化規律

根據式（11）及表2計算各測試點的信號衰減量。

不同樓層、距離下的信號衰減量如圖8所示，在垂直空間上，衰減量隨著高度的增加而呈增大趨勢。水平空間上，隨著距離的增加，衰減量呈增大趨勢；11層水平距離3m時最大衰減量為97%，高于702kHz對應的最大衰減量95%。

圖8 不同樓層、距離下的信號衰減量（1 062kHz）

3 結論

使用AM/FM場強儀和有源環形天線測量系統通過不同頻率、樓層和距離的信號電平測試，可計算出建筑物對LEMP的屏蔽效能和衰減量，并得出下列結論：

1）對于鋼筋混凝土結構的建筑物，線性回歸的擬合曲線方程表明，屏蔽效能隨著樓層的增高而呈增大趨勢，頂樓的信號衰減量和屏蔽效能最大。電子信息系統的機房布置在頂樓更有利于減少LEMP對電子信息設備的干擾，此時樓頂應做好直擊雷防護措施。

2）相同頻率下，距離門窗等屏蔽網格越遠，屏蔽效能越高。線性回歸擬合優度值表明，距離屏蔽體3m時的擬合優度最高。建議布置設備時，距離門窗或者屏蔽網格3m以上的距離為安全距離。

3）測試兩個頻率的信號電平對比表明，樓層和頻率越高，屏蔽效能也越高。高樓層距離墻壁或者門窗等屏蔽體3m以上距離時，信號的衰減量可以達到90%以上。

4）垂直空間上對信號的衰減遠小于水平空間上對信號的衰減。增加設備到屏蔽網格的水平距離更容易提高屏蔽效能。

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Analysis of building shielding effectiveness against lightning electromagnetic pulse based on medium wave broadcast signal measurement

LUO Jiajun1GUO Guang2WU Zhihui2

(1. Shenzhen DOWIN Lightning Technologies Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518132;2. Zhuhai Doumen District Public Meteorological Service Center, Zhuhai, Guangdong 519125)

In this paper, it is proposed to use the amplitude modulation (AM)/frequency modulation (FM) field strength meter to test the medium wave signal level to calculate the shielding effectiveness of the building against the lightning electromagnetic pulse (LEMP). Two different frequency points of medium-wave broadcast stations are selected to simulate LEMP signal source to measure signal level at different vertical and horizontal space of the building. The shielding effectiveness and attenuation amount are calculated. The linear regression analysis of the test data shows that the top floor in the vertical space has the largest attenuation of LEMP, and in horizontal space, the farther away from the window and other shielding grids, the greater the signal attenuation. It is also found that attenuation is positively correlated with signal frequency and test altitude. It provides valuable theoretical data and application support for LEMP shielding design and shielding efficiency detection of electronic system.

medium wave broadcast signal measurement; signal level; shielding effectiveness; attenuation amount; linear regression

2022-05-16

2022-06-07

羅佳俊（1984—），男，廣東深圳人，碩士，工程師，主要從事雷電電磁脈沖防護技術和防護產品的研發工作。