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(jī)、輪船、車輛和電氣、電子產(chǎn)品運(yùn)行失常、失靈，甚至被損壞；還會(huì)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(shí)間、空間和國界的約束，隨時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)”在運(yùn)行過程中，曾兩次發(fā)出“前蘇聯(lián)要襲擊美國”的緊急警報(bào),致使基地的導(dǎo)彈推出彈井且頂上了發(fā)射架，轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)也發(fā)動(dòng)起來了，士兵爬上了運(yùn)兵車，作好了戰(zhàn)斗準(zhǔn)備。場(chǎng)面頓時(shí)一片混亂，如臨大敵。后來中心控制室發(fā)現(xiàn)，是中心計(jì)算機(jī)受電磁騷擾產(chǎn)生了誤觸發(fā)，結(jié)果是一場(chǎng)虛驚。又如，美國紐約某銀行在一次結(jié)算時(shí)，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(jí)查賬后發(fā)現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中出了錯(cuò)，也是由于外來電磁騷擾所致。在我國，幾年前，中央電視臺(tái)也曾報(bào)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(huì)（IEC）對(duì)EMC的定義是：指在不損害信號(hào)所含信息的條件下，信號(hào)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(duì)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)和人體健康造成危害的機(jī)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(qiáng)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(chǎng)微波理論、天線與電波傳播、電路理論、信號(hào)分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電子對(duì)抗、通信地質(zhì)工程等等，可以說電磁兼容技術(shù)是一個(gè)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(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)。
　　
電磁兼容技術(shù)研究有兩個(gè)特點(diǎn)：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(jì)、安裝和各系統(tǒng)之間的電磁干擾等；b．技術(shù)難度大，因?yàn)楦蓴_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(duì)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(jì)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(huì)增大電網(wǎng)電磁場(chǎng)對(duì)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(qiáng)電磁脈沖）；（2）靜電及所有電氣的動(dòng)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(jī)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(dòng)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(dòng)工具、移動(dòng)電話、遙控儀表、集成模塊，印刷電路板等。（4）絕緣物體的相對(duì)摩擦也會(huì)產(chǎn)生可怕的靜電效應(yīng)。例如，高速飛行器與大氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、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(qiáng)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(cè)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?cè)跒槿祟愒旄５耐瑫r(shí)，也會(huì)發(fā)出輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾，還有人體靜電對(duì)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?cè)诠ぷ鬟\(yùn)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(huì)對(duì)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(huì)騷擾電網(wǎng)。也就是說，電磁垃圾源來自那些對(duì)外發(fā)射強(qiáng)電磁騷擾信號(hào)的電氣、電子產(chǎn)品身上。如果不對(duì)嚴(yán)重的電磁垃圾源加以治理，電磁環(huán)境就會(huì)更加惡劣。

3.2　 電磁污染的主要危害

3.2.1　 電磁污染對(duì)人體的影響

近年來，電磁污染對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(diǎn)。商業(yè)大樓、公共娛樂場(chǎng)所、戶外場(chǎng)所（如加油站、停車場(chǎng)、游樂場(chǎng)、公園、體育場(chǎng)等）。對(duì)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(jī)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(huì)隨電磁場(chǎng)的方向的轉(zhuǎn)換快速運(yùn)動(dòng)而使機(jī)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(huì)引起體溫升高,并進(jìn)而引發(fā)各種癥狀。但對(duì)非

　　
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(duì)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(jì)，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(gè)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(duì)外界的輻射或傳導(dǎo)，不僅存在對(duì)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(duì)無線電廣播、電視等家用電器有威脅。泄漏的另一個(gè)含意是指有用的信息泄漏，它們雖然不一定是強(qiáng)信號(hào)，但是其影響往往是從相對(duì)關(guān)系認(rèn)定的，在對(duì)某信息感興趣時(shí)，截獲者會(huì)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(hào)，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(duì)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(duì)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(qiáng)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(jí)，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(chǎng)：其表現(xiàn)形式主要存在于導(dǎo)線對(duì)大地之間。其強(qiáng)度主要取決于電壓等級(jí)。對(duì)于直流輸電線路則為一個(gè)純的靜電場(chǎng)。（4）工頻磁場(chǎng)：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(chǎng)，磁場(chǎng)與電場(chǎng)必須分別考慮。其強(qiáng)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(huì)對(duì)電磁波的傳播形成影響（例如對(duì)雷達(dá)信號(hào)、短波通信等），稱為無源干擾。

4. 電磁污染的防護(hù)措施及電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)

4.1　 電磁污染的防護(hù)
　　
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(diǎn)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(gè)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(yàn)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(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)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(jī)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(yùn)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(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，隔離主要運(yùn)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(diǎn)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(duì)50Hz的電源頻率呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)電磁噪聲頻譜呈現(xiàn)低阻抗。
　　
接地包括接地、信號(hào)接地等。接地體的設(shè)計(jì)、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(cè)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(diǎn)位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場(chǎng)矢量方向控制。
       (3)時(shí)間分隔： 時(shí)間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動(dòng)時(shí)間分隔、被動(dòng)時(shí)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。