法拉第籠原理在新建建筑物防雷中的應用

1、<p>　　法拉第籠原理在新建建筑物防雷中的應用</p><p>　　摘要：在1876年，電磁場理論創(chuàng)立者、法拉第的學生——麥克斯韋提出，在雷電防護中可以采用法拉第籠結(jié)構(gòu)以防止或減少雷擊造成的損失?，F(xiàn)代的建筑物已十分接近法拉第籠的條件，可以使整幢建筑物實現(xiàn)了等電位連接，成為一個等位體，在此結(jié)構(gòu)中，有良好的接地系統(tǒng)，達到了雷電防護的目的。 </p><p>　　關鍵詞：法拉第籠 等

2、電位連接 雷電防護 </p><p>　　中圖分類號：TU856 文獻標識碼：A </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　麥克斯韋提出，在雷電防護中可以采用法拉第籠結(jié)構(gòu)以防止或減少雷擊造成的損失，但是在19世紀實行這一方案還不太現(xiàn)實?，F(xiàn)在的新建建筑物都采用鋼筋混凝土，已經(jīng)十分接近法拉第籠的條件，只要在施工時對建筑物自

3、身的柱筋按要求進行焊接等處理，很容易形成法拉第籠結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　2法拉第籠及其防雷原理 </p><p>　　2.1法拉第籠的由來 </p><p>　　法拉第曾經(jīng)冒著被電擊的危險，做了一個聞名于世的實驗---法拉第籠實驗。法拉第將自己關在金屬籠內(nèi)，當籠外發(fā)生強大的靜電放電時，他并未受到任何影響。法拉第籠，原指一個密封的金屬腔體，它最早是由物理學家法拉

4、第根據(jù)靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電場影響所采用的一種結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　1876年麥克斯韋把由金屬網(wǎng)格構(gòu)成的腔體（俗稱“法拉第籠”）替代密封的金屬腔體，并提倡將其用到防雷中以替代傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針。 </p><p>　　2.2法拉第籠的防雷原理 </p><p>　　由物理學可知，當有空腔的導體放入電場中時，導體中的電子要在外電場作用下發(fā)生移動，最

5、后達到靜電平衡，電子不再作定向移動，此時電場分布不再隨時間變化，金屬腔體的內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在腔體的外表面。由電場唯一性定理，腔內(nèi)沒有電場，電位處處相等，整個腔體是個等位體，它隔離了外電場的作用，使外電場不能進入空腔內(nèi)部，因此，孤立的金屬腔體保護了它所圍的區(qū)域，實現(xiàn)了靜電屏蔽。 </p><p>　　利用導體靜電平衡的性質(zhì)，使導體空腔內(nèi)部空間不受腔外電荷和電場的影響或者將導體空腔接地，使腔外空間免

6、受腔內(nèi)電荷和電場的影響，這類操作都稱為靜電屏蔽。若將法拉第籠進行接地處理，則既實現(xiàn)了外屏蔽又實現(xiàn)了內(nèi)屏蔽。 </p><p>　　另一方面，法拉第籠對于雷電流能起到分流和均流的作用。由于雷電流對稱地流過法拉第籠的金屬屏蔽層入地，籠內(nèi)的電磁場相互抵消減弱，從而降低了電磁場的干擾強度。 </p><p>　　3法拉第籠結(jié)構(gòu)鋼筋格柵屏蔽雷擊電磁脈沖效果分析 </p><p&g

7、t;　　雷擊電磁脈沖是指雷電流經(jīng)電阻、電感、電容耦合產(chǎn)生的電磁效應，包含閃電電涌和輻射電磁場。根據(jù)GB50057-2010，閃擊擊于建筑物以外附近時，磁場強度按以下方法計算： </p><p>　　1、當建筑物和房間無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度，相當于處于LPZ0A和LPZ0B區(qū)內(nèi)的磁場強度，應按下式計算： </p><p>　　H0=i0/(2πsa) </p><

8、p>　　式中：H0------無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度（A/m）； </p><p>　　i0------最大雷電流（A）； </p><p>　　sa------雷擊點與屏蔽空間的平均距離（m）； </p><p>　　若一般新建建筑物按長20m寬20m高22m算，則sa可按公式sa=+L/2可以計算出sa=56.4m。又設雷電流為100KA，則： &l

9、t;/p><p>　　H0=i0/(2πsa)=（100*103）/(2*3.14*56.4)≈282A/m； </p><p>　　該磁場強度通過換算成磁感應強度約為3.54GS。 </p><p>　　2、當建筑物和房間有屏蔽時，在格柵形大空間屏蔽內(nèi)，即在LPZ1區(qū)內(nèi)的磁場強度，應按下式計算： </p><p>　　H1=H0/10SF/20

10、 </p><p>　　式中：H1------格柵形大空間屏蔽內(nèi)的磁場強度（A/m）； </p><p>　　SF------屏蔽系數(shù)（dB），根據(jù)GB50057-2010，按表1的公式計算： </p><p>　　表1.格柵形大空間屏蔽的屏蔽系數(shù) </p><p>　　材料 SF(dB) </p><p>　　25k

11、Hz① 1MHz②或250kHz </p><p>　　銅/鋁 20*log(8.5/ω) 20*log(8.5/ω) </p><p>　　鋼③ 20*log[(8.5/ω)/] 20*log(8.5/ω) </p><p>　　式中：ω為格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬（m）；r為格柵形屏蔽網(wǎng)格導體的半徑（m）； </p><p>　　設雷電流為100

12、KA的首次雷擊，建筑物長寬高分別為20m-20m-22m，屏蔽材料為Φ14的鋼筋，屏蔽網(wǎng)格寬ω為5m的格柵形大空間，其磁場強度為： </p><p>　　H1=H0/10SF/20=i0/(2πsa)/1020*log[(8.5/ω/] </p><p>　　代入ω=5、r=0.007計算得H1=185.8A/m；該值通過換算成磁感應強度約為2.33Gs。 </p><

13、p>　　若屏蔽網(wǎng)格寬ω為6m時，磁感應強度為2.78Gs。 </p><p>　　美國研究報告[AD-722675]指出，當磁感應強度達到2.4Gs時，計算機發(fā)生永久性損壞。所以在建筑物無屏蔽或者屏蔽網(wǎng)格寬超過5m情況下，當雷電流達100KA的閃擊擊于建筑物以外附近時，足以引起建筑物內(nèi)計算機永久性損壞。 </p><p>　　4新建建筑物中如何形成法拉第籠 </p>&

14、lt;p>　　由分析，法拉第籠對外界電磁場的屏蔽作用是很明顯的。對于現(xiàn)代新建建筑物來說，基本上都采用鋼筋混凝土或全金屬框架結(jié)構(gòu)，這樣就可以充分利用自身鋼筋或金屬框架形成法拉第籠結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的新建建筑物，可以根據(jù)電氣施工圖中的接地平面圖和防雷平面圖中標識的引下線和避雷帶進行施工。同時可充分利用新建建筑物自身柱筋形成法拉第籠，即每根柱子里選取一支不小于Φ16或Φ14的鋼筋作為

15、引下線且通長焊接到屋頂，每層圈梁里至少選取一支不小于Φ16或Φ14的鋼筋焊接成一個閉合圓環(huán)且與引下線鋼筋的搭接處應作焊接處理。若嚴格要求，每個格柵形網(wǎng)格長寬不超過5m，這樣就形成了一個能夠?qū)崿F(xiàn)靜電屏蔽的法拉第籠了。 </p><p><b>　　5法拉第籠的完善 </b></p><p>　　實際建筑物與法拉第籠是有區(qū)別的。法拉第籠在物理上可以是孤立的金屬殼體，其內(nèi)部

16、與外界隔離，但是實際建筑物它不可能與外界隔離。 </p><p>　　靠單一的法拉第籠屏蔽難以達到預期防護效果，再加上新建建筑物在實際操作上難以做到每個格柵形網(wǎng)格長寬不超過5m。因此必須采用多重屏蔽，可以利用建筑物鋼筋網(wǎng)組成的法拉第籠及設備屏蔽柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級屏蔽，且所有的屏蔽裝置都必須作接地處理，室外通向室內(nèi)的各類強、弱電線路均采用穿金屬管埋地進線（金屬管兩端作接地處理），且應安裝防閃電電涌入侵裝