[原创]智能建筑顶层机房内电磁环境的计算与分析...

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智能建筑顶层机房内电磁环境的计算与分析

广州雷迅电子有限公司 平帅 潘挺

[摘 要]：许多使用现代化电子信息设备的设备机房因受各种条件限制被设计在智能建筑物顶层，本文依据GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》，对建筑物顶层中机房内的电磁环境进行了计算和分析，对此环境下机房内设备的电磁危险度和设备摆放的安全距离进行了计算和分析，并通过上述分析提出了对建筑物顶层中机房内的电磁环境的解决方案。

[关键词]：顶层机房 电磁环境 安全距离 解决方案

1、前言

随着高层智能化建筑建设的飞速发展，各种现代化电子信息设备得到了广泛的应用，信息网络已渗透到各行各业。但是这些电子信息系统遭受雷电电磁脉冲的损坏的事故频繁发生，影响了系统正常运行，其原因是信息系统主要采用以微电子器件为核心组成的系统，其耐压低、敏感性高，抗扰度低，很容易受到雷击电磁脉冲的损害，轻者可导致性能下降，重者可以造成系统损坏和伤亡事故，损失无法估计。受各种条件限制，许多使用现代化电子信息设备的设备机房被设计在智能建筑物顶层，因此更容易受到雷电电磁脉冲的损坏，本文从雷电电磁脉冲防护的角度进行了一些分析和探讨，为更好的解决这些问题提供了设计依据。

2、建筑物直击雷防护装置接闪时的其顶部机房内的电磁环境

图 1

如图1所示，当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时，按照GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》提供的二类建筑物雷击参数，首次雷击雷电流参数为：150KA；后续雷击雷电流参数为：37.5KA；则：

LPZ1区的电磁场强度为：

H₁ = K_H·i_O·w/(dw ) (A/m)

SF= 20·log[（ ）/ ] （dB）

d_S/1=ω· （m）

式中：K_H ——形状系数（1/ ），取K_H=0.01（1/ ）；

H₁ ——LPZ1区空间经屏蔽网格衰减后的磁场强度（A/m）；

i₀ ——雷电流值（A）；

SF ——屏蔽系数（dB）；

ω ——屏蔽网格的宽度（m）；

d_S/1 ——LPZ1区内空间的安全距离（m）；

dw ——被考虑点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离（m）；

d_l/r ——被考虑点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离（m）；

依据以上公式计算得，建筑顶部直击雷防护装置接闪时，当建筑天面的建筑钢筋网格为5m×5m时，在建筑物首次雷击（25kHz）的情况下，位于LPZ1区空间中心位置的计算如下：

SF = 20·log[（ ）/ ]≈4.6 dB；

d_S/1=ω· ≈2.3m；

H₁ = K_H·i_O·w/(dw ) ≈1899A/m;（相当于23.8Gs）

上式中：ω=5m；dw=2.5m；d_l/r=2.5m；

依据GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》附录七：环路中感应电压、电流及能量的计算公式，当建筑顶部直击雷防护装置接闪时，距离建筑顶层钢筋柱内引下线1 m布置有直径为16mm²，包裹面积为2m×2m的设备供电电源线时，其环路的感应电压和电流计算如下：

= {0.8· —0.8·( + )+0.4· · [( )/(1+ )]

+0.4· · [( )/(1+ )]}·10^-6 =[ 2.26 -3.2 +4.26+4.26]×10^-6 =7.58×10^-6 H

上式中：l =2m；b =2m；r =8mm；

开路电压U_OC在波头时间T₁（10μs）期间，U_OC的最大值U_OC/max ：

U_OC/max =μ_O·b·ln(1+ / )·K_H·(w/ )·i_O/max/T₁ = 2803.9(V)

如果忽略导线的欧姆（最坏情况），短路电流为i_SC的最大值i_SC/max：

i_SC/max=μ_O·b·ln(1+ / )·K_H·(w/ )·i_O/max/L=357.1A

依据GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》第3.2.3条的要求，主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800 A/m。因此，当建筑物顶部直击雷装置接闪时，依据上述计算，对本文2部分所定义的建筑物，其建筑物顶层机房内的电磁场强度高达1899A/m相当于23.8Gs，远远大于标准所规定的大于800 A/m的磁场干扰强度，因此，必须对建筑物进行金属网格屏蔽。

从上述计算还可以看出，当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时，其机房内部（LPZ1区）电源线、信号线及其相应的接地线所包裹的环路中的开路电压U_OC是非常大的，足以造成设备的损坏。如本文2部分定义的机房，其开路电压最大值U_OC/max为2803.9V，远高于电子信息设备（I类设备）的1500V的耐压。而在实际的机房布线时，其电源线、信号线及其相应的接地线所包裹的环路远大于这个尺寸。因此，在考虑建筑物金属网格屏蔽的同时，还需要考虑机房内电源、信号线路的雷电电磁脉冲在线路上产生的过电压的防护，需对线路采取相应的屏蔽措施，并安装相应等级的电涌保护器（SPD）。

3、建筑顶部机房内设备安全距离的选择

依据GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》第六章：防雷击电磁脉冲；第三节：屏蔽、接地和等电位连接的要求，我们会发现在LPZ1区存在两个安全距离的参数d_S/1和d_S/2，d_S/1为雷电击中格栅形大空间屏蔽以外或附近的情况下LPZ1区内距屏蔽层的安全距离；d_S/2为雷电直接击中格栅形大空间屏蔽上的情况下LPZ1区内距屏蔽网格的安全距离。对于利用建筑物柱内钢筋做屏蔽网格的建筑物，其屏蔽层与屏蔽网格均为建筑物柱内钢筋，那么安全距离到底选择哪一个值呢？d_S/1和d_S/2的计算如下：

d_S/1=ω· ；d_S/2=ω

SF ——屏蔽系数（dB）；

ω ——屏蔽网格的宽度（m）；

通过上式可以看出：当屏蔽系数SF<10 dB时，d_S/1<d_S/2；

当屏蔽系数SF=10 dB时，d_S/1=d_S/2；

当屏蔽系数SF>10 dB时，d_S/1>d_S/2；

而SF = 20·log[（ ）/ ]

是一个与屏蔽网格的宽度ω有关的值，经计算，当屏蔽系数SF=10 dB时，屏蔽网格的宽度ω≈2.65 m，既当屏蔽网格的宽度ω≥2.65 m时，应当选取d_S/1值作为安全距离；当屏蔽网格的宽度ω<2.65 m时，应当选取d_S/2值即网格宽度ω作为安全距离。也就是说，在安全距离的选择上我们总是选择最大的安全距离以保证机房内电子信息设备的安全。

通常情况下，对于设立在建筑物顶部的电子信息设备机房，我们只考虑当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时的电磁场环境，因为此时机房内部（LPZ1区）的磁场强度要大于建筑物附近雷击时的磁场强度，而此时为保证机房内设备的安全，节约机房的使用面积，采用金属网格对建筑物进行屏蔽时所选用的屏蔽网格宽度是远小于2.65 m的，所以在工程我们一般选取d_S/1值作为安全距离。

4、建筑顶部机房设备内部的电磁环境

按照GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》的防雷分区，建筑物顶部机房空间相当于LPZ1区，而此空间内的设备因受到设备金属框架的网格屏蔽作用，空间电磁场强度会进一步衰减，设备内部相当于LPZ2区。在本文2部分定义的机房内，当有一高度为2m、长1m、宽0.5m的设备时，其设备内部的磁感应强度的计算如下：

H₁ = K_H·i_O·w/(dw ) ≈1899A/m;

SF = 20·log[（ ）/ ]≈12.6 dB；

H₂ = H₁/10^SF/20≈446 A/m;（相当于5.6Gs）

根据1971年美国通用研究公司家的R.D希尔的仿真实验，当雷电活动时磁感应强度Bm=0.7Gs时，无屏蔽的计算机会产生误动，当磁感应强度Bd=2.4Gs时，没有屏蔽的计算机系统将遭致永久性损坏。这一实验表明了现代电子信息设备的脆弱性。然而在现实的工程案例中几乎不存在完全“裸露”的电子信息设备，因此在工程设计中不应该选择2.4Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计，而应该按照GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》的要求按10Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计。

当主机房内的磁场干扰环境强度按照800 A/m，也就是10Gs进行设计时应该注意：摆放在此机房空间内的设备，就算受到设备金属框架的网格屏蔽作用，空间电磁场强度有所衰减，对设备而言仍然是不安全的。小于10Gs的磁感应强度虽然不足以损坏设备，但是会缩短设备的正常使用寿命，并且从机房内场地合理利用的角度讲，也需要采用金属网格对机房进行电磁屏蔽。下面在建筑物屏蔽网格的选择中我们将分析这一问题。

5、建筑物屏蔽网格的选择

依据GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》第六章：防雷击电磁脉冲；第三节：屏蔽、接地和等电位连接的要求中关于LPZ1区内电磁场强度的计算公式，对建筑物采取电磁屏蔽措施的时候，按照GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》的要求，主机房内的磁场干扰环境强度不应大于800 A/m，即不大于10Gs，对于无金属网格做电磁屏蔽的建筑物，经计算此时LPZ1区内的安全距离Sa≈3.96 m.。显然，从机房内场地合理利用的角度讲这是不经济的。并且GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》只适用与面积大于140 m²的电子计算机机房，对于面积小于140 m²的电子计算机机房（如移动、联通、铁路等的机站）这是无法接受的。因此必须对建筑物采用金属网格做电磁屏蔽。那么该如何合理的对建筑物进行电磁屏呢？

对于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用1m×1m金属网格做屏蔽时：

SF = 20·log[（ ）/ ] ≈17.91 dB

H₁ = K_H·i_O·w/(dw ) ≈379 A/m （相当于4.8Gs）

d_S/1=ω· =1.79 m

这对面积大于140 m²的电子计算机机房是合适的。如若机房内的设备无金属框架或者机房的面积较小只有几十平方米，则需要用更小的金属网格对建筑物进行屏蔽。

对于二类防雷建筑物，当建筑物天面使用0.4 m×0.4 m金属网格做屏蔽时：

SF = 20·log[（ ）/ ] =26.55 dB

H₁ = K_H·i_O·w/(dw ) ≈152 A/m （相当于1.9Gs）

d_S/1=ω· ≈1 m

此时的设备摆放安全距离d_S/1约为1m，是最佳屏蔽效果。如此的设置可大大节约建筑物机房内的空间使用率，是解决建筑物顶部机房问题的最好方法。

6、引下线对建筑物LPZ1区内电磁场强度的影响

依据本文2部分图1所示，建筑物顶部通过建筑物直击雷防护装置接闪时，按照IEC推荐的雷电流的分布概率，80%的雷电流峰值为30～50KA，我们假设此时雷电流参数为：40KA，若此建筑物由10条柱内钢筋组做引下线，则每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为4KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800 A/m的电磁场界面的位置Sa为：

Sa=

Sa=

Sa即设备在LPZ1摆放时距离引下线的最小安全距离。

同样情况，若此建筑物不是使用柱内钢筋组做引下线，而是独立设置引下线，假设引下线有4条，则依据前述例子，每条柱内钢筋组上所分担的雷电流为10KA。则，在LPZ1区内距离引下线小于10Gs，即800 A/m的电磁场界面的位置为：

S_a=

S_a=

由此可见，这样做对面积较小的电子计算机机房是不经济的。

当建筑物遭受直击雷时，雷电流的95%沿着建筑物的外墙引下线流入地，而在建筑物中间的柱子流过的电流约为5%；因此，在分析时我们一般只考虑建筑外层柱内钢筋组的数量。值得一提的是：选择建筑物内层柱内钢筋组做建筑的电气接地干线时，可大大降低雷击时在该接地干线上产生过高的雷击电压。

综上所述，对于高层建筑物中的电子信息设备机房来说，机房不宜架设计在建筑物顶部，如因条件限制需要设计在建筑物顶部时，必须用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作。对于面积大于140 m²的电子信息设备机房，金属网格的宽度不宜小于1m×1m。对面积较小只有几十平方米的电子信息设备机房，要达到有效利用机房面积的目的，则需使用0.4 m×0.4 m金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。对于引下线的选择，宜使用建筑物柱内钢筋组做引下线，而不宜独立设置引下线。

7、结论

A、对于建筑物顶部设立的电子信息设备机房来说，必须在建筑物天面用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作，而不能依靠设备自身的金属框架做屏蔽网格进行电磁场衰减。在工程设计中不应该选择2.4Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计，而应该按照GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》的要求按10Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计。

B、在安全距离的选择上我们总是选择最大的安全距离以保证机房内电子信息设备的安全。通常情况下，对于设立在建筑物顶部的电子信息设备机房，我们只考虑当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时的电磁场环境，因为此时机房内部（LPZ1区）的磁场强度要大于建筑物附近雷击时的磁场强度，采用金属网格对建筑物进行屏蔽时所选用的屏蔽网格宽度是远小于2.65 m的，所以在工程我们一般选取d_S/1值作为安全距离。

C、要满足建筑物顶部机房内磁感应强度小于10Gs，即小于800 A/m的要求，对于面积大于140 m²的电子信息设备机房，金属网格的宽度不宜小于1m×1m。对面积较小只有几十平方米的电子信息设备机房，要达到有效利用机房面积的目的，则需使用0.4 m×0.4 m金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。

D、在布置建筑物的引下线时，宜使用建筑物柱内钢筋组做引下线，而不宜独立设置引下线。选择建筑物内层柱内钢筋组做建筑的电气接地干线时，可大大降低雷击时在该接地干线上产生过高的雷击电压。

参考文献：

1、GB 50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》附录七《环路中感应电压、电流及能量的计算》；

2、IEC 61312-2《雷电电磁脉冲的防护》第二部分：《建筑物屏蔽、内部等电位连接及接地》；

缺少的公式和图点楼顶的网址浏览。谢谢。

这是论著？？

主机房内的磁场干扰环境强度按照800 A/m，也就是10Gs进行设计

这好象不是相同的吧．？Ａ／Ｍ和ＧＳ之间是什么换算？特丝拉？？

79.8 A/m=1Gs

有些东西只有专家看得懂了..

1971年美国通用研究公司家的R.D希尔的仿真实验，当雷电活动时磁感应强度Bm=0.7Gs时，无屏蔽的计算机会产生误动，当磁感应强度Bd=2.4Gs时，没有屏蔽的计算机系统将遭致永久性损坏。这一实验表明了现代电子信息设备的脆弱性。

如果按１０ＧＳ来设计，就算服务器本身的外壳另加一个机柜（如果不是玻璃门或全开的情况下）二层屏蔽．能到０．７ＧＳ要求？我没有试过．本人在北京电科院有看Ａ／Ｍ是换算成Ｔ特丝拉进来检测的．真的搞不清这二个指标是不是真的能等同起来．