建筑物闪电电磁环境影响评估实践

许荣华 林永强 孙蔡亮

（莆田市防雷监测技术中心，福建 莆田 351100）

随着现代科学技术的发展，信息技术已渗透到人类社会生产生活的各个领域，各种信息设备应用范围广、品种多、数量大，而因闪电电磁干扰引起的事故尤为突出，造成经济损失逐年增多。当雷电击中建筑物或建筑物邻近区域时，雷电流在建筑物内部或附近地区产生瞬变磁场，会影响建筑物内电子信息系统设备正常运行。因此，对建筑物闪电电磁环境影响的评估，找出危害源，采取措施完善电子信息系统闪电电磁环境影响的防护。

1 建筑物概况

某大楼是一个集天气监测、数据处理、天气分析、灾害预警、信息发布、应急决策等功能为一体的智能化程度相对较高的现代气象业务平台，建筑主体地上8 层，地下1 层，总建筑面积为8933.82m2，建筑高度38.6m。

根据大楼施工图初步设计方案，大楼防雷装置按第二类防雷建筑物设计，低压配电电源由建筑物外采用电缆线直接埋地敷设入户。该大楼主要防雷区的划分：大楼主体（钢筋混凝土）外部为LPZ0区，其中处于接闪器保护范围以外的为LPZ0A区，处于接闪器保护范围以内的为LPZ0B区；金属门窗、钢筋混凝土构成格栅形大空间屏蔽体内部为LPZ1区；如果在LPZ1 区内部房间或设备外加装屏蔽体，其内部区域为LPZ2 区。

大楼建筑主体为钢筋混凝土框架结构，利用每根柱子柱筋组成自然引下线，其中柱筋最大间距为9.0m；电子信息机房初步设置在大楼第四层，该机房长为17.0m，宽为7.0m，机房设计采取格栅形网格屏蔽措施，屏蔽材料为钢，屏蔽网格宽为0.3m，网格导体直径为10mm，距墙体1.0m 处放置各类电子设备。

2 电磁环境影响风险识别与评估

表1是根据福建省气象部门提供的2005—2011年闪电监测资料，统计出的大楼所在区域3km 范围内最大正负闪电强度。

2005—2011年间大楼建筑物所在区域3km 范围内出现的负闪电非常频繁（有1314 次），出现的正闪电情况极少（只有19 次），2006年闪电发生历史极端雷电流的情况。根据数据统计结果和最不利原则，雷击所致的磁场强度最大幅值由首次正极性雷击产生，结合大楼实际情况，本次评估估算的雷电流值选择i0=160.4kA，对应的滚球半径R=271.3m。

表1 大楼所在区域3km 范围内最大正负闪电强度

2.1 建筑物发生邻近雷击情况下的建筑物内磁场强度的估算[2]

首次雷击时，雷电流强度远大于后续雷击时的雷电流强度，因此，本次以首次正极性雷击评估建筑物内磁场强度的情形。

1971年美国通用研究公司R.D 希尔的仿真试验通过建立模式得出：由于雷击电磁脉冲的干扰，对当时的计算机而言，在无屏蔽状态下，当环境磁场强度大于0.07GS时，计算机会误动作；当环境磁场强度大于2.4GS时，设备会发生永久性损坏[1]。按新旧单位换算，0.07GS约为 5.57A/m，2.4GS约为191A/m，本次评估实践将采用以上环境磁场强度要求值为依据。

1）LPZ0 区磁场强度的估算

雷电击于建筑物外附近时，入射磁场可近似看作一个平面波，当建筑物或房间无屏蔽时所产生的LPZ0 区内磁场强度H0，可按下列公式估算[2]：

式中，i0为雷电流，A；Sa为从雷击点到屏蔽空间中心的水平距离，m。

表2列出了不同雷击点在大楼建筑物处产生的无衰减磁场强度H0。

从表2可以看出，雷击点在最近处的271.3m 及较远处的3000m 时，所产生的磁场强度H0均大于对电子信息系统的磁场强度要求值5.57A/m，所以当在邻近雷击时大楼建筑物处产生的无衰减磁场强度，会对大楼无屏蔽空间体内的电子信息系统产生影响，需要对大楼机房进一步采取电子信息系统的防雷防护措施。

表2 不同雷击点在大楼建筑物处产生的 无衰减磁场强度

2）LPZ1 区磁场强度的估算

当建筑物或房间有屏蔽时，屏蔽材料为钢，LPZ1 区中入射磁场强度H1，可按下列公式估算[2]：

式中，H0为无屏蔽时的磁场强度，A/m；H1为格栅形大空间屏蔽内的磁场强度，A/m；w为格栅形空间屏蔽网格宽度，m；r为格栅形屏蔽网格导体的半径，m。

当SF为负值时取0。表3、表4分别列出了格栅形空间屏蔽网格宽度取典型值时，大楼LPZ1 区中空间体内的屏蔽系数SF和磁场强度H1。

从表4中知，当利用大楼建筑物作为自然屏蔽体时，自然引下线最大间距为8.0m 以上时，设在LPZ1 区内的机房电子设备有可能遭受到闪电电磁脉冲的干扰。

3）LPZ2 区内磁场强度的估算

LPZ2 区中入射磁场强度H2可按H2=H1/10SF/20公式进行估算，这些磁场值仅在格栅形屏蔽内部与屏蔽体有一安全距离为ds的安全空间内才有效，安全距离（m）可按下列公式估算。

当SF≥10 时：

当SF＜10 时：

表5、表6分别给出了格栅形屏蔽网格宽取上述类似的典型值时，建筑物LPZ2 区内部的磁场强度H2，以及建筑物LPZ2 区内部电子信息系统所需的安全距离。

表3 格栅形大空间屏蔽材料为钢的屏蔽系数SF

表4 不同点雷击点在大楼LPZ1 区中空间体内产生的磁场强度

表5 不同雷击点在建筑物LPZ2 区内中心点处产生的磁场强度

表6 建筑物LPZ2 区内部电子信息系统所需的安全距离

大楼建筑物邻近发生雷击的情况下，通过估算，经过钢筋混泥土屏蔽衰减后，建筑物内部磁场强度对于其区间的影响更小。在大楼的初步设计方案中，设置建筑物LPZ2 区内并采取了屏蔽措施，在表5中，屏蔽网格宽为0.3m 所对应产生的磁场强度，不会对电子信息机房内设备造成影响而产生误动作。在建筑物LPZ2 区内设置电子信息机房，由表6可得出机房内电子设备所需的对应安全距离。

2.2 建筑物直接遭受雷击时内部磁场强度的估算[2]

1）LPZ1 区内磁场强度的估算

在闪电直接击在位于LPZ0A区的格栅形大空间屏蔽或与其连接的接闪器上的情况下，其内部LPZ1区内安全空间内某点的磁场强度H1按下列公式估算：

式中，H1为安全空间内某点的磁场强度，A/m；dr为所确定的点与LPZ1 屏蔽顶的最短距离，m；dw为所确定的点与LPZ1 屏蔽壁的最短距离，m；kH为典形值取0.01；w为LPZ1 区格栅形屏蔽的网格宽度，m。

根据实际情况，本次评估中机房位置的“中心点”dr取3.0m、dw取3.5m；另设当机房设置在“点1”dr取3.0m、dw取1.0m 或“点2”dr取3.0m、dw取6.0m。表7分别给出了中心点及其他点在建筑物LPZ1 区内格栅形屏蔽网格宽为上述类似取典型值时的磁场强度H1。

表7 直接雷击在建筑物LPZ1 区中央间体内产生的 磁场强度H1/（A/m）

从表7中，当机房安装在LPZ1 区内，随着网格宽度的增大H1也逐渐增大，随着到屏蔽体距离的减少H1也逐渐增大。当大楼直接遭受雷击时，产生的磁场强度会对大楼内的电子信息系统产生影响，需要进一步采取电子信息系统的防雷防护措施。

2）LPZ2 区内磁场强度的估算

LPZ2 区中入射磁场强度H2可按H2=H1/10SF/20（A/m）公式进行估算，这些磁场值仅在格栅形屏蔽内部与屏蔽体有一安全距离为ds的安全空间内才有效，安全距离（m）可按下列公式估算。

当SF≥10 时：

当SF＜10 时：

表8分别给出了格栅形屏蔽网格宽为上述类似取典型值时，建筑物LPZ2 区内部电子信息系统所需的安全距离，以及建筑物LPZ2 区内部的磁场强度H2。

表8 直接雷击在建筑物LPZ2 区内中心点处产生的 磁场强度及安全距离

（续）

从表8中，LPZ2 区内部的磁场强度H2明显的小于LPZ1 区内部的磁场强度，通过采取屏蔽防护措施后，磁场强度得到了衰减。

3 结论

考虑到大楼内被保护物的特点、重要性和发生雷击的后果，不允许建筑物因遭受雷击导致计算机产生误动作，根据此次的评估数据，机房宜选放在LPZ2 区内或等后续防护区的中心部位并采取相应的屏蔽措施，当采用钢材料时，屏蔽网格宽应不大于0.4m，相对应机房设备距屏蔽体的安全距离应不大于1.03m。综上，该大楼机房电子信息系统的防闪电电磁干扰的屏蔽措施符合技术要求。

在大楼防雷设计、施工检测过程中应重视电子信息系统空间磁场雷电防护，还应通过设置可靠的等电位连接及屏蔽措施、合理布线、能量配合的浪涌保护器等综合防雷措施来对电子信息系统进行保护，以减小或避免雷电对电子信息系统的损坏,做到安全可靠、经济合理。

[1] 曹和生,吴少丰,匡本贺,等,GB/T 21431—2008.建筑物防雷装置检测技术规范[S].2008.

[2] 林维勇,黄友根,焦兴学,等,GB 50057—2010.建筑物防雷设计规范[S].2011.

[3] 王德言,李雪佩,刘寿先,等,GB 50343—2012.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].2012.

[4] 《雷电防护 第4 部分 建筑物内的电气系统电子系统》GB/T 21714.4—2008/IEC 62305-1: 2006.

[5] 杨仲江.雷电灾害风险评估与管理基础[M].北京:气象出版社,2010.

[6] 肖稳安.防雷工程检测验收及雷电灾害风险评估[M].北京: 气象出版社,2009.