漫談電子、電氣設(shè)備中的電磁兼容性問題
20世紀(jì)90年代以后,一種新的污染(電磁垃圾污染)已被提到環(huán)保日程上來了。電磁垃圾污染不像其它污染那樣:看得見、摸得著、聞得出。它分布在空中,潛伏于地下,能造成飛機、輪船、車輛和電氣、電子產(chǎn)品運行失常、失靈,甚至被損壞;還會損害人類身體健康,導(dǎo)致人體多種疾病的出現(xiàn)。它是無形的殺人兇手,是“電磁世界”里的“海、陸、空恐怖分子”。 并且不受時間、空間和國界的約束,隨時都可能向人類發(fā)起進(jìn)攻。由電磁垃圾污染造成的經(jīng)濟損失及危害與其它污染相比,有過之而無不及。例如,20世紀(jì)70年代,美國研制的“防空計算機系統(tǒng)”在運行過程中,曾兩次發(fā)出“前蘇聯(lián)要襲擊美國”的緊急警報,致使基地的導(dǎo)彈推出彈井且頂上了發(fā)射架,轟炸機、戰(zhàn)斗機也發(fā)動起來了,士兵爬上了運兵車,作好了戰(zhàn)斗準(zhǔn)備。場面頓時一片混亂,如臨大敵。后來中心控制室發(fā)現(xiàn),是中心計算機受電磁騷擾產(chǎn)生了誤觸發(fā),結(jié)果是一場虛驚。又如,美國紐約某銀行在一次結(jié)算時,突然發(fā)現(xiàn)欠另一家銀行350億美元巨款,銀行總經(jīng)理聞知后,當(dāng)即嚇得昏了過去,后經(jīng)逐級查賬后發(fā)現(xiàn),是計算機在運行中出了錯,也是由于外來電磁騷擾所致。在我國,幾年前,中央電視臺也曾報道
2. 電磁兼容的含義
電磁兼容,顧名思義是“兼容”即“兼顧”/“容忍”,但電磁兼容(E1ectromagnetic Compatibility,簡寫為EMC)并不是指電與磁之間的兼容,電與磁是不可分割的,相互共存的一種物理現(xiàn)象 、物理環(huán)境。國際電工委員會(IEC)對EMC的定義是:指在不損害信號所含信息的條件下,信號和干擾能夠共存。研究電磁兼容的目的是為了保證電器組件或裝置在電磁環(huán)境中能夠具有正常工作的能力,以及研究電磁波對社會生產(chǎn)活動和人體健康造成危害的機理和預(yù)防措施。它是與電磁環(huán)境密切相關(guān)的一門綜合性極強的邊緣科學(xué)。主要以電氣、電子科學(xué)理論為基礎(chǔ),研究并解決各類電磁污染問題。其理論基礎(chǔ)包括數(shù)學(xué)、電磁場微波理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電子對抗、通信地質(zhì)工程等等,可以說電磁兼容技術(shù)是一個正在不斷發(fā)展的新型綜合性學(xué)科,也是一門工程性極強的應(yīng)用技術(shù)。
電磁兼容技術(shù)研究有兩個特點:a.涉及范圍較廣,包括自然界中各種電氣電磁干擾,以及各種電器、電子設(shè)備的設(shè)計、安裝和各系統(tǒng)之間的電磁干擾等;b.技術(shù)難度大,因為干擾源日益增多,傳播的途徑也是多種多樣的,在軍工、電力、通訊、交通和工礦企業(yè)普遍存在電磁干擾問題。電磁干擾對系統(tǒng)和設(shè)備是非常有害的,在電力系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)中,用戶的大功率電弧爐產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷,倘若在設(shè)計中沒有考慮電磁兼容問題,將有可能給電網(wǎng)造成很大沖擊,會增大電網(wǎng)電磁場對電力系統(tǒng)設(shè)備和用戶電器設(shè)備可能帶來的潛在危害。
3. 電磁污染的主要來源及危害
3.1 電磁污染的主要來源
電磁污染的來源包括:(1)雷電(包括核爆炸等強電磁脈沖);(2)靜電及所有電氣的動作(包括正常及非正常的)過程。例如這幾種情況:(1)衛(wèi)星通信,飛機航行的智能化;(2)高層建筑、通信無線塔、超高壓輸電線路、油庫群、港口建筑、森林、古跡的防雷;(3)工廠自動化生產(chǎn)線、電氣牽引饋電系統(tǒng)的諧波,大型醫(yī)療設(shè)備。物理儀器,家用儀器,電動工具、移動電話、遙控儀表、集成模塊,印刷電路板等。(4)絕緣物體的相對摩擦也會產(chǎn)生可怕的靜電效應(yīng)。例如,高速飛行器與大氣的相對運動、合成材料的纏繞、流體(石油、天然氣等)的高速傳輸、化纖織物與人體的摩擦等。由于靜電積聚的隱蔽性和釋放過程的突發(fā)性,造成的危害程度不亞于諧波和強電磁脈沖。總之,凡有電磁現(xiàn)象存在的地方都有EMC問題。除了天電(如雷電)電磁垃圾源外,其它電磁垃圾源就在我們周圍??茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天,廣播、通信、信息技術(shù)設(shè)備,工程醫(yī)療設(shè)備、電子測量設(shè)備以及家用電器等各種電氣、電子產(chǎn)品在大量的使用,它們在為人類造福的同時,也會發(fā)出輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾,還有人體靜電對產(chǎn)品的放電產(chǎn)生的電磁騷擾,它們都給其它用電產(chǎn)品和人類生活帶來了危害。它們在工作運行期間,通過輻射把“電磁垃圾”排向空中騷擾其它用電產(chǎn)品;通過濾波器把“電磁垃圾”注入地下,形成地電流,還會對其它用電產(chǎn)品造成共模騷擾;通過電源線把“電磁垃圾”送到低壓電網(wǎng),會騷擾電網(wǎng)。也就是說,電磁垃圾源來自那些對外發(fā)射強電磁騷擾信號的電氣、電子產(chǎn)品身上。如果不對嚴(yán)重的電磁垃圾源加以治理,電磁環(huán)境就會更加惡劣。
3.2 電磁污染的主要危害
3.2.1 電磁污染對人體的影響
近年來,電磁污染對人體健康的影響己日益引起人們的重視,日本、瑞典、美國的學(xué)者均提出了人類生活環(huán)境下最低的磁場強度允許值。在國際上,把電氣、電子產(chǎn)品或系統(tǒng)使用的電磁環(huán)境分為A、B兩類,分別規(guī)定了電磁發(fā)射的限值電平。A類環(huán)境即工業(yè)環(huán)境,指有工、科、醫(yī)射頻設(shè)備的環(huán)境;頻繁切斷大感性負(fù)載、大容性負(fù)載的環(huán)境;大電流并有強磁場的環(huán)境等。B類環(huán)境即居民區(qū)、商業(yè)區(qū)及輕工業(yè)環(huán)境,指居民群樓、商業(yè)零售網(wǎng)點。商業(yè)大樓、公共娛樂場所、戶外場所(如加油站、停車場、游樂場、公園、體育場等)。對人體健康方面的危害分為軀體效應(yīng)和種群效應(yīng),其中的軀體效應(yīng)分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng),熱效應(yīng)的機理人們已經(jīng)了解得比較清楚了,人體接受電磁輻射后,體內(nèi)的水分子會隨電磁場的方向的轉(zhuǎn)換快速運動而使機體升溫.如果吸收的輻射能很多,靠體溫的調(diào)節(jié)來不及把吸收的熱量散發(fā)出去,則會引起體溫升高,并進(jìn)而引發(fā)各種癥狀。但對非
射頻電磁場對人體的影響:(1)對神經(jīng)系統(tǒng)的影響:接觸高頻電磁場輻射后,開始會出現(xiàn)嗅閾值增高及暗適應(yīng)事件延長的情況。據(jù)報道長時間接觸較高強度的射頻電磁輻射后,可能引起腦電圖的某些改變。(2)對心血管系統(tǒng)的影響:在長期接觸高頻電磁場后,人的低血壓或血壓偏低發(fā)生率會增高。(3)對內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響:上海市對某塑料廠160名常接觸較高場強的(從事高頻介質(zhì)加熱作業(yè))女工進(jìn)行了衛(wèi)生學(xué)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)這些女工非哺乳性泌乳癥狀顯著增加,月經(jīng)周期異?,F(xiàn)象明顯增多,這些主要是由于神經(jīng)-體液的混亂引起的。
微波電磁場對人體會產(chǎn)生急性微波輻射損傷,當(dāng)受到過量微波輻射后,可能造成人體的若干種組織和器官的急性損傷。急性微波損傷大致有頭痛,惡心,目眩,徹夜失眠,輻射局部 燒灼感等。但一般經(jīng)過一段時間休息后,人的這些癥狀一般均會消失。較長時間接觸低強度的微波輻射,可引發(fā)人的某些生理功能的混亂,也會引起人的生化指標(biāo)波動。
表1是公眾照射極限值(GB8702-88)的情況。
表1 人體最大允許暴露值一覽表
3.2.2 電子、電氣產(chǎn)品電磁污染的相互影響
電子、電氣產(chǎn)品一般來說都相當(dāng)復(fù)雜,大多數(shù)有種類繁多的分系統(tǒng)。外來電磁輻射、內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳送通道間的竄擾,對產(chǎn)品及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞,嚴(yán)重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計,干擾引起的電子、電氣設(shè)備的事故占總事故的90%左右。它的電磁干擾主要表現(xiàn)為電磁輻射,電磁輻射包括兩個含義,首先是指主設(shè)備及其輔助設(shè)備產(chǎn)生的無意干擾對外界的輻射或傳導(dǎo),不僅存在對外的泄漏,而且在比較寬的頻率范圍已超過界限值,其覆蓋的頻率對無線電廣播、電視等家用電器有威脅。泄漏的另一個含意是指有用的信息泄漏,它們雖然不一定是強信號,但是其影響往往是從相對關(guān)系認(rèn)定的,在對某信息感興趣時,截獲者會利用放大、特征提取、解密或解碼的方式來獲取,即使是很小的信號,采用現(xiàn)代化的信息處理技術(shù)也是可能截獲的,而被截獲的危害,絕不次于設(shè)備工作被干擾。電磁輻射還表現(xiàn)在:對周圍的電子系統(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾造成潛在的信息泄漏問題。
電氣設(shè)備對周圍事物造成干擾主要還包括:(1)電暈:是由于導(dǎo)體表面的電位梯度過大,引起向空氣中放電而產(chǎn)生的高頻電磁噪聲,其頻譜的主要分量在幾兆赫以下。其以dB表示的強度,隨電位梯度的升高而增加,而導(dǎo)體表面的電位梯度不僅取決于電壓等級,而且還直接與導(dǎo)線的等效表面積有關(guān)。(2)火花放電:由于線路上局部的絕緣被破壞、絕緣子污穢。金具接觸不良等而產(chǎn)生的火花放電,其頻譜范圍可能高達(dá)百兆赫,其幅度變化范圍很大,可能遠(yuǎn)大于電暈放電。(3)工頻電場:其表現(xiàn)形式主要存在于導(dǎo)線對大地之間。其強度主要取決于電壓等級。對于直流輸電線路則為一個純的靜電場。(4)工頻磁場:由于工頻頻率很低,波長很長(50Hz的波長為6000km),因而距線路雖較遠(yuǎn)仍為近場,磁場與電場必須分別考慮。其強度主要取決于導(dǎo)線的載流量。但其隨距離的衰減很快。(5)無源干擾:輸電線路及其桿塔,即使在未送電的條件下,也會對電磁波的傳播形成影響(例如對雷達(dá)信號、短波通信等),稱為無源干擾。
4. 電磁污染的防護措施及電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)
4.1 電磁污染的防護
抑制電磁污染的首要措施是找出污染源;其次是判斷污染侵入的路途。主要有傳導(dǎo)和輻射兩種方式,工作重點是確定干擾量。解決電磁兼容問題應(yīng)從產(chǎn)品的開發(fā)階段開始,并貫穿于整個產(chǎn)品或系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)全過程。國內(nèi)外大量的經(jīng)驗表明,在產(chǎn)品或系統(tǒng)的研制生產(chǎn)過程中越早注意解決電磁兼容問題,越可以節(jié)約人力與物力。
電磁兼容技術(shù)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是對電磁干擾源的研究,從電磁干擾源處控制其電磁發(fā)射是治本的方法??刂聘蓴_源的發(fā)射,除了從電磁干擾源產(chǎn)生的機理著手降低其產(chǎn)生電磁噪聲的電平外,還需廣泛地應(yīng)用屏蔽(包括隔離)、濾波和接地技術(shù)。屏蔽主要運用各種導(dǎo)電材料,制造成各種殼體并與大地連接,以切斷通過空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑,隔離主要運用繼電器、隔離變壓器或光電隔離器等器件來切斷電磁噪聲以傳導(dǎo)形式的傳播途徑,其特點是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來,切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。
濾波是在頻域內(nèi)處理電磁噪聲的技術(shù),為電磁噪聲提供一條低阻抗的通路,以達(dá)到抑制電磁干擾的目的。例如,電源濾波器對50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗,而對電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。
接地包括接地、信號接地等。接地體的設(shè)計、地線的布置、接地線在各種不同頻率下的阻抗等不僅涉及產(chǎn)品或系統(tǒng)的電氣安全,而且關(guān)聯(lián)著電磁兼容和其測量技術(shù)?!【唧w的技術(shù)方案可以歸納成如下幾類:
(1)傳輸通道抑制: 具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。
(2)空間分離: 地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。
(3)時間分隔: 時間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。
(4)頻率管理: 頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。
(5)電氣隔離: 變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換。
4.2 電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)電氣或電子裝置在運作期間,其因電力所產(chǎn)生的電磁力不會干擾其他裝置的正常運作性能時,則稱這些裝置具電磁兼容性。歸納為:(1) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。
5. 結(jié)語
電磁兼容技術(shù)的迅速發(fā)展,也刺激了對電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的需求。一些發(fā)達(dá)國家在EMC技術(shù)的研究、標(biāo)準(zhǔn)的制定、EMC測試及認(rèn)證方面處于領(lǐng)先地位。尤其是歐共體成員國關(guān)于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)頒布以來,各國政府開始從商貿(mào)的角度考慮EMC問題,并采取相應(yīng)措施加強了EMC標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的制定和貫徹實施工作。我國雖然在EMC方面工作起步較晚,但有關(guān)部門正加緊工作,以跟上國際EMC工作的步伐。由于電磁干擾具有無時不有、無處不在的特征,決定了EMC無所不用的實際。電磁干擾及其抑制問題日益突出,本世紀(jì)的EMC科學(xué)將進(jìn)一步吸收各專業(yè)、各學(xué)科的理論精華,充分發(fā)揮其邊緣性、交叉性的特點形成高度綜合、完整的大學(xué)科,同時它將在EMC預(yù)測、協(xié)調(diào)、監(jiān)控、應(yīng)用等方面得到飛速發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
1. 張林昌: 世紀(jì)之初的電磁兼容展望.CES第六屆學(xué)術(shù)會議論文集[C] 北京:科學(xué)出版社1999.102—131
2. 張林昌,呂英華,馬信山:電磁兼容.電工高新科技叢書 第5分冊[M] 北京:機械工業(yè)出版社,2000.4.216—223
3. 山崎弘郎:電子電路的抗干擾技術(shù)[M] 北京: 科學(xué)
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