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防电磁辐射的整体屏蔽设计

我爱方案网| 电磁辐射 , 整体 , 屏蔽设计| 2010-08-30
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中心议题:

  • 电磁辐射防护的整体屏蔽设计
  • 屏蔽效果及测试要求

解决方案:

  • 各屏蔽孔径(相当于许多叠加在一起的截止导波)的衰减效应
  • 窗孔几何形状的反射损耗

电磁辐射现象是指大功率发射设备所产生的电磁辐射对人体的伤害和对电子设备正常工作的干扰。天然的电磁辐射来源于地球的热辐射、太阳热辐射、宇宙射线和静电等;人工电磁辐射来源广泛,既可以来自于高压线、变电站、电台、电子仪器、医疗设备、激光照拍设备和办公自动化设备的运行,也可以来自于微波炉、电视机、手机、空调、电热毯和收音机等家用电器的使用。

电磁辐射场一般分为近区场和远区场。以场源为中心,在1个波长范围内的区域,通常称为近区场;反之,在1个波长范围以外的区域,通常称为远区场。两种区场有着不同的特点:在近区场中,电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系,一般情况下,对于电压高电流小的场源,如发射天线、馈线等,电场要比磁场强得多;对于电压低电流大的场源,如某些感应加热设备,磁场要比电场大得多。在远区场中,所有电磁能量基本上以电磁波的形式辐射传播,这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。在远区场,电场与磁场强度有如下关系:E=377H,电场与磁场的运行方向互相垂直,并且都垂直于电磁波的传播方向。远区场为弱场,其电磁场强度均较小。

近区场的电磁场强度比远区场大得多,电磁辐射对人体造成影响和损伤主要在近区场。本文拟就近区场范围内电磁辐射防护的整体屏蔽设计提供一定的思路做法。

电磁辐射防护的整体屏蔽设计

某雷达天线工程,发射频率为1~3GHz。工作人员需在地下工作大厅内24h工作,工作大厅面积约为800~1000m。要求进行人员安全防护的全屏蔽设计。设计要求,屏蔽场所内电磁屏蔽效能不小于50dB;微波辐射功率密度不大于10I.LW/cm。设计前首先要考虑采用的安全指标标准及施工、检测标准。

现有国家标准有:GB8702-1988《电磁辐射防护规定》、GB10436-1989(作业场所微波辐射卫生标准》、GJB/Z25—1991《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》、sJ31470-2002《电磁屏蔽室工程施工及验收规范》及GB12190-1990《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》。

案例分析:事实上本设计案例中将工作大厅设于地下就已经考虑了电磁辐射对人员的伤害问题,为了将电磁辐射降到最低,业主提出了要对工作大厅进行全屏蔽的设计处理。我国对小范围的屏蔽室设计、施工均有一定经验,效果也能保证,但对案例中的有较多工作人员进出、大量的大口径的进出管线处理、大面积屏蔽区的屏蔽效能要求,如此复杂的情况比较少见,有相当难度。

设计思路:采用多层屏蔽的设计思路,对工作大厅进行整体屏蔽设计,把住各种出入接口的防泄漏措施。进出管线相对集中并利用滤波、接地等技术进行处理,保证屏蔽效果。

1屏蔽作用的简单介绍

电磁波遇到金属表面总要发生屏蔽效应,电磁波能量的一部分向干扰源方向反射,另一部分在金属内耗散,剩余部分穿过该金属部分向前继续传播。这种屏蔽效应可分别看作是入射电场与磁场使屏蔽体表面感应电荷,并在屏蔽体内感应出电流的结果。感应电荷和电流的极性与方向应使其伴生的电场和磁场抵消入射场,从而削弱穿过屏蔽体的电磁场。

2整体屏蔽设计

一个设备或组件屏蔽壳体的屏蔽效能由若干参数决定,其中最主要的参数是入射波的频率和阻抗、屏蔽材料的固有特性以及屏蔽体不连续性的形式和数量。屏蔽体的屏蔽效能由该屏蔽体对电磁场强度的减弱程度确定。屏蔽效能sE定义为同一地点无屏蔽体存在时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比
SE=20lg(El/E2)
或SE=20lg(H。/H2)
式中,E。和日.是无屏蔽体时的电场强度和磁场强度;E:和日:是在同一地点加屏蔽体后的电场强度和磁场强度。

根据GB8702-1988本工程设计仅考虑电场强度。屏蔽效能由三个因素决定:吸收损耗、反射损耗和多次反射修正项。本工程
设计总屏蔽效能是由吸收损耗、反射损耗两者之和,本工程设计中反射修正项可以忽略不计。

从已有工程经验看,在100kHz以上的频率范围,单层屏蔽要达到40dB的屏蔽效能是容易实现的。本屏蔽设计则采用了双层屏蔽,能很好地达到要求。但屏蔽效能的精确计算,即使采取完善装接的实心屏蔽体设计,也是有一定困难的。对关键部位,还应通过实验来检验屏蔽效能。

在整体屏蔽设计中,首先优先利用建筑结构钢筋网的固有屏蔽作用,即本设计要求的第一层屏蔽设计,参照XQ2-2ooo要求,建筑物内外墙结构钢筋设置成不大于200mmX200mm的网格,并每隔1m左右将钢筋点焊成整体。非屏蔽区进出风口(窗)加设不大于10mmX10mm的金属网。此要求主要满足了防小动物进入要求,可兼作工作大厅的屏蔽,除需进行接地外不做特殊处理。屏蔽区如有进出风ISl,要求采用通风波导窗。根据GJB/Z25,屏蔽网的屏蔽效能计算需进行下列计算:

(1)各屏蔽孔径(相当于许多叠加在一起的截止导波)的衰减效应。
(2)窗孔几何形状的反射损耗。
(3)发射天线与屏蔽体的距离远大于屏蔽体上孔间距离时的总开孔面积。
(4)集肤深度。
(5)邻近孔之间的耦合。

其屏蔽效能只能做近似估算。但根据GJB/Z25中图125可知,铜屏蔽网随着网孔的减小屏蔽效能增加;同时由表41可知电场作用下屏蔽网孔基本与频率无关。如果要求衰减的标称值大于50dB,则栅网孔眼的尺寸应不大于用0.38mm铜线制成的、22目铜网的孔眼。第一层屏蔽的作用是有限的,设计考虑的目的是在所花代价很小的前提下,尽量削弱电磁辐射强度。

第二层屏蔽,也可称主屏蔽层,即在有人工作的工作大厅外墙的上下左右六个内面,采用2mm厚的钢板围合形成一个密闭的空间,也考虑过采用0.5mm铝箔或金箔,虽然也能达到屏蔽要求,但太薄除了施工较易外,装修及使用中避免薄层的颤动均有困难,而且大量的进出管线与屏蔽层的接口处理也有较大难度,所以设计中采用了航天系统的防信号泄露做法。两种方法的结合屏蔽效果如何未作研究。进出门均采用专用金属屏蔽门,与一层连通的楼梯采用金属楼梯并与一层空间屏蔽隔开。选用2mm厚钢板除了辐射场较强以外,主要是因为工作大厅面积较大,若采用金箔,关门时或一阵微风都易使其沙沙作响,而采用一定厚度的钢板,不但可以避免这种现象,同时也方便了装修及设备的安装。

垂直连通的强弱电竖井亦采用2mm厚的钢板密封竖井与工作大厅屏蔽形成一个完整的整体。对于大厅内的在机架或机柜内使用的设备,利用其金属机柜的固有屏蔽作用,可算作第三层屏蔽,仅起抗干扰作用,保证设备能正常稳定的工作。在整体屏蔽设计过程中,细节的处理非常重要,泄漏的发生往往是在以下的细节之处。

 

3细节处理

3.1进出屏蔽区域的管线要求

进出管线有很多种,不同的管线有不同的处理要求。

(1)10kV电力电缆进出由高压电缆的滤波器生产单位少,造价很高,体积也很大,实施起来有一定的困难,采用铠装电缆经过50m以上的屏蔽电缆沟后,进入屏蔽电缆沟时将电缆的铠装层与屏蔽层进行电气连接并接地,进入屏蔽界面时将电缆的铠装层与屏蔽层再次进行电气连接并接地;但是通过电源端头耦合进来的电磁波较难去除,唯一的办法就是使电源端在近区场以外,并尽可能远离辐射源。

(2)低压电缆管线和弱电管线进出进出屏蔽界面的预埋管均应用**并进行接地连接,如图1所示。弱电电缆要求采用光纤、或自带良好屏蔽层的电缆;其所走的密封金属桥架或弱电电缆沟内尚应铺设屏蔽垫层;进入屏蔽界面后直接进入屏蔽小室或通过滤波器接入设备,屏蔽效果较好。

图1预埋管屏蔽连接示意图

(3)电缆竖井处的电缆进出由于电缆竖井是作为同一个屏蔽区域,从电缆竖井至各层机房(非屏蔽区)的管线处理也非常重要。做法如图2所示


图2电线竖井处管线处理

(4)水管进出水管等在屏蔽界面处作大于500mm长的不锈**过渡并加波导,但此做法的效果还有待考证。
(5)风管进出屏蔽界面的风管线均应作300~400mm长的屏蔽转接,空调进出液管应经液气波导管方可进出屏蔽层。

3.2柱梁处的处理

2mm厚钢板过梁处可以包梁而行,也可向吊顶一样贴梁而行,视梁高而定。此时要注意的是顶上可能有风管要安装,有投影设备甚至有风机要安装,施工中要考虑好承重的要求,从确定的设备安装位置处做好支架焊至钢板并作对称焊下吊架以便后续设备的安装。过柱部位必须包柱而行,将柱包出屏蔽范围,非常麻烦。施工时要动一番脑筋。大面积的屏蔽均是现场焊接施工,故而对焊接的技术、质量要求非常高,各工种之间的配合很重要。

3.3与其他工种的配合
前面已提到与安装工种的配合,此处主要指与装修工种的配合。装修层整个要附着在屏蔽钢板上,并且不能破坏屏蔽层,故而二者的配合非常重要,装修完毕后应复测屏蔽效果不得减弱,否则应进行修补。

3.4屏蔽接地
由于所有管线均是埋地引入,故而在入户处应将电缆金属外皮、**、金属管道等作等电位联结后与接地装置连接,并与屏蔽壳体进行连接。屏蔽壳体与基础地面的做法:基础底板上作龙骨或预埋50mmX50mmX5mm的钢板,间距400mmX400mm,其中预埋钢板与利用基础钢筋作的接地装置应按3~5m间隔相互焊接连通一次(YD金属屏蔽门与金属窗网应与建筑内主筋作两处对称的可靠焊接。可在门窗安装之前从建筑物结构主筋上引出等电位联结板备用。钢连接导体的最小截面不小于50mm。

工作大厅内工作机柜尚应作接地连接,以保证第三层屏蔽效果(抗干扰)。

3.5屏蔽效果及测试要求

屏蔽后职业照射导出限值要满足国家现行规范要求及业主(含第三方)提出的要求。即在有人工作区域内在每天8h工作期间内,职业照射电磁辐射场的场量参数在任意6min内的电场强度参考限值平均值≤28V/m;电磁屏蔽效能t>50dB;微波辐射功率密度≤10~W/cm。

施工完毕后应按国家标准进行测试。测试不合格应进行整改或补救,直至合格为止。

对施工的要求:为保持屏蔽层的屏蔽效能,电缆屏蔽层端部必须正确的连接。即应把屏蔽层周围一圈接地于一个低阻抗的参考系上——接地装置上,从而使接头表面的任一点电位都达到最小,施工必须采用压接措施。根据GB8702-1988第3.2条要求,业主必须事先向所在地区的环保部门提交“环境影响报告书 (表)”,并向其进行申报、登记,按要求接受监督;

本工程运行后,必须实地测量电磁辐射场的空间分布,画出防护带,并设立警戒符号。对有电磁辐射的设备进行操作和管理的人员,应施行电磁辐射防护训练。训练内容应包括:电磁辐射的性质及其危害性;常用防护措施、用具以及使用方法;个人防护用具及使用方法;电磁辐射防护规定。业主应定期对辐射体所在的工作场所及周围环境的电磁辐射水平进行监测。
 

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