基于中波廣播信號(hào)測(cè)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(hào)測(cè)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(shù)有限公司，廣東 深圳 518132；2. 珠海市斗門區(qū)公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519125）

本文提出使用調(diào)幅/調(diào)頻（AM/FM）場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)試中波信號(hào)電平，計(jì)算建筑物對(duì)雷電電磁脈沖（LEMP）的屏蔽效能。選取兩個(gè)不同頻點(diǎn)的中波電臺(tái)模擬LEMP信號(hào)源，測(cè)量建筑物不同垂直和水平空間的信號(hào)電平，計(jì)算屏蔽效能值及衰減量。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果表明垂直空間上頂樓的LEMP衰減量最大，水平空間內(nèi)距離門窗等屏蔽網(wǎng)格越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減量越大。測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，衰減量與信號(hào)頻率、測(cè)試高度正相關(guān)。試驗(yàn)結(jié)論可為電子信息系統(tǒng)的LEMP屏蔽設(shè)計(jì)、屏蔽效能檢測(cè)提供理論數(shù)據(jù)和應(yīng)用支持。

中波廣播信號(hào)測(cè)量法；信號(hào)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(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。近場(chǎng)中，低電壓大電流干擾以磁場(chǎng)為主[1]。文獻(xiàn)[2-3]研究雷電電磁脈沖（lightning electro- magnetic pulse, LEMP）屏蔽時(shí)，以磁場(chǎng)屏蔽為主要研究方向。LEMP屏蔽是雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的措施之一，設(shè)計(jì)目的是為電涌和磁場(chǎng)干擾耐受等級(jí)低的靈敏設(shè)備提供全面保護(hù)[4]。因此LEMP屏蔽以磁場(chǎng)屏蔽為主，工程中采用高磁導(dǎo)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(hù)區(qū)（lightning protection zone, LPZ）中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，并減小內(nèi)部電涌；②內(nèi)部線路屏蔽，利用鎧裝屏蔽線纜或線纜穿金屬管減少感應(yīng)進(jìn)入設(shè)備的電涌。

本文研究建筑物墻體等自然屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)LEMP的屏蔽效能。雷擊建筑物時(shí)格柵型屏蔽網(wǎng)格內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨網(wǎng)格尺寸和距離的變化規(guī)律表明，網(wǎng)格越密，屏蔽效能越好，但當(dāng)距離超過3m后，屏蔽網(wǎng)格尺寸對(duì)磁場(chǎng)大小的抑制已可以忽略[4]。因此，網(wǎng)格尺寸對(duì)屏蔽效能的影響不在本文的研究范圍內(nèi)。

目前建筑物L(fēng)EMP屏蔽的設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)僅停留在屏蔽體材料、網(wǎng)格尺寸、接地和等電位等幾個(gè)要素，不能直觀地展示建筑物框架結(jié)構(gòu)或者專用屏蔽體對(duì)LEMP的屏蔽效果。文獻(xiàn)[5]第6.3.2條給出了對(duì)屏蔽效率未做試驗(yàn)和理論研究時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減計(jì)算公式，但是計(jì)算復(fù)雜，不利于實(shí)際操作和屏蔽效能檢測(cè)。文獻(xiàn)[6]附錄F給出磁場(chǎng)測(cè)量和屏蔽效率的計(jì)算公式，其測(cè)量方法包含雷電流發(fā)生器法、浸入法、大環(huán)法、中波廣播信號(hào)測(cè)量法四種方法。受設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)條件限制，中波廣播信號(hào)測(cè)量法是最為簡(jiǎn)易和經(jīng)濟(jì)的測(cè)量方法。本文測(cè)試數(shù)據(jù)均采用中波廣播信號(hào)測(cè)量法獲得。

1 中波廣播信號(hào)測(cè)量法

文獻(xiàn)[7-8]對(duì)五種雷電波函數(shù)模型進(jìn)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(nèi)，但雷電流的能量主要集中在低頻段，在0～20kHz的頻段內(nèi)集中了絕大部分能量。文獻(xiàn)[9]通過三維雷電探測(cè)數(shù)據(jù)證明，正地閃和負(fù)地閃頻譜相似，箭式先導(dǎo)頻譜集中在100kHz以上。文獻(xiàn)[10]通過研究浪涌保護(hù)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(xiàn)[11]通過人工觸發(fā)閃電觀測(cè)雷電流頻譜發(fā)現(xiàn)，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(hào)與雷電波的頻率分布有重疊頻段。因此，中波廣播信號(hào)可部分替代雷電波作為信號(hào)源，用調(diào)幅（ampli- tude modulation, AM）/調(diào)頻（frequency modulation, FM）場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量信號(hào)電平，從而計(jì)算出屏蔽效能。

1.1 利用場(chǎng)強(qiáng)儀電平值計(jì)算屏蔽效能的可行性

以當(dāng)?shù)刂胁◤V播頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波頭作為信號(hào)源，將信號(hào)接收機(jī)天線分別置于建筑物內(nèi)外，分別測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度0和1。利用式（1）計(jì)算屏蔽效能[6]E。

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

AM/FM場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量的信號(hào)電平值是以1mV為0dB作為參考標(biāo)準(zhǔn)，單位是dBmV。則計(jì)算屏蔽效能所需的參數(shù)與AM/FM場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)得的信號(hào)電平值的換算關(guān)系為

式中：ref=1mV。

式（2）可以將場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量數(shù)據(jù)的單位由dBmV轉(zhuǎn)換為V，以滿足式（1）的要求。則有

無屏蔽處的信號(hào)電勢(shì)為

有屏蔽處的信號(hào)電勢(shì)為

將式（4）、式（5）代入式（1）得

由式（6）可知，屏蔽效能可直接轉(zhuǎn)化為由AM/ FM場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)得的無屏蔽與有屏蔽處信號(hào)電平的差值，不再需要按照式（1）計(jì)算，使屏蔽效能計(jì)算更加簡(jiǎn)單。

1.2 場(chǎng)強(qiáng)儀天線系數(shù)、電纜及附件引入損耗的影響

計(jì)算屏蔽效能除采用電平值外，還可將式（1）中的電勢(shì)改為磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）或者電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）。

無線電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法中要求對(duì)電磁輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)分量進(jìn)行測(cè)量，通用單位為dBmV/m。

電壓電平值與電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值的轉(zhuǎn)換關(guān)系為[13]

式中：f為信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值（dBmV/m）；為接收天線系數(shù)（dB/m）；為連接電纜及其附件引入的衰減值（dB）；為測(cè)量?jī)x器測(cè)得的電壓電平值（dBmV）。

由式（6）可知，當(dāng)測(cè)量值單位是dBmV時(shí)，屏蔽效能是兩個(gè)測(cè)量值的差值；由式（7）可知電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值與電壓電平值是線性關(guān)系，天線系數(shù)與連接電纜及其附件引入的衰減值均為常數(shù)。

屏蔽效能為

因此，當(dāng)以電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量值（dBmV/m）計(jì)算屏蔽效能時(shí)可以直接轉(zhuǎn)化為電平值（dBmV）計(jì)算屏蔽效能。這樣做的好處是在測(cè)試過程中可以忽略天線系數(shù)、連接電纜及其附件等引入的損耗等常數(shù)，使測(cè)量變得簡(jiǎn)單。

1.3 中波廣播信號(hào)測(cè)量法的要求

測(cè)試時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)儀應(yīng)采用測(cè)量電磁場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)有源環(huán)形天線，測(cè)量范圍20kHz～30MHz，它可以將接收到的中波信號(hào)放大。當(dāng)天線在室外時(shí)，環(huán)形天線設(shè)置高度0.6～0.8m；當(dāng)天線在室內(nèi)時(shí)，其高度應(yīng)與室外布置同高，并置在距外墻或門窗3～5m遠(yuǎn)處[6]。為了更好地評(píng)估被保護(hù)設(shè)備所處的屏蔽環(huán)境，天線架設(shè)高度不應(yīng)該超過被保護(hù)設(shè)備的高度。

通過場(chǎng)強(qiáng)儀的頻譜掃描功能，獲取當(dāng)?shù)刂胁娕_(tái)信號(hào)頻譜如圖1所示。為便于研究屏蔽效能的規(guī)律，選擇1MHz兩側(cè)兩個(gè)電平值最高的頻率作為信號(hào)源，且戶外信號(hào)電平在60dBmV以上。

圖1 中波信號(hào)頻譜

2 中波信號(hào)電平的采集和分析

文獻(xiàn)[14]的研究成果表明，建筑物對(duì)雷電磁場(chǎng)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(wǎng)格。因此，為使研究結(jié)論具有普遍性，選取城市中常見的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物作為研究對(duì)象。測(cè)試地點(diǎn)位于珠海市斗門區(qū)，選取702kHz（中國國際廣播電臺(tái)）、1 062kHz（珠江經(jīng)濟(jì)廣播電臺(tái)）作為信號(hào)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(cè)試無屏蔽時(shí)的信號(hào)電平和距離陽臺(tái)推拉門1m、2m和3m時(shí)的信號(hào)電平，從而計(jì)算出不同樓層和距離下的屏蔽效能。其中陽臺(tái)推拉門的尺寸為3m×2.5m，由于目前框架結(jié)構(gòu)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(wǎng)格尺寸與中波波長(zhǎng)（以1MHz頻率為例，波長(zhǎng)=/=3.0×108/106m=300m）相比可以忽略不計(jì)。因此，不考慮其他方位的門窗尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。電平測(cè)量界面如圖2所示。

圖2 電平測(cè)量界面

根據(jù)屏蔽效能與衰減量的關(guān)系，推導(dǎo)出衰減量的公式并計(jì)算衰減量，從而直觀地展示建筑物本體結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的衰減規(guī)律。

由于中波信號(hào)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(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，另外由于測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，不同時(shí)間段接收的中波信號(hào)強(qiáng)度有微小變化，但是不影響整體數(shù)據(jù)的分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中附錄F.3屏蔽效率與衰減量的對(duì)應(yīng)表和式（3），可以推導(dǎo)出屏蔽效能和衰減量之間的關(guān)系為

式中：為衰減量。

2.1 702kHz信號(hào)下的屏蔽效能及衰減量分析

1）不同樓層、位置的信號(hào)電平測(cè)量

702kHz中波信號(hào)的電平測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。文獻(xiàn)[16]研究了中波途經(jīng)建筑物空間畸變的影響因素，分別有建筑物高度、發(fā)射臺(tái)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(hào)電平高于室外；受建筑物旁邊小山影響，10層測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)電平略有下降。以上環(huán)境因素不影響信號(hào)整體變化趨勢(shì)及研究結(jié)論。

表1 702kHz中波信號(hào)的電平測(cè)試數(shù)據(jù)

表1顯示，在垂直空間上無屏蔽空間信號(hào)強(qiáng)度隨著樓層的升高而呈變大趨勢(shì)，樓頂?shù)男盘?hào)強(qiáng)度最大。在水平空間上，信號(hào)強(qiáng)度隨著與陽臺(tái)推拉門距離的增加而呈減小趨勢(shì)。

2）不同樓層、位置的信號(hào)屏蔽效能變化規(guī)律

根據(jù)式（6）及表1計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)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(shì)，樓頂信號(hào)沒有衰減。水平空間上，同一樓層距離陽臺(tái)推拉門越遠(yuǎn)，屏蔽效能越大，反之屏蔽效能越小。距離3m時(shí)11層屏蔽效能最高。這表明當(dāng)附近發(fā)生閃電時(shí)，在無屏蔽空間的樓頂產(chǎn)生的LEMP是最強(qiáng)的。同一個(gè)樓層，與門窗等大網(wǎng)格的距離越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)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(duì)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(guī)律。距離陽臺(tái)推拉門3m距離時(shí)，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(yōu)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(hào)衰減量變化規(guī)律

根據(jù)式（11）及表1計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)衰減量。

不同樓層、距離下的信號(hào)衰減量如圖5所示，信號(hào)在水平空間上和垂直空間上的衰減量規(guī)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(shì)；水平空間上隨著距離的增加衰減量也呈增大趨勢(shì)。11層衰減量最大，樓頂信號(hào)沒變化。

圖5 不同樓層、距離下的信號(hào)衰減量（702kHz）

2.2 1 062kHz信號(hào)下的屏蔽效能及衰減量分析

1）不同樓層、位置的信號(hào)電平測(cè)量

1 062kHz中波信號(hào)的電平測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。受1樓架空層影響，1m水平距離的信號(hào)電平高于室外；受建筑物旁邊小山影響，10層測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)電平略有下降。以上與702kHz信號(hào)實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致，環(huán)境因素不影響信號(hào)整體變化趨勢(shì)及研究結(jié)論。

表2 1 062kHz中波信號(hào)的電平測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可知，在垂直空間上信號(hào)強(qiáng)度隨著樓層的升高而呈增大趨勢(shì)，樓頂?shù)男盘?hào)強(qiáng)度最大。在水

平空間上，信號(hào)強(qiáng)度隨著與陽臺(tái)推拉門距離的增加而呈減小趨勢(shì)。同一個(gè)樓層，與門窗等大網(wǎng)格的距離越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度越小。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，1 062kHz信號(hào)電平變化規(guī)律與702kHz的信號(hào)電平變化規(guī)律一致。

2）不同樓層、位置的信號(hào)屏蔽效能變化規(guī)律

根據(jù)式（6）及表2計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)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(shì)。距離陽臺(tái)推拉門1m時(shí)屏蔽效能隨高度變化遠(yuǎn)小于距離3m時(shí)屏蔽效能隨高度變化。水平空間上，距離陽臺(tái)推拉門越遠(yuǎn)，屏蔽效能越高。距離3m時(shí)11層的屏蔽效能是最高的，為31.8dB，高于702kHz對(duì)應(yīng)的最高屏蔽效能25.4dB。不同位置下1 062kHz信號(hào)的屏蔽效能普遍高于702kHz信號(hào)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(duì)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(guī)律。距離陽臺(tái)推拉門3m距離時(shí)，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(yōu)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(gè)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(dāng)樓層高于6層時(shí)，該建筑物距陽臺(tái)推拉門3m處對(duì)1 062kHz信號(hào)的屏蔽效能高于對(duì)720kHz信號(hào)的屏蔽效能。

4）不同樓層、位置的信號(hào)衰減量變化規(guī)律

根據(jù)式（11）及表2計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)衰減量。

不同樓層、距離下的信號(hào)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(shì)。水平空間上，隨著距離的增加，衰減量呈增大趨勢(shì)；11層水平距離3m時(shí)最大衰減量為97%，高于702kHz對(duì)應(yīng)的最大衰減量95%。

圖8 不同樓層、距離下的信號(hào)衰減量（1 062kHz）

3 結(jié)論

使用AM/FM場(chǎng)強(qiáng)儀和有源環(huán)形天線測(cè)量系統(tǒng)通過不同頻率、樓層和距離的信號(hào)電平測(cè)試，可計(jì)算出建筑物對(duì)LEMP的屏蔽效能和衰減量，并得出下列結(jié)論：

1）對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(shì)，頂樓的信號(hào)衰減量和屏蔽效能最大。電子信息系統(tǒng)的機(jī)房布置在頂樓更有利于減少LEMP對(duì)電子信息設(shè)備的干擾，此時(shí)樓頂應(yīng)做好直擊雷防護(hù)措施。

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

3）測(cè)試兩個(gè)頻率的信號(hào)電平對(duì)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(shí)，信號(hào)的衰減量可以達(dá)到90%以上。

4）垂直空間上對(duì)信號(hào)的衰減遠(yuǎn)小于水平空間上對(duì)信號(hào)的衰減。增加設(shè)備到屏蔽網(wǎng)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?。?984—），男，廣東深圳人，碩士，工程師，主要從事雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)和防護(hù)產(chǎn)品的研發(fā)工作。