建筑物屏蔽效能綜合分析研究

劉林 劉為

摘要：為做好電子信息設(shè)備的雷擊電磁防護(hù)，以長沙磁浮工程長沙南站為例，利用GB50343相關(guān)條款，結(jié)合美國通用公司實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對周邊建筑設(shè)施和項(xiàng)目內(nèi)部磁場分布進(jìn)行了分析，找出了電子信息設(shè)備受損類型，并提出屏蔽要求，結(jié)合電子信息設(shè)備所在場所，提出優(yōu)化屏蔽方案。

關(guān)鍵詞：屏蔽效能 雷擊 磁場分布 受損類型

一、引言

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，各類電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，耐壓低、靈敏度高的設(shè)備投入使用頻率越來越高。在雷電流的強(qiáng)大電磁脈沖下，其承受的雷電災(zāi)害風(fēng)險損失也越來越高。2015年6月，粵東某大型A級通信大樓IDC數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)生雷擊事故，造成電源跳閘，直接影響200多臺服務(wù)器工作異常，故障歷時約1個小時，給通信服務(wù)造成了較大影響。2009年6月，嘉興市行政中心遭受雷擊，造成樓宇控制系統(tǒng)癱瘓，大量電子設(shè)備損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失65萬余元。近年來的雷災(zāi)事故表明：新型電子設(shè)備在雷電作用下，呈現(xiàn)出受損范圍廣、系統(tǒng)易癱瘓、經(jīng)濟(jì)損失大的特點(diǎn)，因此，做好電子信息設(shè)備雷電防護(hù)，顯得越來越重要和緊迫。

建筑電磁屏蔽是對需要隔離電磁波干擾和防止電磁波外泄的建筑物所采取的建筑技術(shù)措施，能夠防止外來雷電電磁波干擾，有效保證電子設(shè)備安全，避免和減少雷電災(zāi)害損失。文章以長沙磁浮工程長沙南站為例，利用相關(guān)電子設(shè)備損失類型實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對雷擊在建筑物附近和建筑物上的磁場分布進(jìn)行了計(jì)算分析，提出防范電子設(shè)備各類損失的屏蔽需求，同時結(jié)合設(shè)備所在位置，提出優(yōu)化的屏蔽方案。

二、長沙南站周邊建構(gòu)筑設(shè)施雷擊電磁屏蔽防護(hù)分析

（一）電子信息系統(tǒng)設(shè)備損失類型安全閥值

根據(jù)美國通用研究公司的研究結(jié)果（GBT21431-2008），磁場強(qiáng)度為0.07GS時，可以造成計(jì)算機(jī)誤動作，磁場強(qiáng)度為2.4GS時，可以造成計(jì)算機(jī)元件永久損壞，本次運(yùn)算取上述結(jié)果作為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)誤動作對應(yīng)H1=0.07GS，約為5.55A/m，永久損壞對應(yīng)H1=2.4GS，約為190.2A/m。

（二）項(xiàng)目與周邊建構(gòu)筑設(shè)施雷擊電磁分布計(jì)算

根據(jù)GB50343-2012.建筑物接閃后LPZ0區(qū)內(nèi)磁場強(qiáng)度參照下式進(jìn)行計(jì)算：

H0=i0/（2πsa）

式中：i0——雷電流幅值（A），取歷史最大雷電流值363.5*103A;

sa——從雷擊點(diǎn)到屏蔽空間中心的距離（m）。

結(jié)合美國通用研究公司的研究結(jié)果，可以得出電子信息系統(tǒng)各類損壞類型風(fēng)險臨界范圍計(jì)算公式：

sa=i0/（2πTH1）

式中H1為美國通用研究公司的研究結(jié)果臨界值，計(jì)算結(jié)果見下表：

表1不考慮屏蔽情況下電子信息系統(tǒng)各類損壞類型風(fēng)險對應(yīng)的臨界范圍

對于項(xiàng)目內(nèi)安裝有重要設(shè)備的路段和建筑，應(yīng)根據(jù)其承受風(fēng)險的能力，防范周邊一定范圍內(nèi)具有明顯引雷作用的設(shè)施和建筑直接雷擊情況下對項(xiàng)目的磁場影響。對于項(xiàng)目周邊具有重要敏感電子信息系統(tǒng)的場所，應(yīng)指導(dǎo)其加強(qiáng)雷電防護(hù)，避免應(yīng)項(xiàng)目遭受直接雷擊而對其電子信息系統(tǒng)造成影響和破壞。

（三）項(xiàng)目與周邊建構(gòu)筑設(shè)施雷擊電磁屏蔽防護(hù)需求

考慮屏蔽情況下，假設(shè)將各類損壞控制在50、100和200m范圍，計(jì)算其最小屏蔽系數(shù)。

從上面分析可知，當(dāng)長沙南站遭受直接雷擊時，各層設(shè)備均有永久性損壞的風(fēng)險。若要控制其風(fēng)險在安全范圍，需增加相應(yīng)的屏蔽措施，主要方法有減小LPZI區(qū)屏蔽網(wǎng)格尺寸和增加LPZ2的屏蔽效能。

（二）屏蔽方案比較

假設(shè)使用減小LPZI區(qū)屏蔽網(wǎng)格尺寸的方法降低雷擊電磁損壞風(fēng)險，要使站臺層中心位置電磁場強(qiáng)度達(dá)不到永久性損壞標(biāo)準(zhǔn)，屏蔽網(wǎng)格寬度應(yīng)達(dá)到如下要求：

W<10.5*2.350.5*190.2/0.01*219*103=1.40

假設(shè)使用增加LPZ2的屏蔽效能的方法降低雷擊電磁損壞風(fēng)險，要使站臺層中心位置電磁場強(qiáng)度達(dá)不到永久性損壞標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有LPZI區(qū)等效網(wǎng)格寬度不變的情況下，LPZ2區(qū)的屏蔽系數(shù)應(yīng)達(dá)到如下要求：

SF≥201g（1122.47/190.2）=15.42

從上述計(jì)算結(jié)果來看，前一種方法防范范圍較大，但對等效網(wǎng)格密度要求太高，工程造價較大，而后一種方法造價低、工程簡單，但防護(hù)范圍有限，建議采取兩種方法綜合運(yùn)用的措施來加強(qiáng)防護(hù)，

（三）多重屏蔽分區(qū)屏蔽要求

在建立兩層屏蔽分區(qū)的情況下，假設(shè)LPZI區(qū)等效網(wǎng)格寬度降低到2.5米，按照上節(jié)所示方法進(jìn)行計(jì)算，站臺層、站廳層、地面層中心位置電磁場強(qiáng)度分別為340.14 A/m、180.99A/m、125.91A/m，較之8.25米等效網(wǎng)格寬度的電磁場強(qiáng)度均有較大的降低，此時站廳層、地面層中心均沒有電子設(shè)備永久性損壞的風(fēng)險，在降低等效網(wǎng)格寬度的基礎(chǔ)上，假設(shè)各層中心位置建立為LPZ2區(qū)，LPZ2區(qū)的屏蔽系數(shù)達(dá)到10.則站臺層、站廳層、地面層中心位置電磁場強(qiáng)度分別為107.56A/m、57.23A/m、39.82A/m，均能滿足該位置電磁場強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)備永久性損壞的風(fēng)險。

因此，建議采用減小LPZI區(qū)屏蔽網(wǎng)格尺寸和增加LPZ2的屏蔽效能兩種方式相結(jié)合的方法，降低長沙南站遭受直接雷擊的建筑物內(nèi)設(shè)備受強(qiáng)電磁場干擾的損失風(fēng)險，盡可能降低LPZI區(qū)屏蔽網(wǎng)格尺寸，建設(shè)包括重要的儀器設(shè)備、敏感設(shè)備的LPZ2防雷分區(qū)。

結(jié)論：從前面的分析可知，利用GB50343.能夠較好地完成雷擊后的建筑物附近和內(nèi)部磁場計(jì)算分析，參考電子信息設(shè)備受損類型閾值，可以對控制各類損失風(fēng)險提出屏蔽系數(shù)要求;針對需要保護(hù)的電子信息系統(tǒng)所在區(qū)域，能夠給出最優(yōu)化防護(hù)建議，以期對電子設(shè)備雷電電磁脈保護(hù)提供參考。