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    機房的電磁屏蔽

    2010年09月06日 16:14點擊:1663作者:蘇州泰思特電子科技有限公司|泰思特電子科技|泰思特來源:蘇州泰思特電子科技有限公司>>進入該公司展臺

     機房的電磁屏蔽

    1引言
    隨著現代科學技術的飛速發(fā)展,各種電子、電氣設備已廣泛應用于人們的日常生活、國民經濟的各個部門及國防建設中。特別是計算機以及網絡的應用在各行各業(yè)已達到了相當的程度,使得各行業(yè)計算機中心機房擔負著極其重要的任務,確保數據安全以及機房設備的正常運轉與企業(yè)的效益休戚相關。為了加大計算機機房設備運轉的安全保障,計算機機房的電磁兼容性就顯得非常重要了。現在計算機芯片的集成度在不斷提高,機房內計算機系統(tǒng)規(guī)模龐大,設備繁多,機房周圍環(huán)境中電磁干擾源也在增加,致使機房內的電磁屏蔽問題已不容忽視。
    2計算機機房電磁屏蔽的必要性
    計算機房工程是為計算機服務的,而計算機又是為某一應用目的而工作的。因此,計算機機房電磁屏蔽設計既要滿足計算機設備自身的要求,又要滿足計算機應用目的的要求。因此,對計算機機房的電磁屏蔽設計是非常有必要的,主要是為了需要達到以下目的:
    1)保證計算機系統(tǒng)運行的可靠性
    計算機系統(tǒng)是由許多復雜的高密度組裝的電子器件組成的*處理機(CPU)以及高精密的外部設備組成的。由于其系統(tǒng)的復雜性決定了計算機系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)很難避免發(fā)生故障。因此計算機系統(tǒng)的可靠性問題成為影響計算機發(fā)展與應用的核心問題[6]。而計算機房工程的可靠性與機房環(huán)境、供配電、接地等因素是密不可分的,對供配電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)而言,如果處理不得當,諸如電網過渡引發(fā)直流電源振蕩將會使計算機在運行過程中,該為“0”的變成“1”,使軟件出現“奇偶位錯誤”,影響計算機系統(tǒng)的可靠運行,像這樣的例子舉不勝舉。
    2)保證計算機系統(tǒng)的設計壽命
    對計算機房內靜電的影響而言,靜電可以通過人體、導體觸及計算機可導電外殼時,有可能擊穿其電子器件而使計算機出現偶然性故障及器件損壞。
    3)保證信息的安全性
    大部分計算機運行時頻率介于0.15MHz~500MHz之間,輻射強度大致為400A/m[8]。如果供電電源質量沒有保證,供電頻率超出計算機要求的穩(wěn)態(tài)頻率偏移范圍,將降低計算機抗*力,輻射到空間的信息將面臨有可能被干擾,被篡改,甚至被竊取的危險[6]
    4)保證計算機操作人員的工作環(huán)境
    來自外界的電磁噪聲,電磁輻射都會對計算機機房內的操作人員造成不同程度上的影響與傷害。
    以上是從計算機系統(tǒng)正常運行為出發(fā)點對計算機機房電磁屏蔽設計提出的基本要求。在做計算機機房電磁屏蔽設計的同時,應該保證機房內所有計算機和設備的正常運行,嚴格按照國家的標準來進行設計。
    3電磁屏蔽技術
    根據電磁場理論,屏蔽是利用屏蔽體來阻礙和減少電磁能量傳輸的一種技術。屏蔽的目的有兩個:一是防止外來的電磁能量進入某一區(qū)域,避免這里的敏感電子設備受到干擾。二是限制內部輻射的電磁能量漏出該內部區(qū)域,避免電磁干擾影響周圍環(huán)境。
    電磁屏蔽可有以下兩種解釋:(1)在干擾源引起的一次電磁場作用下,屏蔽體表面因感應而產生電荷,屏蔽體壁內產生電流和磁極化,這些電荷,電流極化產生二次場。二次場與一次場疊加形成合成場,在被保護區(qū)域內的合成場必然弱于一次場。(2)利用屏蔽體反射,衰減并引導干擾場源所產生的電磁能流,使得它不進入保護區(qū)域[3]
     
    3.1電磁場的屏蔽機理
     
    一般在遠離干擾源的空間單純的電場或磁場是少見的。干擾以電場,磁場同時存在的高頻電磁場輻射的形式發(fā)生的。在遠場條件下,不管干擾源性質如何都可看作平面電磁波傳播。電場的分量和磁場的分量同時存在,因此,應同時考慮電場和磁場的屏蔽。從電磁屏蔽的作用過程來看,電磁屏蔽效果就是電磁波在穿過屏蔽層時能量衰減程度。屏蔽體對電磁波的衰減有三種不同的機理:(1)空氣中傳播的電磁波到達屏蔽體表面,由于空氣與金屬交界面波阻抗不同,對入射波產生反射,這種反射與屏蔽體的厚度無關,只要波阻抗不一樣即可。(2)未被反射而進入屏蔽體內的電磁波能量在繼續(xù)傳播時,由于電磁場在導體內感應產生渦流,因此將消耗部分能量,此能量被屏蔽體材料吸收。(3)在屏蔽體內尚未吸收掉的電磁波能量再被另一金屬與空氣界面反射回屏蔽體內,在兩界面重復反射多次[3]
     
    3.2電磁屏蔽的一些基本措施
     
    1)建筑物的自然屏蔽 
    建筑物結構中含有許多金屬構件。如金屬屋面,金屬網格,混凝土鋼筋,金屬門窗和護攔等。在建造建筑物時,將這些自然金屬物件在電氣上連接在一起,就可以對建筑物構成一個立體屏蔽網。這種自然屏蔽網雖然是格柵稀疏的,但畢竟能對外部侵入的雷電電磁脈沖形成初級屏蔽,使之受到一定程度的衰減,從而有助于減緩對內部信息系統(tǒng)屏蔽要求的壓力[7]。在各種鋼筋混凝土結構的建筑物中,由于它們的梁,柱,樓板及墻內都有相當數量的縱橫鋼筋,將全樓的梁,柱,樓板及墻板內的全部鋼筋連接成一個電氣整體,即形成一個暗裝式避雷網—法拉第電磁屏蔽籠,如圖1所示。
    2)電源線和信號線的屏蔽
    從防雷角度來看,在建筑物內的所有低壓電源和信號線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。沒有屏蔽的導線應穿過金屬鋼管,即用鋼管屏蔽起來[7]。在分開建筑物之間的無屏蔽線路應敷設在金屬管道內,當采用常見的以金屬絲編織層為屏蔽層的電纜時,要注意在布線上避免出現較嚴重的彎曲。因為金屬絲編織層的實際覆蓋率是隨電纜的彎曲程度不同而不同的。當電纜彎曲時,靠近內半徑一側的金屬絲覆蓋率很大,而靠近外半徑一側的金屬絲覆蓋率則顯著減少,這樣的彎曲部位外側由于覆蓋較為稀疏而會讓一部分電磁場透過電纜屏蔽層,使得電纜的屏蔽效能下降[3]。電纜屏蔽層阻擋電磁脈沖的能力除了與屏蔽層的材料和網眼大小有關外,還與屏蔽層的接地方式密切相關。出于防雷可靠性的考慮,當低頻電磁干擾不嚴重時,在需要保護的空間內,屏蔽電纜應至少在其兩端以及在其所穿過的防雷區(qū)界面處作接地。低頻電磁干擾嚴重時,可以將屏蔽電纜穿入金屬管內或采用雙屏蔽電纜將金屬管或電纜外屏蔽層至少在兩端作接地。而金屬管內的電纜屏蔽層或屏蔽電纜的內屏蔽層不接地或只做一端接地[1]。這樣既可以保證安全,又能兼顧低頻電磁干擾的要求。
    3)儀器和設備的屏蔽 
    凡是含有對電磁脈沖干擾敏感的微電子設備和儀器,特別是那些高精尖的信息處理設備,都應采用連續(xù)的金屬層加以閉封起來,進入儀器及設備的電源線和信號線以及它們之間的傳輸線應采用屏蔽電纜或穿金屬管進行屏蔽,在信號電纜的兩端保持其護套與儀器的屏蔽體(如金屬外殼)具有良好的電氣接觸,使它們能構成一個完整的屏蔽體系[1]。出于暫態(tài)過電壓防護的目的,進入電子儀器的電源線應采用像壓敏電阻之類的保護元件與儀器的屏蔽體系相連接,在屏蔽信號電纜的輸入和輸出端,宜采用像暫態(tài)抑制二極管之類的保護元件與儀器屏蔽體系相連接,以便在儀器的出、入口將沿信號線侵入的暫態(tài)過壓波堵住.不讓它進入儀器,如圖2所示。對于那些起關鍵性作用的儀器或設備群應考慮放在屏蔽室里。對于重要的計算機系統(tǒng),也應加強其屏蔽措施,可根據實際需要采用單個設備屏蔽和整個機房屏蔽等方式。實驗研究表明,雖然目前使用的微型計算機具有較好的屏蔽效果的機殼,但當脈沖電磁場強度達到一定值后,仍會發(fā)生誤算或死機現象。其原因在于電磁干擾仍能通過鍵盤,電源電纜和主機與顯示器的連線等渠道以感應與耦合等方式侵入機箱內。同時,脈沖電磁場對通電運行狀態(tài)下微機等電子設備的危害要比斷電停機狀態(tài)下更為嚴重,這是因為在通電運行狀態(tài)下,器件內部的載流子處在激活狀態(tài)下,受外界場作用易于發(fā)生變異,因此,所造成的損壞是較為嚴重的。對于電子儀器設備采取屏蔽措施,還要依據其周圍的電磁環(huán)境,對那些設置在建筑物易受雷擊部位附近的室內電子設備,如位于頂角的微機等,要切實做好對它們的屏蔽。
     
    3.3屏蔽材料的選擇
     
    屏蔽材料包括小空金屬材料(如金屬網、沖空金屬板)、偽均勻金屬材料(如金屬化噴涂)和實心金屬材料(加金屬箔、金屬板等)。這些材料可以分成兩類:鐵磁性材料和非鐵磁性材料。屏蔽材料的選擇應符合以下要求:1)價格與加工工藝,坡莫合金在熱處理和加工過程中會降低u值,一般不宜采用。鋁不易焊接,一般也不宜采用。2)耐腐蝕性,因為屏蔽材料都屬于金屬材料,所以在鹽霧氣候和潮濕條件下會使異種材料連接處發(fā)生電化學腐蝕和自身的銹蝕。所以應選擇有鍍層保護的金屬材料、耐腐蝕性強的材料。3)材料特性,這是選擇屏蔽材料主要考慮的問題,即由屏蔽材料的吸收損耗和反射損耗來選擇。金屬箔應選擇電導率大的非鐵磁性材料。金屬網應選擇電導率大的非鐵磁性材料。有關金屬板屏蔽材料應該這樣選擇:低阻抗磁場選擇吸收損耗大的金屬;高阻抗電場和平面波選擇反射損耗大的金屬;磁場和平面波選擇吸收損耗大的鐵磁性金屬材料[2]
    4計算機機房電磁屏蔽的設計
    計算機機房的作用是保證其內的計算機正常工作,防止外來電磁波干擾,也防止計算機自身輻射污染電磁環(huán)境及防止信息泄露。就一般的計算機而言,其工作頻率范圍為0.15~500MHz,這么寬的頻帶幾乎包括了廣播,通訊,電視,ISM設備及微波,分米波波段[2]。這就是說,計算機將工作在一個極其復雜的電磁環(huán)境中。而屏蔽機房既要防止外界電磁場干擾與破壞計算機工作,又要防止計算機數據信息的泄露與失密,保證計算機安全可靠地工作。
     
    4.1計算機機房電磁屏蔽的設計要求
     
    1)在0.15~500MHz頻率范圍內工作。
    2)機房為封閉式結構,屏蔽體接地電阻小于等于1歐姆,zui大不超過4歐姆。
    3)屏蔽效能一般要求60dB以上,對強干擾源環(huán)境則要求100dB
    4)室內空間尺寸按截止電磁波傳播的原理及滿足設備安裝需要考慮,要求機器和屏蔽體相距2~3m
    5)室外有防雷擊措施,室內有抗靜電、抗電磁的專門措施。
    6)電纜在地板下走線,線長與捆扎方式按電磁兼容性原則考慮。
    7)對動力裝置要有吸音降噪措施。
    8)屏蔽機房的水、氣管道設計要合理,應使水、氣管道數量zui少,而且要采取抑制措施,嚴防電磁泄漏與傳導輻射。
     
    4.2計算機機房電磁屏蔽的設計要點
     
    為了使電子計算機機房設計確保電子計算機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行及保障機房工作人員有良好的工作環(huán)境,做到技術*、經濟合理、安全適用、確保質量,對計算機機房的電磁兼容設計是十分必要的[8]。計算機機房的設計以屏蔽體的設計zui為關鍵,它涉及到結構形式、材料、尺寸、濾波、接地、門、窗、室內布局、室外的配合、照明、通風、空調、供電、通信設施。
     
    4.2.1計算機機房的位置
     
    計算機機房避免設在建筑物的高層,宜選擇在大樓的低層中心部位,并盡量遠離建筑物的結構柱子(主引下線)。即設置在雷電防護區(qū)的zui別(LPZ2或LPZ3)區(qū)域內。應根據防雷分區(qū)和信息系統(tǒng)設備的要求,將建筑物作成全屏蔽(外部屏蔽)、部分屏蔽、局部屏蔽、設備及管線屏蔽,使雷擊產生的電磁場向內層層衰減,如圖3所示。
     
    4.2.2屏蔽機房的分類
     
    屏蔽機房從結構上分為板型和網型兩種[1]
    1)板型屏蔽室是由若干塊金屬板或金屬薄片所構成,整個屏蔽室的各個金屬板之間、門窗與金屬板之間都必須進行良好的電氣聯接。若屏蔽室采用整塊金屬做成屏蔽間時,那么,增大材料的導電率就會提高其屏蔽效能;特別是當材料為理想導體情況下,屏蔽的外部空間或內部空間不會有任何電磁場作用。板型屏蔽室是靠在屏蔽室的板壁上有射頻感應電流的產生與流通,通過接地系統(tǒng)導流而達到屏蔽目的。所以,采用整塊金屬板屏蔽.其感應電流的分布均在屏蔽體的整個表面.使得在這一較為寬廣的區(qū)域里電流所遇到的感抗比集中在金屬網網絲上的電流所遇到的感抗小。因此,板型屏蔽室的縫隙小,頻帶寬,屏蔽效能在100dB以上,適于選能的屏蔽室。
    2)網型屏蔽室。網型屏蔽室是由若干金屬網或板拉網等嵌在骨架上所組成的屏蔽體,它又可分為兩種:
    裝配式網狀屏蔽室是將金屬網或板拉網分別固定在木制骨架上,然后再將固定有金屬網的框式骨架用螺栓連接好,金屬網骨架之間用銅帶等導體良好連接。這種結構形式的屏蔽室可以拆卸與組裝,結構簡單,造價低,一般稱為裝配式網狀屏蔽室。在防止工業(yè)干擾場合多有應用。
    焊接固定式網狀屏蔽室是將金屬網或板拉網固定在骨架上,然后將所有金屬網焊接好,組成一焊接整體,即為焊接固定式網狀屏蔽室。它不能裝拆,但電氣性能優(yōu)于裝配式網狀蔽室,可用于固定場合。
     
    4.2.3屏蔽材料的材質與規(guī)格
     
    1)屏蔽材料的選擇:對于近場防護,當近場以電場分量為主時,根據電磁屏蔽原理可知,宜采用導電率高的金屬作屏蔽材料。為此,屏蔽材料選用銅為佳;然而當高頻設備與屏蔽室有較大間距時,也可選用鋼薄板材料。
    2)屏蔽規(guī)格的確定:板材與網材的確定應首先研究板材、網材的區(qū)別。采用金屬板作屏蔽材料時,它的屏蔽效能將隨著材料的導電率的增大而有所提高,且很顯著;而采用金屬網作屏蔽時,增大材料的導電率也會提高其屏蔽作用,但是不多,尚且有限。
    集膚效應考慮,由于高頻電流主要是沿屏蔽壁表面流動,當采用金屬板材料時,高頻感應電流所遇到的感抗比集中在金屬網絲上的感應電流所遇到的感抗小,有利于泄流與電流傳導[2]
    采用金屬板作屏蔽壁,可以zui大限度地減少縫隙,提高屏蔽效能。在多數頻率上,基本保證屏蔽性能在100dB100dB以上;而金屬網作屏蔽壁電氣聯接性能差,不可避免地造成縫隙,所以用雙層金屬網屏蔽,其效能也只有80~90 dB左右。
    從上述分析可以得知:金屬板適用于建造能屏蔽室,而金屬網則用于一般要求的屏蔽室建造上。
    3)板材厚度與網材層數、目數的確定:
    板材厚度要保證屏蔽效能在100dB以上,板材厚度可在0.3~lmm范圍內選擇.銅可薄些,0.3~0.5mm即可。
    網材層數:若采用金屬網作屏蔽室時,要保證屏蔽效能高,必須選用雙層屏蔽。內外兩層金屬網應當是絕緣的,兩層網可在電源引入處做電氣一點接觸。若雙層網之間的間距過小,則屏蔽效能下降。通過實驗研究,確定雙層屏蔽網兩層之間的間距以10cm為宜[5]
    網材目數:網孔愈小,即目數越大,屏蔽衰減就愈大。細密的金屬網對電場分量的屏蔽效能要比磁場分量的屏蔽效果好。
    屏蔽效果與目數的關系:一般情況下要保證屏蔽效能達到60~70dB的話,只有保證絲距小于0.2cm以下方可實現。
     
    4.2.4屏蔽體的結構形式及接地
     
    屏蔽體為焊接結構,內設本或輕鋼龍骨架,防止釘子形成小天線,大多數用木銷釘,內部用玻璃隔成小房間,以利于采光。有一種鋼網屏蔽玻璃更為適用,在玻璃上加一塊導電光學基片,片上沉積一層金屬膜,既遠光,又起屏蔽作用[2]屏蔽體的5),金屬分隔面經與接地系統(tǒng)連接(每隔5米或更少)變成屏蔽,樓板,天花板和墻內的薄板金屬模板必須互相連接并與接地系統(tǒng)焊接,鋼結構必須連到接地系統(tǒng),基礎的鋼筋也必須連到接地系統(tǒng)[5]。各數字設備的外殼就近與接地環(huán)連接,交流電源的保護地線也要與接地環(huán)相連.并保持與電源線平行。另外,將室內屏蔽信號電纜的護套與接地環(huán)和保護地線以及設備外殼等就近相連接,在未屏蔽信號線上加裝短路環(huán),短路環(huán)的兩端也要與設備外殼、保護地線和接地環(huán)等相連接。接地尤為重要,天花板,墻和樓板中的所有鋼筋必須互相連接并與接地系統(tǒng)焊接(至少每隔
    4.2.5配套設備的屏蔽措施
     
    1)進入機房的電源線、信號線控制線、數據線、線都是泄漏和感應體,必須濾波才可進入屏蔽體。濾波器的外殼與機房鋼板應有可靠的電氣連接,經濾波后的電源線必須裝金屬管后引入機房內[5]。信號濾波器安裝在信號接口板上。在高頻及微波波段,其屏蔽效能不能低于100dB
    2)凡出入屏蔽機房的水管、氣管數量應盡量少,并作集中式處理;做成截止波導過濾器形式,管徑不得超過四分之一波長,管長是管徑的5倍以上,短管必須焊在屏蔽殼體上,從而成為良好的波導濾波器[5]
    3)電源應當集中引入,引入點位置、形式、饋電與配電方式、電源濾波器型號與安裝位置等必須標示清楚,符臺電磁兼容技術要求。照明宜采用白熾燈。
    4)通信系統(tǒng)與報警系統(tǒng)的設計應當滿足電磁兼容性要求,這些系統(tǒng)應安置在較遠的地方并適當采取隔離屏蔽措施,進入屏蔽機房應實施隔濾措施。所有這些部應明確其位置、尺寸等相關要求[7]
    5)門用彈簧壓片接觸,片間距不超過八分之一波長。
    從以上可以看出,加上以上的電磁屏蔽保護可以將整個機房比作一個大的金屬殼體,和外界的線路又加了濾波,從而較全面地隔斷廠機房內外電磁輻射的,保證了計算機機房的安全。
    5計算機機房電磁屏蔽設計例
    某公司網絡中心機房的平面布局簡圖如圖4所示
    作為機房,必須保證其透光性,透氣性,同時有通信線路、電力線路的引入以及排水、進出門等都涉及到很多的技術問題[4]。在此選用金屬網作為屏蔽主體材料。
    1)墻體部分   為了防止混凝土內預埋的電力配電線產生的電磁干擾,機房施工時,在墻內埋設的各種電器配線應穿金屬管,且管壁不能太薄,金屬管接頭應用螺絲接頭連接,并擰8mm以上的絲扣,一直把螺紋擰到底,直到絲扣擰死為止。使用蛇皮管時,要盡量減少接頭,并使接頭互相嵌入深一些。另外,穿線管的接頭除了采用螺絲式以外,不得使用其它形式的連接,這是因為接頭部位會變成高磁阻,失去屏蔽效果,使該非連續(xù)接頭部位產生的漏磁通在室內形成磁場,導致各種干擾。因此,混凝土內各種配線嚴禁裸埋。屏蔽房間選擇100目的銅網作為墻體的屏蔽材料,將銅網嵌入墻體。采取鉚釘固定于墻體內,各接縫處用薄銅片壓接并加焊,使其連為一體。各承重梁柱按墻體屏蔽方法實施。
    2)透光窗部分   透光玻璃用雙層玻璃100目鋼網,通過工藝上的處理,達到透光性好,色差不明顯,整體效果好,與墻體接縫運用銅片壓搭焊接,并且鉚釘加固定撐,用不銹鋼通條擋住焊縫以保證美觀[4]
    3)地面,頂層部分   首先噴涂導電漆,考慮進出風口建立在頂面屏蔽層與天花板,地面屏蔽層與地板之間,地面與頂面選用鍍鋅鐵皮,接縫采用搭接方法,與墻體構成一個屏蔽整體。同時為防止生銹影響性能須噴防銹漆。
    4)進出門   采用全鋼門,門縫用彈性簧片達到與墻體銅網連成一體。
    5)進風口,排水口   100目的銅網覆蓋與墻體銅網連成一體。
    6)進出機房線纜   通信電纜以及地線的布放應盡量集中在建筑物的中部。 通信電纜線槽以及地線線槽的布放應盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁并沿建筑物立柱或橫梁布線較長的距離,通信電纜線槽以及地線線槽的設計應盡可能位于距離建筑物立柱或橫梁較遠的位置[7]機房內使用的所有電力和信號線需使用電磁屏蔽線,并穿鋼管或蛇皮管,如圖5所示。
    7)機房地網  利用機房建筑物基礎自然間橫豎梁內的2根以上主鋼筋(必要時輔以相同尺寸的鋼筋),組成網格不大于3m×3m的機房地網。當機房建筑物基礎有樁時,應將地樁內2根以上的主鋼筋與機房地網就近焊接連通。如圖6所示。
    8)整個屏蔽體保持良好的接地,與防雷地等電位連接,如圖7所示
    6結束語
    隨著現代網絡技術的快速發(fā)展,計算機及其設備性能的快速提高,為了保證網絡中心的計算機及設備的安全,保證機房中心網絡的正常運行,數據的保密性,計算機機房的電磁屏蔽作用已變的越來越重要了。希望本文能為計算機設計提供一個良好的參考作用。同時也希望各位專家,老師能夠批評與指導。
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    七、工頻磁場抗擾度試驗【IEC61000-4-8 】

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