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建筑物电磁屏蔽设计探讨

 吕许君
（东莞市防雷设施检测所，东莞   523009）
【摘  要】文章通过对建筑物顶部机房内电磁环境的分析、环路中感应电压、电流及能量的计算、安全距离和屏蔽网格的选择以及引下线对建筑物LPZ1区内电磁场强度的影响，对建筑物机房电磁屏蔽如何设计提出建议。
【关键词】顶部机房  电磁屏幕设计  引下线对LPZ1区内电磁场强度的影响
 
0前言
在人类生存的环境中有许多自然灾害，如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此，人们总是想方设法进行防御，或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然灾害之一。但就我国而言，过去防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。电气设计人员不重视，其他专业的设计人员更不重视，但雷击所造成的损失却无法轻视。如1989年山东黄岛油库遭受雷击并引起大火，损失惨重。不过以上都只是针对建筑物直击雷防护的一些说法，但随着科技和经济的发展，计算机以及一些高精度高密度的弱电设备的应用已越来越广泛、越来越普及的情况下，建筑物电磁屏蔽越显示出其重要性和紧迫性，设计时就应该将其列入议程里一起商讨。据统计,近年来我国平均每年电子设备因雷电电磁脉冲造成的损失达几十万到几百上千万元,并且这几年有上升的趋势.据资料统计,德国每年平均约有100万次闪电,每年对电子设备的损坏性灾害造成平均约10亿马克的经济损失（大约等于50亿人民币），法国每年平均约有200万次闪电发生，每年雷电灾害造成的经济损失平均达几亿法郎，而全球每年雷击损失约10亿美元。
电磁屏蔽指的是用导电材料减少交变电磁场向指定区域穿透的屏蔽，是减少电磁干扰的基本措施，防止由此产生的电磁场效应对电子信息系统造成损坏，通过对顶部机房内电磁环境和环路中感应电压、电流及能量的计算及安全距离和屏蔽网格的选择等等的分析，总结出建筑物电磁屏蔽设计的一般思路和应注意的问题。
1 顶部机房电磁屏蔽
1.1 建筑物直击雷防护装置接闪时其顶部机房内的电磁环境
当第二类防雷建筑物顶部防直击雷装置接闪时，其首次雷击雷电流参数为：150KA；后续雷击雷电流参数为：37.5KA；则：                                                                                                                                                
LPZ1区的电磁场强度为：
H1 = KH·iO·ω/(dw·)                 (A/m)       
SF= 20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ] （dB）     
dS/1=ω·SF/10                 （m）
dS/2=ω                           （m）    
式中：KH  ——形状系数（1/ m ），取KH=0.01（1/ m ）；
H1  ——LPZ1区空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度（A/m）；
i0   ——雷电流值（A）；
SF ——屏蔽系数（dB）；
ω ——屏蔽网格的宽度（m）；
dS/1; dS/2——LPZ1区内空间距屏蔽层的安全距离（m）；
dw ——被考虑点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离（m）；
dr ——被考虑的点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离（m）；
 
依据以上公式计算得，建筑物顶部直击雷防护装置接闪时，当建筑天面的建筑钢筋网格为5m×5m时，在建筑物首次雷击（25kHz）的情况下，位于LPZ1区空间中心位置的计算如下：
SF = 20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ]≈4.6 dB；
dS/1=ω·SF/10≈2.3m；
H1 = KH·iO·ω/(dw·)≈1899A/m;（相当于23.8Gs）
上式中：ω=5m；dw=2.5m；dl/r=2.5m；
 
依据环路中感应电压、电流及能量的计算公式，当建筑顶部直击雷防护装置接闪时，距离建筑顶层钢筋柱内引下线1 m布置有直径为16mm2，包裹面积为2m×2m的设备供电电源线时，其环路的感应电压和电流计算如下：
= {0.8·—0.8·( + )+0.4· · [(2 /r)/(1+)]
+0.4· · [(2 /r)/(1+)]}·10-6  =[ 2.26 -3.2 +4.26+4.26]×10-6  =7.58×10-6 H
上式中：l =2m；b =2m；r =8mm；
 
开路电压UOC在波头时间T1（10μs）期间，UOC的最大值UOC/max ：
UOC/max =μO·b·ln(1+ / )·KH·(w/!异常的公式结尾)·iO/max/T1 = 2803.9(V)
如果忽略导线的电阻（最坏情况），短路电流为iSC的最大值iSC/max：
    iSC/max=μO·b·ln(1+ / )·KH·(w/!异常的公式结尾)·iO/max/L=357.1A
 
主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800 A/m。因此，当建筑物顶部直击雷装置接闪时，依据上述计算，建筑物顶层机房内的电磁场强度高达1899A/m相当于23.8Gs，远远大于标准所规定的大于800 A/m的磁场干扰强度，因此，必须对建筑物进行金属网格屏蔽。
从上述计算还可以看出，当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时，其机房内部（LPZ1区）电源线、信号线及其相应的接地线所包裹的环路中的开路电压UOC是非常大的，足以造成设备的损坏。如本文二部分定义的机房，其开路电压最大值UOC/max为2803.9V，远高于电子信息设备（I类设备）的1500V的耐压。而在实际的机房布线时，其电源线、信号线及其相应的接地线所包裹的环路远大于这个尺寸。因此，在考虑建筑物金属网格屏蔽的同时，还需要考虑机房内电源、信号线路的雷电电磁脉冲在线路上产生的过电压的防护，需对线路采取相应的屏蔽措施，并安装相应等级的电涌保护器（SPD）。 
1.2 建筑顶部机房内设备安全距离的选择
我们会发现在LPZ1区存在两个安全距离的参数dS/1和dS/2，dS/1为雷电击中格栅形大空间屏蔽以外或附近的情况下LPZ1区内距屏蔽层的安全距离；dS/2为雷电直接击中格栅形大空间屏蔽上的情况下LPZ1区内距屏蔽网格的安全距离。对于利用建筑物柱内钢筋和板筋做屏蔽网格的建筑物，其屏蔽层与屏蔽网格均为建筑物板筋和柱内钢筋，那么安全距离到底选择哪一个值呢？dS/1和dS/2的计算如下：
dS/1=ω·SF/10 ；dS/2=ω
SF ——屏蔽系数（dB）；
ω ——屏蔽网格的宽度（m）；
 
通过上式可以看出：当屏蔽系数SF<10 dB时，dS/1<dS/2；
当屏蔽系数SF=10 dB时，dS/1=dS/2；
当屏蔽系数SF>10 dB时，dS/1>dS/2；
而SF =20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ]是一个与屏蔽网格的宽度ω有关的值，经计算，当屏蔽系数SF=10 dB时，屏蔽网格的宽度ω≈2.65 m，既当屏蔽网格的宽度ω≥2.65 m时，应当选取dS/1值作为安全距离；当屏蔽网格的宽度ω<2.65 m时，应当选取dS/2值即网格宽度ω作为安全距离。也就是说，在安全距离的选择上我们总是选择最大的安全距离以保证机房内电子信息设备的安全。
通常情况下，对于设立在建筑物顶部的电子信息设备机房，我们只考虑当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时的电磁场环境，因为此时机房内部（LPZ1区）的磁场强度要大于建筑物附近雷击时的磁场强度，而此时为保证机房内设备的安全，节约机房的使用面积，采用金属网格对建筑物进行屏蔽时所选用的屏蔽网格宽度是远小于2.65 m的，所以在工程我们一般选取dS/1值作为安全距离。
1.3 建筑顶部机房设备内部的电磁环境
按照防雷保护区的划分法，建筑物顶部机房空间相当于LPZ1区，而此空间内的设备因受到设备金属框架的网格屏蔽作用，空间电磁场强度会进一步衰减，设备内部相当于LPZ2区。在本文2部分定义的机房内，当有一高度为2m、长1m、宽0.5m的设备时，其设备内部的磁感应强度的计算如下：
H1 = KH·iO·ω/(dw·  ≈1899A/m;
SF =20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ] ≈12.6 dB；
H2 = H1/10SF/20≈446 A/m;（相当于5.6Gs）
 
根据1971年美国通用研究公司家的R.D希尔的仿真实验，当雷电活动时磁感应强度Bm=0.7Gs时，无屏蔽的计算机会产生误动，当磁感应强度Bd=2.4Gs时，没有屏蔽的计算机系统将遭致永久性损坏。这一实验表明了现代电子信息设备的脆弱性。然而在现实的工程案例中几乎不存在完全“裸露”的电子信息设备，因此在工程设计中不应该选择2.4Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计，而应该按10Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计。
当主机房内的磁场干扰环境强度按照800 A/m，也就是10Gs进行设计时应该注意：摆放在此机房空间内的设备，就算受到设备金属框架的网格屏蔽作用，空间电磁场强度有所衰减，对设备而言仍然是不安全的。小于10Gs的磁感应强度虽然不足以损坏设备，但是会缩短设备的正常使用寿命，并且从机房内场地合理利用的角度讲，也需要采用金属网格对机房进行电磁屏蔽。下面在建筑物屏蔽网格的选择中我们将分析这一问题。
1.4 建筑物屏蔽网格的选择
依据屏蔽、接地和等电位连接的要求中关于LPZ1区内电磁场强度的计算公式，对建筑物采取电磁屏蔽措施的时候，主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800 A/m，即不大于10Gs，对于无金属网格做电磁屏蔽的建筑物，经计算此时LPZ1区内的安全距离Sa≈3.96 m.。显然，从机房内场地合理利用的角度讲这是不经济的。并且只适用与面积大于140 m2的电子计算机机房，对于面积小于140 m2的电子计算机机房（如移动、联通、铁路等的机站）这是无法接受的。因此必须对建筑物采用金属网格做电磁屏蔽。那么该如何合理的对建筑物进行电磁屏蔽呢？
 
对于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用1m×1m金属网格做屏蔽时：
SF =20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ]≈17.91  dB
H1 = KH·iO·ω/(dw·≈379 A/m （相当于4.8Gs）
dS/1=ω·SF/10  =1.79  m
这对面积大于140 m2的电子计算机机房是合适的。如若机房内的设备无金属框架或者机房的面积较小只有几十平方米，则需要用更小的金属网格对建筑物进行屏蔽。
 
对于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用0.4 m×0.4 m金属网格做屏蔽时：
SF =20·log[（8.5/ω）/ !异常的公式结尾 ]  =26.55 dB
H1 = KH·iO·ω/(dw· ≈152 A/m （相当于1.9Gs）
dS/1=ω·SF/10  ≈1m
此时的设备摆放安全距离dS/1约为1m，是最佳屏蔽效果。如此的设置可大大节约建筑物机房内的空间使用率，是解决建筑物顶部机房问题的最好方法。
2 引下线对建筑物LPZ1区内电磁场强度的影响
2.1 建筑物顶部通过建筑物直击雷防护装置接闪时，按照IEC推荐的雷电流的分布概率，80%的雷电流峰值为30～50KA，我们假设此时雷电流参数为：40KA，若此建筑物由10条柱内钢筋组做引下线，则每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为4KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800 A/m的电磁场界面的位置Sa为：
Sa=（u0/2π）·（I0/B）=［（4π×10-7）/2π］·［（4×103）/（10×10-4）］=0.8m
Sa=1/2πH0=（4×103）/（2π×800）=0.8m
Sa即设备在LPZ1摆放时距离引下线的最小安全距离。
2.2 同样情况，若此建筑物不是使用柱内钢筋组做引下线，而是独立设置引下线，假设引下线有4条，则依据前述例子，每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为10KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800 A/m的电磁场界面的位置为：
Sa=（u0/2π）·（I/B）=［（4π×10-7）/2π］·［（10×103）/（10×10-4）］=2m
Sa=1/2πH=（10×103）/（2π×800）=2m
由此可见，这样做对面积较小的电子计算机机房是不经济的。
2.3 当建筑物遭受直击雷时，雷电流的95%沿着建筑物的外墙引下线流入地，而在建筑物中间的柱子流过的电流约为5%；因此，在分析时我们一般只考虑建筑外层柱内钢筋组的数量。值得一提的是：选择建筑物内层柱内钢筋组做建筑的电气接地干线时，可大大降低雷击时在该接地干线上产生过高的雷击电压。
3 结论
  综上所述，对于多层建筑或高层建筑物中的电子信息设备机房来说，机房不宜设计在建筑物顶部，宜设于第二、三层，如因条件限制需要设计在建筑物顶部时，必须用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作。对于面积大于140 m2的电子信息设备机房，金属网格的宽度不宜小于1m×1m。对面积较小只有几十平方米的电子信息设备机房，要达到有效利用机房面积的目的，则需使用0.4 m×0.4 m金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。对于引下线的选择，宜使用建筑物柱内钢筋组做引下线，而不宜独立设置引下线。
 
参考文献
1、  《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版），中华人民共和国机械工业部主编，中国计划出版社出版（北京市），2001年2月第二版。
2、  《电子计算机机房设计规范》GB50174-93，中华人民共和国电子工业部主编，中国计划出版社出版，1993年9月1日。
3、  《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004，四川省建设厅主编，中国建筑工业出版社出版、发行（北京市），2004年5月第一版。
4、  虞昊  臧庚媛  赵大铜《现代防雷技术基础》，气象出版社，1997年1月