利用cst电磁仿真软件模拟保护建筑物免受雷击和电磁脉冲-博天堂登陆

无论是工作、生活还是学习，我们在很大程度上都依赖于数字连接和基础设施，因此保护提供这种连接和存储数据的建筑物（如数据中心）免受无意或有意的电磁(em)事件的影响，也变得至关重要。

雷击

闪电是既美丽而又危险的。我们都知道暴风雨时不要去高尔夫球场，更不要在树底下避雨逗留。既然提到了闪电，那就不得不带大家了解一下，它如何影响数字系统的！

当电荷积聚在风暴云中的水或冰粒上，电磁场会变得很强，这时候空气分解成电子和正离子，就会导致闪电的出现^[1]。电离子在空气区域形成了“阶梯状先导”，这一系列阶梯状电荷分支向下到达地球。当一个阶梯状先导接近地面时，一个带相反电荷的“流光”向上升起与它相遇，在云和地面之间建立了一个导电通道。

通过使电流脉冲流动来使云放电，这就是我们看到的闪电。这种“回击”可以达到数万甚至数十万安培的峰值水平，并且非常热（高达30000摄氏度——比太阳热5倍！），这导致了周围的空气迅速膨胀，产生冲击波，从而形成雷声。

建筑物可以作为闪电提传播介质，特别是如果建筑物很高并且由于结构中的金属而提供低电阻通道，因为金属是良好的电导体。雷电电流脉冲包含的能量足以引起显著的发热，从而可能导致结构损坏，与电流相关的高强度磁场^[2]会在布线和电气/电子系统中感应出有害的电流和电压，导致ic或存储设备等敏感电子元件的损坏。

电磁脉冲

在许多动作电影的情节中，人们已经想象出了非核电磁脉冲，这意味着对电气和电子系统的破坏，但电磁脉冲可以摧毁一座建筑甚至一座城市的数字基础设施的想法有多准确呢？

电磁脉冲是一种真实的现象，既可以自然发生，也可以是人类活动的结果。自然现象的一个例子是太阳电磁脉冲，它是由等离子体爆发及其嵌入的磁场从日冕中喷射出来引起的。人为电磁脉冲的一个例子是粒子与地球大气层和磁场相互作用导致核爆炸(nemp)而产生的脉冲。

emp产生高强度电磁波，峰值电场水平为每米数万伏。如果这些波到达建筑物，它们可以通过耦合窗口、门周围的缝隙、通风口、管道和电缆进入。一旦进入大楼，电磁脉冲产生的场就会耦合到电子系统，并感应出电压和电流，这些电压和电流会严重损坏或烧毁敏感的电子设备，并破坏存储的数据。

保护数字基础设施

雷电防护部分涉及将电流从敏感系统中转移出去；例如，航空站或避雷针可作为拦截点，在受控位置收集闪电并将其安全传导至地面。

数据中心遭受雷击–200 ka雷电流脉冲

屏蔽用于防止低频磁场通过建筑材料扩散，也可用于布线。电磁脉冲防护通常包括确保孔径小于与电磁脉冲相关的波长，以减少耦合/传输，应用屏蔽来创建受保护区域(例如数据服务器大厅)。导电垫圈安装在接缝中，以有效地去除孔隙，导电涂层可以应用于窗户，以减弱通过玻璃材料的场传输。

滤波和瞬态保护装置可用于衰减或箝位连接器接口处的电压和电流。它们可应用于电缆系统进入建筑物的入口点(poe)。安装在公用事业管道中的金属网状结构过滤电磁波，防止它们进入建筑物。

cst软件电磁仿真的帮助

基于物理的模拟能够在建造新建筑或升级现有建筑之前评估数字基础设施设计中的雷电/电磁脉冲漏洞，以加强电磁效应。可以分析不同的保护方案来评估它们的有效性。参数扫描和优化器用于研究设计权衡和避免过度设计，从而降低建筑材料成本。

多学科、基于物理的模拟可用于确保为电磁保护实施的设计特征不会损害结构完整性或冷却系统性能，反之亦然。例如，作为冷却系统的一部分，部署在建筑物中的金属管道或导管可能充当将电磁场和电流传送到建筑物中的导管，并且由于电磁共振效应，甚至可能增强场并恶化损坏。

cst电磁仿真工作室套件技术使场和耦合路径可视化，提供对建筑物电磁性能的深入了解，从而实现最佳设计和保护。覆盖电磁全频段应用的多个电磁场求解器包含在 cst studio suite 的单个用户界面中。求解器可以耦合以执行混合仿真，使工程师能够灵活地以高效和直接的方式分析由多个组件组成的整个系统。

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参考资料

[1]https://www.weather.gov/jetstream/lightning

[2]安培定律