工頻電磁場暴露限域研究

工頻電磁場暴露限域研究

隨著社會的發(fā)展和健康意識的增強(qiáng)，人們越來越關(guān)注電氣表環(huán)境對人體健康的影響，如手機(jī)輻射、高壓輸電設(shè)備的頻率輸出。在商業(yè)區(qū)和居民區(qū)的高供電區(qū)域，為了提高供電能力，我們需要使用220kv高壓供電。因此，高壓輸入裝置的配置點(diǎn)與人們的生活范圍越靠近。如果長期暴露在此類高壓輸電設(shè)備產(chǎn)生的工業(yè)頻率電網(wǎng)中，它是否會影響人體的健康并引起公眾的關(guān)注。目前,國際上尚無關(guān)于工頻電磁場暴露限值的統(tǒng)一規(guī)定,許多國家和組織均制定了各自的標(biāo)準(zhǔn).其中,得到較廣泛認(rèn)可的主要有國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導(dǎo)則(300GHz以下)》,以及美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)所屬的國際電磁安全委員會制定的《關(guān)于人體暴露到0～3kHz電磁場安全水平的IEEE標(biāo)準(zhǔn)》(IEEEStdC95.6-2002).其他國家和組織限值的規(guī)定大多參考了上述標(biāo)準(zhǔn).我國也于2002年發(fā)布了《電磁輻射暴露限值和測量方法》的國標(biāo)征求意見稿.本文主要闡述了工頻電磁場對人體的作用機(jī)理和影響,以及工頻電磁場暴露限值的制定及其依據(jù),并介紹了各標(biāo)準(zhǔn)中工頻電磁場暴露限值及其特點(diǎn).1工頻高頻對人體的影響的分析1.1交流輸電線路的電場計算由于電磁場隨時間t的變化緩慢,在不影響工程計算精度的前提下,往往可以忽略麥克斯韋方程組中的?B/?t或?D/?t項(xiàng),以簡化計算過程.簡化后電磁場稱為準(zhǔn)靜態(tài)電磁場,具有類同于靜態(tài)電磁場的某些特征.在工頻電磁場暴露中,由于通常忽略?B/?t或?D/?t項(xiàng),因此可以將電場和磁場對人體的影響分開考慮.關(guān)于交流輸電線路的電場計算,國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組推薦了一種計算交流輸電線路工頻電場強(qiáng)度的等效電荷法;而磁場計算,國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組也給出了相應(yīng)的算法.交流輸電線路工頻電磁場的計算和分布特點(diǎn)可參見文獻(xiàn).假設(shè)工頻電磁場頻率為50Hz,波長為6000km.如果把有限長度的輸電線路視為“發(fā)射天線”的話,則人體處于近場區(qū).該區(qū)域內(nèi)的電場與磁場無固定關(guān)系,且分別與人體耦合,在人體中產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于其生物效應(yīng)不同于高頻,因此不產(chǎn)生因電磁場輻射穿透所產(chǎn)生的熱效應(yīng).1.2對生物組織的電磁特性的測量研究電磁場與人體的相互作用時,必須首先了解作為電磁場媒質(zhì)的人體組織的電磁特性.所謂媒質(zhì)的電磁特性,就是媒質(zhì)作為一種物質(zhì)對電磁場的響應(yīng)特性.由于人體結(jié)構(gòu)是由含帶電粒子的原子、分子所組成的,因此人體的某些電磁特性和電磁現(xiàn)象,是可以用現(xiàn)有的物理學(xué)和生物學(xué)知識來加以分析、并用實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)行測量的.由于現(xiàn)代電生理技術(shù)無法測量生物體內(nèi)的微觀場,因此只研究其宏觀響應(yīng)特性.生物組織的宏觀電磁特性,包括磁特性和電特性,可用宏觀參數(shù)導(dǎo)磁率μ,電導(dǎo)率σ(控制著電流大小),介電常數(shù)ε(控制著極化效果的大小)來表示.生物體的導(dǎo)磁率μ≈μ0(μ0為真空磁導(dǎo)率);電導(dǎo)率σ是位置和頻率的函數(shù),且隨溫度而變化,在某些組織中表現(xiàn)出各向異性;而介電特性是生物分子中的束縛電荷對外加電場的響應(yīng)特性.因此,介電常數(shù)ε隨頻率和溫度而變化.對于不同生物組織的介電特性,目前還很難作嚴(yán)格的理論分析和精確的計算,需要測量.1.3接觸電流的產(chǎn)生ELF-EMF(極低頻電場、磁場和電磁場)暴露會對人體產(chǎn)生直接和間接影響.直接影響源于場與身體的直接相互作用,間接影響則涉及身體與不同電勢物體間的相互作用.當(dāng)人體與電勢不同的物體接觸時,就會產(chǎn)生接觸電流.1.3.1低頻時變磁場與人體的直接作用在低頻時變電場中,由于人體的導(dǎo)電特性,低頻時變的電場與人體之間的直接相互作用可以導(dǎo)致人體內(nèi)電荷流動(電流).而由于人的介電特性,低頻時變的電場會引起人體內(nèi)束縛電荷極化(形成電偶極子)以及組織中的電偶極子重新定向,在人身體表面上感應(yīng)出表面電荷,進(jìn)而會在體內(nèi)感應(yīng)出電場和電流.各種效果的相對強(qiáng)弱取決于人體的導(dǎo)電率σ和介電常數(shù)ε.而處于電場中的人體會影響電場的空間分布,人體外的電場線近似垂直于人體表面.對于低頻時變磁場而言,根據(jù)電磁感應(yīng)定律∮lE∮lEdl=?∫S?B?t-∫S?B?tdS可知低頻時變的磁場與人體之間的直接相互作用可以產(chǎn)生感應(yīng)電場以及循環(huán)電流.感應(yīng)電場以及電流密度的大小與環(huán)路的半徑、組織的導(dǎo)電率,以及磁通量密度的變化率和大小成正比.而由于人體組織的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率相同,即μ≈μ0,所以體外的磁場與人體組織中的磁場是相同的.磁場中的人體不會明顯影響磁場的分布.總之,低頻電磁場與人體的直接作用可以在人體內(nèi)感應(yīng)出微弱的電場和電流.工頻電磁場對人體的直接影響包括短期效應(yīng)和長期效應(yīng).就短期效應(yīng)而言,當(dāng)人體內(nèi)感應(yīng)電流密度超過一定的閾值,就會對人的神經(jīng)和肌肉組織產(chǎn)生影響,此類影響隨著感應(yīng)電流密度的增大而加劇.感應(yīng)電流對人體的短期效應(yīng)如表1所示.因此,為防止對神經(jīng)系統(tǒng)造成危害,必須限制人體暴露在感應(yīng)電流密度超過100mA/m2的場中.目前,工頻電磁場對人體的長期效應(yīng)還不明確.圍繞長期暴露于極低頻電磁場下會否增加患癌癥的風(fēng)險已展開了大量研究.但是,由于對癌癥的病因并不確定,且調(diào)查環(huán)境中可能會存在其他的致病因素使研究結(jié)果產(chǎn)生偏差,以致于無法證明兩者之間是否確實(shí)存在關(guān)聯(lián),因此不能以此作為制定工頻電磁場限值的基礎(chǔ).1.3.2接觸電流的影響電磁場的間接效應(yīng)來自人與電勢不同的物體發(fā)生物理接觸,如與場中的金屬發(fā)生觸碰或者擦碰,會產(chǎn)生接觸電流.接觸電流對人體的間接影響如表2所示.2限制制定的基礎(chǔ)2.1實(shí)際市場測試各標(biāo)準(zhǔn)中的暴露限值包括基本限值和導(dǎo)出限值兩部分.基本限值是指根據(jù)已確定的健康效應(yīng)而制定的暴露在時變電場、磁場和電磁場中的限值.通常以物理量電流密度J來衡量.為防止對神經(jīng)系統(tǒng)功能造成影響,通常不允許人體暴露在感應(yīng)電流密度超過100mA/m2的磁場中.對于職業(yè)暴露,取安全系數(shù)為10,因此職業(yè)暴露的基本限值為10mA/m2.對于公共限值,取安全系數(shù)為50,因此公眾暴露基本限值為2mA/m2.導(dǎo)出限值則用來評估實(shí)際暴露以確定基本限值是否被超過.一類導(dǎo)出限值以物理量電場強(qiáng)度(E)和磁通量密度(B)來衡量,其值可根據(jù)相關(guān)的基本限值,用測量或者計算的方法求得;而另一類導(dǎo)出限值以物理量接觸電流(IC)來衡量,其值根據(jù)暴露在電磁場中的感覺和不利的間接影響直接提出.前一類導(dǎo)出限值是用于與實(shí)際電磁場中的測量值進(jìn)行對比的,如果測量值低于導(dǎo)出限值,可確保滿足基本限值;如果測量值高于導(dǎo)出限值,則并不一定意味著超過了基本限值,此時需要進(jìn)行更詳細(xì)的分析,以便評估是否滿足基本限值的要求.2.2人體電路模型的建立由于在人體或動物身上進(jìn)行大量的實(shí)際測量是很困難的,因此根據(jù)基本限值求導(dǎo)出限值時,主要通過建立人體模型進(jìn)行計算.國際上各個標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于基本限值的規(guī)定大多相同,而導(dǎo)出限值的區(qū)別卻比較大,主要原因是建立的人體電路模型存在較大的差別.在國際電工委員會(IEC)的標(biāo)準(zhǔn)IEC62226-1和IEC62226-2-1中對建立人體模型和計算導(dǎo)出限值有比較詳細(xì)的描述.近年來,以人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)的高精度、非均勻人體電路模型得到了很大的發(fā)展,極大增強(qiáng)了預(yù)測體內(nèi)感應(yīng)電流分布的能力.2.2.1人體均勻干動力特性和區(qū)域內(nèi)資源量的模型目前,關(guān)于工頻電場在人體產(chǎn)生感應(yīng)電流的研究較多,文獻(xiàn)和文獻(xiàn)介紹了高壓線路工頻電場在人體中感應(yīng)電流的計算,文獻(xiàn)介紹了UHV工頻電場在人體中感應(yīng)電流的計算.根據(jù)上述方法,可以根據(jù)基本限值計算出導(dǎo)出限值,本文介紹其中一種計算導(dǎo)出限值電場強(qiáng)度E的方法,采用的模型如圖1所示.該模型采用人體絕緣模型,用圓球模擬頭部,細(xì)圓柱模擬頸部,粗圓柱表示軀干和胳膊,稍細(xì)的圓柱表示雙腿.由于人體與大地絕緣,人體中會產(chǎn)生電勢,產(chǎn)生的感應(yīng)電荷由電場和人體的特性決定.將人體近似看作導(dǎo)體,人體表面電荷密度σ為σ=ε0En式中:ε0——真空介電常數(shù);En——人體表面外部場強(qiáng)法線方向分量.由于將人體看成一個導(dǎo)體,En等于人體表面外部的電場強(qiáng)度E.因此,電流密度J則可表示為J=ωσ=ωε0En式中,ω——角頻率.由此可求出人體外部的電場強(qiáng)度E.2.2.2人體電導(dǎo)率的測定文獻(xiàn)和文獻(xiàn)介紹了工頻磁場在人體中感應(yīng)電流的計算.本文介紹其中一種方法計算導(dǎo)出限值.人體磁導(dǎo)率μ≈μ0,因此人體中的磁場與外部的磁場相同,不會影響外部磁場的分布.假設(shè)人體不同器官與身體部位具有均勻的各向同性的電導(dǎo)率,磁場為純正弦的時變磁場,將人體暴露部分垂直于磁場入射方向的橫截面看成是圓形,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,可得∫lEmdl=?∫s?B?tdS∫lEmdl=-∫s?B?tdS因此E·2πR=ωBπR2J=σE=πRfσB式中:E——人體中感應(yīng)產(chǎn)生的場強(qiáng);J——人體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電流密度;B——人體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度;σ——人體電導(dǎo)率;f——頻率;R——半徑.因此,由電流密度J可以求出人體外部的磁通量密度B.2.2.3體接觸電流的測定本文介紹的接觸電流的計算方法見文獻(xiàn).在計算接觸電流時,假設(shè)人體在垂直方向電場作用下接觸接地導(dǎo)體,其接觸電流的大小可表示為Ic=9.0×10-11h2fE式中:h——人體的身高,cm;f——電場的頻率,Hz;E——環(huán)境電場強(qiáng)度,kV/cm.3國外電磁暴露標(biāo)準(zhǔn)目前,國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNIRP)和美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)均制定了關(guān)于電磁場暴露限值的導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn),各國的標(biāo)準(zhǔn)大多根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)制定.世界上主要國際組織及國家的工頻電磁場暴露標(biāo)準(zhǔn)如表3所示.(1)關(guān)于長期磁場暴露限值的相關(guān)研究其職責(zé)是調(diào)查各種形式的非電離輻射(NIR)可能帶來的危害,制定有關(guān)NIR暴露限值的國際導(dǎo)則,并處理與NIR防護(hù)相關(guān)的各方面問題.國際非電離輻射防護(hù)委員會于1998年出版的關(guān)于電磁場暴露限值的導(dǎo)則,雖然沒有法律效力,但是已被許多國際組織和國家承認(rèn),并作為制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù).該導(dǎo)則總結(jié)了實(shí)驗(yàn)室和流行病學(xué)研究的成果,得出了電磁場的暴露限值,其所制定的限值均有嚴(yán)格確實(shí)的科學(xué)依據(jù).而對于一些尚無確切證據(jù)證實(shí)的長期電磁場暴露與癌癥發(fā)病率上升之間的聯(lián)系,則不予以采信.(2)與其他標(biāo)準(zhǔn)的比較美國關(guān)于電磁場暴露限值并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),IEEE和美國政府工業(yè)衛(wèi)生專家會議(ACHIH)以及其他一些部門均制定了各自的標(biāo)準(zhǔn).相比較而言,IEEE的標(biāo)準(zhǔn)在國際上更為接受和認(rèn)可.IEEE的標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)的最大不同在于采用了人體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為基本限值,其好處是以獲得描述電磁場效應(yīng)更精確的限值,而其他標(biāo)準(zhǔn)多采用感應(yīng)電流密度為基本限值,而且IEEE的標(biāo)準(zhǔn)中對身體各個部位的限值均做了更為詳細(xì)的規(guī)定,而ICNIRP的導(dǎo)則中制定的限值只涉及頭和軀干部分.(3)公眾暴露和職業(yè)暴露的限值歐洲議會和歐洲理事會分別于1999年和2004年制定了關(guān)于電磁場公眾暴露和職業(yè)暴露的限值.歐盟關(guān)于公眾暴露和職業(yè)暴露的限值完全是參照國際非電離輻射防護(hù)委員會的導(dǎo)則制定的.(4)關(guān)于電磁暴露限值的基本標(biāo)準(zhǔn)原來的英國國家輻射保護(hù)局(NRPB)、現(xiàn)為英國HealthProtectionAgency下屬的CentreforRadiation,ChemicalandEnvironmentalHazards,于2004年發(fā)布了關(guān)于電磁場暴露限值的建議和科學(xué)依據(jù).該建議關(guān)于公眾暴露和職業(yè)暴露的限值也是參照國際非電離輻射防護(hù)委員會的導(dǎo)則制定的.所不同的是,工頻時,它采用的職業(yè)暴露的基本限值為100mV/m,而不是10mA/m2.之所以采用這樣的基本限值也是由ICNIRP導(dǎo)則推薦的10mA/m2得出的,因?yàn)樗俣ńM織的電導(dǎo)率為0.1S/m.而工頻下,公眾暴露的基本限值為20mV/m.(5)icnirp的標(biāo)準(zhǔn)澳大利亞于1999年發(fā)布的澳大利亞輻射防護(hù)和核安全條例(AustralianRadiationProtectionandNuclearSafetyRegulations1999)參考了ICNIRP的標(biāo)準(zhǔn),但在50/60Hz的限值仍沿用了澳大利亞的NHMRC(NationalHealthandMedicalResearchCouncil)在1989年制定的標(biāo)準(zhǔn).(6)相關(guān)限值的確定中國于2002年發(fā)布了《電磁輻射暴露限值和測量方法》的國標(biāo)征求意見稿,其規(guī)定的職業(yè)暴露基本限值為2.5mA/m2,而公眾暴露基本限值為0.5mA/m2.由此得出的導(dǎo)出限值也遠(yuǎn)低于ICNIRP的導(dǎo)則中規(guī)定的相關(guān)限值.與現(xiàn)在大多數(shù)國家的限值相比,該標(biāo)準(zhǔn)所確定的限值比較嚴(yán)格,但在標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提到制定如此嚴(yán)格限值的依據(jù),缺乏說服力.在實(shí)際工程中,有關(guān)電磁場公眾暴露限值的標(biāo)準(zhǔn)按《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行.該規(guī)范規(guī)定,推薦暫以4kV/m作為居民區(qū)工頻電場評價標(biāo)準(zhǔn),推薦應(yīng)用國際輻射保護(hù)協(xié)會關(guān)于對公眾全天輻射時的工