信息系统的雷电防护与电磁兼容.ppt

信息系统的雷电防护与电磁兼容 前言 对现代防雷技术的一个全面的了解 雷害的现状是 雷击事故中感应雷击事故占主体地位 尤其是过电压沿电源线侵入造成的事故占重要地位 直击雷事故相对比较小 结论 信息系统的防雷重点应放在防感应雷击和雷电的感应效应上 现代防雷的思想 全方位防护 综合治理 层层设防 系统工程思维 目的 综合运用各种技术将雷电能量以有效路径向大地泄放或有目的地通过某些防雷器件将雷电能量限制到被保护对象所容许的安全值范围内 现代防雷的主要措施 1 分流 是指通过多条泄流通道将雷电流向大地泄放 具体形式包括 1 多根防雷引下线对雷电流分流 2 并联的浪涌保护器对雷电过电压形成的雷电过流分流 2 并联的浪涌保护器对雷电过电压形成的雷电过流分流 3 各类线缆的屏蔽层或穿线金属管道接地时 对雷电感应过电流分流 2 接闪 是拦截建筑物上空的闪电 实质 是通过避雷针 带 线 网吸收闪电 引雷 把闪电的强大电流传导到大地中去并耗散掉 特点 雷电接闪具有明显的选择性 即各个部位遭受雷击的概率是不均等的 3 均压 即保持电位均衡 含建筑物内各金属导体的等电位连接和信息技术设备及网络系统的等电位连接 作用 1 可防止雷击地电位升高引起的反击 2 等电位连接可使信息技术设备获得稳定的参照电位 4 接地 它是将雷电能量向大地泄放的必由之路 接地在防雷工程中占据最重要的地位 对接地装置的要求 1 要能迅速有效地把雷电流能量释放入地 2 接地装置在吸收大量雷电流后地电位浮动尽量低 适当放大中性线和PEN线的截面防止中性线承受过大的张力注意中性线接头的连接质量 中性线上尽量减少线路端子连接和接头严禁在三相四线回路的中性线上中接熔断器 5 屏蔽 是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在信息技术设备和网络系统上的电磁干扰或过电压能量 具体可分为 1 建筑物的初级屏蔽 2 设备级屏蔽 3 各种线缆 含穿线金属管 屏蔽 6 合理布线 合理控制各线缆间安全距离和线路的走向 消除不必要的电磁耦合 直击雷防护是信息系统雷电综合防护的基础 其作用是 有效地保护建筑物本身不受直击雷的破坏 为建筑物内部的设备起到一个良好的初级电磁屏蔽作用 直击雷的防护是信息系统LEMP防护的基础 雷击引起的过电压侵入到建筑物内部的主要途径有 电源线 信号线 天馈线 接地回路 雷击形成的电磁波从空间进入到建筑物的内部 在设备 线路上形成感应过电压和过电流 静电防护和提高设备及布线系统的电磁兼容能力也是非常重要的 CH1计算机房技术条件和安全要求 1 1引言 造成计算机不安全的因素主要有 计算机 网络系统 本身的不可靠 环境干扰及自然灾害等原因 无意识的工作失误 操作不当 人为破坏及病毒侵入 计算机房技术条件和安全要求相关的标准或规范有 电子计算机机房设计规范 GB50174 93电子工业部 计算机场地安全要求 GB9361 88中科院计算技术研究所 计算机场地技术条件 GB2887 89机械电子工业部 1 2计算机房的环境要求 一 计算机房的安全分类 计算机场地安全要求 计算机房的安全分为A类 B类 C类三个基本类别 A类 对计算机房的安全有严格的要求 有完善的计算机房安全措施 B类 对计算机房的安全有较严格的要求 有较完善的计算机房安全措施 C类 对计算机房的安全有基本的要求 有基本的计算机房安全措施 安全项目包括 场地选择 防火 内部装修 供配电系统 空调系统 火灾报警及消防设施 防水 防静电 防雷击 防鼠害 电磁的防护 根据实际情况 机房安全可以按照某一类执行 也可以按照某些类综合执行 二 其它综合要求 1 机房场地选择 B类 1 设置于建筑物的安全区 信息系统机房位置的选择 2 避开易发生火灾危险程度高的区域 3 避开有害气体来源及存放腐蚀 易燃易爆物品的地方 4 避开低温 潮湿 落雷区和地震频繁的地方 5 避开强扰动源和强噪音源 6 避开强电磁场的干扰 7 避免设置在建筑物的高层或地下室 以及用水设备的下层或隔壁 8 避开重盐害地区 9 避开有鼠害和虫害的地区 2 计算机房面积的确定 1 S 5 7 Sb式中 S 计算机房的面积 m2Sb 与计算机系统有关的并在机房平面布置图中占有位置的设备的面积 m2 Sb 机房内所有设备占地面积的总和 m2 2 S KA式中 S 计算机房的面积 m2AA 机房内所有设备台 架 的总数K 系数 取值 4 5 5 5 M2 台 架 机房的最小使用面积 20m2 3 机房对温度和湿度的要求 A类机房 4 机房对尘埃浓度的要求机房对尘埃浓度有严格的要求 一般粒度 0 5um 浓度 10000个 dm 35 网络机房对腐蚀性气体的要求对大气含量较高的SO2 H2S等腐蚀性气体有所限制 SO2气体浓度 0 15 H2S气体浓度 0 01 6 机房对振动和冲击的限制停机条件下 主机房地板表面 垂直和水平间的振动加速值a 0 5m s 27 机房对噪声的限制中国70dB以下 美国为52 61dB 日本45 65dB 前苏联65 75dB 8 机房照明要求机房照明应无眩光 离地面0 8m处 照度不应低于200Ix 应设事故照明 距地面0 8m处 照度不应低于5Ix 9 防静电要求机房地面敷设防静电活动地板 其系统电阻介于1 0 105 1 0 108 之间 机房防静电可从两个方面着手 机房角度 主要是降低静电产生的几率 设备角度 提供设备本身抗静电的能力 10 对电磁干扰场强的限制机房内无线电干扰场强的强度 在频率范围0 15 1000MHz时不应大于120dB 磁场干扰场强强度不大于800A m 11 机房的接地要求交流工作地 接地电阻值不宜大于4 安全保护地 接地电阻值不应大于4 防雷保护地 接地电阻值不应大于10 不同等级的防雷工程 要求有所不同 如三类防雷建筑是30 直流工作地 接地电阻值按计算机系统具体要求确定 对机房接地的几点说明 1 以上四种地宜共用同一组接地装置 接地电阻按其中最小值确定 2 若防雷地单独设置 其余三种应共用同一组接地装置 接地电阻取其中最小值 并采取防止反击的措施 3 对直流工作地有特殊要求需单独设置接地装置的电子计算机系统其接地电阻值及与其他接地装置接地体之间的距离 应按计算机系统的安装说明和有关规范的要求确定 4 计算机系统的接地应采取单点接地并宜采取等电位措施 5 当多个计算机系统共用同一组接地装置时 宜将各个电子计算机系统分别采用接地线与接地体连接 主要是为了避免串联式直流接地带来的设备间的电位差干扰 1 3机房对供配电系统的技术要求 电源质量的好坏 直接影响到计算机的安全稳定运行 我国机房对供配电系统的技术要求如下 线制与额定电压 线制 三相五线制 三相四线制 单相三线制电压 单相额定线电压为220V三相额定相间电压380V 二 频率工频 50Hz中频 400Hz或1000Hz 三 额定容量 1 在额定电压下 计算机系统总容量或总电流是供电量的50 70 2 各分机所要求的工作电流 即设备稳定工作时的额定值 对有较大启动电流时 提供的电流应大于额定电流的3 5倍 四 电压 频率及波形的波动范围 电压波动 5 主要是由于电网本身和负载的变化引起的频率变化 0 2Hz 波形失真率 5 是由于高次谐波叠加在基波上形成的 而高次谐波很多情况下是由负载产生并反馈到电网中去的 五 瞬时停电 瞬时停电所允许的时间国内没有标准 日本 工业用计算机环境标准 规定如下 A级 3ms以下 B级 100ms以下或1 2周内 C级 200ms以下 图片 CH2接地技术 2 1引言 雷电防护最基本的一个措施就是将雷电能量通过合理有效的路径向大地泄放 信息系统中各种功能的接地有多种 交流工作地 直流工作地 安全保护地 屏蔽接地 防静电接地 防雷保护地 这些接地既互相联系又互相排斥 给信息系统接地的设计和施工带来一定的难度 接地设计一般原则 信号电路 电源电路不使用共地回路 高电平电路 低电平电路不使用共地回路 灵敏电路的接地 应各自隔离或屏蔽 防止地回流或静电感应而产生干扰 接地设计的趋向 单独接地被共用接地所取代理由是 1 使用单独接地 如不能满足接地体之间的安全距离 容易发生反击 2 各种接地引入线间的电磁耦合 也可能产生电阻电压降和电感电压降 从而增加地 地间的电位差 无法实现信息系统内部等电位连接网络的连接 由此产生的地电位差也很难消除 一 接地种类 二 接地系统的目的和要求 要求 1 及时有效释放雷电能量 2 接地装置在吸收大量雷电流后地电位浮动尽量低目的 3 保证接地系统具有很低的公共阻抗 使系统中各路电流通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小 4 在有高频电流的场合 保证 信号地 对 大地 有较低的共模电压 使 信号地 产生的辐射噪声最低 5 保证地线 信号线构成的回路面积最小 使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小 同时避免地电位差通过地回路引起较大的地电流 造成传导干扰 6 保证人身 设备的安全 2 2供电接地制式 一 三相交流电源的1 三相三线2 三相四线制 三相四线接中制三相四线接零制3 三相五线制 三相五线制单相供电时的接线图 二 低压供电系统的制式 TN制 电力系统有一点直接接地 设备的外露导电部分通过保护线与接地点连接 按照中线与保护线的组合情况分为 1 TN S 中线 N 与保护线 PE 分开 2 TN C 整个系统中线 N 与保护线 PE 是合一的 3 TN C S 前一部分中线和保护线合一 后一部分分开 B TT制 电力系统只有一点直接接地 用电设备的外露可导电部分通过保护线接至大地 与电力系统接地无直接关联 C IT制 电力系统与大地绝缘或经大阻抗接地 用电设备的外露可导电部分通过保护线接至大地 与电力系统接地无直接关联 三 信息系统的供电接地制式 信息系统的供电接地制式一般采用TN S制 2 3几种接地的介绍 本节分别来介绍信息系统的几种接地 主要包括 直流工作地 交流工作地 安全保护地 屏蔽接地 防静电接地 防雷保护地 一 信息系统设备直流工作地 直流工作地就是信息系统中所有逻辑电路的共同参考点 也称逻辑地 同时也是系统中数字电路的等电位地 直流工作地一定要保持电位稳定 不能有较大的电位波动 信号地是指信号或功率传输电流流通的参考电位基准线或基准面 信号地是信号和功率传输的公共通道 直流地设计的目的 提供恒定的参考电位 消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时产生的直接传导噪声电压 降低对外界电磁噪声的感应 信息系统的支流工作地可以接至大地上 也可以不接至大地上 有以下几种情况 1 直流地悬浮 信息系统的直流工作地不接大地 与地严格绝缘 对地的绝缘电阻一般在1M 以上 直流地悬浮的原因是 1 信息系统的直流地和交流地接在一起 可能会引入交流地网的干扰 2 直流地和交流地分开 可以使交直流二者之间不会形成电流回路 可以防止漏电进入信息系统而毁坏元器件 3 工作于直流及低频范围的小型设备 如测量仪器 有时常常要求对市电频率 例如50Hz 高电平的共模噪声具有很高的共模抑制比 而设备自身的功率和电压电平又不太高 这时常常采用如下图的浮地信号系统 当外界的供模噪声源为高频噪声时 分布电容的容抗随频率的升高而减小 浮地的条件无法得到满足 所以 这种浮地信号系统一般只能用于抑制低频共模噪声干扰和小型便携式设备或系统 直流地悬浮的局限性 无安全接地的计算机系统中 设备可能带有瞬间电压 通过相互间连线的电容耦合去干扰邻近设备 也可能静电在机壳上积累 影响系统的稳定性 可靠性 2 直流地接大地 信息系统中数字电路的等电位地与大地相接 接地电阻原则上越小越好 一般1 以下 根据直流地与大地的连接方式 可以分为 1 串联式直流接地 缺点 各种设备之间的电位均衡性不好 造成设备的直流逻辑电位不在同一基准电位上 优点 使用的接地线材料较少 施工简单 一般用于要求不高 各级电平悬殊不太大的场合 多级电路接地点的选择对输入端地电位的影响 接地点选择靠近低电平端时 输入端d的电位只受到dg段地线阻抗的影响 地电位对电路的影响最小 机架中串联式接地的实施 2 并联式直流接地 优点 设备的接地点电位只与本设备的工作电流及接地点电位有关 各点间的电位差较小 并且消除了公共地线阻抗耦合干扰 设备的电位参考点不易改变 缺点 使用线缆材料较多 布线复杂 成本偏高 它特别适合于各单元地线较短 而且工作频率比较低的场合 地线与地线之间 地线与电路各部分之间的电感和电容耦合强度都会随频率的增高而增强 特别在高频情况下 当地线长度达到 4的奇数倍时 地线阻抗可以变得很高 地线会转化成天线 而向外辐射干扰 所以 在采用这种接地方式时 每根地线的长度都不允许超过 20 3 网格式直流接地 这种接地方式大大提高了设备内部和外部抗干扰的能力 但此种接地形式规模较大 造价高 一般只在大型计算机系统中使用 4 混合接地系统 许多情况下需要把几种接地形式结合使用 如 串联和并联接地组成的混合低频信号接地系统小信号地线噪声地线机壳 架 地线 在设计机壳 架 接地时 必须注意以下事项 1 外壳 机架 控制台 抽斗必须可靠地接硬件地 不能依赖于可抽动的抽斗 铰链等机械接触的手段接地 否则会造成系统的不稳定 2 接地点采用牢固的紧密接触 如焊接 铜焊 熔焊等 不能靠螺纹联接紧固接触 3 不同金属焊接在一起时 要防止化学原电池引起的腐蚀效应 4 不得不采用紧固接触时 接触表面应涂上稳定的导电涂层 单点与多点接地组成的高 低频混合信号接地系统 对于宽频系统 就必须同时兼顾低频单点信号接地和高频多点信号接地的不同要求 对于比较复杂的既包含高频 又包含低频的电子系统 可以采取如下图所示的高 低频混合接地系统 二 交流工作地 交流工作地是指信息系统中交流设备按照有关规程的要求进行工作接地 也称之为二次接地 设计交流接地的目的是 1 确保人身安全 2 保障设备的安全 单相触电示意图 相间触电示意图 三 安全保护接地 安全保护接地 就是为了防止电力设备的金属外壳 由于进线电源绝缘层被破坏 有可能带上危险相电压 而将设备的金属外壳接地 其接地电阻要求小于4欧姆 1 漏电危及人身安全的示意图 设备由电网通过变压器供电 长期使用 变压器的绝缘因长期发热而老化 绝缘电阻降低 甚至造成绝缘击穿 这种情况下 工作人员一旦触及机壳便会造成严重的触电事故 导致设备漏电的原因很多 绝缘老化 环境潮湿 多尘 有酸碱气氛 局部放电使绝缘碳化 绝缘因檫碰被破坏 老鼠咬坏等 15 100Hz交流电流通过人体的效应区域图 区为无反应区 在此区域内 人一般没有反应 区为无有害生理危险区 在此区前段人体开始有点麻木 到后段区域则人体会产生轻微痉挛 麻木剧痛 但可以摆脱电源 15 100Hz交流电流通过人体的效应区域图 区为非致命纤维性心室颤动区 在此区域里 人体会发生痉挛 呼吸困难 血压升高 心脏机能紊乱等反应 此时摆脱电源能力已较差 区为可能发生致命的心室颤动的危险区 在此区域内 人已无法脱离电源 甚至停止呼吸 心脏停止跳动 直流电流通过人体的效应 区通常无反应性效应 区通常无有害的生理效应 区通常预期无器官损伤 随电流幅值和时间而增加其严重程度 可能出现心脏中兴奋波的形成和传导的可逆性紊乱 区可能出现心室纤维性颤动 随电流幅值和时间增加 预计会发生严重烧伤等病理生理效应 安全超低电压safetyextra lowvoltage按国际电工委员会标准规定的线间或线对地之间不超过交流50V 均方根值 的回路电压 安全电流safecurrent流过人体不会产生心室纤颤而导致死亡的电流 其值工频应为30mA及以下 在有高度危险的场所为10mA 在空中或水面作业时则为5mA 安全电压safevoltage人体长期保持接触而不致发生电击的电压系列 按工作环境情况 中国标准规定的额定值等级交流为42 36 24 12 6V 空载上限值交流为50 43 29 15 8V 2 各种做法 根据不同的供电接地方式 安全接地有多种形式 TN C TN S TN C S IT TT等 较大的跨步电压 对人可能导致触电 对设备和系统而言 可能导致连接于两地的设备与系统损坏或受到干扰 所以在安全接地的地电流回路中 串联一台相应的保护装置 进行限流或保护 跨步电压 Ustep 接触电压 Utou 四 信息系统的屏蔽接地 屏蔽接地是指为了防止外来电磁波干扰 含雷电的电磁感应和静电感应 系统内的设备 以及防止系统内的设备产生的电磁辐射外传而失密所进行的特殊接地 1 根据屏蔽的原理不同 屏蔽接地可以分为 1 静电屏蔽接地2 磁屏蔽接地3 电磁屏蔽接地 2 屏蔽接地的作用 可以防止信息系统屏蔽层上由于电荷的集积 电压上升而造成人员不安全或引起火花放电的事故发生 抑制干扰信号 若接地处理不好 会使信息系统的屏蔽层变成一个天线 把外界干扰引进内部 把内部的保密信号发射到外部 3 屏蔽接地的方法 一是信号输入敏感电路部分 用屏蔽来削弱外界噪声引起的干扰 另一个是输出部分 屏蔽自身产生的干扰噪声电平 1 低电平 低频信号输入部分的屏蔽地系统的设计 一 信号源本身浮空 放大器接地 二 信号源接地 放大器浮空 三 信号源 放大器均接地 几种信号源隔离措施 信号隔离变压器 平衡变压器实现地环路的隔离 光耦合器实现隔离地环路 差动放大器实现地环路的隔离 2 低电平 高频信号屏蔽接地系统 当频率高于1MHz或者电缆长度超过1 10 以及在处理高速脉冲数字电路时 信号地必须采用多点接地 地栅网或地平面信号接地系统 以保证各部件 电路的信号地保持同一电位 在传输低电平 高频信号的情况下 常常使用具有固定特性阻抗的同轴电缆线 它的屏蔽层用来作为传输信号的返流地线 它必须遵循高频多点接地的原则 将同轴电缆的屏蔽层多点接信号地平面 相邻屏蔽接地点之间的距离小于等于 10 当电缆长度比较短时 将电缆屏蔽层两端分别接到信号源及放大器的信号地 如下图c所示 由于地电位差引起的市电频率的共模噪声电压的频率远低于信号频率 可以通过高通滤波器滤除 屏蔽电缆周围的高频噪声电磁场 由于集肤效应的关系 只在屏蔽层外表面流过 从而得到有效的屏蔽 高频信号电流则在屏蔽层的内表面流过 3 高电平 功率输出部分的屏蔽地系统 1 屏蔽体应接噪声地 2 在低频时 输出电缆通常用双芯或多芯绞合屏蔽电缆接负载 一端接地 两端同时接地 3 在传输高频及脉冲功率信号时 输出电缆通常用同轴电缆线 阻抗匹配 多点接噪声地4 在对输出电缆杂散低频磁场需要严格控制的场合 应用铁管等高导磁材料制成的金属管将输出电缆屏蔽 五 静电接地 静电接地是为了消除信息系统运行过程中产生的静电电荷而设计的一种接地系统 防静电接地电阻一般 10 静电地板的泄漏电阻为1 0 105 1 0 108 它是防静电活动地板的电阻 测试电极等的接触电阻与接地电阻的综合电阻值 两个静电物理量 泄漏电阻的大小可以用来表征防静电措施的接地效果是否良好 表面电阻率用来表征物体表面流散静电荷的能力 泄漏电阻的测量 一 测量方法1 测量仪器 1 兆欧表 兆欧表和引线对地电阻 1010 2 引线用聚乙烯包层的铜芯线 其直径 4mm 3 测试电极是金属圆柱体 其直径为60土2mm 重量为2kg以上 4 兆欧表必须安装在绝缘板上 绝缘板的导电率 10 14s m 1 2 测量力法 1 测量时仪器设置 如下图所示 2 测试电极应尽量选择远离地面的接地地点 电极的五个测试点按图2所示位置布置 并分别测量各自的泄漏电阻 3 兆欧表所加电压为直流1000v 4 测试值应取加电压1min后的值 被测试对象有一个充电过程 泄漏电阻测量示意图 泄漏电阻测试点布置图 二 数据处理及注意事项 1 数据处理 1 泄漏电阻值应为五个测量值的算术平均值 2 当上述的算术平均值符合标准 则认为工作地面具有导电性 当上述五个测量值中 任一个测试点的泄漏电阻测试值大于标准的10倍时 则认为工作地面不具备导电性 2 测量时的注意事项 计算机机房工作地面的泄漏电阻测试时 其环境温度为15 30度 相对湿度为45 一75 大气压力为86 106kPa 1 测量时 不要在测量电极和接地地点的连接处及其周围有测量人员出入的地方安放测量仪表 2 不要在危险场所进行测量 3 测量电极在测量中或在测量电极加压状态下 不允许移动 应在断开电压并接地之后再移动 4 测量中 测量仪表的指示不稳定时 应立即停止测量工作 查明原因后再进行测量 5 泄漏电阻比较大的地面由于测量地面暂时带电 所以在各次测量之间应间隔10min 六 防雷保护地 防雷保护地的具体分析与做法在 防雷工程设计 课程中详细讲解 2 4几种接地之间的关系 信息系统各类接地之间的关系 主要是指直流地与其它几类地之间的相互关系 一 计算机直流地悬空时的计算机网络系统诸接地间的相互关系 1 计算机的安全地也悬空 其它接地按照常规处理 具备一定的抗干扰能力 2 计算机的安全地接地 有两种情况 1 计算机的安全地采用TT接地方式 2 计算机网络系统内诸地共地 计算机安全地采用TN S系统 二 计算机直流地接大地时 计算机网络系统诸地间的相互关系 1 混合接地系统计算机的直流地 交流地及安全地 在机柜内就已接在同一个接地端子上 2 共点接地系统类似于混合接地系统 但计算机的直流地 交流地及安全地 在机柜内并未接在同一个接地端子上 分别有各自的接地母线 3 交直流分开接地系统信息系统直流地和建筑物防雷地各自独立接大地 其他诸地共地 满足防反击的要求 4 诸地分开接地系统将计算机的各种地分别独立接大地 5 计算机直流地 安全地与其他地分开接地系统直流地 安全地共用同一个接地系统 其他地共地 安全地独立接大地属于TT保护接地系统 6 诸地共地接地系统机房的所有接地共用一个接地系统 一般是利用建筑物的钢筋基础作为公共接地体 2 5等电位与共用接地系统的设计要求 1 所有各类电气 电子信息设备均应采取等电位连接与接地措施 2 等电位连接的主要做法有 1 用连接导体 或导体 或电涌保护器 SPD 将处在需要防雷的空间内的防雷装置 电气设备的接地线 PE线 金属门窗 金属地板 电梯轨道 电缆桥架 各种金属管道 电缆外皮 信息系统的金属部件 包括箱体 壳体 机架 及系统等电位连接网等 2 按 法拉第屏蔽 原理将建筑物楼顶的避雷接闪装置 针 带 线 网 各类天线竖杆 架 金属管道及设施 各层均压环 建筑物楼 板 柱 基础地网的钢筋等 连接 焊接或绑扎 成电气上连通的笼式结构 以提供雷电流良好的泄放途径 使整个建筑物大楼各层近似处于等电位状态 在各层强电 弱电竖井内以及一些合适的部位预埋等电位连接 接地 端子板 以备今后信息系统等电位连接与接地使用 3 一般非钢筋混凝土结构或钢结构的建筑物 或没有屏蔽作用的高层建筑 防雷引下线应在垂直间距不大于20米的每个间隔处作一次等电位连接 当建筑物外墙有水平金属环时 或30米以上设有防侧击雷均压环时 防雷引下线应与这些装置之间作等电位连接 4 总接地端子板与总等电位连接带相连 各楼层接地端子板应与各楼层等电位连接带或等电位连接端子板相连接 接地干线应在竖向上 下两端及防雷区的交界处 应与等电位连接带相连接 建筑物弱电竖井内的PE保护线 其垂直部位上 下两端应作等电位连接 当某楼层准备安排信息系统机房时 应增加等电位连接点 5 当建筑物内的电气装置发生接地故障 自动切断供电的间接接触保护条件不能满足时 应设置辅助等电位连接 6 穿过各防雷区界面以及在一个防雷区内部的金属管线和各个系统 均应在界面处作等电位连接 7 用于等电位连接的接线夹和电涌保护器 SPD 应按照GB50057 94 2000版 中相关要求 估算通过的雷电流值 以便选择合适SPD的容量 8 信息系统的等电位连接网与共用接地系统的连接 原则上在防雷区的交界处进行 由于工艺技术要求或其他原因 被保护的信息设备的位置不会正好设在防雷区界面处 而设在其附近时 这种情况下 当线路能承受可能发生的电涌时 SPD可安装在被保护的信息设备处 而线路的金属保护层或屏蔽层 宜首先在防雷区的界面处做一次等电位连接 3 等电位连接的方式 等电位连接带 连接线 接地端子板等电位连接带的设置 在建筑物雷电防护区LPZ0与LPZ1交界处宜设置总等电位连接带 应利用建筑物周围的环行接地体 或在建筑物内部地下室或靠近地平线位置 0 6m左右周圈设置内部环行接地连接带 在LPZ2区设置局部等电位连接带 4 信息系统等电位连接的实施 一信息系统的各金属组件 如各种箱体 壳件 机架 与建筑物的公用接地系统的等电位连接应采用以下两种基本形式的等电位连接网络之一 即M型和S型结构 如下图所示 S型等电位连接网络用于相对较小 限定于局部的系统 所有设施管线和电缆宜从在一点进入该信息系统 在各设备之间的所有线路和电缆当无屏蔽时宜按星形结构与各等电位连接线平行敷设 以避免产生感应环路 做等电位连接的这唯一的点也是接电涌保护器以限制传导来的过电压的理想连接点 信息系统等电位连接的基本方法 采用M型等电位连接网络 则该信息系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘 M型等电位连接网络应通过多点组合到共用接地系统中去 并形成MM型等电位连接 通常 M型等电位连接网络宜用于延伸较大的开环系统 而且在设备之间敷设许多线路和电缆 设施和电缆从若干处进入该信息系统 信息系统等电位连接的组合 2 6举例 一 微波站的接地技术方案与实施 接地体 接地体应采用镀锌钢材钢管 50mm 壁厚不应小于3 5mm 角钢 应不小于50mm 50mm 5mm 扁钢 应不小于40mm 4mm 垂直接地体长度为1 5 2 5m 垂直接地体的间距为其自身长度的2 2 5倍 当垂直接地体施工有困难时 可在环行水平接地体的基础上向外延伸辐射形接地体或加降阻剂 接地体之间的所有焊点均应进行防腐处理 接地装置的焊接长度 扁钢为宽边的2倍 圆钢为直径的10倍 接地体应埋在地面至少0 8m以下 在寒冷地区 接地体应埋在冻土层以下 接地引入线 接地电阻值 微波中继站地网的工频接地电阻值应不大于10 微波枢纽站地网的工频接地电阻值应不大于5 无源中继站地网的工频接地电阻值为20 30 架空电力线与电力电缆接口处的保护接地以及电力变压器保护接地的接地电阻值应不大于10 架空电力线上方的避雷线及增装在高压线上的避雷器的电阻值 其首端 即进站端 应不大于10 中间和末端应不大于30 CH3电磁兼容 EMC 3 1基本概念 一 有关电磁兼容的一些概念电磁骚扰 任何可能引起装置 设备或系统性能降低 或者对有生命无生命的物质产生损坏作用的电磁现象 电磁噪声 一种明显不传送信息的时变电磁现象 它可能与有用信号叠加或组合 分为系统间骚扰和系统内骚扰 两个系统之间的骚扰 称为系统间骚扰 在系统内部各设备之间的骚扰称为系统内骚扰 电磁干扰 由电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 1 土星V 阿波罗12事件1969年11月14日上午 土星V 阿波罗12火箭一载人飞船发射后 飞行正常 起飞后36 5s 飞行高度为1920m时 火箭遭到雷击 起飞后52s 飞行高度为4300m时 火箭又遭到第二次雷击 这便是轰动一时的大型运载火箭 载人飞船在飞行中诱发雷击的事件 故障分析及试验研究的结果表明 此次事故是由于火箭及其火箭发动机火焰所形成的导体 火箭与飞船共长100m 火焰折合导电长度约200m 在飞行中使云层至地面之间及云层至云层之间人为地诱发了雷电所造成的 2 民兵 导弹飞行故障民兵I导弹的遥测试验弹多次发射成功后 1962年开始进行战斗弹状态的飞行试验 前两发弹均遭到失败 这两发弹的故障现象相似 都是在I级发动机关机前炸毁的 一个高度为7 6km 另一个为21 8km 在炸毁前 两发弹的制导计算机均受到脉冲干扰而失灵 经过分析 故障是由于导弹飞行到一定高度时 在相互绝缘的弹头结构与弹体结构之间出现了静电放电 它产生的骚扰脉冲破坏了计算机的正常工作而造成的 3 德尔它火箭事故1964年在肯尼迪角发射场 德尔它运载火箭的 级X 248发动机发生意外的点火事故 死三人 在塔尔萨城对德尔它火箭进行测试时 也发生过一起 级X 248发动机意外点火事故 分析结果表明 在肯尼边角发射场的事故是由于操作罩在第三级轨道观测卫星上的聚乙烯罩衣时 造成静电荷的重新分布 结果使漏电流经过发动机的一个零件到达点火电爆管的壳体而引起误爆 在塔尔萨城发生的事故是由于一个技术员戴着皮手套偶然磨擦发动机喷管的塑料隔板 使发动机点火电爆管引线上感应静电荷而引起 电磁兼容 EMC IEC对EMC的定义是 设备或系统在其电磁环境中能正常工作 并且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 EMC的定义包含三方面的含义 1 电磁环境是给定的或可预期的 2 设备 分系统或系统不应产生超过标准或规范所规定的电磁骚扰发射 EMI 限值的要求 电磁骚扰发射就是从骚扰源向外发出电磁骚扰能量的现象 它是引起电磁骚扰的原因 3 设备 分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁敏感性 EMS 限值和抗扰度 Immunity 限值的要求 电磁敏感性 在存在电磁骚扰的情况下 设备 分系统或系统不能避免性能降低的能力 抗扰度 设备 分系统或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力 二 EMC的设计目的 设计内容和EMC预测分类 1 EMC的设计目的 1 能在预期的电磁环境中正常工作 无性能降低或故障 2 对电磁环境不是一个污染源 EMC设计的思路 从分析形成电磁干扰后果的基本要素出发1 电磁骚扰源 2 耦合途径 3 敏感设备Victim 措施 技术措施 组织措施 需要深入研究的几个问题 1 对电磁骚扰源的研究 2 对电磁骚扰传播特性的研究 3 对敏感设备抗干扰能力的研究 4 对测量设备 测量方法和数据处理方法的研究 5 对系统内 系统间电磁兼容性的研究 2 电磁兼容的设计内容 1 系统间 对有用信号的控制 对人为骚扰的控制 自然骚扰源的控制 2 系统内的EMC设计 3 EMC的预测分类 电磁兼容预测是指在设计阶段通过计算的方法对电气 电子元件 设备乃至整个系统的电磁兼容特性进行分析 按预测的对象 可分为印制板级预测 部件级预测 分机级预测 系统级预测预测的方法 经验法 解析法 数值法 场的方法 路的方法 场路结合的方法等 按照骚扰途径的不同可分为传导类骚扰 感应类骚扰 辐射类骚扰 三 无线通信技术中的EMC和计算机中的EMC 1 无线通信技术中的EMC1 宽带无线通信和窄带无线通信系统之间的EMC问题 2 移动通信系统 无线接入系统 无绳和寻呼系统之间的EMC问题 3 地面无线电系统 同温层系统和卫星系统之间的EMC问题 提高宽带移动业务的可靠性 提高兼容工作的能力和信息的保密性4 宽带 超高速移动通信与其他系统之间的EMC问题 5 无线电系统与其他系统之间的EMC问题 EMC的一些研究方向 1 系统内部和外部 系统之间的工作频谱设计 寄生信号和非线性发射及感应结构的研究 2 各种无线业务包括新业务的EMC概念 定义和标准的研究 3 面向对象 尤其是宽频带系统EMC模型 分析方法和实验方案的研究 4 满足EMC标准的宽带移动通信与网络的概念 定义和方案的研究与提出 2 计算机中的EMC 计算机系统既是一个敏感设备 又是一个干扰源 计算机是低电平电子系统 就EMC的角度而言 主要是一个敏感设备 计算机的键盘 显示屏等都会使信息辐射泄漏出去 计算机外界干扰的来源主要有 1 射频干扰 大功率的无线电发射设备 高频大电流设备或射频理疗设备等 计算机所受到的危害取决于干扰场强 频率和计算机自身的电磁敏感度2 工频电源干扰 电压的大幅度波动或冲击性电流沿电源线进入计算机系统 如尖蜂干扰脉冲 工业火花等 3 静电干扰 是造成计算机中大规模集成电路损坏的主要原因 4 雷电脉冲干扰 雷电脉冲形成的过电压通过各种线路侵入到计算机系统中 3 2电磁骚扰源与耦合途径 一 电磁环境电磁环境由各种电磁骚扰源产生 即设备 分系统或系统在执行规定任务时 可能遇到的各种电磁骚扰源的数量 种类 分布以及在不同频率范围内功率或场强随时间的分布等有关电磁作用状态的总和 电磁环境的有害影响主要表现为 1 接收机等敏感设备性能降级 2 机电设备 电子线路 元器件等误动作 3 烧毁或击穿元器件 4 电爆装置 易燃材料等意外触发或点燃等 电磁骚扰源的分类 按性质分类 脉冲骚扰 平滑骚扰 按作用时间 连续骚扰 间歇骚扰 瞬变骚扰 按是否功能 功能性骚扰 非功能性骚扰 按传播途径 传导骚扰 辐射骚扰按来源分类 自然骚扰 人为骚扰 二 电磁骚扰源 1 自然骚扰源1 电子噪声源 热噪声 散弹噪声 分配噪声 1 f噪声和天线噪声等 2 天电噪声 3 地球外噪声4 沉积静电等其他自然噪声 2 人为骚扰源 1 连续波骚扰源发射机 所产生的电磁骚扰包括有意信号发射 谐波发射信号以及乱真发射信号 本机振荡器交流声 交流声是由进入系统的周期性低频信号所引起的连续波骚扰 2 瞬态骚扰源 开关转换动作含有整流子和电刷的旋转电机以及照明装置点火装置高压输电线 间隙击穿 电晕放电 3 非线性现象 非线性失真 开关瞬态 调制 互调 三 电磁骚扰的耦合途径 传导耦合 指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式 通过金属导线或其他元件 如电源线 信号线 互连线 接地导体 电容器 电感器 变压器等 耦合至被干扰设备 电路 根据电磁噪声耦合特点 可分为 直接传导耦合 公共阻抗传导耦合 转移阻抗传导耦合 直接传导耦合 是指噪声直接通过导线 金属体 电阻器 电容器 电感器或变压器等实际元件耦合到被干扰设备 电路 公共阻抗传导耦合 指噪声通过印刷板电路和机壳接地线 设备的公共安全接地线以及接地网络中的公共阻抗产生公共地阻抗耦合 噪声通过交流供电电源及直流供电电源阻抗时 产生公共电源阻抗耦合 辐射耦合 电磁噪声的能量 以电磁场能量的形式 通过空间辐射传播 耦合到被干扰设备 电路 根据电磁噪声的频率 电磁干扰源和被干扰设备 电路 的距离 可分为近场耦合和远场耦合两种情况 1 感应耦合 是导体之间以及某些部件 如变压器 继电器 电感器等 之间的主要骚扰耦合方式之一 1 电感应 容性 耦合当噪声源为高压小电流时 它对周围元器件或系统设备的干扰主要表现为电容性耦合干扰 源电路上的电压可产生电力线 它与敏感电路互相作用后 就出现电感应 容性 耦合 屏蔽对电容耦合的影响 屏蔽层上产生的噪声电压为 由于C2S中没有电流流过 所以UN US 结论 也就是说 这时被干扰电路虽然加了屏蔽 但屏蔽层没有接地 所以没有屏蔽效果 如果将图中的屏蔽层接地 则US 0 如果屏蔽十分理想的话 即导线2 芯线 与导线1之间漏电容为零的话 导线2上的噪声电压UN也应为零 部分芯线暴露在屏蔽层外部的情况 芯线上也会通过电容耦合产生噪声电压UN UN j RC12U1 结论 良好的电场屏蔽必须满足下列条件 露出屏蔽层之外的芯线部分越短越好 屏蔽层必须有良好的接地 2 磁感应 感性 耦合 当变化的电流产生磁通时 使源电路与敏感电路链环 即干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通交链 以互感的形式产生传导性干扰 屏蔽层和芯线之间的磁耦合 如图所示 若一条管状的导线中均匀流过轴向电流IS 且此管的内径和外径完全同心的话 管内就不存在磁场 只在管外才有磁场 同轴导线中电流产生的磁场 结论 屏蔽层和芯线之间的互感就等于屏蔽层的自感 当然 只有当屏蔽层流过的电流在屏蔽层内腔中产生的磁场为零时 上式才成立 这就意味着 屏蔽层的内腔必须是圆柱形的 并且电流密度必须沿其圆周均匀分布 但并不要求与芯线同心 屏蔽导线的等效电路 流过屏蔽层的噪声电流 在屏蔽芯线中因电感耦合产生的噪声电压 当 5RS LS时 UN US 一些常见电缆的截止频率的数值 2 公共阻抗耦合 当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时 就出现公共阻抗耦合 干扰源的电磁噪声 通过公共阻抗耦合到被干扰电路而产生干扰 主要包括公共地阻抗耦合和公共电源阻抗耦合两种情况 1 公共地阻抗耦合 公共地阻抗耦合的一个例子 串联地阻抗耦合 2 公共电源阻抗耦合 3 转移阻抗耦合 当讨论同轴电缆的芯线与其屏蔽层的耦合问题时 用转移阻抗的方法常常是比较方便的其实它的物理实质仍属电磁感应 同轴电缆的转移阻抗示意图 根据四端网络理论 可以定义如下的四种阻抗 Z21和Z12为转移阻抗 分别表征芯线电流对电缆屏蔽外层的影响以及电缆屏蔽外层电流对芯线的影响 显然有Z12 Z21 Z11表征芯线的阻抗 Z22表征电缆屏蔽层的阻抗 实壁同轴电缆的转移阻抗及自阻抗可用下式表示 实壁同轴电缆的转移阻抗与角频率的平方根及壁的厚度成反比 这是因为趋肤效应的关系 显然 频率愈高或屏蔽层越厚 转移阻抗愈小 即电缆屏蔽外层中的电场及电流对芯线的影响以及芯线中电场及电流对屏蔽外层的影响也愈小 实测转移阻抗与频率的关系 三 辐射耦合 在前面讨论电容耦合 电感耦合 转移阻抗耦合 问题时 实际上已经涉及到了静电场和感应电磁场的问题 那里立足于等效集总参数的概念 运用等效电路的方法来讨论问题 这一节从电磁场的概念 深入地讨论噪声耦合途径的物理概念 寻求方便有效的抑制对策 两种类型的辐射源 1 短单极天线 足够短的直线元导线流过电流I 附近空间产生的电磁场示意图 2 小环天线 环形天线元 波阻抗随距离变化的示意图 辐射耦合的途径主要有 天线 天线 天线 电缆 天线 机壳 电缆 机壳 机壳 机壳 电缆 电缆 几个主要的耦合途径是 1 从一台设备到另一台设备 通过电源系统和变压器的耦合 2 电源 或信号 线对信号线的感应耦合 3 通过公共阻抗或电缆耦合的地电流 4 设备内部的感应场 5 电源线的辐射 耦合到接收天线上 6 无线电或雷达发射机的辐射 耦合到设备电缆或其它天线上 3 3电磁波干扰的预防措施 一 计算机的EMC的提高提高计算机系统抗干扰能力的措施主要有如下几个方面 1 从硬件软件设计着手提高系统自身的抗干扰能力 2 屏蔽接地3 滤波技术也是抑制传导耦合干扰的重要方法4 采用光技术 二 阻性耦合影响的防护措施 阻性耦合 小电阻值的金属物体上流过大电流时 会产生很高的电位 进而可影响到距离相隔较近的物体 具体有以下几种情况 1 防雷引下线上的高电位对附近的金属物体产生反击 2 距离相距太近的接地装置之间发生反击 3 电缆的金属屏蔽层流过大电流时 与芯线之间产生大的纵向耦合电压 CH5屏蔽和综合布线 施广全主讲 5 1屏蔽电缆的接地 屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起屏蔽作用 一 屏蔽层接地产生的电场屏蔽 二 屏蔽层接地产生的磁场屏蔽 三 地环路问题 任何地线既有电阻又有电抗 当有电流通过时 地线上必然产生压降 即两个不同的接地点之间必然存在地电压 当电路多点接地 而各电路间又有信号线联系时 将构成地环路 解决措施 将信号地与机壳绝缘 用平衡电路来代替不平衡电路 在两个电路之间插入隔离变压器 共模扼流圈或光电耦合器等 四 地环路对屏蔽的影响 雷击发生的情况下 建筑物内的空间电磁场强度 sd 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离 m 一 闪电击于格栅型大空间屏蔽以外附近的情况下 在无屏蔽的情况下产生没有衰减的磁场强度 计算公式为 H0 i0 2 Sd A m 式中 i0 雷电流 A Sd 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离 m 由此得出 首次雷击所产生的磁场强度最大值为 H0 f max if max 2 Sd A m 后续雷击所产生的磁场强度最大值为 H0 s max is max 2 Sd A m 当有屏蔽时 即在格栅形大空间屏蔽内 此空间看作是LPZI区 磁场强度从H0减为H1其值应按下式计算 H1 H0 10SF 20 A m 式中SF 屏蔽系数 dB 按下表的公式计算 注 1 适用于首次雷击的磁场 2 适用于后续雷击的磁场 3 相对磁导系数 r 200 4 W 格栅形屏蔽的网格宽度 m 适用于W 5m r 格栅形屏蔽网格导体的半径 m 上表的计算值仅对在LPZI区内距屏蔽层有一安全距离ds 1的安全空间Vs内才有效 见下图 ds 1应按下式计算 ds 1 w SF 10 m 式中w 格栅形屏蔽的网格宽度 m 二 闪电击于格栅型大空间屏蔽上的情况下在LPZ1区中Vs空间内某一点磁场强度H1为 A m 由此得出 LPZ1区中Vs空间内某一点由首次雷击所致的磁场强度最大值为 A m 在LPZ1区中Vs空间内某一点由后续雷击所致的磁场强度最大值为 A m 式中 dr 被考虑的点距LPZ1的屏蔽体的顶之间的最短距离 m dw 被考虑的点至LPZ1的屏蔽体的墙之间的最短距离 m kH 形状系数 可取KH 0 01w LPZ1区格栅形屏蔽网的网眼宽度 m i0 LPZ0区中的雷电电流 A 由上式计算的磁场强度对距屏蔽体有一安全距离ds 2的空间Vs内有效 ds 2应符合下式的要求 ds 2 w m 只有在Vs空间内部才可以安装信息系统设备 在紧挨着格栅处的很高的磁场值不作为信息系统设备的干扰源来考虑 三 LPZ 2区及以上雷电防护区的格栅形屏蔽防护 在LPZ2区及以上格栅形屏蔽的雷电防护区雷电流将不会有实质性的影响 处在LPZn区内的LPZn 1区的磁场强度将由LPZn区内的磁场强度Hn减至LPZn 1区内的Hn 1 其值可近似的按下式计算 Hn 1 Hn 10SF 20 A m 其中 SF是由表1计算出的屏蔽系数 dB Hn LPZn区内的磁场强度 Am 该式适用于LPZn 1区内距其屏蔽有一定安全距离ds 1的空间Vs的磁场强度 ds 1 w SF 10 m 5 3通信大楼的雷电屏蔽问题 雷击模拟试验和事故经验表明 雷击造成的地电位浮动和引下线中雷电流的电磁感应是电气设备最大的干扰源 一 雷击地电位浮动造成的反击和电磁干扰 从落雷建筑物引出的电源线和信号线都可能传播过电压波到其他相连的建筑物中去 在那里击坏电力和通讯设备 所以规定 所有电讯线路都必须有屏蔽 架空电力线在进入机房前必须改为屏蔽电缆或穿金属管 屏蔽电缆的铠装外皮和金属管的两端要就近接地 我国防雷学者共识 屏蔽电缆和穿线铁管要埋地10m以上 埋地深度0 6 1m 可以使这种电阻耦合过电压减小到安全程度 二 感应过电压与引下线分流的关系 感应过电压与布线方法的关系 雷电流经引下线注入接地装置 它对周围设备造成的电磁干扰与防雷引下线的布局 建筑物结构的屏蔽性能 电气设备外壳的屏蔽性能和线路的布线情况有很大的关系 单根引下线附近的磁场很强 对称多根引下线房屋内的磁场将大为减弱 钢筋笼式避雷网内的磁场最弱 重要建筑物内的各种电气线路必须穿金属管或采用金属屏蔽电缆 在要求电磁脉冲防护的重要建筑物中应限制使用UPVC塑料管布线 三 铁管布线的防雷作用 1 电磁屏蔽作用电气线路和电讯线路接受电磁感应作用的面积最大 距离最长 它们所产生的感应过电压是最主要的 如果把这些线路用铁管屏蔽起来就会起到主体的屏蔽作用 2 电磁封锁作用 铁管的电磁封锁作用使芯线的电位与铁管外皮一起浮动 铁管外壁与芯线间的电压由它们的电阻耦合关系产生 为了减小耦合电压幅值U1 m 可以将金属管的壁厚增加 当铁管通过大的雷电流达到磁饱和时 它的纵向耦合电压就要显著增大 在传导大的雷电流时铜管要优于铁管 埋地铁管具有散流作用 它的纵向耦合电压将比架空铁管小一个量级 3 发挥电磁屏蔽和