机房的电磁屏蔽

 机房的电磁屏蔽

１引言随着现代科学技术的飞速发展，各种电子、电气设备已广泛应用于人们的日常生活、国民经济的各个部门及国防建设中。特别是计算机以及网络的应用在各行各业已达到了相当的程度，使得各行业计算机中心机房担负着极其重要的任务，确保数据安全以及机房设备的正常运转与企业的效益休戚相关。为了加大计算机机房设备运转的安全保障，计算机机房的电磁兼容性就显得非常重要了。现在计算机芯片的集成度在不断提高，机房内计算机系统规模庞大，设备繁多，机房周围环境中电磁干扰源也在增加，致使机房内的电磁屏蔽问题已不容忽视。２计算机机房电磁屏蔽的必要性计算机房工程是为计算机服务的，而计算机又是为某一应用目的而工作的。因此，计算机机房电磁屏蔽设计既要满足计算机设备自身的要求，又要满足计算机应用目的的要求。因此，对计算机机房的电磁屏蔽设计是非常有必要的，主要是为了需要达到以下目的：１）保证计算机系统运行的可靠性计算机系统是由许多复杂的高密度组装的电子器件组成的中央处理机（CPU）以及高精密的外部设备组成的。由于其系统的复杂性决定了计算机系统的某一环节很难避免发生故障。因此计算机系统的可靠性问题成为影响计算机发展与应用的核心问题^[6]。而计算机房工程的可靠性与机房环境、供配电、接地等因素是密不可分的，对供配电系统和接地系统而言，如果处理不得当，诸如电网过渡引发直流电源振荡将会使计算机在运行过程中，该为“0”的变成“1”，使软件出现“奇偶位错误”，影响计算机系统的可靠运行，像这样的例子举不胜举。２）保证计算机系统的设计寿命对计算机房内静电的影响而言，静电可以通过人体、导体触及计算机可导电外壳时，有可能击穿其电子器件而使计算机出现偶然性故障及器件损坏。３）保证信息的安全性大部分计算机运行时频率介于0.15MHz～500MHz之间，辐射强度大致为400A/m^[8]。如果供电电源质量没有保证，供电频率超出计算机要求的稳态频率偏移范围，将降低计算机抗干扰能力，辐射到空间的信息将面临有可能被干扰，被篡改，甚至被窃取的危险^[6]。４）保证计算机操作人员的工作环境来自外界的电磁噪声，电磁辐射都会对计算机机房内的操作人员造成不同程度上的影响与伤害。以上是从计算机系统正常运行为出发点对计算机机房电磁屏蔽设计提出的基本要求。在做计算机机房电磁屏蔽设计的同时，应该保证机房内所有计算机和设备的正常运行，严格按照国家的标准来进行设计。３电磁屏蔽技术根据电磁场理论，屏蔽是利用屏蔽体来阻碍和减少电磁能量传输的一种技术。屏蔽的目的有两个：一是防止外来的电磁能量进入某一区域，避免这里的敏感电子设备受到干扰。二是限制内部辐射的电磁能量漏出该内部区域，避免电磁干扰影响周围环境。电磁屏蔽可有以下两种解释：（1）在干扰源引起的一次电磁场作用下，屏蔽体表面因感应而产生电荷，屏蔽体壁内产生电流和磁极化，这些电荷，电流极化产生二次场。二次场与一次场叠加形成合成场，在被保护区域内的合成场必然弱于一次场。（2）利用屏蔽体反射，衰减并引导干扰场源所产生的电磁能流，使得它不进入保护区域^[3]。 ３．１电磁场的屏蔽机理 一般在远离干扰源的空间单纯的电场或磁场是少见的。干扰以电场，磁场同时存在的高频电磁场辐射的形式发生的。在远场条件下，不管干扰源性质如何都可看作平面电磁波传播。电场的分量和磁场的分量同时存在，因此，应同时考虑电场和磁场的屏蔽。从电磁屏蔽的作用过程来看，电磁屏蔽效果就是电磁波在穿过屏蔽层时能量衰减程度。屏蔽体对电磁波的衰减有三种不同的机理：（1）空气中传播的电磁波到达屏蔽体表面，由于空气与金属交界面波阻抗不同，对入射波产生反射，这种反射与屏蔽体的厚度无关，只要波阻抗不一样即可。（2）未被反射而进入屏蔽体内的电磁波能量在继续传播时，由于电磁场在导体内感应产生涡流，因此将消耗部分能量，此能量被屏蔽体材料吸收。（3）在屏蔽体内尚未吸收掉的电磁波能量再被另一金属与空气界面反射回屏蔽体内，在两界面重复反射多次^[3]。 ３．２电磁屏蔽的一些基本措施 １）建筑物的自然屏蔽  建筑物结构中含有许多金属构件。如金属屋面，金属网格，混凝土钢筋，金属门窗和护拦等。在建造建筑物时，将这些自然金属物件在电气上连接在一起，就可以对建筑物构成一个立体屏蔽网。这种自然屏蔽网虽然是格栅稀疏的，但毕竟能对外部侵入的雷电电磁脉冲形成初级屏蔽，使之受到一定程度的衰减，从而有助于减缓对内部信息系统屏蔽要求的压力^[7]。在各种钢筋混凝土结构的建筑物中，由于它们的梁，柱，楼板及墙内都有相当数量的纵横钢筋，将全楼的梁，柱，楼板及墙板内的全部钢筋连接成一个电气整体，即形成一个暗装式避雷网—法拉第电磁屏蔽笼，如图1所示。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100833_BCMvp.jpg" />2）电源线和信号线的屏蔽 从防雷角度来看，在建筑物内的所有低压电源和信号线都应采用有金属屏蔽层的电缆。没有屏蔽的导线应穿过金属钢管，即用钢管屏蔽起来^[7]。在分开建筑物之间的无屏蔽线路应敷设在金属管道内，当采用常见的以金属丝编织层为屏蔽层的电缆时，要注意在布线上避免出现较严重的弯曲。因为金属丝编织层的实际覆盖率是随电缆的弯曲程度不同而不同的。当电缆弯曲时，靠近内半径一侧的金属丝覆盖率很大，而靠近外半径一侧的金属丝覆盖率则显著减少，这样的弯曲部位外侧由于覆盖较为稀疏而会让一部分电磁场透过电缆屏蔽层，使得电缆的屏蔽效能下降^[3]。电缆屏蔽层阻挡电磁脉冲的能力除了与屏蔽层的材料和网眼大小有关外，还与屏蔽层的接地方式密切相关。出于防雷可靠性的考虑，当低频电磁干扰不严重时，在需要保护的空间内，屏蔽电缆应至少在其两端以及在其所穿过的防雷区界面处作接地。低频电磁干扰严重时，可以将屏蔽电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆将金属管或电缆外屏蔽层至少在两端作接地。而金属管内的电缆屏蔽层或屏蔽电缆的内屏蔽层不接地或只做一端接地^[1]。这样既可以保证安全，又能兼顾低频电磁干扰的要求。３）仪器和设备的屏蔽  凡是含有对电磁脉冲干扰敏感的微电子设备和仪器，特别是那些高精尖的信息处理设备，都应采用连续的金属层加以闭封起来，进入仪器及设备的电源线和信号线以及它们之间的传输线应采用屏蔽电缆或穿金属管进行屏蔽，在信号电缆的两端保持其护套与仪器的屏蔽体（如金属外壳）具有良好的电气接触，使它们能构成一个完整的屏蔽体系^[1]。出于暂态过电压防护的目的，进入电子仪器的电源线应采用像压敏电阻之类的保护元件与仪器的屏蔽体系相连接，在屏蔽信号电缆的输入和输出端，宜采用像暂态抑制二极管之类的保护元件与仪器屏蔽体系相连接，以便在仪器的出、入口将沿信号线侵入的暂态过压波堵住．不让它进入仪器，如图2所示。对于那些起关键性作用的仪器或设备群应考虑放在屏蔽室里。对于重要的计算机系统，也应加强其屏蔽措施，可根据实际需要采用单个设备屏蔽和整个机房屏蔽等方式。实验研究表明，虽然目前使用的微型计算机具有较好的屏蔽效果的机壳，但当脉冲电磁场强度达到一定值后，仍会发生误算或死机现象。其原因在于电磁干扰仍能通过键盘，电源电缆和主机与显示器的连线等渠道以感应与耦合等方式侵入机箱内。同时，脉冲电磁场对通电运行状态下微机等电子设备的危害要比断电停机状态下更为严重，这是因为在通电运行状态下，器件内部的载流子处在激活状态下，受外界场作用易于发生变异，因此，所造成的损坏是较为严重的。对于电子仪器设备采取屏蔽措施，还要依据其周围的电磁环境，对那些设置在建筑物易受雷击部位附近的室内电子设备，如位于顶角的微机等，要切实做好对它们的屏蔽。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100859_xc5Ym.jpg" /> ３．３屏蔽材料的选择 屏蔽材料包括小空金属材料（如金属网、冲空金属板）、伪均匀金属材料（如金属化喷涂）和实心金属材料（加金属箔、金属板等）。这些材料可以分成两类：铁磁性材料和非铁磁性材料。屏蔽材料的选择应符合以下要求：1）价格与加工工艺，坡莫合金在热处理和加工过程中会降低u值，一般不宜采用。铝不易焊接，一般也不宜采用。2）耐腐蚀性，因为屏蔽材料都属于金属材料，所以在盐雾气候和潮湿条件下会使异种材料连接处发生电化学腐蚀和自身的锈蚀。所以应选择有镀层保护的金属材料、耐腐蚀性强的材料。3）材料特性，这是选择屏蔽材料主要考虑的问题，即由屏蔽材料的吸收损耗和反射损耗来选择。金属箔应选择电导率大的非铁磁性材料。金属网应选择电导率大的非铁磁性材料。有关金属板屏蔽材料应该这样选择：低阻抗磁场选择吸收损耗大的金属；高阻抗电场和平面波选择反射损耗大的金属；磁场和平面波选择吸收损耗大的铁磁性金属材料^[2]。４计算机机房电磁屏蔽的设计计算机机房的作用是保证其内的计算机正常工作，防止外来电磁波干扰，也防止计算机自身辐射污染电磁环境及防止信息泄露。就一般的计算机而言，其工作频率范围为0.15~500MHz，这么宽的频带几乎包括了广播，通讯，电视，ISM设备及微波，分米波波段^[2]。这就是说，计算机将工作在一个极其复杂的电磁环境中。而屏蔽机房既要防止外界电磁场干扰与破坏计算机工作，又要防止计算机数据信息的泄露与失密，保证计算机安全可靠地工作。 ４．１计算机机房电磁屏蔽的设计要求 １）在0.15~500MHz频率范围内工作。２）机房为封闭式结构，屏蔽体接地电阻小于等于1欧姆，zui大不超过4欧姆。３）屏蔽效能一般要求60dB以上，对强干扰源环境则要求100dB。４）室内空间尺寸按截止电磁波传播的原理及满足设备安装需要考虑,要求机器和屏蔽体相距2~3m。５）室外有防雷击措施，室内有抗静电、抗电磁的专门措施。６）电缆在地板下走线，线长与捆扎方式按电磁兼容性原则考虑。７）对动力装置要有吸音降噪措施。８）屏蔽机房的水、气管道设计要合理，应使水、气管道数量zui少，而且要采取抑制措施，严防电磁泄漏与传导辐射。 ４．２计算机机房电磁屏蔽的设计要点 为了使电子计算机机房设计确保电子计算机系统稳定可靠运行及保障机房工作人员有良好的工作环境，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，对计算机机房的电磁兼容设计是十分必要的^[8]。计算机机房的设计以屏蔽体的设计zui为关键，它涉及到结构形式、材料、尺寸、滤波、接地、门、窗、室内布局、室外的配合、照明、通风、空调、供电、通信设施。 ４．２．１计算机机房的位置 计算机机房避免设在建筑物的高层，宜选择在大楼的低层中心部位，并尽量远离建筑物的结构柱子（主引下线）。即设置在雷电防护区的zui别（LPZ2或LPZ3）区域内。应根据防雷分区和信息系统设备的要求，将建筑物作成全屏蔽（外部屏蔽）、部分屏蔽、局部屏蔽、设备及管线屏蔽，使雷击产生的电磁场向内层层衰减，如图3所示。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100812_Bydjc.jpg" /> ４．２．２屏蔽机房的分类 屏蔽机房从结构上分为板型和网型两种^[1]。１）板型屏蔽室是由若干块金属板或金属薄片所构成，整个屏蔽室的各个金属板之间、门窗与金属板之间都必须进行良好的电气联接。若屏蔽室采用整块金属做成屏蔽间时，那么，增大材料的导电率就会提高其屏蔽效能；特别是当材料为理想导体情况下，屏蔽的外部空间或内部空间不会有任何电磁场作用。板型屏蔽室是靠在屏蔽室的板壁上有射频感应电流的产生与流通，通过接地系统导流而达到屏蔽目的。所以，采用整块金属板屏蔽．其感应电流的分布均在屏蔽体的整个表面．使得在这一较为宽广的区域里电流所遇到的感抗比集中在金属网网丝上的电流所遇到的感抗小。因此，板型屏蔽室的缝隙小，频带宽，屏蔽效能在100dB以上，适于选能的屏蔽室。２）网型屏蔽室。网型屏蔽室是由若干金属网或板拉网等嵌在骨架上所组成的屏蔽体，它又可分为两种：装配式网状屏蔽室是将金属网或板拉网分别固定在木制骨架上，然后再将固定有金属网的框式骨架用螺栓连接好，金属网骨架之间用铜带等导体良好连接。这种结构形式的屏蔽室可以拆卸与组装，结构简单，造价低，一般称为装配式网状屏蔽室。在防止工业干扰场合多有应用。焊接固定式网状屏蔽室是将金属网或板拉网固定在骨架上，然后将所有金属网焊接好，组成一焊接整体，即为焊接固定式网状屏蔽室。它不能装拆，但电气性能优于装配式网状蔽室,可用于固定场合。 ４．２．３屏蔽材料的材质与规格 １）屏蔽材料的选择：对于近场防护，当近场以电场分量为主时，根据电磁屏蔽原理可知，宜采用导电率高的金属作屏蔽材料。为此，屏蔽材料选用铜为佳；然而当高频设备与屏蔽室有较大间距时，也可选用钢薄板材料。２）屏蔽规格的确定：板材与网材的确定应首先研究板材、网材的区别。采用金属板作屏蔽材料时，它的屏蔽效能将随着材料的导电率的增大而有所提高，且很显著；而采用金属网作屏蔽时，增大材料的导电率也会提高其屏蔽作用，但是不多，尚且有限。从“集肤效应”考虑，由于高频电流主要是沿屏蔽壁表面流动，当采用金属板材料时，高频感应电流所遇到的感抗比集中在金属网丝上的感应电流所遇到的感抗小，有利于泄流与电流传导^[2]。采用金属板作屏蔽壁，可以zui大限度地减少缝隙，提高屏蔽效能。在多数频率上，基本保证屏蔽性能在100dB及100dB以上；而金属网作屏蔽壁电气联接性能差，不可避免地造成缝隙，所以zui好用双层金属网屏蔽，其效能也只有80~90 dB左右。从上述分析可以得知：金属板适用于建造能屏蔽室，而金属网则用于一般要求的屏蔽室建造上。3）板材厚度与网材层数、目数的确定：板材厚度要保证屏蔽效能在100dB以上，板材厚度可在0.3~lmm范围内选择．铜可薄些，0.3~0.5mm即可。网材层数：若采用金属网作屏蔽室时，要保证屏蔽效能高，必须选用双层屏蔽。内外两层金属网应当是绝缘的，两层网可在电源引入处做电气一点接触。若双层网之间的间距过小，则屏蔽效能下降。通过实验研究，确定双层屏蔽网两层之间的间距以10cm为宜^[5]。网材目数：网孔愈小，即目数越大，屏蔽衰减就愈大。细密的金属网对电场分量的屏蔽效能要比磁场分量的屏蔽效果好。屏蔽效果与目数的关系：一般情况下要保证屏蔽效能达到60~70dB的话，只有保证丝距小于0.2cm以下方可实现。 ４．２．４屏蔽体的结构形式及接地 屏蔽体为焊接结构，内设本或轻钢龙骨架，防止钉子形成小天线，大多数用木销钉，内部用玻璃隔成小房间，以利于采光。有一种钢网屏蔽玻璃更为适用，在玻璃上加一块导电光学基片，片上沉积一层金属膜，既远光，又起屏蔽作用^[2]。屏蔽体的5米），金属分隔面经与接地系统连接（每隔5米或更少）变成屏蔽，楼板，天花板和墙内的薄板金属模板必须互相连接并与接地系统焊接，钢结构必须连到接地系统，基础的钢筋也必须连到接地系统^[5]。各数字设备的外壳就近与接地环连接，交流电源的保护地线也要与接地环相连．并保持与电源线平行。另外，将室内屏蔽信号电缆的护套与接地环和保护地线以及设备外壳等就近相连接，在未屏蔽信号线上加装短路环，短路环的两端也要与设备外壳、保护地线和接地环等相连接。接地尤为重要，天花板，墙和楼板中的所有钢筋必须互相连接并与接地系统焊接（至少每隔４．２．５配套设备的屏蔽措施 1）进入机房的电源线、信号线（控制线、数据线、线）都是泄漏和感应体，必须滤波才可进入屏蔽体。滤波器的外壳与机房钢板应有可靠的电气连接，经滤波后的电源线必须装金属管后引入机房内^[5]。信号滤波器安装在信号接口板上。在高频及微波波段，其屏蔽效能不能低于100dB。２）凡出入屏蔽机房的水管、气管数量应尽量少，并作集中式处理；做成截止波导过滤器形式，管径不得超过四分之一波长，管长是管径的5倍以上，短管必须焊在屏蔽壳体上，从而成为良好的波导滤波器^[5]。３）电源应当集中引入，引入点位置、形式、馈电与配电方式、电源滤波器型号与安装位置等必须标示清楚，符台电磁兼容技术要求。照明宜采用白炽灯。４）通信系统与报警系统的设计应当满足电磁兼容性要求，这些系统应安置在较远的地方并适当采取隔离屏蔽措施，进入屏蔽机房应实施隔滤措施。所有这些部应明确其位置、尺寸等相关要求^[7]。５）门用弹簧压片接触，片间距不超过八分之一波长。从以上可以看出，加上以上的电磁屏蔽保护可以将整个机房比作一个大的金属壳体，和外界的线路又加了滤波，从而较全面地隔断厂机房内外电磁辐射的，保证了计算机机房的安全。５计算机机房电磁屏蔽设计例某公司网络中心机房的平面布局简图如图4所示nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100825_o8Xt5.jpg" />作为机房，必须保证其透光性，透气性，同时有通信线路、电力线路的引入以及排水、进出门等都涉及到很多的技术问题^[4]。在此选用金属网作为屏蔽主体材料。1）墙体部分   为了防止混凝土内预埋的电力配电线产生的电磁干扰，机房施工时，在墙内埋设的各种电器配线应穿金属管，且管壁不能太薄，金属管接头应用螺丝接头连接，并拧8mm以上的丝扣，一直把螺纹拧到底，直到丝扣拧死为止。使用蛇皮管时，要尽量减少接头，并使接头互相嵌入深一些。另外，穿线管的接头除了采用螺丝式以外，不得使用其它形式的连接，这是因为接头部位会变成高磁阻，失去屏蔽效果，使该非连续接头部位产生的漏磁通在室内形成磁场，导致各种干扰。因此，混凝土内各种配线严禁裸埋。屏蔽房间选择100目的铜网作为墙体的屏蔽材料，将铜网嵌入墙体。采取铆钉固定于墙体内，各接缝处用薄铜片压接并加焊，使其连为一体。各承重梁柱按墙体屏蔽方法实施。2）透光窗部分   透光玻璃用双层玻璃夹100目钢网，通过工艺上的处理，达到透光性好，色差不明显，整体效果好，与墙体接缝运用铜片压搭焊接，并且铆钉加固定撑，用不锈钢通条挡住焊缝以保证美观^[4]。3）地面，顶层部分   首先喷涂导电漆，考虑进出风口建立在顶面屏蔽层与天花板，地面屏蔽层与地板之间，地面与顶面选用镀锌铁皮，接缝采用搭接方法，与墙体构成一个屏蔽整体。同时为防止生锈影响性能须喷防锈漆。4）进出门   采用全钢门，门缝用弹性簧片达到与墙体铜网连成一体。5）进风口，排水口   用100目的铜网覆盖与墙体铜网连成一体。6）进出机房线缆   通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。 通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置^[7]。 机房内使用的所有电力和信号线需使用电磁屏蔽线，并穿钢管或蛇皮管，如图5所示。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100836_SagSj.jpg" />７）机房地网  利用机房建筑物基础自然间横竖梁内的2根以上主钢筋（必要时辅以相同尺寸的钢筋），组成网格不大于3m×3m的机房地网。当机房建筑物基础有桩时，应将地桩内2根以上的主钢筋与机房地网就近焊接连通。如图6所示。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100847_UFfqj.jpg" />８）整个屏蔽体保持良好的接地，与防雷地等电位连接，如图7所示。nload="if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;" alt="" src="http://www.jc35.com/upload_files/article/14/5_20080822100805_TbHSL.jpg" />6结束语随着现代网络技术的快速发展,计算机及其设备性能的快速提高，为了保证网络中心的计算机及设备的安全,保证机房中心网络的正常运行，数据的保密性，计算机机房的电磁屏蔽作用已变的越来越重要了。希望本文能为计算机设计提供一个良好的参考作用。同时也希望各位专家，老师能够批评与指导。电磁兼容配置方案供应商

 

一、电磁兼容知识大汇总
二、静电放电抗干扰试验系统【IEC61000-4-2 】
三、射频磁场辐射抗绕度试验【IEC61000-4-3 】
四、电快速瞬变脉冲群的抗干扰度试验【IEC61000-4-4 】
五、雷击浪涌抗干扰度试验【IEC61000-4-5 】
六、射频传导抗扰度试验【IEC61000-4-6 】
七、工频磁场抗扰度试验【IEC61000-4-8 】
八、脉冲磁场抗扰度试验【IEC61000-4-9 】
九、电压跌落、短时中断和渐变抗扰度试验【IEC61000-4-11】

十、谐波电流、电压波动和闪烁系统【IEC61000-3-2，IEC61000-3-3】
十一、衰减震荡&振铃波抗扰度试验【IEC61000-4-12】
十二、汽车电子沿电源线的电瞬态传导抗扰度试验系统【ISO7637-2，GB/T21437】

十三、电磁兼容屏蔽室建设方案【EN50147-1, GB12190】
十四、传导发射测试系统【CISPR22】
十五、辐射发射测试系统【CISPR22】
十六、喀呖声干扰测试系统【CISPR22】

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