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漫谈电子、电气设备中的电磁兼容性问题

高工
2008-02-13 13:26:29    评分
1. 引 言

20世纪90年代以后,一种新的污染(电磁垃圾污染)已被提到环保日程上来了。电磁垃圾污染不像其它污染那样:看得见、摸得着、闻得出。它分布在空中,潜伏于地下,能造成飞机、轮船、车辆和电气、电子产品运行失常、失灵,甚至被损坏;还会损害人类身体健康,导致人体多种疾病的出现。它是无形的杀人凶手,是“电磁世界”里的“海、陆、空恐怖分子”。 并且不受时间、空间和国界的约束,随时都可能向人类发起进攻。由电磁垃圾污染造成的经济损失及危害与其它污染相比,有过之而无不及。

例如,20世纪70年代,美国研制的“防空计算机系统”在运行过程中,曾两次发出“前苏联要袭击美国”的紧急警报,致使基地的导弹推出弹井且顶上了发射架,轰炸机、战斗机也发动起来了,士兵爬上了运兵车,作好了战斗准备。场面顿时一片混乱,如临大敌。后来中心控制室发现,是中心计算机受电磁骚扰产生了误触发,结果是一场虚惊。又如,美国纽约某银行在一次结算时,突然发现欠另一家银行350亿美元巨款,银行总经理闻知后,当即吓得昏了过去,后经逐级查账后发现,是计算机在运行中出了错,也是由于外来电磁骚扰所致。在我国,几年前,中央电视台也曾报道过广东白云机场附近寻呼台林立,强大的电磁骚扰造成客机不敢起飞和降落的事件。受电磁骚扰危害的例子还有很多,不胜枚举。更让人担心的是,在仓库重地和军事要地,会因为一点点放电火花就可能引起油库、军火库爆炸。强烈的高频电磁场还会引起导弹自动发射。这些事故一旦发生,其后果的严重性将不亚于美国“9.11”事件。可见,电磁垃圾造成的严重的电磁污染,已成为社会环境中一大公害,一大隐患,必须引起世界各国政府和军方的高度重视。

2. 电磁兼容的含义

电磁兼容,顾名思义是“兼容”即“兼顾”/“容忍”,但电磁兼容(E1ectromagnetic Compatibility,简写为EMC)并不是指电与磁之间的兼容,电与磁是不可分割的,相互共存的一种物理现象 、物理环境。国际电工委员会(IEC)对EMC的定义是:指在不损害信号所含信息的条件下,信号和干扰能够共存。研究电磁兼容的目的是为了保证电器组件或装置在电磁环境中能够具有正常工作的能力,以及研究电磁波对社会生产活动和人体健康造成危害的机理和预防措施。它是与电磁环境密切相关的一门综合性极强的边缘科学。主要以电气、电子科学理论为基础,研究并解决各类电磁污染问题。其理论基础包括数学、电磁场微波理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通讯理论、材料科学、生物医学、电子对抗、通信地质工程等等,可以说电磁兼容技术是一个正在不断发展的新型综合性学科,也是一门工程性极强的应用技术。
  
电磁兼容技术研究有两个特点:a.涉及范围较广,包括自然界中各种电气电磁干扰,以及各种电器、电子设备的设计、安装和各系统之间的电磁干扰等;b.技术难度大,因为干扰源日益增多,传播的途径也是多种多样的,在军工、电力、通讯、交通和工矿企业普遍存在电磁干扰问题。电磁干扰对系统和设备是非常有害的,在电力系统供电网络中,用户的大功率电弧炉产生的冲击负荷,倘若在设计中没有考虑电磁兼容问题,将有可能给电网造成很大冲击,会增大电网电磁场对电力系统设备和用户电器设备可能带来的潜在危害。

3. 电磁污染的主要来源及危害

3.1  电磁污染的主要来源

电磁污染的来源包括:(1)雷电(包括核爆炸等强电磁脉冲);(2)静电及所有电气的动作(包括正常及非正常的)过程。例如这几种情况:(1)卫星通信,飞机航行的智能化;(2)高层建筑、通信无线塔、超高压输电线路、油库群、港口建筑、森林、古迹的防雷;(3)工厂自动化生产线、电气牵引馈电系统的谐波,大型医疗设备。物理仪器,家用仪器,电动工具、移动电话、遥控仪表、集成模块,印刷电路板等。(4)绝缘物体的相对摩擦也会产生可怕的静电效应。例如,高速飞行器与大气的相对运动、合成材料的缠绕、流体(石油、天然气等)的高速传输、化纤织物与人体的摩擦等。由于静电积聚的隐蔽性和释放过程的突发性,造成的危害程度不亚于谐波和强电磁脉冲。总之,凡有电磁现象存在的地方都有EMC问题。除了天电(如雷电)电磁垃圾源外,其它电磁垃圾源就在我们周围。科学技术发展到今天,广播、通信、信息技术设备,工程医疗设备、电子测量设备以及家用电器等各种电气、电子产品在大量的使用,它们在为人类造福的同时,也会发出辐射骚扰和传导骚扰,还有人体静电对产品的放电产生的电磁骚扰,它们都给其它用电产品和人类生活带来了危害。它们在工作运行期间,通过辐射把“电磁垃圾”排向空中骚扰其它用电产品;通过滤波器把“电磁垃圾”注入地下,形成地电流,还会对其它用电产品造成共模骚扰;通过电源线把“电磁垃圾”送到低压电网,会骚扰电网。也就是说,电磁垃圾源来自那些对外发射强电磁骚扰信号的电气、电子产品身上。如果不对严重的电磁垃圾源加以治理,电磁环境就会更加恶劣。

3.2  电磁污染的主要危害

3.2.1  电磁污染对人体的影响

近年来,电磁污染对人体健康的影响己日益引起人们的重视,日本、瑞典、美国的学者均提出了人类生活环境下最低的磁场强度允许值。在国际上,把电气、电子产品或系统使用的电磁环境分为A、B两类,分别规定了电磁发射的限值电平。A类环境即工业环境,指有工、科、医射频设备的环境;频繁切断大感性负载、大容性负载的环境;大电流并有强磁场的环境等。B类环境即居民区、商业区及轻工业环境,指居民群楼、商业零售网点。商业大楼、公共娱乐场所、户外场所(如加油站、停车场、游乐场、公园、体育场等)。对人体健康方面的危害分为躯体效应和种群效应,其中的躯体效应分为热效应和非热效应,热效应的机理人们已经了解得比较清楚了,人体接受电磁辐射后,体内的水分子会随电磁场的方向的转换快速运动而使机体升温.如果吸收的辐射能很多,靠体温的调节来不及把吸收的热量散发出去,则会引起体温升高,并进而引发各种症状。但对非热效应的机理了解还不充分,它确实存在,它指吸收的辐射能不足以引起体温升高,但却会使人出现生理方面的变化或反应。这类效应包括神经衰弱症等疾病,电磁辐射还会使人得癌症;种群效应不是短时间可以观察到的,也许会使人类变得更加聪明,也许相反会使人类的发展受到影响。电磁场对人体的影响,与频率值的大小有关。长期以来关于工频电磁场对中枢神经系统有无影响的问题,各国学者一直有着不同的看法。国内外有许多关于高压,超高压输电线和变电站的劳动卫生学调查报告指出:神经衰弱和记忆力减退是工频电磁场作业人员最常见的症状。目前认为工频电磁场对中枢神经的作用主要由电场引起,这一观点可在动物实验中得到佐证。工频电磁场与肿瘤发生的关系:许多调查发现,电磁场的职业暴露虽然可能增加肿瘤的发生风险,尤其是白血病、淋巴系统肿瘤和神经系统肿瘤,但这种风险程度并不高,没有统计学意义。但是应该指出,如果在生产环境中同时存在着其他较强的致癌因素时,工频电磁场的这个作用就不容忽视。工频电磁场对生殖的影响:统计表明,怀孕早期使用电热毯与流产的发生率增高有关,但是孕中期使用电热毯的流产发生率却会减少。国外Nordstrom等首次报道:对542名电厂工人进行回返性调查发现,凡父亲在高压调度室工作的,子女患先天性畸形的比例增高。
  
射频电磁场对人体的影响:(1)对神经系统的影响:接触高频电磁场辐射后,开始会出现嗅阈值增高及暗适应事件延长的情况。据报道长时间接触较高强度的射频电磁辐射后,可能引起脑电图的某些改变。(2)对心血管系统的影响:在长期接触高频电磁场后,人的低血压或血压偏低发生率会增高。(3)对内分泌系统的影响:上海市对某塑料厂160名常接触较高场强的(从事高频介质加热作业)女工进行了卫生学调查,发现这些女工非哺乳性泌乳症状显著增加,月经周期异常现象明显增多,这些主要是由于神经-体液的混乱引起的。

微波电磁场对人体会产生急性微波辐射损伤,当受到过量微波辐射后,可能造成人体的若干种组织和器官的急性损伤。急性微波损伤大致有头痛,恶心,目眩,彻夜失眠,辐射局部 烧灼感等。但一般经过一段时间休息后,人的这些症状一般均会消失。较长时间接触低强度的微波辐射,可引发人的某些生理功能的混乱,也会引起人的生化指标波动。

表1是公众照射极限值(GB8702-88)的情况。



表1 人体最大允许暴露值一览表

3.2.2  电子、电气产品电磁污染的相互影响

电子、电气产品一般来说都相当复杂,大多数有种类繁多的分系统。外来电磁辐射、内部元器件之间、分系统之间和各传送通道间的窜扰,对产品及其数据信息所产生的干扰与破坏,严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。据统计,干扰引起的电子、电气设备的事故占总事故的90%左右。它的电磁干扰主要表现为电磁辐射,电磁辐射包括两个含义,首先是指主设备及其辅助设备产生的无意干扰对外界的辐射或传导,不仅存在对外的泄漏,而且在比较宽的频率范围已超过界限值,其覆盖的频率对无线电广播、电视等家用电器有威胁。泄漏的另一个含意是指有用的信息泄漏,它们虽然不一定是强信号,但是其影响往往是从相对关系认定的,在对某信息感兴趣时,截获者会利用放大、特征提取、解密或解码的方式来获取,即使是很小的信号,采用现代化的信息处理技术也是可能截获的,而被截获的危害,绝不次于设备工作被干扰。电磁辐射还表现在:对周围的电子系统构成窄带与宽带干扰造成潜在的信息泄漏问题。
  
电气设备对周围事物造成干扰主要还包括:(1)电晕:是由于导体表面的电位梯度过大,引起向空气中放电而产生的高频电磁噪声,其频谱的主要分量在几兆赫以下。其以dB表示的强度,随电位梯度的升高而增加,而导体表面的电位梯度不仅取决于电压等级,而且还直接与导线的等效表面积有关。(2)火花放电:由于线路上局部的绝缘被破坏、绝缘子污秽。金具接触不良等而产生的火花放电,其频谱范围可能高达百兆赫,其幅度变化范围很大,可能远大于电晕放电。(3)工频电场:其表现形式主要存在于导线对大地之间。其强度主要取决于电压等级。对于直流输电线路则为一个纯的静电场。(4)工频磁场:由于工频频率很低,波长很长(50Hz的波长为6000km),因而距线路虽较远仍为近场,磁场与电场必须分别考虑。其强度主要取决于导线的载流量。但其随距离的衰减很快。(5)无源干扰:输电线路及其杆塔,即使在未送电的条件下,也会对电磁波的传播形成影响(例如对雷达信号、短波通信等),称为无源干扰。

(6)地电流:对于交流三相系统不平衡时的中线或直流输电线路以地作为回路的情况,地电流有时颇为可观。当处理不当时,会造成地电位升或对地下管线腐蚀。以上数种骚扰源,可能会对不同的敏感设备造成干扰。不同的骚扰源的影响不同。值得注意的是:如处理不当,这些骚扰的强度将随线路的电压等级而提高。而提高电压是输电系统的必然趋势。因之对电磁兼容性提出了相应的高要求。

4. 电磁污染的防护措施及电磁兼容的标准

4.1  电磁污染的防护
  
抑制电磁污染的首要措施是找出污染源;其次是判断污染侵入的路途。主要有传导和辐射两种方式,工作重点是确定干扰量。解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品或系统的开发、生产全过程。国内外大量的经验表明,在产品或系统的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容问题,越可以节约人力与物力。
  
电磁兼容技术设计的关键技术是对电磁干扰源的研究,从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射,除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外,还需广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。
  
滤波是在频域内处理电磁噪声的技术,为电磁噪声提供一条低阻抗的通路,以达到抑制电磁干扰的目的。例如,电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗,而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。

接地包括接地、信号接地等。接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等不仅涉及产品或系统的电气安全,而且关联着电磁兼容和其测量技术。 具体的技术方案可以归纳成如下几类:

(1)传输通道抑制: 具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地、布线。

(2)空间分离: 地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制。

(3)时间分隔: 时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔。

(4)频率管理: 频率管制、滤波、频率调制、数字传输、光电转换。

(5)电气隔离: 变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换。

4.2  电磁兼容的标准

当电气或电子装置在运作期间,其因电力所产生的电磁力不会干扰其他装置的正常运作性能时,则称这些装置具电磁兼容性。归纳为:(1) 对其它系统不产生干扰。(2) 对其它系统的发射不敏感。(3) 对系统本身不产生干扰。

5. 结语

电磁兼容技术的迅速发展,也刺激了对电磁兼容标准化工作的需求。一些发达国家在EMC技术的研究、标准的制定、EMC测试及认证方面处于领先地位。尤其是欧共体成员国关于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)颁布以来,各国政府开始从商贸的角度考虑EMC问题,并采取相应措施加强了EMC标准及法规的制定和贯彻实施工作。我国虽然在EMC方面工作起步较晚,但有关部门正加紧工作,以跟上国际EMC工作的步伐。由于电磁干扰具有无时不有、无处不在的特征,决定了EMC无所不用的实际。电磁干扰及其抑制问题日益突出,本世纪的EMC科学将进一步吸收各专业、各学科的理论精华,充分发挥其边缘性、交叉性的特点形成高度综合、完整的大学科,同时它将在EMC预测、协调、监控、应用等方面得到飞速发展。

参考文献

1. 张林昌: 世纪之初的电磁兼容展望.CES第六届学术会议论文集[C] 北京:科学出版社1999.102—131

2. 张林昌,吕英华,马信山:电磁兼容.电工高新科技丛书 第5分册[M] 北京:机械工业出版社,2000.4.216—223

3. 山崎弘郎:电子电路的抗干扰技术[M] 北京: 科学出版社 1989.135—146



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