山東省閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)在機房屏蔽中的應(yīng)用

鄧海利，李莉，王曉默

（濟寧市氣象局，山東 濟寧 272000）

山東省閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)在機房屏蔽中的應(yīng)用

鄧海利，李莉，王曉默

（濟寧市氣象局，山東 濟寧 272000）

屏蔽是機房防止閃電電磁脈沖（LEMP）損害的重要措施，而在實際工程中在選擇屏蔽材料及設(shè)置尺寸時往往缺少依據(jù)。文章基于閃電雙指數(shù)函數(shù)模型，利用MATLAB軟件分析閃電的頻譜分布，結(jié)合屏蔽措施對LEMP的防護效果進行研究，確定計算機機房的屏蔽材料應(yīng)為金屬網(wǎng)格，屏蔽網(wǎng)格尺寸應(yīng)和雷電流幅值相關(guān)。并借助雷電監(jiān)測系統(tǒng)，對近5年來山東省各地閃電數(shù)據(jù)和雷電流幅值進行統(tǒng)計、分析并針對不同落雷情況，實際計算出計算機機房屏蔽層內(nèi)外可能出現(xiàn)的磁場強度，借鑒人工引雷試驗數(shù)據(jù)對屏蔽的有效性進行了驗證，給出山東省各地機房屏蔽層尺寸的參考值，山東省內(nèi)機房的屏蔽尺寸應(yīng)在0.16～0.22 m之間。

閃電電磁脈沖；計算機機房；輻射；屏蔽；磁場強度

0 引言

雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國國際減災(zāi)十年”公布的極嚴重的十大自然災(zāi)害之一［1］。近年來，電子信息技術(shù)迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用。但這些集成電路的耐壓水平較低，對閃電電磁脈沖（LEMP）極為敏感，因信息系統(tǒng)被雷擊而造成的事故時有發(fā)生。雷電被中國電工委員會稱為“電子時代的一大公害”［2］。據(jù)統(tǒng)計，直擊雷 的損壞 僅占15%，感應(yīng)雷與地電位提高的損壞占 85%［3］，而感應(yīng)雷和地電位提高主要造成電子設(shè)備損壞，所以機房內(nèi)部的防雷非常重要。GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第 5.3條提出，為減小 LEMP在電子信息系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的浪涌宜采用建筑物屏蔽、機房屏蔽，當建筑物自然金屬部件構(gòu)成的屏蔽不能滿足機房內(nèi)電子系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求時，要考慮機房屏蔽［4］。同時，國際電工委員會（IEC）在其標準 IEC 623054—2010《防雷保護》第四部分，以及GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中也提到屏蔽是電子信息系統(tǒng)防雷的重要措施［5-6］，在這些標準中沒有提出屏蔽網(wǎng)格的尺寸問題。在實際工程中，對于計算機房的屏蔽措施僅僅是采用金屬網(wǎng)，有些則直接采用建筑物鋼筋進行屏蔽。對于金屬網(wǎng)尺寸的大小及屏蔽材料的選擇，缺乏理論依據(jù)。近年來，山東省建立了閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)，可以監(jiān)測到大量的雷電數(shù)據(jù)，使依據(jù)雷電參數(shù)來確定屏蔽層網(wǎng)格尺寸成為可能。

1 LEMP對計算機的影響

1.1 靜電感應(yīng)電磁脈沖

因存在大氣電離層，晴天情況下，電離層和地面具有穩(wěn)定的靜電場。當有積雨云形成時，云層上下帶有不同電荷，云層底部帶有的電荷會在下墊面上感應(yīng)出異種電荷，使地面與云層間形成靜電電場。積雨云放電后，下墊面上的電荷就會失去束縛，并沿低阻抗的通道流入大地，形成高電壓和強電流。處在電場中的金屬線路感應(yīng)出的電荷失去束縛后會沿線路向兩邊傳播，對與之相連的電氣設(shè)施或電子設(shè)備造成損害。

1.2 閃電地電流脈沖

在云地閃放電過程中，云層中的電荷會和地面電荷中和，同時地面電荷也會迅速流向雷擊點，形成地電流脈沖。地電流在流經(jīng)路徑上會造成不同位置的瞬態(tài)電位抬升，形成跨步電壓。當一個信息系統(tǒng)具有不同的接地，則會因跨步電壓造成信息系統(tǒng)損壞。與機房相連的金屬管道、電纜等設(shè)施埋于地下，則會因地電流脈沖造成兩端出現(xiàn)高電位差，危害室內(nèi)信息系統(tǒng)的安全［7-8］。

1.3 閃電輻射脈沖

無論是云際閃、云內(nèi)閃還是云地閃，其放電時異種電荷迅速中和，放電通道中的電流變化梯度大，電流上升速率最大可能達到500 kA／μs［9］。此時產(chǎn)生交變電磁場，雷電流放電通道就等效于天線，產(chǎn)生強烈的輻射脈沖。

當計算機機房外部防雷裝置（接閃器、引下線、接地體）接閃時，同樣會產(chǎn)生強烈的脈沖輻射，這種輻射以感性耦合、容性耦合等方式對室內(nèi)電子設(shè)備產(chǎn) 生危 害［10］。

2 屏蔽對LEMP的防護效果

2.1 LEMP的頻譜分布

目前，國際上比較認可雷電流波形的是 Bruce等提出的雷電流的雙指數(shù)函數(shù)，其表達式（1）［11］為

式中：η=exp（-αtp）-exp（-βtp）為峰值電流的修正因子；tp=ln（β／α）／（β-α）為峰值時間；常數(shù) α和 β可由回擊通道電荷密度、回擊速度、先導(dǎo)電荷復(fù)合率等參數(shù)確定。

對該函數(shù)進行傅里葉變換可得式（2）、（3）為

使用 MATLAB軟件可以得出雷電流頻譜分布圖，如圖1所示。

圖1 雙指數(shù)函數(shù)雷電流的頻譜分布圖

由圖1可以看出，雷電流的能量主要集中在低頻部分，絕大多數(shù)在 2×104Hz以下，所以在考慮屏蔽時主要針對低頻屏蔽。

2.2 屏蔽的原理及效能

文章所探討的屏蔽主要是針對計算機機房的外部屏蔽，目前所使用的屏蔽大多數(shù)為金屬網(wǎng)屏蔽材料，其中用的最多的就是鋼絲網(wǎng)。金屬網(wǎng)對低頻電磁波具有良好的電磁屏蔽性能，而建筑物中的眾多柱筋也可以充當屏蔽網(wǎng)，這樣可以降低屏蔽工程的成本。金屬絲網(wǎng)的電磁屏蔽效能與其孔眼的數(shù)量、尺寸以及電磁波的頻率等有關(guān)。屏蔽原理可以用波導(dǎo)衰減器來解釋，屏蔽網(wǎng)格的尺寸對應(yīng)著電磁波的“截止”頻率，大于該“截止”頻率時，屏蔽層對該頻段的電磁波屏蔽不明顯；而小于該“截止”頻率時則屏蔽效果非常顯著。

對于金屬屏蔽層，網(wǎng)格尺寸越小屏蔽效果越好，電磁波衰減越明顯。在相同的屏蔽尺寸下，屏蔽金屬的直徑越大，屏蔽性能越好。另外，利用雙層網(wǎng)或多層屏蔽網(wǎng)效果明顯要好于單層網(wǎng)［12］。

3 近5年來山東省各地閃電數(shù)據(jù)統(tǒng)計

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》中使用 10／350 μs波形的雷電流進行相關(guān)的計算［6］，如圖2所示。圖2中T1為電流達到10%和90%幅值電流之間的間隔時間；T2為波頭時間；T3則為半值時間。

圖2 典型雷電流波形示意圖

實際上，每次雷擊放電，其電流波形并不是固定的。胡正偉對雷電流進行了長期實測，對測量的波頭、波尾數(shù)據(jù)進行分析，得出波頭時間、波尾時間數(shù)值分布大致服從正態(tài)分布，波頭時間均值為2.72 μs，波尾時間均值為 25.63 μs［13］。這表明雷電流波形及波頭、波尾時間是相對固定的。這樣，LEMP的能量大小或頻譜寬度的決定因素主要是雷電流的幅值。而對LEMP起到衰減作用的主要是屏蔽層的材料和尺寸，那么工程上，就可以根據(jù)雷電流的幅值來確定屏蔽層的尺寸和材料。

山東省氣象局于2006年建成了雷電監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)時差定位原理，采用高精度授時型 GPS定時，可以得到閃電每一個回擊的全部信息。這些信息包括：閃電放電時間、GPS位置、雷電流幅值、區(qū)域閃電數(shù)量等。經(jīng)過對2009—2013年5年間，山東省17地市的雷電流的參數(shù)統(tǒng)計，計算出了各個地市雷電流的平均幅值，如表1所示。

4 根據(jù)雷電幅值數(shù)據(jù)確定屏蔽體參數(shù)

4.1 計算機耐受 LEMP的能力

實驗證明在LEMP強度為0.3 Gs時可以造成微電子設(shè)備誤動作；0.75 Gs時會出現(xiàn)假性損壞；2.4 Gs時能造成電子設(shè)備的內(nèi)部元器件擊穿［14］。在國際單位制（SI）中，磁場強度的單位為 A／m，在高斯單位制（CGS）中，磁場強度單位是奧斯特（Oe），1 A／m相當于 4π×10-3Gs［15］。所以，0.3 Gs等于23.885 A／m。

表1 山東省各地雷電流的平均幅值 ／kA

4.2 遠處閃擊對屏蔽層的要求

雷暴一般是積雨云情況下產(chǎn)生的，而積雨云云底高度為400～1000 m［16］。假設(shè)積雨云在計算機機房正上方放電，那么LEMP傳播到機房時的磁場強度由式（5）［12］計算為式中：H0為計算點無衰減磁場強度，A／m；i0為雷電流幅值，A；Sa為雷擊點計算機機房屏蔽空間平均距離，m。

為使計算機不受影響，應(yīng)令Sa=400 m，H0＜23.885 A／m，那么i0／（2πSa）＜23.885，可求得i0＜59999.12 A。通過表1可以看出2013年山東省平均雷電流幅值最高的是威海，該年份平均雷電流幅值為17.8 kA，其數(shù)值小于59999.12 A，所以在這種情況下不需要考慮對LEMP的屏蔽。

4.3 近地點落雷對屏蔽層的要求

防雷設(shè)計規(guī)范中，把距計算點為50至1000 m的落雷稱為近地點落雷。在4.2中已經(jīng)計算了400 m距離處閃擊放電對計算機系統(tǒng)的影響，所以，綜合山東省雷電流幅值和積雨云的高度，單純針對計算機系統(tǒng)，山東省范圍內(nèi)近地點落雷應(yīng)該為50 m到400 m。當落雷點距計算機機房為50 m時，近地點落雷產(chǎn)生的LEMP，對機房影響最大。所以計算50 m距離落雷后 LEMP傳播到機房時的磁場強度。根據(jù)式（5），按照5年平均雷電流幅值計算出的山東省各地磁場強度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 50 m距離落雷時計算點的磁場強度

由表2可以看出，當50 m距離落雷時，磁場強度超出了計算機的安全值，所以必須屏蔽。通過文章2.1的分析可以看出，LEMP的輻射主要是低頻，而金屬網(wǎng)格的屏蔽對低頻輻射是有效的。建筑物有外部屏蔽時，在格柵大空間屏蔽內(nèi)的磁場強度，應(yīng)按式（6）［12］計算 為

當材料為銅或鋁時，SF1由式（7）表示為

當材料為鋼時，SF2由式（8）表示為

式中：SF為格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數(shù)，dB；ω為格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬，m；r為格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑，m；H0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度，A／m。

為防止近地點雷擊對計算機的損害，屏蔽網(wǎng)應(yīng)小于某一個尺寸，通過式（5）～（8）可以得出對應(yīng)各地雷電流平均幅值的屏蔽網(wǎng)尺寸，當屏蔽網(wǎng)小于該尺寸時機房內(nèi)設(shè)備可以得到保護。

從表3可以看出，平均雷電流幅值較高的威海、煙臺、聊城、青島等地機房屏蔽層網(wǎng)格尺寸要相對較小，而濟南、濟寧、淄博、棗莊等地平均雷電流幅值相對較小，機房屏蔽層網(wǎng)格尺寸可以稍大一些。對于鋼質(zhì)屏蔽材料，在達到同樣的屏蔽效果下，其直徑越大，網(wǎng)格尺寸可以越大。也就是說鋼質(zhì)屏蔽材料直徑越大，屏蔽效果越好。

4.4 機房自身落雷對屏蔽層的要求

由于閃電的多通道性和放電范圍影響較大，對于50 m之內(nèi)的落雷和閃電直接擊中機房屏蔽層或與其連接的防雷裝置上，可以與自身落雷歸結(jié)為同一種情況。其內(nèi)部空間內(nèi)某點的磁場強度在這種情況下應(yīng)按式（9）［17］計算為

表3 基于各地雷電流平均幅值的屏蔽網(wǎng)格直徑 ／m

；ω為屏蔽層的網(wǎng)格寬度，m。

對于機房自身落雷，其屏蔽層內(nèi)的電磁場是不均勻的，這里需要選取某一個位置來計算其磁場強度。為計算簡單，假設(shè)計算機放置位置距屏蔽頂垂直距離為1 m，水平距離為1 m，那么屏蔽層的網(wǎng)格尺寸見表4。

表4 基于各地雷電流平均幅值的屏蔽網(wǎng)格尺寸 ／m

表4是基于計算機處于確定位置時，屏蔽網(wǎng)格尺寸的最大值。具體工程中，應(yīng)參照機房內(nèi)設(shè)備布局設(shè)置屏蔽網(wǎng)格的尺寸。同時根據(jù)式（9）可以看出，在機房擺放設(shè)備時應(yīng)遠離屏蔽層，盡量把核心設(shè)備放置在機房中心位置。而上述計算成立的前提是計算機和屏蔽層保持一定的安全距離，對于該安全距離文獻中有詳細介紹［5］，這里不再贅述。文章中，在計算機房自身落雷時，并沒有考慮屏蔽網(wǎng)在泄放雷電流時產(chǎn)生的二次電磁輻射效應(yīng)，實際工程中，除考慮屏蔽網(wǎng)的尺寸外更應(yīng)該注重設(shè)備和線路的自身屏蔽，從而降低屏蔽網(wǎng)二次電磁輻射效應(yīng)對設(shè)備和線路的影響。

4.5 試驗驗證

國內(nèi)外做了一些關(guān)于 LEMP屏蔽效能的研究，但一般都是在模擬雷電參數(shù)的情況下所做的模擬計算。由于雷電參數(shù)較為復(fù)雜，而且每次閃電參數(shù)不同，所以這些模擬存在一定的誤差。中科院、南京信息工程大學(xué)和廣州市氣象局曾經(jīng)長期在廣州進行人工引雷試驗。人工引雷在一些具體的參數(shù)與自然雷電存在一些小的差別，但不同的自然雷電本身各參數(shù)之間就差別較大，所以可以把人工引雷產(chǎn)生的雷電等同于自然雷電［18］。顏志等利用人工引雷試驗，進行了屏蔽效果試驗。采用將2 mm×5 mm×25 mm鍍鋅扁鋼材料做成 20 cm×20 cm的金屬網(wǎng)格的立方體，作為格珊結(jié)構(gòu)屏蔽體，該屏蔽體和表 4確定的網(wǎng)格尺寸相近。格柵結(jié)構(gòu)內(nèi)部磁場峰值為0.82～2.42 A／m，平均為1.41 A／m［19］。試驗表明，建筑的金屬格珊屏蔽是有效的，而且該尺寸下的屏蔽體可以將自然閃電磁場降低到0.3Gs之下。但測試的磁場和文章理論計算值存在著一定的差別，這主要是由兩方面原因引起的：（1）不同的自然閃電到屏蔽層的距離不同，即使是人工觸發(fā)閃電也不能精確的確定閃電通道與屏蔽層的距離，而理論計算所用的距離是確定的；（2）自然閃電的雷電流大小迅速變化，且每次閃電包含多次放電過程［20］，每次放電的閃電幅值不同，所以在自然閃電情況下，測試到屏蔽體內(nèi)的磁場是由多次放電過程產(chǎn)生的，而理論計算的屏蔽體內(nèi)磁場是按固定閃電幅值得出的。

5 結(jié)語

雷電主要通過三種方式對計算機系統(tǒng)產(chǎn)生影響。同時根據(jù)雷電流的頻譜分析，可以看出LEMP的頻率主要集中在低頻區(qū)域，對于低頻的屏蔽措施主要是使用金屬網(wǎng)格。經(jīng)過對閃電電流波形的研究，確定 LEMP輻射能量的大小主要取決于閃電的幅值，那么閃電的幅值就和屏蔽層的網(wǎng)格尺寸具有對應(yīng)關(guān)系。分析5年來山東省各地雷電流的平均幅值，計算出不同落雷情況下對機房屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格尺寸的要求，并借助人工引雷試驗驗證了屏蔽的有效性。目前，在實際工程中，設(shè)置屏蔽層的尺寸時往往缺少依據(jù)，通過上述分析，各地可根據(jù)不同雷電流情況和機房重要性，選擇屏蔽層的材料和尺寸，從而精細化設(shè)計機房的屏蔽層。另外，對于機房的屏蔽，應(yīng)進一步結(jié)合建筑物的結(jié)構(gòu)形式，盡量做到為建筑物服務(wù)的鋼筋混凝土網(wǎng)兼做屏蔽層。

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（學(xué)科責編：李雪蕾）

Application of lightning data of Shandong Province in the shielding technology in computer room

Deng Haili，Lili，Wang Xiaomo
（Jining Meteorological Bureau，Jining 272000，China）

Shielding is one of the important measures for the computer room to prevent lightning electromagnetic pulse（LEMP）.But how to choose the shielding materials and its size in actual engineering tends to be lack of basis.The purpose of the paper is determining computer room for a targeted protection from LEMP shielding material and size.The paper analyzes the distribution of lightning frequency spectrum by using double exponential function and MATLAB.Based on the research of shielding measures of LEMP protection，it is determined that the computer room shielding materials shall be the metal grid，and the shielding grid size should be related lightning current amplitude.With the help of the lightning monitoring system of Shandong Province，the paper does a statistical analysis of lightning data in the recent 5 years.According to the different situation of lightning，We calculate the possible strength for magnetic field inside and outside the computer room shielding layer，and the effectiveness of the shielding is verified by learning from the experiment of artificially triggered lightning data.According to the actual lightning current amplitude，the paper gives the reference value of shielding layer size for computer room in Shandong province.Calculation shows that the block size of computer room in Shandong province should be between 0.16 m and 0.22 m.

lightning electromagnetic pulse；computer room；radiation；shielding；magnetic field intensity

P427.3

A

1673-7644（2015）03-0293-06

2014-11-14

鄧海利（1979-），男，工程師，學(xué)士，主要從事雷電防護及預(yù)警技術(shù)等方面的研究.E-mail：30959151＠qq.com