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,My Text (Arial 20),2nd level text (Arial 18),3rd level text (Arial 16),4th level text (Arial 14),Copyright by Prof. He, Jinliang of Tsinghua University,My Text (Arial 20),2nd level text (Arial 18),3rd level text (Arial 16),4th level text (Arial 14),My Text (Arial 20),2nd level text (Arial 18),3rd level text (Arial 16),单击此处编辑母版标题样式,Copyright by Prof. He, Jinliang of Tsinghua University,110,主要电磁污染及特性,余占清,清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统国家重点实验室电磁环境技术研究室,010-62788811,，,13611013023,，,yzq,2009-8-26,注册环保工程师专业考试复习教材,第,5,篇 物理污染控制工程基础与实践,第,3,章 主要电磁污染源及其特性,电磁环境问题,电磁环境,No,but.,Yes !,电磁环境问题,GPS,移动设备,广播电视、微波,雷电,高压输电,雷达,人类的生存环境具有浓厚的电磁环境,随着城市用电设备的迅速增长，专家曾预言空间人为电磁能量每年增长,7,14,25,年后环境电磁能量密度最高可增加,26,倍,电磁污染,：水、大气、噪声污染后世界公认的第四大污染,第,3,章 主要电磁污染源及其特性,3.1,电磁场基本原理,如何产生？什么特性？能量去向？电学元件？,3.2,电磁耦合途径,分类？表现？,3.3,大环境中的电磁污染,分类？特征？,3.4,电磁污染的主要危害,对信号、系统，对人,3.1,电磁场基本原理,3.1.1,静电场,3.1.2,恒定电场,3.1.3,恒定磁场,3.1.4,时变电磁场,3.1.5,电磁辐射与射频电磁场,3.1.1,静电场,1.,库仑定律,2.,电场强度,3.,电位,4.,电偶极子,5.,高斯通量定理,6.,静电场的基本方程,7.,镜像法,8.,电容,9.,部分电容,10.,电场能量,1.,库仑定律,叠加原理,平方反比定律 宏观范围内, 2,的误差不超过,10,-16,量级,相对于观察者为静止的且其电量不随时间而变的电荷所产生的电场，称为静电场。电场的表现是对于引入的静止试验电荷有力的相互作用。可利用这一表现来察看电场的存在。库仑定律描述了这个力,2.,电场强度,依据叠加原理,r,0,r,q,r,0,r,q,真空中有限长直线段,l,上均匀分布着密度为,J,的电荷,2.,电场强度,2.,电场强度,电压,静电场环路定理,3.,电位,依据叠加原理,由电位求电场强度的关系式,3.,电位,一维,u(x) grad u =,i,du/dx,二维,u(x,y) grad u =,i,d,u/,d,x +,j,d,u/,d,y,|grad u| = (,d,u/,d,l),max,=,d,u/,d,n,三维,u(x,y,z) grad u =,i,d,u/,d,x +,j,d,u/,d,y +,k,d,u/,d,z =,u,u,x,3.,电位,4.,电偶极子,5.,高斯通量定理,电通量密度,有介质时的静电场：,本构方程,计算同轴电缆的电场,6.,静电场的基本方程,电位满足的微分方程,-,泊松方程,-,拉普拉斯方程,-,高斯通量定理,-,静电场环路定理,-,电介质的本构方程,7.,镜像法,7.,镜像法,7.,镜像法,7.,镜像法,7.,镜像法,7.,镜像法,7.,镜像法,8.,电容,9.,部分电容,9.,部分电容,9.,部分电容,10.,电场能量,电场能量密度,DE,/2,3.1.2,恒定电场,1.,电流密度与欧姆定律的微分形式,2.,恒定电场的基本方程,3.,电导与电阻的计算,电荷在导电媒质,(,导体,),或不导电的空间中有规则的运动形成电流，二者分别称作传导电流和运流电流,有传导电流的地方必存在电场,(,超导体除外,),。不随时间变化电流称,恒定电流,维持恒定电流的电场是,恒定电场,在体积电流中某一观察点处，取一面积元垂直于该点正电荷运动方向,n,，设通过的电流为,I,，该点电流密度矢量,1.,电流密度与欧姆定律的微分形式,欧姆定律的微分形式,1.,电流密度与欧姆定律的微分形式,2.,恒定电场的基本方程,电位满足的微分方程,3.,电导与电阻的计算,同轴电缆内外皮电极,I,2I,镜像法,3.1.3,恒定磁场,1.,磁通密度与毕奥,-,萨伐尔定律,2.,磁通连续性定理,3.,磁场中的媒质,4.,安培环路定律,5.,矢量磁位,6.,镜像法,7.,电感,8.,磁场能量,1.,磁通密度与毕奥,-,萨伐尔定律,2.,磁通连续性定理,Id,l,r,0,B,电流或运动电荷在空间产生磁场。不随时间变化的磁场称恒定磁场。,3.,磁场中的媒质,B =,0,(,H + M,),H,2,r,=,I,4.,安培环路定律,计算空气中无限长直导线周围的磁场,5.,矢量磁位,J,dv,A,B,6.,镜像法,7.,电感,7.,电感,双导线传输线,同轴电缆,7.,电感,8.,磁场能量,磁场能量密度,BH,/2,3.1.4,时变电磁场,1.,电磁感应,2.,麦克斯韦方程组,3.,广义波动方程,4.,集肤效应,5.,地上架空工频交流长直导线的电磁场,1.,电磁感应,e,增加时,e,为负值,减少时, e,为正值,场量随时间变化的电磁场称为,时变电磁场,。随时间变化的磁场会激励电场，即,磁生电,；随时间变化的电场又会激励磁场，即,电生磁,。两者相互影响，构成统一的,电磁场,。,电磁感应定律描述了磁生电,2.,麦克斯韦方程组,成分方程,(,亦称,本构方程,),3.,广义波动方程,在无源区,4.,集肤效应,几种媒质的集肤厚度,5.,地上架空工频交流长直导线的电磁场,3.1.5,电磁辐射与射频电磁场,1.,电磁辐射,2.,射频电磁场,1.,电磁辐射,当场源（如,J,c,）随时间变化时，在其周围将会产生电磁波，伴随电磁波向外传播，会有部分电磁能量输送出去。能量以电磁波的形式通过空间传播的现象称为电磁能辐射或,电磁辐射,在近区,在远区,1.,电磁辐射,1.,电磁辐射,1.,电磁辐射,1.,电磁辐射,1.,电磁辐射,2.,射频电磁场,无线电波按其频率和波长可分为八大类,见表,538,。,3kHz3000GHz,波长从,100km,至,0.1mm,射频电磁场通常是指,100kHz,以上的无线电波,在介质分界面上将产生,反射波和折射波,；反射角等于入射角，折射角和入射角之间的关系与两介质的电磁参数有关,影响场强的因素,可分为两类,一类是场源分布；另一类是介质的分布,空间内的介质和金属导体会产生反射电磁波和感生涡流，发生二次辐射，往往造成某些空间场强增大,在射频作业环境中常要尽量减少介质和金属物体，防止二次辐射,无线电波的频段,无线电波的频段,3.2,电磁耦合途径,3.2.1,辐射耦合,3.2.2,传导耦合,3.2.3,电感应耦合,3.2.4,磁感应耦合,3.2.1,辐射耦合,辐射耦合,：射频设备所形成的电磁场,在半径为一个波长的范围之外是以空间辐射的方式将能量传播出去的,感应耦合,：而在半径为一个波长的范围之内则主要是以感应的方式将能量施加于附近的设备和人体上,3.2.2,传导耦合,I,2,= 0,传导耦合,是指通过电路回路间公共阻抗或互阻抗形成的耦合。借助电路理论可以直接计算传导耦合的影响。,3.2.3,电感应耦合,通过库仑电场产生耦合，称为,电感应耦合,3.2.4,磁感应耦合,当回路,1,中有交流电流,I,1,时，由于两回路间的互磁链在回路,2,中产生互感电压。若回路,2,是通路，将产生电流,严格地讲这是电磁感应耦合,;,但通常也简称为磁感应耦合,3.3,大环境中的电磁污染,影响大环境的,电磁污染源,可分为天然型和人为型两类,天然型,：大气层雷电，太阳黑子爆发，银河系射电，地球磁场波动,火山喷发和地震等。,人为型,：大中型电磁发射系统，大型工业、科学和医疗射频设备,高压大容量电力系统和电气化铁道,一方面对经济和文化的发展做出了巨大贡献，另一方面也可能带来对周围环境的电磁污染,构成了电磁污染源,再有就是偶发性的核弹爆炸产生的脉冲电磁场,今讨论经常性的人为型电磁污染源和其骚扰性能,3.3,大环境中的电磁污染,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,3.3.2,电力系统的电磁污染,3.3.3,电气化铁道产生的电磁污染,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,电磁发射系统是以发射无线电波为目标的设备群体，以广播电视发射系统和微波发射系统为主 。,根据国家标准,GB8702-88,电磁辐射防护规定,:,输出功率等于和小于,15W,的移动式无线电通讯设备和向没有屏蔽空间的辐射等效功率小于下表所列数值的辐射体可以,免于管理,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,授权的无线电发射装置的场强,长波：报时，气象预报，远洋导航，军事通信,中波：广播，导航，通信,短波：广播，通信,超短波：电视,微波：微波中继通信，卫星通信，波导通信，微波散射通信，警戒雷达，导航，导弹跟踪雷达，移动场合雷达，高鉴别雷达，精密跟踪雷达,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,大型工业、科学和医疗射频设备亦会产生电磁污染,有意产生无线电频率电磁能量并对其加以利用而不希望向空间发射的设备,工业设备有大型感应加热设备：高频冶炼、高频淬火、介质加热和高频焊接等设备,医疗射频设备有从短波到微波的各种大型电疗设备以及高频手术刀等,国际无线电干扰特别委员会（,CISPR,）列入设备：,塑料缝焊机 微波加热器 超声波焊接与洗涤设备 摄谱仪,非金属干燥器 木材胶合干燥器 塑料预热器 微波烹饪设备,医用射频设备 超声波医疗器械 电灼器械、透热疗设备,电火花设备 射频引弧之弧焊机 火花透热疗法设备塑料表面腐蚀设备,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,1979,年世界无线电行政会议划定了,11,个窄频段，专供工业、科学和医疗使用，,915MHz13MHz,频率在我国不采用,3.3.1,电磁发射系统的电磁辐射与污染,110kV,、,220kV,、,330kV,、,500kV,以及新的,750kV,、计划的,1000kV,电压等级的大型输配电线路与变电站,输电线路导体表面电场强度很强，常引发电晕放电和间隙放电，产生射频电磁辐射,3.3.2,电力系统的电磁污染,1.,电晕放电和间隙放电,2.,工频电场,3.,工频磁场,4.,电力线路对平行接近的通信线路的危险影响,根源：电力系统元件的电晕,输电线路的电磁骚扰源可分为有源与无源二大类,有源干扰：,导线表面电晕放电、火花放电引起，无线电噪声可沿线路传播，称为纵向传播；同时也会以电磁波的形式向线路周围传播，正交方向的辐射称为横向传播,无源干扰：,输电线路及杆塔等大型金属结构对有用信号产生的反射、遮蔽等造成的,输电线路电晕放电在,0.15,4MHz,频率范围,电晕放电的单个脉冲宽度约在,10-1,s,量级,40-70 dB,V/m,1.,电晕放电和间隙放电,无线电干扰目标：,对居民无线电接收质量的影响，主要在中、短波段,对专业无线电台站（包括军用台）的影响,对居民无线电接收质量影响的分析，一般考虑,4,个因素：无线电干扰水平，无线电信号强度，信号与干扰之比（信干比或信噪比）和线路与接收点的距离,CISPR,推荐,26dB,作为评价无线电干扰影响的可接受的信干比，亦即当无线电信号强度（,dB,值）减去干扰水平，其差值大于,26dB,就可认为具有满意的接收质量,对电视信号影响。频段,30MHz,以上。目前对这个频段的干扰的测量缺乏足够的可用数据；电视图象的接收还可能受到无源干扰的影响，如图象重影。电视干扰问题目前,尚处于定性阶段,1.,电晕放电和间隙放电,1.,电晕放电和间隙放电,110 kV,500 kV,高压交流架空线,0.5MHz,无线电干扰场强,g,max,为导线表面最大电位梯度，,kV/cm;,r,为导线半径，,cm,；,D,为被干扰点距导线的距离，,m,；,E,为无线电干扰场强，,dB(V/m),好天气时,50%,时间概率下的无线电干扰场强值,2.,工频电场,3.,工频磁场,水平布置,三角布置,紧凑型,双回路型,3.,工频磁场,3.,工频磁场,电流,1600A,4.,电力线路对平行接近的通信线路危险影响,危险影响,：通信线路遭受电力线路感应产生的电压和电流足以危害电信运行维护人员的生命安全,;,损坏通信线路或设备,;,引起构筑物火灾以及铁路信号设备误动而危及行车安全,危险影响评估,内容：,电感性耦合：中性点直接接地系统的三相对称电力线路发生单相接地短路，中性点不直接接地系统的三相对称电力线路两相在不同地点同时发生短路,电容性耦合：中性点不直接接地系统的三相对称电力线路发生单相接地短路,不对称电力线路正常运行和接地短路下对通信线路电感性耦合、电容性耦合,对单线通信线路的电阻性耦合,地电位升对通信线路和人身的电阻性耦合影响,电力线路,电信线路,高压电力线路,电信线路,4.,电力线路对平行接近的通信线路危险影响,5.,地电位升的影响,5.,地电位升的影响,5.,地电位升的影响,无线电辐射来自电力机车的受电弓接触点与接触网局部放电处。前者的辐射发生于电力机车运行时刻；后者的辐射则伴生于整个供电期内,受电弓与接触网导线接触或脱开时产生放电现象，形成放电型脉冲干扰源,接触网在一些金属件接触不良处或绝缘器材表面污秽处会产生局部放电,3.3.3,电气化铁道产生的电磁污染,交流电气化铁道采用不对称，接触网对地电压为,25kV,，正常运行时供电电流为数百安；故障短路电流上千安,电流由变电站流出经过接触网到达机车，再由机车经钢轨、大地土壤和回流线流回牵引变电所,对邻近通信线路影响包括电感性耦合与共地阻性耦合,接触网供电方式有单向供电制和双向供电制两种。双向供电制在正常运行时对通信线路的影响比单向供电制小,3.3.3,电气化铁道产生的电磁污染,评估电气化铁道对通信影响可采用电力线路评估方法,需考虑接触网短路电流、牵引越区供电状态下等效影响电流、由流入接触网正常供电状态区段的电流,牵引网供电的特点是：一段供电臂上可能有多台电气机车在运行，牵引网沿线电流是变化的,3.3.3,电气化铁道产生的电磁污染,等效电流,Ieq,与牵引区段上的电气机车数目和每台电气机车所需的电流有关,电气化铁道接触网电流经机车后，一部分电流将由大地返回牵引变电所，,经钢轨分散入地,整流式交流电力机车由于整流的缘故，电流波形畸变，含有严重,高次谐波成分,；对弱电线路产生干扰影响,3.3.3,电气化铁道产生的电磁污染,谐波成分,主要在,(0.1,150)kHz,范围,3.4,电磁污染的主要危害,3.4.1,电磁辐射对信号接收的干扰,3.4.2,强电系统对弱电系统的干扰和危险影响,3.4.3,空间电磁场对人体健康的影响,3.4,电磁污染的主要危害,射频强电磁辐射可造成通信信息失误或中断,;,使电子仪器、精密仪表不能正常工作,;,铁路自控信号失误,;,飞机飞行误航,;,甚至造成导弹与人造卫星的失控,电磁辐射会对有线通信设备产生干扰,经过电源线、电信电缆和不完善的屏蔽缝隙进入。电源线和电信电缆实际上成为空间电磁能的收集器；这些收集起来的干扰信号沿电线、电缆传播到有线设备中,在日常生活中，电视机受到干扰后，将会引起图像上有活动波纹或雪花等，使图像很不清楚,这类事例很多,3.4.1,电磁辐射对信号接收的干扰,3.4.2,强电系统对弱电系统的干扰和危险影响,强电系统,：高电压、大功率供电系统，包括电力系统与电气化铁道接触网系统。,弱电系统,：通信网、计算机网、监测与控制线路等信息系统,电力系统线路在正常运行或故障状态下，都可能对邻近的弱电系统线路产生影响,按影响程度分为,干扰影响和危险影响,干扰影响：在弱电线路上产生的电压和电流足以影响其正常运行者,如噪声超允许值或发生误码,危险影响则更严重,如当它足以危害弱电线路运行维护人员的生命安全或损坏线路设备、引起构筑物火灾以及铁路信号设备误动而危及行车安全者,3.4.3,空间电磁场对人体健康的影响,电磁辐射对人体危害的一般规律是随着波长的缩短而加大,微波的作用比中波、短波更突出,在中波、短波电磁场作用下，经受一定强度和一段时间的暴露，作业人员会产生不适反应,引起神经衰弱症候群和反映在心血管系统的植物神经功能失调，如头痛头晕、周身不适、疲倦无力、失眠多梦、记意力减退、口干舌燥；部分人员则发生嗜睡、发热、多汗、麻木、胸闷、心悸等症状；妇女有月经周期紊乱现象发生；少部分人血压下降或升高、皮肤感觉低下、心动过缓或过速、心电图窦性心率不齐等；还发现少数人有脱发现象,电磁辐射对人体的危害,工频电磁环境的影响,具有权威的独立专家委员会（世界卫生组织、国际非电离辐射防护委员会,(ICNIRP),、英国国家辐射防护委员会,(NRPB),、欧盟“毒理学、生态毒性和环境”科学指导委员会）得出的结论,流行病学对工作与居所环境的研究，成人癌症或生殖失调与磁场或电场曝露之间无已确认的实质性关联,在急性儿童白血病与不正常的居所磁场高水平曝露之间，流行病学有些微弱的统计上的关联仍然是无法解释的，这些结果可能是受到偏见的影响,(,选择偏见和或未知的混淆因素,),没有一致的证据表明儿童曝露到极低频,(,包括工频,),电场和磁场将与脑肿瘤或任何其他类型实质性肿瘤有关联,在细胞、组织，动物和人体志愿者的实验室研究，并不支持上述统计上的微弱关联,IARC,对人类和实验动物证据强度的分类,足够的,(Sufficient),有限的,(Limited),不有排除偏倚、混淆，不排除作出其它解释,不足的,(Inadequate),不能清晰判读；不能解释因果关系；数据是阴性的；数据是矛盾的,缺乏有效性,(Lack of effect),对极低频磁场致癌性的全部证据评估等级均为“有限的”和“不足的”,IARC,致癌性评价结果类型,1,类,(Group1),：对人类是致癌性的,2A,类,(Group2A),：可能是致癌的,2B,类,(Group2B),：怀疑是致癌的,3,类,(Group3),：不能分类的,4,类,(Group4),：可能是不致癌的,国际肿瘤研究机构（,IARC,）评价结果,引起炒作的国际肿瘤研究机构（,IARC,）,2001,年评价结果,根据,2000,年发布的两项集合分析,(Pooled analyses),提示的、居室磁场（,0.4T,以上）与儿童白血病危险“还算一致的关联”（“有限”的证据），,IARC,把,ELF,磁场分为,2B,类（可疑的致癌物），与咖啡、咸菜同类,ELF,电场分为,3,类（不可分类为致癌性的）,需注意：,IARC“,致癌性分类”不是对,WHO,官方意见和,ICNIRP,导则的否定，而是,WHO,国际电磁场研究计划的组成部分,IARC,致癌性评价结果类型,IARC,对,ELF,磁场列为,2B,类的说明,实验室动物研究不支持致癌作用,没有科学解释（机理）,静止磁场和静止与,ELF,电场归类为 “不能分类为致癌性的（,3,类）”,WHO,文件,(263,号,),官方意见,2B,类是,IARC,三种潜在致癌性分类中最微弱的一种,（“可疑的”、“或许的” ）,不排除“关联”有其他解释，特别是流行病研究选择性偏倚问题,分类只表明证据的强弱，而不是致癌性的强弱,谢谢各位！,余占清, 清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统国家重点实验室,电磁环境技术分室,+62788811,，,13611013023,yzq,
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