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1、五、雷电防护技术与应用坚壁塑坚空唑! 垒旦翌! ! ! 皇翌竺1 2 墅竺! 垒迦! ! ! 堑旦墅电磁屏蔽理论在防雷实践中的应用研究R e s e a r c ho nt h eT h e o r yo fE l e c t r o m a g n e t i cS h i e l d i n gA p p l i e dt oP r a c t i c eo fL i g h t n i n gP r o t e c t i o n游志远Y o uZ h i y u a n ”曹和生C a oH e s h e n 2 秦铭荣Q i nM i n g r o n 9 1 江双喜J i a
2、n gS h u a n g x i ”梅卫群M e iW e i q u n 3 ( 1 扬州市气象局，2 上海市防雷中心，3 南京信息工程大学)自富兰克林以来，人们致力于雷电现象的研究已有2 0 0 余年的历史，对于一般建筑物及信息系统 的外部和内部防雷已取得了很大的成绩，在气象、国防、银行、航天等领域已开展了雷电防护和抗干 扰的很多工作。 随着电子技术的高速发展，大量的以高集成度、高灵敏度微电子元件为基础的控制、通信设备被 广泛应用于工业生产中，特别是计算机技术的突飞猛进，以其优廉的价格和完善的功能而遍及所有的 生产、科研领域及日常生活中。， 这类设备因集成度越来越高，信息存储量越来越大
3、，速度和精度不断提高，其工作电压仅为几伏， 传递的信息电流为微安级，对干扰脉冲的承受能力很低，对雷电过电压极为敏感。 近年来，国内外有关计算机中心、微波站等信息系统遭受雷害和干扰的事故经常发生，用一般防 雷经验已不能解决信息系统设备的防雷问题。 因此，根据信息系统设备的特点，研究如何提高信信息系统设备抗干扰，采取合理屏蔽是国民经 济发展非常迫切的需要，是未来国防信息化战争的需要，提高信信息系统设备抗干扰能力在维护国家 安全、国民经济持续发展中具有重要的意义1 1 、屏蔽基础理论及屏蔽效能测试 1 1 屏蔽基础理论 屏蔽是减少雷电电磁干扰的基本措施，是电磁干扰防护及控制的最基本方法之一，其目的是
4、限制 或防止某一区域内外的电磁场互相耦合，将电磁场作用限制在某一规定的空间范围之内，防止电磁场 的有害影响，即抑制通过空间传播的电磁干扰。 根据场源的性质，屏蔽可分为：电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽。 为了获得有效的电屏蔽，必须注意以下几点：屏蔽体应良好接地；合理设计屏蔽体的形状，以减 小剩余的互部分电容；在时变作用下，屏蔽体和接地体上有电流流动，为减小屏蔽体上的电位差，电 屏蔽体及接地体接地应选用良导体。 对于电磁场、电场分量和磁场分量总是同时存在的，只有当频率很低时，而且在离干扰源不远的 地方( H P 近场) ，随着不同的特性的干扰源，对于高电压、小电流的干扰源，近场以电场为主，其磁场分
5、 量可以忽略，而对于低电压、大电流的干扰源，近场以磁场为主，其电场分量可忽略。当频率较高时， 即在离干扰源较远的地方( 即远场) 不论干扰源本身特性任何，此时电场和磁场都不可以忽略，通常所说 的电磁屏蔽是指对这种远场的屏蔽。 1 2 电磁屏蔽效率的测量 1 ( M e a s u r e m e n tf o re f f i c i e n c yo fe l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d ) 屏蔽效能用下式表示：P - = 2 0 1 9 争尸】 只= 2 0 1 9 3 ( d B ) 一日2式中H 。、E 。、P 。一无屏蔽室情况下的磁场强度
6、、电场强度和场功率；H 。、E 。、P 2 一屏蔽室内的磁场 强度、电场强度和场功率。屏蔽效能与频率有关：雷击电磁脉冲是一个宽频带的电磁脉冲，同一座建1 4 7第四届中国国际防雷论坛论文摘编! ! 竺! ! 坐翌曼竺呈! 翌! 曼翌! 皇2 呈! ! 些曼塾塑! 翌量g 竺型堕堡呈! 呈! 翌竺坐垩呈l 些竺竺2 筑物对不同雷电波形脉冲的衰减系数是不一样的。 屏蔽效能与建筑物金属结构尺寸有关。主要与结构钢筋宽度和钢材几何尺寸有关，在实际计算时 很难确定宽度和钢材的几何尺寸，因此要通过计算确定建筑物大屏蔽空间的衰减系数是困难的，只能 通过测试确定衰减系数。本测试方法是采用当地中波广播频点对应的波
7、头作为信号源将信号接收机置于建筑物外部和内部 分别测量信号强度E - 、E z 采用S E = 2 0 l g ( E 1 E 。) 计算出建筑物的屏蔽效能。 屏蔽体的屏蔽效能与很多因素有关，它与屏蔽体材料的电导率、磁导率及屏蔽体的结构与接地是 否，以及被屏蔽场源的频率和性质有关，以上的理论将在下面的防雷工程中得到验证。 2 、雷击灾害及防雷工程总结我市一机要计算机中心机房( 以下简称“机要机房”) 在2 0 0 3 年7 月被雷击，市防雷中心对雷击的 原因进行了认真的分析。这是我市重要的信息中心场所，这次雷击灾害给使用单位造成巨大的经济损 失以及造成了严重的社会影响。 2 1 机要机房防雷综
8、合测试 由于雷电首次雷击波头为1 0uS ，后续雷击波头为0 2 5uS ，模拟的频率为2 5 K H z 和1 0 0 0 K H z 。结合扬州市无线电频谱的实际情况，寻找1 1 9 7 M H z 的广播电台发射频率作为频谱分析仪的接收频率，使用 S p e c t r u mA n a l y z e rG S P 8 1 0 对机要机房进行测试。 根据测量的原理得出S = A - p A z P ( d B ) = 1 7d B ，根据建筑物防雷检测规范第6 3 条款规定“机 房的屏蔽效能应大于2 0 d B 。”，而该机房对照标准规范可以看出是不合格的。 2 2 防雷工程具体施工情
9、况 我们考虑到使用 单位的经费紧张状 况，本着“安全、经 济”的实际原则，按 照“信息系统雷击风 险评估”进行了四级 防护，对机房设置了 等电位连接网络，但 发现两设备的毁坏并 非发生在与外线相连 的设备，而是在机房 内部的线路部分，如 果对所有的线路安装 信号浪涌保护器则需 要干只左右，代价太 高，用户单位难以承 受。从以上的分析看图1 机房等电位连接网络及机房内部共用接地等情况出强大的雷电流对信息系统内的设备具有很强的破坏力，仅仅靠信号浪涌保护器解决不了根本的问题， 而且所有的信号接口安装浪涌保护器，花费的代价太高，不是解决问题的最好的办法，因此在实际中 对其机房的屏蔽提出了较高的要求。
10、2 2 1 对计算机中心机房进行屏蔽处理( 见图1 ) 屏蔽措施有建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆的屏蔽等。 机要中心机房屏蔽处理由于机房的项部已使用了金属吊顶，并且已经设计了共用接地系统。 表1因此也必序号检测项目检涓标准实舅结果结论1机房龙骨接地1规范 l k Q不合格2机房龙骨接地2规范 l k Q不合格 下，接至共用接地系统。五、雷电防护技术与应用兰! 墨皇尘! 呈墨望竺堡! 垒2 呈! ! ! 垒翌2 1 竺墨Z ! 堡垒垒螋! ! ! 苎1 2 竺表2 l 序号l检测项目l 检测标准I 实测结果l 结论I1j 机房龙骨接地1规范 0 6Q合格 在这种情况下，使用G S P 8 1 0
11、 测量。表3 序号检测项目检测标准实测结果结论J屏蔽效能规范1 8 d B屏蔽效能S 未有明显的变化。 下面对机房的四面要做好屏蔽。 根据机房的基础物理情况提出了对整个机房实施四面的屏蔽方法，其中墙板采用厚度为2 m m 的冷 轧钢板，地板采用厚度为3 m m 的冷轧钢板，焊接工艺为C 0 2 保护焊。 磁场屏蔽室( M a g n e t i c a l l yS h i e l d e dR o o m ，M S R ) 可同时屏蔽低频和高频的噪声干扰，主要用 来屏蔽来自室外的低频噪声l O H z ) 。 磁场屏蔽室之所以能有屏蔽效能，是因为电磁波穿过电磁屏蔽体时会产生吸收损耗和反射损耗
12、。 由于大脑磁场信号的频率范围一般在0 1H z 1 0 0H z 之间，所以对低频段的磁场屏蔽要求高于对高频 段的磁场屏蔽要求。磁场屏蔽室对1 0 0H z 以上的高频段磁场噪声的屏蔽特别有效，可提供的屏蔽衰减 因子约等于1 0 ，0 0 0 。在做好屏蔽以后，在未接地的情况下，使用G S P 8 1 0 测量数据。 表4 l 序号检测项目检测标准实测结果结论1屏蔽效能规范2 8 d B但若不接地，根据屏蔽理论分析屏蔽体的电位会升高，并且在有的条件下会对人生安全造成影响， 也会影响屏蔽效能，我们将通过实验来证明这一理论分析。 在已经做好了共用接地系统，C 0 2 保护焊每3 米接地一次的情况
13、下再用G S P 8 1 0 测量。表5 一l 序号I检测项目检测标准l 实测结果l 结论l因此，可见接地对屏蔽效能的影响是有的，同时也印证了理论的正确性。如果接地再加密一些， 对屏蔽效能有何影响呢? 使用C 0 2 保护焊每1 米接地一次的情况下再用G S P 8 1 0 测量。 j 良6 一l 序号f检测项目f检测标准f 实测结果l 结论I应该说屏蔽效能较为明显。( 以上均为屏蔽效能s 的平均值) 。 2 2 2 屏蔽处理效果( 见图2 ) 经过以上的处理机房屏蔽效能最后是5 5 d B ，应该说不 是太好，但也是在实践中摸索，关键是工艺使用还存在问题。 因为金属在使用前必须进行氢化热处理
14、( H y d r o g e n A n n e a l ) 以提高金属的磁场屏蔽能力。热处理工艺需在无 氧状态中进行，温度必须在1 9 0 0 。F 或更高。一般来说， 热处理温度越高金属磁导率越高，相应的磁场屏蔽能力也越高。 3 、主要研究成果与结论3 1G B 5 0 0 5 7 9 4 ( 2 0 0 0 版) 建筑物防雷设计规范第六章，根据I E C T S 6 1 3 1 2 - 2 ：1 9 9 9 提供了一套完整的电磁 屏蔽计算数学模型。但是其基本参数，如网格尺寸( w ) 和钢筋半径( r ) 很难确定，在实际应用中有一定1 4 9第四届中国国际防雷论坛论文摘编里巴! !
15、! 坐翌曼竺墅竺丝竺! ! 兰! 曼垒墅竖竺竺翌塑竺! ! ! 翌竺坐兰! 坚墨Q 困难。而采用通用的E M C 测试方法，又难以实施。据此本文提供一种实际测量的方法，并且结合在扬 州的频谱情况给出了理论联系实际情况的测量模型。 3 2 将理论知识应用到工程实践中，根据雷击灾情的分析，得出计算机信息系统在防L E M P 中的巨 大的缺陷。在工程设计阶段在认真调查分析的基础上，给出一个安全经济的设计报告，同时用实践说 明屏蔽在防雷系统中的重要地位，纠正了目前大量使用S P D 而不考虑防雷作为一系统工程的错误观念。 3 3 在屏蔽机房的制做过程中，用实践证明了屏蔽体应该接地的观点；并且特别的指
16、出了在接地 过程中应该多点接地，最好使用焊接技术。 3 4 根据理论的指导，在防雷工程中予以应用，特别是在大型信息系统机房中屏蔽效能的数据变 化显示屏蔽对信息系统防雷电电磁脉冲的重要。 4 、结束语 在目前的防雷研究中，各种工程的设计针对直击雷的防护及信号、电源、等电位连接、接地系统 的防护占了很大的比重。 在很多的防雷工程设计中，防雷设计人员不从用户的角度出发来设计，对现有的等电位连接、各 种线缆的屏蔽及综合布线系统、接地系统的设计不认真分析和调查，只重视经济效益，只重视使用大 量的电源、信号浪涌保护器，可是对于浪涌保护器的级间的能量配合却又根本不知道，缺少科学、合 理的计算和必要的理论分析。 如果屏蔽的问题在工程中得不到重视，尽管防雷措施花了很大的代价，那么信息系统还是会遭受 强大的瞬态雷电流电磁场感应在瞬间毁坏。 这种雷击灾害在近年来经常发生，虽然建设单位花了很多资金做了防雷工程，但信息系统还是遭 受雷击，主要的原因是防雷设计人员不知道屏蔽问题是防雷系统工程中很重要的一部分，也是目前防 雷界忽视
