计算机机房屏蔽及等电位措施防护技术研究

1、计算机机房屏蔽及等电位措施李凡 （南京气象学院电子工程系 210044）摘要:本文将根据计算机机房的整体防雷要求,主要介绍计算机、通信等弱电系统的电磁屏蔽技术和等电位连接等方面的内容,并从其原理方面入手结合相关技术标准对其进行探讨。另外本文还将涉及到电磁兼容、接地技术等方面的内容。关键词：电磁屏蔽、等电位连接、雷电电磁脉冲防护前言 ：近年来，由于高层建筑的不断兴建和信息技术的迅猛发展，各种大型机房和先进的电子设备正广泛的配备于各类建筑中。这些电子设备普遍存在着绝缘强度低，耐压低，灵敏度高的特点。因此建筑物一旦受到雷击、接闪装置接闪后，建筑物内的微电子设备必然会受到影响，轻者导致有关设备误动作，重者会造成硬件设备的永久性损坏。因此现代机房的防雷设计必须高度重视电磁兼容性，完善建筑物内电子设备的雷电防护措施。屏蔽和等电位连接两项措施的合理应用并配以过电压防护技术是机房整体防雷的必然之举，以此将达到比较完善的防雷要求。1、电磁兼容相关概念及雷电电磁干扰的基本特点1.1电磁干扰是由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁骚扰的分类包括 （1）电磁干扰按传播途径可以分为两类：传导干扰和

2、辐射干扰。其中传导干扰的传输性质有电耦合，磁耦合及电磁耦合。辐射干扰的传输性质有近场感应耦合及远场辐射耦合。 （2）电磁干扰按干扰源的性质可以分为两类：自然干扰源和人为干扰源 自然干扰包括宇宙干扰、天电干扰及雷电冲击。人为干扰包括工业干扰、串扰、天线端传导干扰、宽带干扰、窄带干扰、有害干扰、大功率效应及电磁脉冲。 （3）电磁干扰按频带可以分为两类：窄带干扰和宽带干扰。形成所有的电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的。他们是电磁干扰源；对于该干扰能量敏感的接收器；将电磁干扰源传输到接收器的媒介，即传输通道。相应的对抑制所有的电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。由此我们要求设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的能力定义为电磁兼容性，并且电磁兼容性还应包括系统间和系统内部两方面的内容。1.2 以雷电的形成的机理及特点来看雷电对机房的威胁主要以感应雷的方式为主，其危害主要表现在：（1）静电感应：由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云放电时先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如不就近泄入地中就会产生。（2）电磁感应：由于

3、雷电流迅速变化，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电感势。（3）雷击电磁脉冲：是一种干扰源。指闪电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流，被雷击中装置电位升高以及电磁辐射干扰。当雷击发生时，雷击干扰源的高频分量以平面电磁波的形式向外辐射电磁场能量进入机房的通路；对于雷击干扰源的低频分量，其可以认为似稳场，它以感应场的形式进入机房通路。另外，雷击干扰信号可以通过直接传导耦合的方式引入线路、设备或系统。雷击干扰信号以漏电和耦合形式通过绝缘物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗耦合进入机房的线路，设备或系统。2、机房防雷设计中的屏蔽技术及措施为减少电磁干扰的感应效应，计算机机房宜采取的屏蔽措施：在机房外部设屏蔽措施，以合适的路径敷设线路，做好线路屏蔽，这些措施适宜联合使用。屏蔽技术一般包括电磁屏蔽和静电屏蔽。电磁屏蔽的作用是防止外来电磁波干扰机房内部，另一方面也是为了防止机房内部电磁波外泄。而静电屏蔽主要用于防治静电场和恒定磁场的影响。2.1计算机机房屏蔽体的结构设计要求（1）主机房内无线电干扰场强，在频率为0.1

4、51000Mhz不应大于126dB（2）主机房内磁场干扰环境场强不应大于800Am（3）机房为封闭式结构，屏蔽体接地电阻1，最大不超过4（4）评比效能一般要求在60dB以上，对强干扰源环境则要求100dB（5）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23m2.2屏蔽体设计2.2.1当建筑物或房屋的大空间屏蔽是由诸如金属框架或钢筋混凝土的钢筋的自然构件时，这些构件构成一个格栅形大空间屏蔽，穿入这类屏蔽的导电金属物应就近与其做等电位联接。当对屏蔽效率未做试验和理论研究时，磁场强度的衰减应按下列方法计算。A在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0,相当于处于LPZ0 区内的磁场场强应按下式计算：示意图如图1H0 =i0 /（2Sa） (A/m) 式中：i0雷电流（A） Sa雷击点与屏蔽空间之间的平均距离m当有屏蔽时，在格栅形大空间内，即在LPZ1内的磁场强度从H0减为H1,其值应按下式计算：H1=H0/10SF/20 式中 SF屏蔽系数（dB），按下表的公式计算 材 料 SF(dB)25kHz 1MHz 铜20lo

5、g(8.5/W)20log(8.5/W) 钢20log(8.5/W)/(1+1810-6/r2)1/2 20log(8.5/W)注：适用于首次雷击的磁场。 适用于后续雷击的磁场。表中的计算值仅对在LPZ1区内距离屏蔽层有一安全距离ds/1的空间Vs内才有效（如图所示）， ds/1应按下式计算：ds/1=WSF/10 (m) 式中 W-格栅形屏蔽的网格宽（m） B 在闪电直接击在位于LPZ0A区的格栅形大空间屏蔽上的情况下，其内部LPZ1区内Vs空间内某点的磁场强度H1应按下式计算： H1=kHi0W/(dWdr1/2) （A/m） 式中 dr-被考虑的点距LPZ1区内屏蔽顶的最短距离（m） dw-被考虑的点距LPZ2区内屏蔽壁的最短距离(m) kH-形状系数（1/m1/2）,取kH=0.01 W-LPZ1区格栅形屏蔽的网格宽公式的计算至仅对距屏蔽格栅有一安全距离ds/2的空间Vs内有效，ds/2应符合下式的要求： ds/2=W (m) 信息设备应仅安装在Vs空间内。信息设备的干扰源不应紧靠格栅的特强磁场强度。 C 流过包围LPZ2区及以上区的格栅形屏蔽的分雷电流将不会有实质性的影响作用

6、，处在LPZn+1区内的磁场强度将由LPZn区内的磁场强度Hn减至LPZn+1区内的Hn+1,其值可近似地按下式计算： Hn+1=Hn/10SF/20 (A/m) 公式适用于LPZn+1区内距其屏蔽有一安全距离ds/1的空间Vs。2.2.2金属板型屏蔽 金属版型屏蔽是由若干块金属板或金属薄片构成，整个屏蔽室之间，门窗与金属板之间都必须进行良好的电器联接。若屏蔽室采用整块金属板做成屏蔽间时，那么增大材料的电导率就会提高其屏蔽效能；特别是当材料为理想导体的情况下，屏蔽的外部空间或内部空间不会有任何电磁场作用。采用金属板作材料时，从趋肤效应的角度考虑高频感应电流所遇到的感抗比集中在金属网网心上的感应电流所遇到的感抗小，有利于泄放电流与传导。另外金属板作屏蔽材料时它的屏蔽效能将随着材料电导率的增大而有所提高，且很显著。 采用金属板作屏蔽壁，可以最大限度地减少缝隙，提高屏蔽效能，在多数频率上，基本保证屏蔽效能在100dB及100dB以上，在此条件下板材厚度可在0.31mm范围内选择，铜可以薄些，0.30.5mm即可。2.2.3网形屏蔽室网形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。

7、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良导体连接。这种结构形式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。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。它不能装卸，但电气性能优于装配式网状屏蔽室，可用于固定场合。与板型屏蔽相比，采用金属网作屏蔽时，增大材料的导电率也会提高其屏蔽效率，但不会有显著的作用。网材的规格要求：网材的层数：若采用金属网作屏蔽时，要保证屏蔽效能高必须选用双层屏蔽。内外两层金属网应该是绝缘的，两层网可以在电源引入处做电器一点接触。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之间的间距以10cm为宜。网材的目数：网孔愈小，即目数越大，屏蔽衰减就越大。细密的金属对电场分量的屏蔽效能要比磁场分量的屏蔽效果好。由此，金属网型屏蔽室与板型屏蔽室相比较起来，金属网作屏蔽电器联接性能差不可避免的造成缝隙，所以最好的双层金属网屏蔽，其屏蔽效能只能达到8090dB左右。金属板型屏蔽室用于建造

8、高效能的屏蔽室，而金属网型屏蔽室则适用于一般且比较廉价的屏蔽室。2.3机房内的静电防护静电是造成计算机故障的主要因素，一般的计算机已经考虑其电磁兼容性。这里就机房的整体防静电要求谈一些看法。（1）地板：地板是各种活动的主要接触面，必须用抗静电材料铺设成活动地板或活动地毯。一般采用铝基或木屑压合基的抗静电活动地板，切忌用一般的化纤地毯。导静电地面体积电阻率均应为1.01071.01010cm（2）接地：接地给静电提供一个良好的静电的泄放通道直接地和间接接地一般都能满足要求。其接地电阻值一般都不应大于100。（3）机房内的导体必须与大地做可靠的连接，不得有对地绝缘孤立导体存在。静电地面、活动地面、工作台面和座椅垫套必须进行静电接地。静电接地的连接线应有足够的机械强度和化学稳定性。（4）在环境参数中湿度与静电的关系最为密切。相对湿度在30%时的起电电荷密度为相对湿度55%时的1030倍，在多数情况下湿度达到70%时静电能基本消除，但从人体生理上适应的角度来看55%是一个比较合适的数值。3、机房防雷的等电位联接措施3.1等电位联接的必要性。等电位连接，就是把建筑物本身和其内各种导电物用导体(电

9、气上)焊接起来，以保证等电位。当防雷装置接受雷击时，雷电流沿着接闪器引下线和接地流入大地，并且在它们上产生很高的电位。如果防雷装置与建筑内外电器设备的绝缘距离不够，或等电位联接状况不良时，容易发生反击，从而造成雷电灾害，易引起火灾或人身伤亡事故。3.2等电位联接的要求和措施3.2.1所有进入机房的外来导电物均应在防雷区交界处做等电位联接。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑时，宜设若干等电位联接带，并应将其就近联到环形接地体、内部环形导体或此类钢筋上，他们在电气上是贯通到接地体。（含基础接地体）3.2.2信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑的共用接地系统的等电位联接应采用以下两种基本形式的等电位联接网络之一：S型星形结构和M型网形结构。其连接方式如图： （1）当采用S型星形等电位联接网络时，信息系统的所有金属组件，除等电位联接点外，应与共用接地系统的各组件有大于10kV、1.2/50s的绝缘。S型等电位联接网络应仅通过唯一的一点，即接地基准点ERP组合到共用接地系统中去形成Ss型等电位联接。在这种情况下，设备之间的所有线路和电缆当无屏蔽时宜按星形结构与等电位连接线平行敷设，以免产生感应环路。通常，S型等电位联接网络可用于相对较小、系统带宽较低的

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