1. 引 言
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(lái)了。電磁垃圾污染不像其它污染那樣:看得見(jiàn)、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(chē)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(lèi)身體健康,導(dǎo)致人體多種疾病的出現(xiàn)。它是無(wú)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(guó)界的約束,隨時(shí)都可能向人類(lèi)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(guò)之而無(wú)不及。例如,20世紀(jì)70年代,美國(guó)研制的“防空計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”在運(yùn)行過(guò)程中,曾兩次發(fā)出“前蘇聯(lián)要襲擊美國(guó)”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(lái)了,士兵爬上了運(yùn)兵車(chē),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(lái)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(guó)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(guò)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(lái)電磁騷擾所致。在我國(guó),幾年前,中央電視臺(tái)也曾報(bào)道過(guò)廣東白云機(jī)場(chǎng)附近尋呼臺(tái)林立,強(qiáng)大的電磁騷擾造成客機(jī)不敢起飛和降落的事件。受電磁騷擾危害的例子還有很多,不勝枚舉。更讓人擔(dān)心的是,在倉(cāng)庫(kù)重地和軍事要地,會(huì)因?yàn)橐稽c(diǎn)點(diǎn)放電火花就可能引起油庫(kù)、軍火庫(kù)爆炸。強(qiáng)烈的高頻電磁場(chǎng)還會(huì)引起導(dǎo)彈自動(dòng)發(fā)射。這些事故一旦發(fā)生,其后果的嚴(yán)重性將不亞于美國(guó)“9.11”事件。可見(jiàn),電磁垃圾造成的嚴(yán)重的電磁污染,已成為社會(huì)環(huán)境中一大公害,一大隱患,必須引起世界各國(guó)政府和軍方的高度重視。
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(jiǎn)寫(xiě)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(guó)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(mén)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(lèi)電磁污染問(wèn)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(shuō)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(mén)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(wèn)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(hù)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(méi)有考慮電磁兼容問(wèn)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(hù)電器設(shè)備可能帶來(lái)的潛在危害。
3. 電磁污染的主要來(lái)源及危害
3.1 電磁污染的主要來(lái)源
電磁污染的來(lái)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(guò)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(wú)線塔、超高壓輸電線路、油庫(kù)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(huà)、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(guò)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??傊?,凡有電磁現(xiàn)象存在的地方都有EMC問(wèn)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?chē)?。科學(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?lèi)造福的同時(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(lèi)生活帶來(lái)了危害。它們?cè)诠ぷ鬟\(yùn)行期間,通過(guò)輻射把“電磁垃圾”排向空中騷擾其它用電產(chǎn)品;通過(guò)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(guò)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(shuō),電磁垃圾源來(lái)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(lái),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(guó)的學(xué)者均提出了人類(lèi)生活環(huán)境下最低的磁場(chǎng)強(qiáng)度允許值。在國(guó)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(lèi),分別規(guī)定了電磁發(fā)射的限值電平。A類(lèi)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(lèi)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(lè)場(chǎng)所、戶(hù)外場(chǎng)所(如加油站、停車(chē)場(chǎng)、游樂(lè)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(lái)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)非熱效應(yīng)的機(jī)理了解還不充分,它確實(shí)存在,它指吸收的輻射能不足以引起體溫升高,但卻會(huì)使人出現(xiàn)生理方面的變化或反應(yīng)。這類(lèi)效應(yīng)包括神經(jīng)衰弱癥等疾病,電磁輻射還會(huì)使人得癌癥;種群效應(yīng)不是短時(shí)間可以觀察到的,也許會(huì)使人類(lèi)變得更加聰明,也許相反會(huì)使人類(lèi)的發(fā)展受到影響。電磁場(chǎng)對(duì)人體的影響,與頻率值的大小有關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于工頻電磁場(chǎng)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有無(wú)影響的問(wèn)題,各國(guó)學(xué)者一直有著不同的看法。國(guó)內(nèi)外有許多關(guān)于高壓,超高壓輸電線和變電站的勞動(dòng)衛(wèi)生學(xué)調(diào)查報(bào)告指出:神經(jīng)衰弱和記憶力減退是工頻電磁場(chǎng)作業(yè)人員最常見(jiàn)的癥狀。目前認(rèn)為工頻電磁場(chǎng)對(duì)中樞神經(jīng)的作用主要由電場(chǎng)引起,這一觀點(diǎn)可在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到佐證。工頻電磁場(chǎng)與腫瘤發(fā)生的關(guān)系:許多調(diào)查發(fā)現(xiàn),電磁場(chǎng)的職業(yè)暴露雖然可能增加腫瘤的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),尤其是白血病、淋巴系統(tǒng)腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤,但這種風(fēng)險(xiǎn)程度并不高,沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但是應(yīng)該指出,如果在生產(chǎn)環(huán)境中同時(shí)存在著其他較強(qiáng)的致癌因素時(shí),工頻電磁場(chǎng)的這個(gè)作用就不容忽視。工頻電磁場(chǎng)對(duì)生殖的影響:統(tǒng)計(jì)表明,懷孕早期使用電熱毯與流產(chǎn)的發(fā)生率增高有關(guān),但是孕中期使用電熱毯的流產(chǎn)發(fā)生率卻會(huì)減少。國(guó)外Nordstrom等首次報(bào)道:對(duì)542名電廠工人進(jìn)行回返性調(diào)查發(fā)現(xiàn),凡父親在高壓調(diào)度室工作的,子女患先天性畸形的比例增高。
射頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的影響:(1)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響:接觸高頻電磁場(chǎng)輻射后,開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)嗅閾值增高及暗適應(yīng)事件延長(zhǎng)的情況。據(jù)報(bào)道長(zhǎng)時(shí)間接觸較高強(qiáng)度的射頻電磁輻射后,可能引起腦電圖的某些改變。(2)對(duì)心血管系統(tǒng)的影響:在長(zhǎng)期接觸高頻電磁場(chǎng)后,人的低血壓或血壓偏低發(fā)生率會(huì)增高。(3)對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響:上海市對(duì)某塑料廠160名常接觸較高場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生急性微波輻射損傷,當(dāng)受到過(guò)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(guò)一段時(shí)間休息后,人的這些癥狀一般均會(huì)消失。較長(zhǎng)時(shí)間接觸低強(qiáng)度的微波輻射,可引發(fā)人的某些生理功能的混亂,也會(huì)引起人的生化指標(biāo)波動(dòng)。
表1是公眾照射極限值(GB8702-88)的情況。
[align=center]
表1 人體容許最大暴露值一覽表[/align]
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(lái)說(shuō)都相當(dāng)復(fù)雜,大多數(shù)有種類(lèi)繁多的分系統(tǒng)。外來(lái)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(wú)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(guò)界限值,其覆蓋的頻率對(duì)無(wú)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(lái)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?chē)碾娮酉到y(tǒng)構(gòu)成窄帶與寬帶干擾造成潛在的信息泄漏問(wèn)題。
電氣設(shè)備對(duì)周?chē)挛镌斐筛蓴_主要還包括:
(1)電暈:是由于導(dǎo)體表面的電位梯度過(guò)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(zhǎng)很長(zhǎng)(50Hz的波長(zhǎng)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(wú)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(chēng)為無(wú)源干擾。
(6)地電流:對(duì)于交流三相系統(tǒng)不平衡時(shí)的中線或直流輸電線路以地作為回路的情況,地電流有時(shí)頗為可觀。當(dāng)處理不當(dāng)時(shí),會(huì)造成地電位升或?qū)Φ叵鹿芫€腐蝕。以上數(shù)種騷擾源,可能會(huì)對(duì)不同的敏感設(shè)備造成干擾。不同的騷擾源的影響不同。值得注意的是:如處理不當(dāng),這些騷擾的強(qiáng)度將隨線路的電壓等級(jí)而提高。而提高電壓是輸電系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。因之對(duì)電磁兼容性提出了相應(yīng)的高要求。
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(wèn)題應(yīng)從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段開(kāi)始,并貫穿于整個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)全過(guò)程。國(guó)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(guò)程中越早注意解決電磁兼容問(wèn)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(guò)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(lái)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(kāi)來(lái),切斷通過(guò)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(lèi):
(1)傳輸通道抑制: 具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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(yùn)作期間,其因電力所產(chǎn)生的電磁力不會(huì)干擾其他裝置的正常運(yùn)作性能時(shí),則稱(chēng)這些裝置具電磁兼容性。歸納為:(1) 對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。(2) 對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。(3) 對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。
5. 結(jié)語(yǔ)
電磁兼容技術(shù)的迅速發(fā)展,也刺激了對(duì)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的需求。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在EMC技術(shù)的研究、標(biāo)準(zhǔn)的制定、EMC測(cè)試及認(rèn)證方面處于領(lǐng)先地位。尤其是歐共體成員國(guó)關(guān)于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)頒布以來(lái),各國(guó)政府開(kāi)始從商貿(mào)的角度考慮EMC問(wèn)題,并采取相應(yīng)措施加強(qiáng)了EMC標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的制定和貫徹實(shí)施工作。我國(guó)雖然在EMC方面工作起步較晚,但有關(guān)部門(mén)正加緊工作,以跟上國(guó)際EMC工作的步伐。由于電磁干擾具有無(wú)時(shí)不有、無(wú)處不在的特征,決定了EMC無(wú)所不用的實(shí)際。電磁干擾及其抑制問(wèn)題日益突出,本世紀(jì)的EMC科學(xué)將進(jìn)一步吸收各專(zhuān)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(diǎn)形成高度綜合、完整的大學(xué)科,同時(shí)它將在EMC預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、監(jiān)控、應(yīng)用等方面得到飛速發(fā)展。