邓海利，李莉，王晓默

（济宁市气象局，山东 济宁 272000）

山东省闪电监测数据在机房屏蔽中的应用

邓海利，李莉，王晓默

（济宁市气象局，山东 济宁 272000）

屏蔽是机房防止闪电电磁脉冲（LEMP）损害的重要措施，而在实际工程中在选择屏蔽材料及设置尺寸时往往缺少依据。文章基于闪电双指数函数模型，利用MATLAB软件分析闪电的频谱分布，结合屏蔽措施对LEMP的防护效果进行研究，确定计算机机房的屏蔽材料应为金属网格，屏蔽网格尺寸应和雷电流幅值相关。并借助雷电监测系统，对近5年来山东省各地闪电数据和雷电流幅值进行统计、分析并针对不同落雷情况，实际计算出计算机机房屏蔽层内外可能出现的磁场强度，借鉴人工引雷试验数据对屏蔽的有效性进行了验证，给出山东省各地机房屏蔽层尺寸的参考值，山东省内机房的屏蔽尺寸应在0.16～0.22 m之间。

闪电电磁脉冲；计算机机房；辐射；屏蔽；磁场强度

0 引言

雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的极严重的十大自然灾害之一［1］。近年来，电子信息技术迅速发展，大规模集成电路得到广泛应用。但这些集成电路的耐压水平较低，对闪电电磁脉冲（LEMP）极为敏感，因信息系统被雷击而造成的事故时有发生。雷电被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”［2］。据统计，直击雷 的损坏 仅占15%，感应雷与地电位提高的损坏占 85%［3］，而感应雷和地电位提高主要造成电子设备损坏，所以机房内部的防雷非常重要。GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》第 5.3条提出，为减小 LEMP在电子信息系统内产生的浪涌宜采用建筑物屏蔽、机房屏蔽，当建筑物自然金属部件构成的屏蔽不能满足机房内电子系统的电磁环境要求时，要考虑机房屏蔽［4］。同时，国际电工委员会（IEC）在其标准 IEC 623054—2010《防雷保护》第四部分，以及GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中也提到屏蔽是电子信息系统防雷的重要措施［5-6］，在这些标准中没有提出屏蔽网格的尺寸问题。在实际工程中，对于计算机房的屏蔽措施仅仅是采用金属网，有些则直接采用建筑物钢筋进行屏蔽。对于金属网尺寸的大小及屏蔽材料的选择，缺乏理论依据。近年来，山东省建立了闪电监测定位系统，可以监测到大量的雷电数据，使依据雷电参数来确定屏蔽层网格尺寸成为可能。

1 LEMP对计算机的影响

1.1 静电感应电磁脉冲

因存在大气电离层，晴天情况下，电离层和地面具有稳定的静电场。当有积雨云形成时，云层上下带有不同电荷，云层底部带有的电荷会在下垫面上感应出异种电荷，使地面与云层间形成静电电场。积雨云放电后，下垫面上的电荷就会失去束缚，并沿低阻抗的通道流入大地，形成高电压和强电流。处在电场中的金属线路感应出的电荷失去束缚后会沿线路向两边传播，对与之相连的电气设施或电子设备造成损害。

1.2 闪电地电流脉冲

在云地闪放电过程中，云层中的电荷会和地面电荷中和，同时地面电荷也会迅速流向雷击点，形成地电流脉冲。地电流在流经路径上会造成不同位置的瞬态电位抬升，形成跨步电压。当一个信息系统具有不同的接地，则会因跨步电压造成信息系统损坏。与机房相连的金属管道、电缆等设施埋于地下，则会因地电流脉冲造成两端出现高电位差，危害室内信息系统的安全［7-8］。

1.3 闪电辐射脉冲

无论是云际闪、云内闪还是云地闪，其放电时异种电荷迅速中和，放电通道中的电流变化梯度大，电流上升速率最大可能达到500 kA／μs［9］。此时产生交变电磁场，雷电流放电通道就等效于天线，产生强烈的辐射脉冲。

当计算机机房外部防雷装置（接闪器、引下线、接地体）接闪时，同样会产生强烈的脉冲辐射，这种辐射以感性耦合、容性耦合等方式对室内电子设备产 生危 害［10］。

2 屏蔽对LEMP的防护效果

2.1 LEMP的频谱分布

目前，国际上比较认可雷电流波形的是 Bruce等提出的雷电流的双指数函数，其表达式（1）［11］为

式中：η=exp（-αtp）-exp（-βtp）为峰值电流的修正因子；tp=ln（β／α）／（β-α）为峰值时间；常数 α和 β可由回击通道电荷密度、回击速度、先导电荷复合率等参数确定。

对该函数进行傅里叶变换可得式（2）、（3）为

使用 MATLAB软件可以得出雷电流频谱分布图，如图1所示。

图1 双指数函数雷电流的频谱分布图

由图1可以看出，雷电流的能量主要集中在低频部分，绝大多数在 2×104Hz以下，所以在考虑屏蔽时主要针对低频屏蔽。

2.2 屏蔽的原理及效能

文章所探讨的屏蔽主要是针对计算机机房的外部屏蔽，目前所使用的屏蔽大多数为金属网屏蔽材料，其中用的最多的就是钢丝网。金属网对低频电磁波具有良好的电磁屏蔽性能，而建筑物中的众多柱筋也可以充当屏蔽网，这样可以降低屏蔽工程的成本。金属丝网的电磁屏蔽效能与其孔眼的数量、尺寸以及电磁波的频率等有关。屏蔽原理可以用波导衰减器来解释，屏蔽网格的尺寸对应着电磁波的“截止”频率，大于该“截止”频率时，屏蔽层对该频段的电磁波屏蔽不明显；而小于该“截止”频率时则屏蔽效果非常显著。

对于金属屏蔽层，网格尺寸越小屏蔽效果越好，电磁波衰减越明显。在相同的屏蔽尺寸下，屏蔽金属的直径越大，屏蔽性能越好。另外，利用双层网或多层屏蔽网效果明显要好于单层网［12］。

3 近5年来山东省各地闪电数据统计

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中使用 10／350 μs波形的雷电流进行相关的计算［6］，如图2所示。图2中T1为电流达到10%和90%幅值电流之间的间隔时间；T2为波头时间；T3则为半值时间。

图2 典型雷电流波形示意图

实际上，每次雷击放电，其电流波形并不是固定的。胡正伟对雷电流进行了长期实测，对测量的波头、波尾数据进行分析，得出波头时间、波尾时间数值分布大致服从正态分布，波头时间均值为2.72 μs，波尾时间均值为 25.63 μs［13］。这表明雷电流波形及波头、波尾时间是相对固定的。这样，LEMP的能量大小或频谱宽度的决定因素主要是雷电流的幅值。而对LEMP起到衰减作用的主要是屏蔽层的材料和尺寸，那么工程上，就可以根据雷电流的幅值来确定屏蔽层的尺寸和材料。

山东省气象局于2006年建成了雷电监测系统，根据时差定位原理，采用高精度授时型 GPS定时，可以得到闪电每一个回击的全部信息。这些信息包括：闪电放电时间、GPS位置、雷电流幅值、区域闪电数量等。经过对2009—2013年5年间，山东省17地市的雷电流的参数统计，计算出了各个地市雷电流的平均幅值，如表1所示。

4 根据雷电幅值数据确定屏蔽体参数

4.1 计算机耐受 LEMP的能力

实验证明在LEMP强度为0.3 Gs时可以造成微电子设备误动作；0.75 Gs时会出现假性损坏；2.4 Gs时能造成电子设备的内部元器件击穿［14］。在国际单位制（SI）中，磁场强度的单位为 A／m，在高斯单位制（CGS）中，磁场强度单位是奥斯特（Oe），1 A／m相当于 4π×10-3Gs［15］。所以，0.3 Gs等于23.885 A／m。

表1 山东省各地雷电流的平均幅值 ／kA

4.2 远处闪击对屏蔽层的要求

雷暴一般是积雨云情况下产生的，而积雨云云底高度为400～1000 m［16］。假设积雨云在计算机机房正上方放电，那么LEMP传播到机房时的磁场强度由式（5）［12］计算为式中：H0为计算点无衰减磁场强度，A／m；i0为雷电流幅值，A；Sa为雷击点计算机机房屏蔽空间平均距离，m。

为使计算机不受影响，应令Sa=400 m，H0＜23.885 A／m，那么i0／（2πSa）＜23.885，可求得i0＜59999.12 A。通过表1可以看出2013年山东省平均雷电流幅值最高的是威海，该年份平均雷电流幅值为17.8 kA，其数值小于59999.12 A，所以在这种情况下不需要考虑对LEMP的屏蔽。

4.3 近地点落雷对屏蔽层的要求

防雷设计规范中，把距计算点为50至1000 m的落雷称为近地点落雷。在4.2中已经计算了400 m距离处闪击放电对计算机系统的影响，所以，综合山东省雷电流幅值和积雨云的高度，单纯针对计算机系统，山东省范围内近地点落雷应该为50 m到400 m。当落雷点距计算机机房为50 m时，近地点落雷产生的LEMP，对机房影响最大。所以计算50 m距离落雷后 LEMP传播到机房时的磁场强度。根据式（5），按照5年平均雷电流幅值计算出的山东省各地磁场强度数据如表2所示。

表2 50 m距离落雷时计算点的磁场强度

由表2可以看出，当50 m距离落雷时，磁场强度超出了计算机的安全值，所以必须屏蔽。通过文章2.1的分析可以看出，LEMP的辐射主要是低频，而金属网格的屏蔽对低频辐射是有效的。建筑物有外部屏蔽时，在格栅大空间屏蔽内的磁场强度，应按式（6）［12］计算 为

当材料为铜或铝时，SF1由式（7）表示为

当材料为钢时，SF2由式（8）表示为

式中：SF为格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数，dB；ω为格栅形屏蔽的网格宽，m；r为格栅形屏蔽网格导体的半径，m；H0为无屏蔽时产生的无衰减磁场强度，A／m。

为防止近地点雷击对计算机的损害，屏蔽网应小于某一个尺寸，通过式（5）～（8）可以得出对应各地雷电流平均幅值的屏蔽网尺寸，当屏蔽网小于该尺寸时机房内设备可以得到保护。

从表3可以看出，平均雷电流幅值较高的威海、烟台、聊城、青岛等地机房屏蔽层网格尺寸要相对较小，而济南、济宁、淄博、枣庄等地平均雷电流幅值相对较小，机房屏蔽层网格尺寸可以稍大一些。对于钢质屏蔽材料，在达到同样的屏蔽效果下，其直径越大，网格尺寸可以越大。也就是说钢质屏蔽材料直径越大，屏蔽效果越好。

4.4 机房自身落雷对屏蔽层的要求

由于闪电的多通道性和放电范围影响较大，对于50 m之内的落雷和闪电直接击中机房屏蔽层或与其连接的防雷装置上，可以与自身落雷归结为同一种情况。其内部空间内某点的磁场强度在这种情况下应按式（9）［17］计算为

表3 基于各地雷电流平均幅值的屏蔽网格直径 ／m

；ω为屏蔽层的网格宽度，m。

对于机房自身落雷，其屏蔽层内的电磁场是不均匀的，这里需要选取某一个位置来计算其磁场强度。为计算简单，假设计算机放置位置距屏蔽顶垂直距离为1 m，水平距离为1 m，那么屏蔽层的网格尺寸见表4。

表4 基于各地雷电流平均幅值的屏蔽网格尺寸 ／m

表4是基于计算机处于确定位置时，屏蔽网格尺寸的最大值。具体工程中，应参照机房内设备布局设置屏蔽网格的尺寸。同时根据式（9）可以看出，在机房摆放设备时应远离屏蔽层，尽量把核心设备放置在机房中心位置。而上述计算成立的前提是计算机和屏蔽层保持一定的安全距离，对于该安全距离文献中有详细介绍［5］，这里不再赘述。文章中，在计算机房自身落雷时，并没有考虑屏蔽网在泄放雷电流时产生的二次电磁辐射效应，实际工程中，除考虑屏蔽网的尺寸外更应该注重设备和线路的自身屏蔽，从而降低屏蔽网二次电磁辐射效应对设备和线路的影响。

4.5 试验验证

国内外做了一些关于 LEMP屏蔽效能的研究，但一般都是在模拟雷电参数的情况下所做的模拟计算。由于雷电参数较为复杂，而且每次闪电参数不同，所以这些模拟存在一定的误差。中科院、南京信息工程大学和广州市气象局曾经长期在广州进行人工引雷试验。人工引雷在一些具体的参数与自然雷电存在一些小的差别，但不同的自然雷电本身各参数之间就差别较大，所以可以把人工引雷产生的雷电等同于自然雷电［18］。颜志等利用人工引雷试验，进行了屏蔽效果试验。采用将2 mm×5 mm×25 mm镀锌扁钢材料做成 20 cm×20 cm的金属网格的立方体，作为格珊结构屏蔽体，该屏蔽体和表 4确定的网格尺寸相近。格栅结构内部磁场峰值为0.82～2.42 A／m，平均为1.41 A／m［19］。试验表明，建筑的金属格珊屏蔽是有效的，而且该尺寸下的屏蔽体可以将自然闪电磁场降低到0.3Gs之下。但测试的磁场和文章理论计算值存在着一定的差别，这主要是由两方面原因引起的：（1）不同的自然闪电到屏蔽层的距离不同，即使是人工触发闪电也不能精确的确定闪电通道与屏蔽层的距离，而理论计算所用的距离是确定的；（2）自然闪电的雷电流大小迅速变化，且每次闪电包含多次放电过程［20］，每次放电的闪电幅值不同，所以在自然闪电情况下，测试到屏蔽体内的磁场是由多次放电过程产生的，而理论计算的屏蔽体内磁场是按固定闪电幅值得出的。

5 结语

雷电主要通过三种方式对计算机系统产生影响。同时根据雷电流的频谱分析，可以看出LEMP的频率主要集中在低频区域，对于低频的屏蔽措施主要是使用金属网格。经过对闪电电流波形的研究，确定 LEMP辐射能量的大小主要取决于闪电的幅值，那么闪电的幅值就和屏蔽层的网格尺寸具有对应关系。分析5年来山东省各地雷电流的平均幅值，计算出不同落雷情况下对机房屏蔽网网格尺寸的要求，并借助人工引雷试验验证了屏蔽的有效性。目前，在实际工程中，设置屏蔽层的尺寸时往往缺少依据，通过上述分析，各地可根据不同雷电流情况和机房重要性，选择屏蔽层的材料和尺寸，从而精细化设计机房的屏蔽层。另外，对于机房的屏蔽，应进一步结合建筑物的结构形式，尽量做到为建筑物服务的钢筋混凝土网兼做屏蔽层。

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（学科责编：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

邓海利（1979-），男，工程师，学士，主要从事雷电防护及预警技术等方面的研究.E-mail：30959151＠qq.com