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電磁干擾及電磁兼容的說明
電磁屏蔽-屏蔽機房資料
屏蔽室-機房部分施工要求
民用建筑隔聲設計規范...
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電磁屏蔽-屏蔽機房資料
發布時間:2007-09-27 09:03:57 瀏覽次數:5641

  電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法來解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作,因此不需要對電路做任何修改。
選擇屏蔽材料
   屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量。屏蔽效能是沒有屏蔽時空間某個位置的場強E1與有屏蔽時該位置的場強E2的比值,它表征了屏蔽體對電磁波的衰減程度。用于電磁兼容目的的屏蔽體通常能將電磁波的強度衰減到原來的百分之一至百萬分之一,因此通常用分貝來表述屏蔽效能,這時屏蔽效能的定義公式為:
   SE = 20 lg ( E1/ E2 )  (dB)
用這個定義式只能測試屏蔽材料的屏蔽效能,而無法確定應該使用什么材料做屏蔽體。要確定使用什么材料制造屏蔽體,需要知道材料的屏蔽效能與材料的什么特性參數有關。
工程中實用的表征材料屏蔽效能的公式為:   SE = A + R  (dB)
式中的A稱為屏蔽材料的吸收損耗,是電磁波在屏蔽材料中傳播時發生的,計算公式為:
   A=3.34t(fμrσr)(dB)
   t = 材料的厚度,μr = 材料的磁導率,σr = 材料的電導率,對于特定的材料,這些都是已知的。f = 被屏蔽電磁波的頻率。
式中的R稱為屏蔽材料的反射損耗,是當電磁波入射到不同媒質的分界面時發生的,計算公式為:
   R=20lg(ZW/ZS(dB)
式中,Zw=電磁波的波阻抗,Zs=屏蔽材料的特性阻抗。
   電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值:Zw = E / H。在距離輻射源較近(<λ/2π,稱為近場區)時,波阻抗的值取決于輻射源的性質、觀測點到源的距離、介質特性等。若輻射源為大電流、低電壓(輻射源電路的阻抗較低),則產生的電磁波的波阻抗小于377,稱為低阻抗波,或磁場波。若輻射源為高電壓,小電流(輻射源電路的阻抗較高),則波阻抗大于377,稱為高阻抗波或電場波。關于近場區內波阻抗的具體計算公式本文不予論述,以免沖淡主題,感興趣的讀者可以參考有關電磁場方面的參考書。當距離輻射源較遠(>λ/2π,稱為遠場區)時,波波阻抗僅與電場波傳播介質有關,其數值等于介質的特性阻抗,空氣為377Ω。屏蔽材料的阻抗計算方法為:
   |ZS|=3.68×10-7(fμr/σr) (Ω)
   f=入射電磁波的頻率(Hz),μr=相對磁導率,σr=相對電導率
   從上面幾個公式,就可以計算出各種屏蔽材料的屏蔽效能了,為了方便設計,下面給出一些定性的結論。
   ● 在近場區設計屏蔽時,要分別考慮電場波和磁場波的情況;
   ● 屏蔽電場波時,使用導電性好的材料,屏蔽磁場波時,使用導磁性好的材料;
   ● 同一種屏蔽材料,對于不同的電磁波,屏蔽效能使不同的,對電場波的屏蔽效能最高,對磁場波的屏蔽效能最低,也就是說,電場波最容易屏蔽,磁場波最難屏蔽;
   ● 一般情況下,材料的導電性和導磁性越好,屏蔽效能越高;
   ● 屏蔽電場波時,屏蔽體盡量靠近輻射源,屏蔽磁場源時,屏蔽體盡量遠離磁場源;
   有一種情況需要特別注意,這就是1kHz以下的磁場波。這種磁場波一般由大電流輻射源產生,例如,傳輸大電流的電力線,大功率的變壓器等。對于這種頻率很低的磁場,只能采用高導磁率的材料進行屏蔽,常用的材料是含鎳80%左右的坡莫合金。
孔洞和縫隙的電磁泄漏與對策
   一般除了低頻磁場外,大部分金屬材料可以提供100dB以上的屏蔽效能。但在實際中,常見的情況是金屬做成的屏蔽體,并沒有這么高的屏蔽效能,甚至幾乎沒有屏蔽效能。這是因為許多設計人員沒有了解電磁屏蔽的關鍵。
   首先,需要了解的是電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系。這與靜電場的屏蔽不同,在靜電中,只要將屏蔽體接地,就能夠有效地屏蔽靜電場。而電磁屏蔽卻與屏蔽體接地與否無關,這是必須明確的。
   電磁屏蔽的關鍵點有兩個,一個是保證屏蔽體的導電連續性,即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體。另一點是不能有穿過機箱的導體。對于一個實際的機箱,這兩點實現起來都非常困難。
   首先,一個實用的機箱上會有很多孔洞和孔縫:通風口、顯示口、安裝各種調節桿的開口、不同部分結合的縫隙等。屏蔽設計的主要內容就是如何妥善處理這些孔縫,同時不會影響機箱的其他性能(美觀、可維性、可靠性)。
   其次,機箱上總是會有電纜穿出(入),至少會有一條電源電纜。這些電纜會極大地危害屏蔽體,使屏蔽體的屏蔽效能降低數十分貝。妥善處理這些電纜是屏蔽設計中的重要內容之一(穿過屏蔽體的導體的危害有時比孔縫的危害更大)。
   當電磁波入射到一個孔洞時,其作用相當于一個偶極天線(圖1),當孔洞的長度達到λ/2時,其輻射效率最高(與孔洞的寬度無關),也就是說,它可以將激勵孔洞的全部能量輻射出去。
   對于一個厚度為0材料上的孔洞,在遠場區中,最壞情況下(造成最大泄漏的極化方向)的屏蔽效能(實際情況下屏蔽效能可能會更大一些)計算公式為:
   SE=100 - 20lgL - 20lg f + 20lg [1 + 2.3lg(L/H)]   (dB)
   若 L ≥λ/2,SE = 0                 (dB)
   式中各量:L = 縫隙的長度(mm),H = 縫隙的寬度(mm),f = 入射電磁波的頻率(MHz)。
   在近場區,孔洞的泄漏還與輻射源的特性有關。當輻射源是電場源時,孔洞的泄漏比遠場時?。ㄆ簾渦芨擼?,而當輻射源是磁場源時,孔洞的泄漏比遠場時要大(屏蔽效能低)。近場區,孔洞的電磁屏蔽計算公式為:
   若ZC >(7.9/D·f):
   SE = 48 + 20lg ZC - 20lgL·f+ 20lg [1 + 2.3lg (L/H) ]
   若Zc<(7.9/D·f):
   SE = 20lg [ (D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ]
   式中:Zc=輻射源電路的阻抗(Ω),
   D = 孔洞到輻射源的距離(m),
   L、H = 孔洞長、寬(mm),
   f = 電磁波的頻率(MHz)
   說明:
   ● 在第二個公式中,屏蔽效能與電磁波的頻率沒有關系。
   ● 大多數情況下,電路滿足第一個公式的條件,這時的屏蔽效能大于第二中條件下的屏蔽效能。
   ● 第二個條件中,假設輻射源是純磁場源,因此可以認為是一種在最壞條件下,對屏蔽效能的保守計算。
   ● 對于磁場源,屏蔽效能與孔洞到輻射源的距離有關,距離越近,則泄漏越大。這點在設計時一定要注意,磁場輻射源一定要盡量遠離孔洞。
多個孔洞的情況
   當N個尺寸相同的孔洞排列在一起,并且相距很近(距離小于λ/2)時,造成的屏蔽效能下降為20lgN1/2。在不同面上的孔洞不會增加泄漏,因為其輻射方向不同,這個特點可以在設計中用來避免某一個面的輻射過強。
   除了使孔洞的尺寸遠小于電磁波的波長,用輻射源盡量遠離孔洞等方法減小孔洞泄漏以外,增加孔洞的深度也可以減小孔洞的泄漏,這就是截止波導的原理。
   一般情況下,屏蔽機箱上不同部分的結合處不可能完全接觸,只能在某些點接觸上,這構成了一個孔洞陣列。縫隙是造成屏蔽機箱屏蔽效能降級的主要原因之一。減小縫隙泄漏的方法有:
   ● 增加導電接觸點、減小縫隙的寬度,例如使用機械加工的手段(如用銑床加工接觸表面)來增加接觸面的平整度,增加緊固件(螺釘、鉚釘)的密度;
   ● 加大兩塊金屬板之間的重疊面積;
   ● 使用電磁密封襯墊,電磁密封襯墊是一種彈性的導電材料。如果在縫隙處安裝上連續的電磁密封襯墊,那么,對于電磁波而言,就如同在液體容器的蓋子上使用了橡膠密封襯墊后不會發生液體泄漏一樣,不會發生電磁波的泄漏。
3、穿過屏蔽體的導體的處理
   造成屏蔽體失效的另一個主要原因是穿過屏蔽體的導體。在實際中,很多結構上很嚴密的屏蔽機箱(機柜)就是由于有導體直接穿過屏蔽箱而導致電磁兼容試驗失敗,這是缺乏電磁兼容經驗的設計師感到困惑的典型問題之一。
   判斷這種問題的方法是將設備上在試驗中沒有必要連接的電纜拔下,如果電磁兼容問題消失,說明電纜是導致問題的因素。解決這個問題有兩個方法:
   ● 對于傳輸頻率較低的信號的電纜,在電纜的端口處使用低通濾波器,濾除電纜上不必要的高頻頻率成分,減小電纜產生的電磁輻射(因為高頻電流最容易輻射)。這同樣也能防止電纜上感應到的環境噪聲傳進設備內的電路。
   ● 對于傳輸頻率較高的信號的電纜,低通濾波器可能會導致信號失真,這時只能采用屏蔽的方法。但要注意屏蔽電纜的屏蔽層要360°搭接,這往往是很難的。
   在電纜端口安裝低通濾波器有兩個方法
   ● 安裝在線路板上,這種方法的優點是經濟,缺點是高頻濾波效果欠佳。顯然,這個缺點對于這種用途的濾波器是十分致命的,因為,我們使用濾波器的目的就是濾除容易導致輻射的高頻信號,或者空間的高頻電磁波在電纜上感應的電流。
   ● 安裝在面板上,這種濾波器直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上,如饋通濾波器、濾波陣列板、濾波連接器等。由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入、輸出之間完全隔離,接地良好,導線上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果十分理想。缺點是安裝需要一定的結構配合,這必須在設計初期進行考慮。
   由于現代電子設備的工作頻率越來越高,對付的電磁干擾頻率也越來越高,因此在面板上安裝干擾濾波器成為一種趨勢。一種使用十分方便、性能十分優越的器件就是濾波連接器。濾波連接器的外形與普通連接器的外形完全相同,可以直接替換。它的每根插針或孔上有一個低通濾波器。低通濾波器可以是簡單的單電容電路,也可以是較復雜的電路。
   解決電纜上干擾的一個十分簡單的方法是在電纜上套一個鐵氧體磁環,這個方法雖然往往有效,但是有一些條件。許多人對鐵氧體寄予了過高期望,只要一遇到電纜輻射的問題,就在電纜上套鐵氧體,往往會失望。鐵氧體磁環的效果預測公式為:
   共模輻射改善 =20lg(加磁環后的共?;仿紛榪?加磁環前的共?;仿紛榪梗?
   例如,如果沒加鐵氧體時的共?;仿紛榪刮?00Ω,加了鐵氧體以后為1000Ω,則共模輻射改善為20dB。
   說明:有時套上鐵氧體后,電磁輻射并沒有明顯的改善,這并不一定是鐵氧體沒有起作用,而可能是除了這根電纜以外,還有其他輻射源。
   在電纜上使用鐵氧體磁環時,要注意下列一些問題:
   ● 磁環的內徑盡量小
   ● 磁環的壁盡量厚
   ● 磁環盡量長
   ● 磁環盡量安裝在電纜的端頭處

4、對智能化大樓機房屏蔽具體措施
   1、為機房設置一個良好的接地
因為電磁微波以及靜電等干擾源其實還是能量的一種方式,它不可能莫名其妙地消失,只有通過適當的途徑釋放。所以我們設計為該大樓做一個計算機機房單獨接地,且接地電阻越小則釋放渠道越暢通,通過時間越短,效果越好。
而計算機上的靜電如何消散?靜電消散的最后結果是實現正負電荷的中和,實現靜電消散的途徑主要有兩條:一是通過空氣,使物體上的電荷與大氣中的異號電荷中和,另一條就是通過帶電體自身與大地相連的物體的傳導作用使電荷向大地泄漏,與大地中的異號電荷發生中和,又稱靜電接地。根據我國有關標準(JXB110-91,GJB2527-95)和文獻對靜電接地做了嚴格的定義:所謂的靜電接地是指物體通過導電,防靜電材料或其他制品與大地在電氣上可靠連接,確保靜電導體與大地的電位相近。
   2、機房地面采用防靜電處理
先對機房地面清洗除塵,因為灰塵是帶電粒子的良好載體,經過微小灰塵的揚塵,將靜電產生移動并轉移;再對地面涂刷防塵油漆處理,從而地面將不再有產生灰塵的可能;第三在防塵油漆的上面再涂刷防靜電金屬油漆。從而使機房地面表層形成一層清潔、干凈的金屬薄膜。
   3、機房地板采用導電性能良好的金屬靜電地板
在本方案設計中,機房防靜電活動地板設計的安裝高度為300mm?;疃匕逑旅嬗米骰磕詰牡繢縷躺?。
機房的防靜電地板采用沈飛優質鋼材無邊抗靜電地板主材,該地板由鋼板制作,配合精度高,表面采用進口抗靜電復合材料,抗靜電效果良好,此外還具有防火、防潮作用;由于采用無邊設計,地板美觀、整潔、耐用,其抗靜電、耐磨、承載能力等各項指標均達到國內先進水平。
本機房設計室內高度3.2米,需要在防靜電地板下部水泥地面上設,防靜電地板安裝完成后高度為300mm,使防靜電地板到天花頂的高度空間為約2.4米。
這樣使得在機房地面的金屬薄膜上面再架起一層完全是金屬的防靜電地板。
   4、墻面的防靜電與屏蔽
機房墻面采用優質鋁塑板貼面,并采用其配套的輕鋼龍骨,墻面面板用淺色調、20%的光澤光面板,可用溫和清洗劑擦洗。配合頂、地的屏蔽工程,組合成一個良好的屏蔽空間,防止計算機泄密、減少各種電磁場強的電磁波對計算機正常工作的影響,同時也?;すぷ魅嗽泵饈艿绱挪ǖ那趾?。
   5、門窗屏蔽處理
屏蔽機房設計采用金屬質地的門,在對外導風的窗戶采用金屬網格做為屏蔽層,用金屬網格罩住窗戶。
   6、天花板墻面的屏蔽處理
根據機房實際情況設計了微孔防塵屏蔽天花板,并采用配套的輕鋼龍骨。設計具有質輕、防火、防潮、吸音、防塵等性能,不但可以很好屏蔽電磁的干擾,而且可以配合防眩光燈盤不會產生眩光。
   7、布設機房等電位匯流排與地網
在機房的四周(靜電地板下面)用3X35的紫銅帶繞機房四周一圈,并且與接地線緊固連接。
   8、線路屏蔽
在?;さ目占淠?,當采用屏蔽電纜時其屏蔽層應至少兩端并在防雷區交界處做等電位連接,當系統要求只在一端做等電位連接時,應采用雙層屏蔽。引入到遠動機房的非屏蔽線纜應敷設在金屬管道內,實現導電貫通,并連接到共用接地體上。所選用的金屬管道最好采用鐵管。
   9、等電位連接與地網
等電位連接是將正常不帶電(或不帶信息)的、未接地或未良好接地的設備金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬構架、管線的橋架與接地系統作電氣連接,防止在這些物件上由于感應雷電高壓或接地裝置上雷電入地高電位的傳遞造成對設備內部絕緣、電纜芯線的反擊。根據GB50057-94《建筑物防雷設計規范》第6.3.3條款規定的"每幢建筑物本身應采用共用接地系統的原則構成圖所示",也應對電力線路或線纜、通信線路或線纜通過電涌?;て魘迪鐘牘燦媒擁叵低車牡鵲縹渙?。根據GB9361-88〈計算機場地安全要求〉、GB2887-89〈計算機藏地技術條件〉和GB50174-93〈電子計算機機房設計規范〉等相關要求,機房內設備(含電源避雷器、信號避雷器)宜采用單點接地方式實現等電位連接。靜電地板的每四塊地板共用的一個金屬支架與機房內的等電位連接排相連接,以防止跨步電壓與靜電。
在靜電地板的金屬固定腳用6平方的專用接地分線將其與等電位匯流排相連接,形成很好的地網。    10、屏蔽材料與措施與接地線緊固連接
所以以上措施都與機房專用接地緊固連接,從而使機房形成一個"金屬"房子樣的清潔安全空間。能完全解決電磁的干擾,達到系統正常工作以及給機房工作人員一個無電磁干擾的綠色安全空間。

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