電磁干擾與電磁兼容淺談

一．電磁干擾無處不在
1．一個讓人膽戰心驚的星球
    電磁干擾對人類危害最大的，實際上還是我們居住的地球，其中雷電干擾對人類的生活危害最大。雷電不但對人類的生存造成很大的威脅，對樹木、森林、房屋、建築，以及電器設備都會造成很大的損害和破壞。
    根據統計，地球每一秒鐘就有100多次閃電，每次閃電產生的能量可供一個100瓦的燈泡點亮3個月；在雨季，平均每6分鐘就有一個人被雷電擊中；每年有成千上萬的人因雷電擊中而喪傷，還有大片的森林因雷電擊中而起火燒毀，雷電還經常使高壓電網、以及通信出現故障，使城市供電和通信中斷，引起城市交通失控出現混亂；連英國的白金漢宮也曾遭受過雷電嚴重破壞，上個世紀50年代，白金漢宮就是因一塊窗帘布被雷電擊中而起火燃燒；上海電視台平均每年要遭受33次大的雷擊，每次雷擊都會使電子設備遭受不同程度的損壞；1992年6月22日，北京國家氣象中心多台計算機介面因感應雷擊被毀，損失二仟多萬元；1992年8月23日，贛州市60%的有線電視和50%閉路電視遭受過雷擊，其中91台電視機因感應雷擊而毀於一旦；2006年6月9日，南韓一架大型客機在空中遭受雷擊，頭部解體脫落，幸好沒有人員傷亡。
    很多人都不清楚，地球也是一個帶電體。根據實驗測試，在地球表面存在一個垂直向下的穩定電場，電場強度E約為100伏/米，場強的大小隨高度的增加而減弱。另外，根據實驗測試，在地面附近大氣的電導率σ₀約為3×10^-14西蒙/米，且隨高度的增加而增加。由此可知地球表面的電流密度j的方向指向地心，大小為
j = σ₀E （1）
    故從大氣流向地球表面的總電流強度I為
I = j4πR² （2）
     R為地球的半徑，取64×10⁵米，由此可求出I的值約為1.4×10³（安）。
根據
 （3） 
    可求出地球表面的電位約為4×10⁵（伏）。
    這裡說的帶電，嚴格來說是帶電體相對於無限遠處的電位差，或物體的電位中性而言。人們在進行理論分析的時候，都是把無限遠處定義為零電位，但在實際應用中，人們已習慣於把地球當成零電位，這對於一般的實際應用，並不會造成很大的影響，但這種假設有時也會阻礙我們的視野。
    任何帶電物體都可以看成是一個電容，電容量C = Q/U，Q為帶電物體的電荷量，U為帶電物體的電位，即指帶電物體到無限遠處的電位差。因此，地球也可以看成是一個大容量的電容，其電容量正好為1法拉。
    這裡說的電容與電容器是有區別的，電容器一般都由兩塊中間以介質絕緣的極板組成，當電容器被充電的時候，兩塊極板帶的電荷量相等，但符號相反，在電容器兩極板所帶的電荷不改變的條件下，兩塊極板之間的電壓，可因電容器兩極板之間的距離改變而改變，其電容量的大小也會跟著兩極板之間的距離改變而改變，這是因為兩極板之間電場互相作用的緣故。
    而這裡所指的電容，其電容量是不會因帶電物體的位置改變而改變的。因此，這裡說的電容是相對於一個孤立帶電物體而言，不受其它電場所影響，而電容器則是相對於兩個或兩個以上帶電物體而言，電容大小要受兩個或兩個以上極板產生的電場互相影響。另外，電容充放電是不需要迴路的，兩個帶電體互相接觸，誰的電位高，誰就要放電，誰的電位低，誰就會被充電，而電容器充放電必須要有一個閉合迴路。
    實際上，地球不但是個電容（相對於無限遠處），並且地球還相當於電容器的一個電極，電容器的另一個電極是電離層，而大氣層就是電介質，如圖1所示。
 
    地球帶電的原因，一個是由於地球作為一個冷星球長年都在接收大量帶電宇宙射線微粒子的輻射，另一個是外層空間紫外線對空氣照射產生電離層，並對地球表面產生感應，以及熱氣流互相摩擦帶電而產生感應等等。
    根據基爾克夫定理：流過任何導體電流的代數和都等於零，即：
 （5）
    根據（5）式結果，地球不但有電流流入，而且也應該有電流流出，那麼流出地球的電流到哪裡去了呢？
    前面已經指出，地球平均每一秒鐘有100多次閃電，而閃電也是一個放電過程，由此可知，原來每秒中流進地球1.4×10³安培的電流就是用來打雷放電的。如果地球不經常打雷放電，試想，地球電位正好是每秒要增加1.4×10³伏特，一小時后地球電位就可以增加到500多萬伏，一天之後地球電位又會增加到12000多萬伏，這是一個多麼巨大的數字，在此電場強度之下，任何東西都可能會被擊穿。所以，地球時時刻刻都在放電才應該是正常的。
    防止雷電的最有效方法就是靜電屏蔽，例如，高壓電網為了避免雷擊，除了電線塔的高度要求比高壓電網線的高度高之外，在高壓電網線的最上面還要設置一根屏蔽線，這根屏蔽線通過電線塔與大地連接。當遇到打雷時，屏蔽線首先與雷電接觸，把產生雷電物體（雲）的電荷通過屏蔽線，再經電線塔傳入大地而被釋放掉。避雷針也是這個道理，在物體的高處安裝針狀導體，並把它連接到大地，把空中帶電物體（雲）的電荷通過避雷針放電引入大地，以降低帶電物體（雲）對其它物體或人體感應產生放電的機會。還有，在高速公路兩旁安裝電線竿也是一種保護人類免遭雷擊的有效方法。
    除了屏蔽可以防止雷擊以外，很多貴重電器設備還需要對雷電感應進行保護，因為，當雷電擊中某個建築物的機房，或某個供電設備的時候，瞬間幾十萬安培以上的電流通過這些建築物或設備，也會對周圍幾十米範圍內的電器設備產生電磁感應，使周圍的電線或設備，不管是否與雷擊物體直接接觸或不接觸，都會通過電磁感應產生高壓脈衝，很容易把電器設備中的電子器件擊穿損壞。因此，對那些與長電纜線連接的設備，如：電話機、傳真機、電視機等，對它們進行過壓保護還是必要的。目前，避免電器設備遭受雷擊或雷電感應產生高壓脈衝擊穿損壞的最有效的方法，還是用放電管和壓敏電阻。
    對於交流供電系統設備的防雷，一般都是用壓敏電阻跨接於電源線與地線之間，用於對雷電感應高壓電脈衝進行放電，避免設備被高壓電脈衝擊穿損壞；而小電器設備或器件防雷電擊穿損壞，可選用放電管或壓敏二極體，也可以選用壓敏電阻等跨接於輸入線與大地之間，例如，一般家中的電話插座以及有線電視插座內部都應該連接一個或兩個放電管到大地。放電管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性氣體，惰性氣體平時不導電，當電場強度強到一定的時候，惰性氣體開始電離導電；壓敏二極體和壓敏電阻的工作原理與穩壓管的工作原理很接近，平時也不導電，當電壓超過一定值后，壓敏二極體或壓敏電阻就擊穿導通，不過這種擊穿是可以恢復的。
    圖2是電視機防雷擊電路，圖中防雷擊電路是在PCB電路板上直接製作放電間隙（6mm）裝置，在外接天線埠就近與電網輸入引線之間加接這种放電間隙裝置。由於電視機本身沒有金屬機殼或機殼接地電氣連接點，所以防雷放電間隙可直接利用電網輸入電源引線代替地線使用。
 
    另外，電視機的安全標準要求冷熱地之間的耐壓強度大於AC2000V，而絕緣距離要求大於6mm，選用其它放電器件反而難以符合安全要求，並且會提高成本。因為在正常氣壓下，每1萬伏的正常放電距離正好是10mm，因此，2000伏的正常放電距離是2mm，而取3倍安全係數后正好就是6mm。圖2中，電視機防雷擊電路製作成鋸齒狀的原因，是讓高壓放電更容易發生，因為電極的尖端處電場強度最強，當尖端放電產生后，周圍空氣將變成導體，使放電更容易進行，這樣，在很短時間內就可以把電放完。