張 逸,林 兵,楊紅新,何慶軍

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

淺析建筑物遭受直擊雷室內(nèi)磁場的變化

張 逸,林 兵,楊紅新,何慶軍

(貴州省銅仁地區(qū)氣象局,貴州 銅仁 554300)

當(dāng)建筑物遭受到直接雷擊,雷電流沿防雷裝置泄放入地過程中,在建筑內(nèi)部空間存在干擾電磁場,引下線附近尤為強(qiáng)烈。該文對這一過程中室內(nèi)磁場進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明：①雷電流強(qiáng)度越大,磁場強(qiáng)度越大;②越靠近頂層,磁場強(qiáng)度越大;③與引下線距離越小,磁場強(qiáng)度越大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,文中提出了相應(yīng)的防護(hù)措施：①當(dāng)磁場強(qiáng)度 ＞800A/m時,應(yīng)做好屏蔽措施,屏蔽網(wǎng)格尺寸應(yīng)符合表中要求;②設(shè)備應(yīng)放置在頂 3層以下,距離引下線距離不宜小于1m。

干擾電磁場;電磁屏蔽;安全距離

1 前言

閃電發(fā)生的時候,在附近空間存在瞬變的電磁場。人類社會進(jìn)入電子信息時代后,各種耐壓低,敏感性高,抗擾度低的微電子器件使用越來越廣泛,電磁感應(yīng)成為了電子產(chǎn)品的致命殺手,做好電磁感應(yīng)防護(hù),對電子設(shè)備的安全起著重要的作用。本文結(jié)合本地區(qū)一重點(diǎn)項(xiàng)目銅仁博物館的情況,對建筑物接閃時在附近產(chǎn)生的電磁場變化進(jìn)行探析,并結(jié)合技術(shù)規(guī)范要求,提出防護(hù)意見,供同行們批評指正。

2 博物館情況

該項(xiàng)目屬于省級重點(diǎn)項(xiàng)目,集室內(nèi)演出、展覽、購物、大型會議于一體,建成后將極大的提升銅仁的旅游形象及服務(wù)能力,受到當(dāng)?shù)攸h委政府的高度重視。博物館長 83.6m,寬 58.4m,高 17.2m,館內(nèi)有全智能消防控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電視、電話、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),任何一項(xiàng)都對過電壓十分敏感,項(xiàng)目對防雷裝置要求非常嚴(yán)格。

3 直接雷擊時內(nèi)部磁場強(qiáng)度的計(jì)算

當(dāng)各建筑物遭受直接雷擊時,依據(jù) GB50057-94(2000)和 IEC61024-1-2,可按如下方法計(jì)算引下線分流系數(shù)：

其中：h1～hn為環(huán)接引下線各環(huán)之間的距離;Cs、Cd為某條引下線頂雷擊點(diǎn)至兩側(cè)最近引下線之間的距離;n為引下線數(shù)量。

按照二類防雷建筑物設(shè)計(jì),則根據(jù) GB50057-94(2000)規(guī)范要求,引下線間距 18m,共設(shè) 16根引下線。環(huán)之間的距離h為樓層高度,取平均值約為4.7m,CS、Cd為 18m可得如下分流系數(shù)：

則建筑物遭受直接雷擊時,根據(jù)雷電流在引下線中的分流情況,可計(jì)算出在不同樓層高度流經(jīng)每條引下線的最大電流強(qiáng)度,并計(jì)算出引下線附近的最大磁場強(qiáng)度,文中僅列出 i0=270KA和 i0=150KA的情況 (表 1、2)。計(jì)算公式參考無限長載流導(dǎo)體磁場強(qiáng)度公式：

i為引下線中的分雷電流強(qiáng)度 (A);Sa為所考慮點(diǎn)至引下線的水平距離 (m)。

首次雷擊時,雷電流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于后續(xù)雷擊時的雷電流強(qiáng)度,因此,以下計(jì)算均討論首次雷擊的情形。

表 1 建筑物遭直接雷擊時流過引下線的雷電流及其周圍磁場強(qiáng)度計(jì)算值(i0=270KA)

表 2 建筑物遭直接雷擊時流過引下線的雷電流及其周圍磁場強(qiáng)度計(jì)算值(i0=150KA)

根據(jù)《電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》(GB/T2887-2000),機(jī)房內(nèi)磁場干擾強(qiáng)度應(yīng)≤800A/m。因此,如果處于建筑物內(nèi)部的機(jī)房離引下線距離太近,其內(nèi)部的磁場強(qiáng)度 ＞800A/m時,需在機(jī)房四周加裝六面體金屬屏蔽網(wǎng)格,使機(jī)房內(nèi)部形成防雷分區(qū)的LPZ2區(qū),加裝的屏蔽網(wǎng)格必須使機(jī)房內(nèi)部的磁場強(qiáng)度滿足 ＜800A/m的要求,并且在盡可能的條件下,越低越好。機(jī)房屏蔽網(wǎng)格所需的屏蔽系數(shù)SF可用下式計(jì)算：

H1—LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度,即建筑物內(nèi)部磁場強(qiáng)度;

H2—LPZ2區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度,即加裝屏蔽網(wǎng)格內(nèi)部上限值為 800A/m,這里取 800A/m進(jìn)行計(jì)算;

依據(jù) GB50057-94和 GB/T 19271.2-2005/IEC TS 61312-2：1999,計(jì)算所需的屏蔽系數(shù)SF及相應(yīng)的屏蔽網(wǎng)格寬度W。

當(dāng)選用的屏蔽網(wǎng)格材料為鋼時,計(jì)算公式如下：

W—格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬 (m);

r—格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑 (m)。安全距離的計(jì)算采用如下公式：

根據(jù)被考慮點(diǎn)距離引下線的不同距離 (典型值1～5m),計(jì)算出該點(diǎn)處所需的屏蔽網(wǎng)格寬度,考慮最惡劣的情況,并兼顧實(shí)用性,計(jì)算時同樣選取了 5個典型雷電流強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,文中例出部分計(jì)算結(jié)果 (表 3、4)。

計(jì)算表格中雷電流強(qiáng)度均為首次雷擊的雷電流強(qiáng)度,網(wǎng)格寬度是按照屏蔽材料為鋼來進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)《電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》GB/T2887-2000,要求機(jī)房內(nèi)磁場干擾場強(qiáng)不大于 800A/m,表格中計(jì)算的所有屏蔽網(wǎng)格寬度依照屏蔽后的場強(qiáng)為 800A/m計(jì)算得出,設(shè)計(jì)機(jī)房的屏蔽網(wǎng)格時,為安全起見,應(yīng)當(dāng)選用小于表格中的屏蔽網(wǎng)格寬度。

表 3 屏蔽網(wǎng)格寬度估算值 (屏蔽材料為鋼)

表 4 屏蔽網(wǎng)格寬度估算值 (屏蔽材料為鋼)

4 防護(hù)措施

①為減少電磁干擾的感應(yīng)效應(yīng),最為有效的方法即采取屏蔽措施。為了減低雷電電磁脈沖對建筑物內(nèi)部電子信息設(shè)備和電氣線路的影響,應(yīng)充分利用建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成法拉第籠以達(dá)到良好屏蔽效果。由建筑物各層外圈梁內(nèi)兩條結(jié)構(gòu)主筋通長焊接構(gòu)成的均壓環(huán)就近與外圍引下線等電位連接而構(gòu)成法拉第籠,法拉第籠屏蔽網(wǎng)格不應(yīng)大于 5m×5m。當(dāng)外墻上的所有金屬門窗、金屬欄桿、幕墻金屬構(gòu)架等就近與均壓環(huán)做等電位連接后,屏蔽網(wǎng)格可達(dá)到不大于 1m×1m。

②線路屏蔽,對處于強(qiáng)干擾磁場環(huán)境的電源和信號線路實(shí)施屏蔽,避免線路環(huán)路上的感應(yīng)浪涌(感應(yīng)電壓和電流)損壞設(shè)備。一般采用帶有金屬屏蔽層的電纜或?qū)⒎瞧帘坞娎|敷設(shè)在金屬屏蔽線槽 (管)內(nèi),金屬屏蔽層應(yīng)保持良好電氣連續(xù)性,并兩端都接地。當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備有屏蔽層單端接地要求時,應(yīng)采用有絕緣隔層的雙層屏蔽,外屏蔽層應(yīng)至少在兩端做等電位連接。尤其是室外信號和電源線路更應(yīng)做好線路屏蔽。當(dāng)線路穿越防雷區(qū)時,應(yīng)采用金屬線夾等措施將屏蔽層進(jìn)行等電位連接并良好接地。

③安全距離,一般情況下,對干擾磁場敏感的信息設(shè)備應(yīng)放置在機(jī)房中央遠(yuǎn)離引下線的部位,對干擾磁場敏感的線路亦應(yīng)敷設(shè)在遠(yuǎn)離引下線的部位,當(dāng)無法滿足安全距離要求時,應(yīng)對信息設(shè)備和線路進(jìn)行屏蔽。

5 結(jié)束語

當(dāng)建筑物遭受到直接雷擊,雷電流沿防雷裝置泄放入地過程中,在建筑內(nèi)部空間存在干擾磁場,引下線附近尤為強(qiáng)烈。大量使用的耐壓低,敏感性高,抗擾度低的微電子產(chǎn)品在雷電環(huán)境中極易損壞,防雷設(shè)計(jì)前,應(yīng)對建筑物內(nèi)空間干擾場強(qiáng)進(jìn)行評估,并結(jié)合信息設(shè)備的抗擾性確定安全距離。當(dāng)采取前述格柵形空間屏蔽措施實(shí)施屏蔽時,應(yīng)對建筑物內(nèi)空間干擾場強(qiáng)進(jìn)行重新評估,確定線路敷設(shè)和設(shè)備擺放的安全距離。

[1] (GB50057-94).《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[2] IEC61024-1-2.

[3] (GB/T2887-2000).電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范[S].

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1003-6598(2010)增刊-0193-03

2010-09-10

張逸 (1982-),男 (侗族),助工,主要從事防雷減災(zāi)工作。