工频电磁场暴露限域研究

工频电磁场暴露限域研究

随着社会的发展和健康意识的增强，人们越来越关注电气表环境对人体健康的影响，如手机辐射、高压输电设备的频率输出。在商业区和居民区的高供电区域，为了提高供电能力，我们需要使用220kv高压供电。因此，高压输入装置的配置点与人们的生活范围越靠近。如果长期暴露在此类高压输电设备产生的工业频率电网中，它是否会影响人体的健康并引起公众的关注。目前,国际上尚无关于工频电磁场暴露限值的统一规定,许多国家和组织均制定了各自的标准.其中,得到较广泛认可的主要有国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露的导则(300GHz以下)》,以及美国电气电子工程师学会(IEEE)所属的国际电磁安全委员会制定的《关于人体暴露到0～3kHz电磁场安全水平的IEEE标准》(IEEEStdC95.6-2002).其他国家和组织限值的规定大多参考了上述标准.我国也于2002年发布了《电磁辐射暴露限值和测量方法》的国标征求意见稿.本文主要阐述了工频电磁场对人体的作用机理和影响,以及工频电磁场暴露限值的制定及其依据,并介绍了各标准中工频电磁场暴露限值及其特点.1工频高频对人体的影响的分析1.1交流输电线路的电场计算由于电磁场随时间t的变化缓慢,在不影响工程计算精度的前提下,往往可以忽略麦克斯韦方程组中的∂B/∂t或∂D/∂t项,以简化计算过程.简化后电磁场称为准静态电磁场,具有类同于静态电磁场的某些特征.在工频电磁场暴露中,由于通常忽略∂B/∂t或∂D/∂t项,因此可以将电场和磁场对人体的影响分开考虑.关于交流输电线路的电场计算,国际大电网会议第36.01工作组推荐了一种计算交流输电线路工频电场强度的等效电荷法;而磁场计算,国际大电网会议第36.01工作组也给出了相应的算法.交流输电线路工频电磁场的计算和分布特点可参见文献.假设工频电磁场频率为50Hz,波长为6000km.如果把有限长度的输电线路视为“发射天线”的话,则人体处于近场区.该区域内的电场与磁场无固定关系,且分别与人体耦合,在人体中产生感应电流.由于其生物效应不同于高频,因此不产生因电磁场辐射穿透所产生的热效应.1.2对生物组织的电磁特性的测量研究电磁场与人体的相互作用时,必须首先了解作为电磁场媒质的人体组织的电磁特性.所谓媒质的电磁特性,就是媒质作为一种物质对电磁场的响应特性.由于人体结构是由含带电粒子的原子、分子所组成的,因此人体的某些电磁特性和电磁现象,是可以用现有的物理学和生物学知识来加以分析、并用实验方法来进行测量的.由于现代电生理技术无法测量生物体内的微观场,因此只研究其宏观响应特性.生物组织的宏观电磁特性,包括磁特性和电特性,可用宏观参数导磁率μ,电导率σ(控制着电流大小),介电常数ε(控制着极化效果的大小)来表示.生物体的导磁率μ≈μ0(μ0为真空磁导率);电导率σ是位置和频率的函数,且随温度而变化,在某些组织中表现出各向异性;而介电特性是生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性.因此,介电常数ε随频率和温度而变化.对于不同生物组织的介电特性,目前还很难作严格的理论分析和精确的计算,需要测量.1.3接触电流的产生ELF-EMF(极低频电场、磁场和电磁场)暴露会对人体产生直接和间接影响.直接影响源于场与身体的直接相互作用,间接影响则涉及身体与不同电势物体间的相互作用.当人体与电势不同的物体接触时,就会产生接触电流.1.3.1低频时变磁场与人体的直接作用在低频时变电场中,由于人体的导电特性,低频时变的电场与人体之间的直接相互作用可以导致人体内电荷流动(电流).而由于人的介电特性,低频时变的电场会引起人体内束缚电荷极化(形成电偶极子)以及组织中的电偶极子重新定向,在人身体表面上感应出表面电荷,进而会在体内感应出电场和电流.各种效果的相对强弱取决于人体的导电率σ和介电常数ε.而处于电场中的人体会影响电场的空间分布,人体外的电场线近似垂直于人体表面.对于低频时变磁场而言,根据电磁感应定律∮lE∮lEdl=−∫S∂B∂t-∫S∂B∂tdS可知低频时变的磁场与人体之间的直接相互作用可以产生感应电场以及循环电流.感应电场以及电流密度的大小与环路的半径、组织的导电率,以及磁通量密度的变化率和大小成正比.而由于人体组织的磁导率与真空磁导率相同,即μ≈μ0,所以体外的磁场与人体组织中的磁场是相同的.磁场中的人体不会明显影响磁场的分布.总之,低频电磁场与人体的直接作用可以在人体内感应出微弱的电场和电流.工频电磁场对人体的直接影响包括短期效应和长期效应.就短期效应而言,当人体内感应电流密度超过一定的阈值,就会对人的神经和肌肉组织产生影响,此类影响随着感应电流密度的增大而加剧.感应电流对人体的短期效应如表1所示.因此,为防止对神经系统造成危害,必须限制人体暴露在感应电流密度超过100mA/m2的场中.目前,工频电磁场对人体的长期效应还不明确.围绕长期暴露于极低频电磁场下会否增加患癌症的风险已展开了大量研究.但是,由于对癌症的病因并不确定,且调查环境中可能会存在其他的致病因素使研究结果产生偏差,以致于无法证明两者之间是否确实存在关联,因此不能以此作为制定工频电磁场限值的基础.1.3.2接触电流的影响电磁场的间接效应来自人与电势不同的物体发生物理接触,如与场中的金属发生触碰或者擦碰,会产生接触电流.接触电流对人体的间接影响如表2所示.2限制制定的基础2.1实际市场测试各标准中的暴露限值包括基本限值和导出限值两部分.基本限值是指根据已确定的健康效应而制定的暴露在时变电场、磁场和电磁场中的限值.通常以物理量电流密度J来衡量.为防止对神经系统功能造成影响,通常不允许人体暴露在感应电流密度超过100mA/m2的磁场中.对于职业暴露,取安全系数为10,因此职业暴露的基本限值为10mA/m2.对于公共限值,取安全系数为50,因此公众暴露基本限值为2mA/m2.导出限值则用来评估实际暴露以确定基本限值是否被超过.一类导出限值以物理量电场强度(E)和磁通量密度(B)来衡量,其值可根据相关的基本限值,用测量或者计算的方法求得;而另一类导出限值以物理量接触电流(IC)来衡量,其值根据暴露在电磁场中的感觉和不利的间接影响直接提出.前一类导出限值是用于与实际电磁场中的测量值进行对比的,如果测量值低于导出限值,可确保满足基本限值;如果测量值高于导出限值,则并不一定意味着超过了基本限值,此时需要进行更详细的分析,以便评估是否满足基本限值的要求.2.2人体电路模型的建立由于在人体或动物身上进行大量的实际测量是很困难的,因此根据基本限值求导出限值时,主要通过建立人体模型进行计算.国际上各个标准中关于基本限值的规定大多相同,而导出限值的区别却比较大,主要原因是建立的人体电路模型存在较大的差别.在国际电工委员会(IEC)的标准IEC62226-1和IEC62226-2-1中对建立人体模型和计算导出限值有比较详细的描述.近年来,以人体解剖学为基础的高精度、非均匀人体电路模型得到了很大的发展,极大增强了预测体内感应电流分布的能力.2.2.1人体均匀干动力特性和区域内资源量的模型目前,关于工频电场在人体产生感应电流的研究较多,文献和文献介绍了高压线路工频电场在人体中感应电流的计算,文献介绍了UHV工频电场在人体中感应电流的计算.根据上述方法,可以根据基本限值计算出导出限值,本文介绍其中一种计算导出限值电场强度E的方法,采用的模型如图1所示.该模型采用人体绝缘模型,用圆球模拟头部,细圆柱模拟颈部,粗圆柱表示躯干和胳膊,稍细的圆柱表示双腿.由于人体与大地绝缘,人体中会产生电势,产生的感应电荷由电场和人体的特性决定.将人体近似看作导体,人体表面电荷密度σ为σ=ε0En式中:ε0——真空介电常数;En——人体表面外部场强法线方向分量.由于将人体看成一个导体,En等于人体表面外部的电场强度E.因此,电流密度J则可表示为J=ωσ=ωε0En式中,ω——角频率.由此可求出人体外部的电场强度E.2.2.2人体电导率的测定文献和文献介绍了工频磁场在人体中感应电流的计算.本文介绍其中一种方法计算导出限值.人体磁导率μ≈μ0,因此人体中的磁场与外部的磁场相同,不会影响外部磁场的分布.假设人体不同器官与身体部位具有均匀的各向同性的电导率,磁场为纯正弦的时变磁场,将人体暴露部分垂直于磁场入射方向的横截面看成是圆形,根据电磁感应定律,可得∫lEmdl=−∫s∂B∂tdS∫lEmdl=-∫s∂B∂tdS因此E·2πR=ωBπR2J=σE=πRfσB式中:E——人体中感应产生的场强;J——人体内感应产生的电流密度;B——人体内的磁感应强度;σ——人体电导率;f——频率;R——半径.因此,由电流密度J可以求出人体外部的磁通量密度B.2.2.3体接触电流的测定本文介绍的接触电流的计算方法见文献.在计算接触电流时,假设人体在垂直方向电场作用下接触接地导体,其接触电流的大小可表示为Ic=9.0×10-11h2fE式中:h——人体的身高,cm;f——电场的频率,Hz;E——环境电场强度,kV/cm.3国外电磁暴露标准目前,国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和美国电气电子工程师学会(IEEE)均制定了关于电磁场暴露限值的导则和标准,各国的标准大多根据上述标准制定.世界上主要国际组织及国家的工频电磁场暴露标准如表3所示.(1)关于长期磁场暴露限值的相关研究其职责是调查各种形式的非电离辐射(NIR)可能带来的危害,制定有关NIR暴露限值的国际导则,并处理与NIR防护相关的各方面问题.国际非电离辐射防护委员会于1998年出版的关于电磁场暴露限值的导则,虽然没有法律效力,但是已被许多国际组织和国家承认,并作为制定相关标准的依据.该导则总结了实验室和流行病学研究的成果,得出了电磁场的暴露限值,其所制定的限值均有严格确实的科学依据.而对于一些尚无确切证据证实的长期电磁场暴露与癌症发病率上升之间的联系,则不予以采信.(2)与其他标准的比较美国关于电磁场暴露限值并无统一的标准,IEEE和美国政府工业卫生专家会议(ACHIH)以及其他一些部门均制定了各自的标准.相比较而言,IEEE的标准在国际上更为接受和认可.IEEE的标准与其他标准的最大不同在于采用了人体内感应产生的电场强度为基本限值,其好处是以获得描述电磁场效应更精确的限值,而其他标准多采用感应电流密度为基本限值,而且IEEE的标准中对身体各个部位的限值均做了更为详细的规定,而ICNIRP的导则中制定的限值只涉及头和躯干部分.(3)公众暴露和职业暴露的限值欧洲议会和欧洲理事会分别于1999年和2004年制定了关于电磁场公众暴露和职业暴露的限值.欧盟关于公众暴露和职业暴露的限值完全是参照国际非电离辐射防护委员会的导则制定的.(4)关于电磁暴露限值的基本标准原来的英国国家辐射保护局(NRPB)、现为英国HealthProtectionAgency下属的CentreforRadiation,ChemicalandEnvironmentalHazards,于2004年发布了关于电磁场暴露限值的建议和科学依据.该建议关于公众暴露和职业暴露的限值也是参照国际非电离辐射防护委员会的导则制定的.所不同的是,工频时,它采用的职业暴露的基本限值为100mV/m,而不是10mA/m2.之所以采用这样的基本限值也是由ICNIRP导则推荐的10mA/m2得出的,因为它假定组织的电导率为0.1S/m.而工频下,公众暴露的基本限值为20mV/m.(5)icnirp的标准澳大利亚于1999年发布的澳大利亚辐射防护和核安全条例(AustralianRadiationProtectionandNuclearSafetyRegulations1999)参考了ICNIRP的标准,但在50/60Hz的限值仍沿用了澳大利亚的NHMRC(NationalHealthandMedicalResearchCouncil)在1989年制定的标准.(6)相关限值的确定中国于2002年发布了《电磁辐射暴露限值和测量方法》的国标征求意见稿,其规定的职业暴露基本限值为2.5mA/m2,而公众暴露基本限值为0.5mA/m2.由此得出的导出限值也远低于ICNIRP的导则中规定的相关限值.与现在大多数国家的限值相比,该标准所确定的限值比较严格,但在标准中并没有提到制定如此严格限值的依据,缺乏说服力.在实际工程中,有关电磁场公众暴露限值的标准按《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》中的相关规定执行.该规范规定,推荐暂以4kV/m作为居民区工频电场评价标准,推荐应用国际辐射保护协会关于对公众全天辐射时的工