浅谈如何利用法拉第笼原理防护雷电电磁脉冲

第 3o卷 第 1期 气 象 研 究 与 应 用 2009年 3月 JOURNAL OF METE0R0LOGICAL RESEARCH AND APPLICATION Vo1．30 No．1 Mar．2009 文章编号 ：1673—8411(2009)O1—0083—03 浅谈如何利用法拉第笼原理防护雷电电磁脉冲 林 政，黎梓华，唐 雷 (桂林市气象局，广西 桂林 541001) 摘 要：介绍如何利用建筑物钢筋结构形成法拉第笼式钢筋网，以屏蔽和防护雷电电磁脉冲。 关键词 ：法拉第笼 ；屏 蔽 ；防护 ；雷 电电磁脉 冲 中圈分类号 ： 文献标识码 ：A Protection of Lightning Electromagnetic Pulse Based Faraday Cages Principle Lin zheng，Li Zi—hua，Tang lei (Guilin M eteorological Bureau，Guilin，Guangxi，541001) Abstract：It introduced how to use the steel structure of the construction to form Faraday cages in order to shield and protect lightning electromagnetic pulse． Key words：Faraday cages；shield；protect； Lightning electromagnetic pulse 随着通信技术、计算机技术、信息技术的飞速 发展，越来越多的电脑网络和通信设备得到广泛应 用 ，其工作环境要求也越来越高，雷电和浪涌电压 越来越频繁地通过电源线、信号线等线路侵入室内， 雷电本身所拥有的强大雷电流及雷击时产生的强大 电磁场均可能使建筑物及其内部的设备和人员受到 损坏，传输或存储的信号 (或数据)受到干扰 ，甚 至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪 、系统停顿、数 据或图象传输暂停 、局域网乃至广域网遭到破坏 ，雷 电和浪涌电压成了电子化时代的一大公害。从理论 上讲 ，绝对地完全屏蔽雷电电磁脉冲是难 以实现的， 但通过防雷措施尽可能地减小雷 电所造成的危害 ， 本文主要介绍如何利用建筑物的钢筋结构形成法拉 第笼式钢筋网来防护雷电电磁脉冲及其屏蔽效果分 析。 1 法拉第笼原理在防御雷电灾害中的 运用 法拉第笼是一种用于演示等电位 、静电屏蔽和 高压带电作业原理的设备，其笼体与大地连通，根 据导体静电平衡条件 ，笼体是一个等电位体，其 内 部电位为零，即法拉第笼是一个能导电的、内部电 位为零的空心球体，在理想情况下电荷均匀分布在 球体 的表面，在球体里面是没有电场的，这就阻断 了电磁场 ，起到了屏蔽作用。 另一方面 ，法拉第笼对于雷电流能起到分流和 均流的作用。由于雷电流对称地流过法拉第笼的金 属屏蔽层人地 ，笼内的电磁场相互抵消削弱，从而 降低 了电磁场的干扰强度。 2 利用建筑物钢筋网形成格栅形屏蔽 空间屏蔽雷电电磁场效果分析 雷电电磁脉冲可能通过空间的电磁辐射对建筑 物 内的电力线路、电子设备产生干扰 ，也可能在建 筑物防雷装置接闪时产生强大的电磁场，从而对建 筑物内的电子设备产生干扰 。 2．1 雷闪击于格栅形大空间屏蔽以外的情况下，当 无屏蔽层时所产生的无衰减磁场强度H。为： ’ H。一i0／ (2nSa) 式中：i。一雷电流，A； s 一雷击点与无屏蔽空间之间的平均距离，m； H。一无屏蔽空间区的磁场强度 ，A／m。 设雷电流强度为 100KA，雷击点与无屏蔽空间 之间的平均距离为50m，则 ： 牧箍日期：2008—12-26 作者简介：林 政 (1978一)．男，广西桂林市人．助工．从事防雷检测工作。 84 气 象 研 究 与 应 用 Ho—io／ (2nSa) ≈ (100×10。)A／ (2×3．14X 50)m ≈318．5 A／m 该值换算成磁感应强度约为 4．0GS，足以引起 计算机的永久性损坏 。 2．2 雷闪击于格栅形大空间屏蔽以外的情况下，当 有屏蔽层时所产生的磁场强度从 H。衰减为 H。： H1一 H ／lo 。。 式中：sF一屏蔽系数 (dB)，按表1的公式计算。 表 1 格栅形大空 间屏蔽的屏蔽 系数 此公式计算值仅对在大空间屏蔽内距离屏蔽层 有一定安全距离d 的安全空间内才有效，d。 按下式 计算 ： d 一W ·SF／10 式中：W 格栅形屏蔽的网格宽，m。 设雷电流强度为100KA的首次雷击发生时 ，雷 击点与屏蔽空间之间的平均距离为 50m，屏蔽材料 为铝材，屏蔽网格为3m 的栅形大空间屏蔽空间 ，其 磁场强度为 ： H1一 H0／1o 。 io／2~rS 丽 可 (1O0×10。A)／ 兰： 曼 (8 S／3)I／zo 10L ≈ 112．5 A／m 该值换算成磁感应强度约为 1．4GS，不足 以引 起计算机的永久性损坏 。若在后续防雷区内还有屏 蔽网格 ，则可按上述公式计算 ，得出的磁场强度进 一 步减少。然而，靠单一屏蔽难以达到预期防护效 果，因此 ，必须采取多重屏蔽 ，利用建筑物钢筋网 组成的法拉第笼及设备屏蔽柜金属外壳、装置金属 外壳等逐级屏蔽 ，且设备应尽可能地放在建筑物 中 心部位。 从以上分析可以看出，由于屏蔽网格的存在，有 效地削弱 了雷电流产生的磁场强度 ，且屏蔽网格越 小 ，屏蔽层数越多 ，则效果越好。若充分利用建筑 物钢筋网形成大空间屏蔽空间，同样可以有效削弱 雷电流产生的磁场强度 ，起到良好的防御雷电电磁 脉冲的作用。 3 实践中如何利用法拉第笼原理防御 雷电电磁脉冲 雷电电磁脉冲可 以通过以下方法进行防御 ： (1)充分利用建筑物内的钢筋结构 ，如楼顶的 避雷带 (网)、立柱内的钢筋 (包括引下线)、梁内 的钢筋、墙内钢筋网、基础内钢筋、均压环等，使 之构成一个六面体的网笼，即笼式避雷网进行 电磁 脉冲屏蔽。竖向金属管道每三层与均压环连接一次， 金属门、窗等较大金属构件通过预埋件或直接与防 雷装置 (或建筑物钢筋 网)连接 。引下线尽量均匀、 对称分布 。总之，充分利用建筑物钢筋结构形成法 拉第笼式的屏蔽网，可以起到 良好的分流、均流、屏 蔽作用 。 (2)室外通向室内的各类强、弱电线路均采用 穿金属管埋地进线 (金属管两端接地)，截断雷电电 磁波通过线路传入而对设备和人员 造成 干扰和损 伤。例如 ，直径50mm，壁厚 2～3mm 的铁管 ，当两 端接地时，其屏蔽系数可达0．07，即发生雷击的概 率可以减小为原来 的7％。在线路入户端安装一级或 多级浪涌保护器，将传入室内的雷电过电压、过电 流安全地泄放入地，保证后面的设备和人员的安全。 通过钳位、屏蔽 、过压、过流等方法将雷电过电压、 过 电流及雷电电磁脉冲消除于设备外围，从而达到 保护设备及人员安全的 目的。 (3)室 内所有的屏蔽装置都必须接地，宜采用 共用接地方式，即将防雷接地、电源的工作接地、高 频电子设备的信号接地都接到建筑物的基础上，或 室外接地装置上。所有金属走线架、金属设备外壳 等金属物体均与均压环 或建筑物钢筋网等 电位连 接，使建筑物及建筑物内的金属设备在雷电流泄放 时 ，各点的电位同时升高，以保证相互之间处于等 电位 ，以减小雷电流在建筑物内部产生的雷电反击 、 电磁效应等破坏作用。 4 小 结 雷电流对于建筑物及建筑物内的设备所产生的 危害作用其途径有多种多样，我们的防御手段也应 随之多样化 ，既要防直击雷，也要防雷电电磁脉冲 ， 二者应相互结合，相互补充，构成一套完整的现代 综合防雷体系，才能全面、有效地防雷。雷电电磁 脉冲的防护是一项较复杂的系统 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ，它涉及到建 (下转第87页) 1期 吕 禄 ，张家安 ：防雷设施安装中应注意的问题 87 不是很了解 ，因此现代的建筑应加强感应雷的防卸 措施。根据 《防雷技术标准规范汇编 》指出，进入 建筑物的电源线，信号线，金属管道，都应屏蔽埋 地 ，在进户处还要接地 ，其屏蔽层也应接地 。电源 线、信号线都应装设相应的SPD，对于三类建筑物 可采用多回路进入 ，但在总配电处应安装电源SPD。 所以选择适当的电源SPD其参数是十分重要的。 3 小 结 从上看出防雷设施安装的不规范 ．导致防雷设 施不合格是造成雷灾的主要原因。随着经济社会发 展和现代化水平的不断提高，信息技术的快速发展 ， 城市建设高层建筑 ，和电子信息系统应用的日益增 多，雷电灾害造成的经济损失及社会影响也越来越 大，做好防雷减灾工作 ，不仅是安全生产不可缺少 的重要环节，也是经济发展 ，社会进步和人民生命 财产安全的重要保障 。因此对防雷设施的严格设计、 审核和施工是良好的工程质量的前提。 参考文献 ： [1]韦卓运。陈秉华．对建筑物防雷设计存在问题的探讨 [J]．广西气象，2003，24(1)：47 49 [2]潘家利．建筑物防雷设计方法探讨 EJ]．广西气象，2003， 24 (2)：38—40 [3]陆作初．谈建筑工地防雷 [J]．广西气象，2006，27 (S2)：25—26 [4]林卓宏．浅谈感应雷检测 口]．广西气象，2007，28 (2)：69—71 [5]林海滨．完善建筑物 内部防雷装置设计 的实践经验 [J]． 气象研究与应用 ，2007，28(3)：56—58 [6]丁溢锋．电源避雷器选型与安装应注意的事项 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