法拉第笼原理在新建建筑物防雷中的应用

摘要：在1876年，电磁场理论创立者、法拉第的学生——麦克斯韦提出，在雷电防护中可以采用法拉第笼结构以防止或减少雷击造成的损失。现代的建筑物已十分接近法拉第笼的条件，可以使整幢建筑物实现了等电位连接，成为一个等位体，在此结构中，有良好的接地系统，达到了雷电防护的目的。

关键词：法拉第笼 等电位连接 雷电防护

中图分类号：TU856 文献标识码：A

1引言

麦克斯韦提出，在雷电防护中可以采用法拉第笼结构以防止或减少雷击造成的损失，但是在19世纪实行这一方案还不太现实。现在的新建建筑物都采用钢筋混凝土，已经十分接近法拉第笼的条件，只要在施工时对建筑物自身的柱筋按要求进行焊接等处理，很容易形成法拉第笼结构。

2法拉第笼及其防雷原理

2.1法拉第笼的由来

法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验---法拉第笼实验。法拉第将自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未受到任何影响。法拉第笼，原指一个密封的金属腔体，它最早是由物理学家法拉第根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构。

1876年麦克斯韦把由金属网格构成的腔体（俗称“法拉第笼”）替代密封的金属腔体，并提倡将其用到防雷中以替代传统的富兰克林避雷针。

2.2法拉第笼的防雷原理

由物理学可知，当有空腔的导体放入电场中时，导体中的电子要在外电场作用下发生移动，最后达到静电平衡，电子不再作定向移动，此时电场分布不再随时间变化，金属腔体的内表面上处处没有电荷，电荷只能分布在腔体的外表面。由电场唯一性定理，腔内没有电场，电位处处相等，整个腔体是个等位体，它隔离了外电场的作用，使外电场不能进入空腔内部，因此，孤立的金属腔体保护了它所围的区域，实现了静电屏蔽。

利用导体静电平衡的性质，使导体空腔内部空间不受腔外电荷和电场的影响或者将导体空腔接地，使腔外空间免受腔内电荷和电场的影响，这类操作都称为静电屏蔽。若将法拉第笼进行接地处理，则既实现了外屏蔽又实现了内屏蔽。

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入地，笼内的电磁场相互抵消减弱，从而降低了电磁场的干扰强度。

3法拉第笼结构钢筋格栅屏蔽雷击电磁脉冲效果分析

雷击电磁脉冲是指雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应，包含闪电电涌和辐射电磁场。根据GB50057-2010，闪击击于建筑物以外附近时，磁场强度按以下方法计算：

1、当建筑物和房间无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度，相当于处于LPZ0A和LPZ0B区内的磁场强度，应按下式计算：

H0=i0/(2πsa)

式中：H0------无屏蔽时产生的无衰减磁场强度（A/m）；

i0------最大雷电流（A）；

sa------雷击点与屏蔽空间的平均距离（m）；

若一般新建建筑物按长20m宽20m高22m算，则sa可按公式sa=+L/2可以计算出sa=56.4m。又设雷电流为100KA，则：

H0=i0/(2πsa)=（100*103）/(2*3.14*56.4)≈282A/m；

该磁场强度通过换算成磁感应强度约为3.54GS。

2、当建筑物和房间有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ1区内的磁场强度，应按下式计算：

H1=H0/10SF/20

式中：H1------格栅形大空间屏蔽内的磁场强度（A/m）；

SF------屏蔽系数（dB），根据GB50057-2010，按表1的公式计算：

表1.格栅形大空间屏蔽的屏蔽系数

材料 SF(dB)

25kHz① 1MHz②或250kHz

铜/铝 20*log(8.5/ω) 20*log(8.5/ω)

钢③ 20*log[(8.5/ω)/] 20*log(8.5/ω)

式中：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）；

设雷电流为100KA的首次雷击，建筑物长宽高分别为20m-20m-22m，屏蔽材料为Φ14的钢筋，屏蔽网格宽ω为5m的格栅形大空间，其磁场强度为：

H1=H0/10SF/20=i0/(2πsa)/1020*log[(8.5/ω/]

代入ω=5、r=0.007计算得H1=185.8A/m；该值通过换算成磁感应强度约为2.33Gs。

若屏蔽网格宽ω为6m时，磁感应强度为2.78Gs。

美国研究报告[AD-722675]指出，当磁感应强度达到2.4Gs时，计算机发生永久性损坏。所以在建筑物无屏蔽或者屏蔽网格宽超过5m情况下，当雷电流达100KA的闪击击于建筑物以外附近时，足以引起建筑物内计算机永久性损坏。

4新建建筑物中如何形成法拉第笼

由分析，法拉第笼对外界电磁场的屏蔽作用是很明显的。对于现代新建建筑物来说，基本上都采用钢筋混凝土或全金属框架结构，这样就可以充分利用自身钢筋或金属框架形成法拉第笼结构。

对于钢筋混凝土结构的新建建筑物，可以根据电气施工图中的接地平面图和防雷平面图中标识的引下线和避雷带进行施工。同时可充分利用新建建筑物自身柱筋形成法拉第笼，即每根柱子里选取一支不小于Φ16或Φ14的钢筋作为引下线且通长焊接到屋顶，每层圈梁里至少选取一支不小于Φ16或Φ14的钢筋焊接成一个闭合圆环且与引下线钢筋的搭接处应作焊接处理。若严格要求，每个格栅形网格长宽不超过5m，这样就形成了一个能够实现静电屏蔽的法拉第笼了。

5法拉第笼的完善

实际建筑物与法拉第笼是有区别的。法拉第笼在物理上可以是孤立的金属壳体，其内部与外界隔离，但是实际建筑物它不可能与外界隔离。

靠单一的法拉第笼屏蔽难以达到预期防护效果，再加上新建建筑物在实际操作上难以做到每个格栅形网格长宽不超过5m。因此必须采用多重屏蔽，可以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，且所有的屏蔽装置都必须作接地处理，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（金属管两端作接地处理），且应安装防闪电电涌入侵装置，避免雷电电磁波通过线路入户对电子设备及人员造成干扰或损伤。

参考文献

[1]GB50057-2010，建筑物防雷设计规范[M].

[2]虞昊，臧庚媛，赵大铜．现代防雷技术基础[M]．北京:气象出版社，1995.