建筑物閃電電磁環(huán)境影響評估實踐

許榮華 林永強 孫蔡亮

（莆田市防雷監(jiān)測技術中心，福建 莆田 351100）

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，信息技術已滲透到人類社會生產生活的各個領域，各種信息設備應用范圍廣、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)濟損失逐年增多。當雷電擊中建筑物或建筑物鄰近區(qū)域時，雷電流在建筑物內部或附近地區(qū)產生瞬變磁場，會影響建筑物內電子信息系統(tǒng)設備正常運行。因此，對建筑物閃電電磁環(huán)境影響的評估，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。

1 建筑物概況

某大樓是一個集天氣監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、天氣分析、災害預警、信息發(fā)布、應急決策等功能為一體的智能化程度相對較高的現(xiàn)代氣象業(yè)務平臺，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)大樓施工圖初步設計方案，大樓防雷裝置按第二類防雷建筑物設計，低壓配電電源由建筑物外采用電纜線直接埋地敷設入戶。該大樓主要防雷區(qū)的劃分：大樓主體（鋼筋混凝土）外部為LPZ0區(qū)，其中處于接閃器保護范圍以外的為LPZ0A區(qū)，處于接閃器保護范圍以內的為LPZ0B區(qū)；金屬門窗、鋼筋混凝土構成格柵形大空間屏蔽體內部為LPZ1區(qū)；如果在LPZ1 區(qū)內部房間或設備外加裝屏蔽體，其內部區(qū)域為LPZ2 區(qū)。

大樓建筑主體為鋼筋混凝土框架結構，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；電子信息機房初步設置在大樓第四層，該機房長為17.0m，寬為7.0m，機房設計采取格柵形網(wǎng)格屏蔽措施，屏蔽材料為鋼，屏蔽網(wǎng)格寬為0.3m，網(wǎng)格導體直徑為10mm，距墻體1.0m 處放置各類電子設備。

2 電磁環(huán)境影響風險識別與評估

表1是根據(jù)福建省氣象部門提供的2005—2011年閃電監(jiān)測資料，統(tǒng)計出的大樓所在區(qū)域3km 范圍內最大正負閃電強度。

2005—2011年間大樓建筑物所在區(qū)域3km 范圍內出現(xiàn)的負閃電非常頻繁（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)計結果和最不利原則，雷擊所致的磁場強度最大幅值由首次正極性雷擊產生，結合大樓實際情況，本次評估估算的雷電流值選擇i0=160.4kA，對應的滾球半徑R=271.3m。

表1 大樓所在區(qū)域3km 范圍內最大正負閃電強度

2.1 建筑物發(fā)生鄰近雷擊情況下的建筑物內磁場強度的估算[2]

首次雷擊時，雷電流強度遠大于后續(xù)雷擊時的雷電流強度，因此，本次以首次正極性雷擊評估建筑物內磁場強度的情形。

1971年美國通用研究公司R.D 希爾的仿真試驗通過建立模式得出：由于雷擊電磁脈沖的干擾，對當時的計算機而言，在無屏蔽狀態(tài)下，當環(huán)境磁場強度大于0.07GS時，計算機會誤動作；當環(huán)境磁場強度大于2.4GS時，設備會發(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，本次評估實踐將采用以上環(huán)境磁場強度要求值為依據(jù)。

1）LPZ0 區(qū)磁場強度的估算

雷電擊于建筑物外附近時，入射磁場可近似看作一個平面波，當建筑物或房間無屏蔽時所產生的LPZ0 區(qū)內磁場強度H0，可按下列公式估算[2]：

式中，i0為雷電流，A；Sa為從雷擊點到屏蔽空間中心的水平距離，m。

表2列出了不同雷擊點在大樓建筑物處產生的無衰減磁場強度H0。

從表2可以看出，雷擊點在最近處的271.3m 及較遠處的3000m 時，所產生的磁場強度H0均大于對電子信息系統(tǒng)的磁場強度要求值5.57A/m，所以當在鄰近雷擊時大樓建筑物處產生的無衰減磁場強度，會對大樓無屏蔽空間體內的電子信息系統(tǒng)產生影響，需要對大樓機房進一步采取電子信息系統(tǒng)的防雷防護措施。

表2 不同雷擊點在大樓建筑物處產生的 無衰減磁場強度

2）LPZ1 區(qū)磁場強度的估算

當建筑物或房間有屏蔽時，屏蔽材料為鋼，LPZ1 區(qū)中入射磁場強度H1，可按下列公式估算[2]：

式中，H0為無屏蔽時的磁場強度，A/m；H1為格柵形大空間屏蔽內的磁場強度，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)格導體的半徑，m。

當SF為負值時取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，大樓LPZ1 區(qū)中空間體內的屏蔽系數(shù)SF和磁場強度H1。

從表4中知，當利用大樓建筑物作為自然屏蔽體時，自然引下線最大間距為8.0m 以上時，設在LPZ1 區(qū)內的機房電子設備有可能遭受到閃電電磁脈沖的干擾。

3）LPZ2 區(qū)內磁場強度的估算

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

當SF≥10 時：

當SF＜10 時：

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，建筑物LPZ2 區(qū)內部的磁場強度H2，以及建筑物LPZ2 區(qū)內部電子信息系統(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 不同點雷擊點在大樓LPZ1 區(qū)中空間體內產生的磁場強度

表5 不同雷擊點在建筑物LPZ2 區(qū)內中心點處產生的磁場強度

表6 建筑物LPZ2 區(qū)內部電子信息系統(tǒng)所需的安全距離

大樓建筑物鄰近發(fā)生雷擊的情況下，通過估算，經(jīng)過鋼筋混泥土屏蔽衰減后，建筑物內部磁場強度對于其區(qū)間的影響更小。在大樓的初步設計方案中，設置建筑物LPZ2 區(qū)內并采取了屏蔽措施，在表5中，屏蔽網(wǎng)格寬為0.3m 所對應產生的磁場強度，不會對電子信息機房內設備造成影響而產生誤動作。在建筑物LPZ2 區(qū)內設置電子信息機房，由表6可得出機房內電子設備所需的對應安全距離。

2.2 建筑物直接遭受雷擊時內部磁場強度的估算[2]

1）LPZ1 區(qū)內磁場強度的估算

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，其內部LPZ1區(qū)內安全空間內某點的磁場強度H1按下列公式估算：

式中，H1為安全空間內某點的磁場強度，A/m；dr為所確定的點與LPZ1 屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x，m；dw為所確定的點與LPZ1 屏蔽壁的最短距離，m；kH為典形值取0.01；w為LPZ1 區(qū)格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度，m。

根據(jù)實際情況，本次評估中機房位置的“中心點”dr取3.0m、dw取3.5m；另設當機房設置在“點1”dr取3.0m、dw取1.0m 或“點2”dr取3.0m、dw取6.0m。表7分別給出了中心點及其他點在建筑物LPZ1 區(qū)內格柵形屏蔽網(wǎng)格寬為上述類似取典型值時的磁場強度H1。

表7 直接雷擊在建筑物LPZ1 區(qū)中央間體內產生的 磁場強度H1/（A/m）

從表7中，當機房安裝在LPZ1 區(qū)內，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。當大樓直接遭受雷擊時，產生的磁場強度會對大樓內的電子信息系統(tǒng)產生影響，需要進一步采取電子信息系統(tǒng)的防雷防護措施。

2）LPZ2 區(qū)內磁場強度的估算

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

當SF≥10 時：

當SF＜10 時：

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，建筑物LPZ2 區(qū)內部電子信息系統(tǒng)所需的安全距離，以及建筑物LPZ2 區(qū)內部的磁場強度H2。

表8 直接雷擊在建筑物LPZ2 區(qū)內中心點處產生的 磁場強度及安全距離

（續(xù)）

從表8中，LPZ2 區(qū)內部的磁場強度H2明顯的小于LPZ1 區(qū)內部的磁場強度，通過采取屏蔽防護措施后，磁場強度得到了衰減。

3 結論

考慮到大樓內被保護物的特點、重要性和發(fā)生雷擊的后果，不允許建筑物因遭受雷擊導致計算機產生誤動作，根據(jù)此次的評估數(shù)據(jù)，機房宜選放在LPZ2 區(qū)內或等后續(xù)防護區(qū)的中心部位并采取相應的屏蔽措施，當采用鋼材料時，屏蔽網(wǎng)格寬應不大于0.4m，相對應機房設備距屏蔽體的安全距離應不大于1.03m。綜上，該大樓機房電子信息系統(tǒng)的防閃電電磁干擾的屏蔽措施符合技術要求。

在大樓防雷設計、施工檢測過程中應重視電子信息系統(tǒng)空間磁場雷電防護，還應通過設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器等綜合防雷措施來對電子信息系統(tǒng)進行保護，以減小或避免雷電對電子信息系統(tǒng)的損壞,做到安全可靠、經(jīng)濟合理。

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

[2] 林維勇,黃友根,焦興學,等,GB 50057—2010.建筑物防雷設計規(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)防雷技術規(guī)范[S].2012.

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

[5] 楊仲江.雷電災害風險評估與管理基礎[M].北京:氣象出版社,2010.

[6] 肖穩(wěn)安.防雷工程檢測驗收及雷電災害風險評估[M].北京: 氣象出版社,2009.