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，人們越來越關注電氣表環(huán)境對人體健康的影響，如手機輻射、高壓輸電設備的頻率輸出。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注。目前,國際上尚無關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準.其中,得到較廣泛認可的主要有國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)制定的《限制時變電場、磁場和電磁場暴露的導則(300GHz以下)》,以及美國電氣電子工程師學會(IEEE)所屬的國際電磁安全委員會制定的《關于人體暴露到0～3kHz電磁場安全水平的IEEE標準》(IEEEStdC95.6-2002).其他國家和組織限值的規(guī)定大多參考了上述標準.我國也于2002年發(fā)布了《電磁輻射暴露限值和測量方法》的國標征求意見稿.本文主要闡述了工頻電磁場對人體的作用機理和影響,以及工頻電磁場暴露限值的制定及其依據(jù),并介紹了各標準中工頻電磁場暴露限值及其特點.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,以簡化計算過程.簡化后電磁場稱為準靜態(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,因此可以將電場和磁場對人體的影響分開考慮.關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的算法.交流輸電線路工頻電磁場的計算和分布特點可參見文獻.假設工頻電磁場頻率為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系,且分別與人體耦合,在人體中產(chǎn)生感應電流.由于其生物效應不同于高頻,因此不產(chǎn)生因電磁場輻射穿透所產(chǎn)生的熱效應.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的人體組織的電磁特性.所謂媒質的電磁特性,就是媒質作為一種物質對電磁場的響應特性.由于人體結構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)有的物理學和生物學知識來加以分析、并用實驗方法來進行測量的.由于現(xiàn)代電生理技術無法測量生物體內(nèi)的微觀場,因此只研究其宏觀響應特性.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)導磁率μ,電導率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.生物體的導磁率μ≈μ0(μ0為真空磁導率);電導率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出表面電荷,進而會在體內(nèi)感應出電場和電流.各種效果的相對強弱取決于人體的導電率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)生感應電場以及循環(huán)電流.感應電場以及電流密度的大小與環(huán)路的半徑、組織的導電率,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率與真空磁導率相同,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和長期效應.就短期效應而言,當人體內(nèi)感應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,此類影響隨著感應電流密度的增大而加劇.感應電流對人體的短期效應如表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果產(chǎn)生偏差,以致于無法證明兩者之間是否確實存在關聯(lián),因此不能以此作為制定工頻電磁場限值的基礎.1.3.2接觸電流的影響電磁場的間接效應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2.1實際市場測試各標準中的暴露限值包括基本限值和導出限值兩部分.基本限值是指根據(jù)已確定的健康效應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.導出限值則用來評估實際暴露以確定基本限值是否被超過.一類導出限值以物理量電場強度(E)和磁通量密度(B)來衡量,其值可根據(jù)相關的基本限值,用測量或者計算的方法求得;而另一類導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.前一類導出限值是用于與實際電磁場中的測量值進行對比的,如果測量值低于導出限值,可確保滿足基本限值;如果測量值高于導出限值,則并不一定意味著超過了基本限值,此時需要進行更詳細的分析,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行大量的實際測量是很困難的,因此根據(jù)基本限值求導出限值時,主要通過建立人體模型進行計算.國際上各個標準中關于基本限值的規(guī)定大多相同,而導出限值的區(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)的標準IEC62226-1和IEC62226-2-1中對建立人體模型和計算導出限值有比較詳細的描述.近年來,以人體解剖學為基礎的高精度、非均勻人體電路模型得到了很大的發(fā)展,極大增強了預測體內(nèi)感應電流分布的能力.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,關于工頻電場在人體產(chǎn)生感應電流的研究較多,文獻和文獻介紹了高壓線路工頻電場在人體中感應電流的計算,文獻介紹了UHV工頻電場在人體中感應電流的計算.根據(jù)上述方法,可以根據(jù)基本限值計算出導出限值,本文介紹其中一種計算導出限值電場強度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,細圓柱模擬頸部,粗圓柱表示軀干和胳膊,稍細的圓柱表示雙腿.由于人體與大地絕緣,人體中會產(chǎn)生電勢,產(chǎn)生的感應電荷由電場和人體的特性決定.將人體近似看作導體,人體表面電荷密度σ為σ=ε0En式中:ε0——真空介電常數(shù);En——人體表面外部場強法線方向分量.由于將人體看成一個導體,En等于人體表面外部的電場強度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度E.2.2.2人體電導率的測定文獻和文獻介紹了工頻磁場在人體中感應電流的計算.本文介紹其中一種方法計算導出限值.人體磁導率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.假設人體不同器官與身體部位具有均勻的各向同性的電導率,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——人體中感應產(chǎn)生的場強;J——人體內(nèi)感應產(chǎn)生的電流密度;B——人體內(nèi)的磁感應強度;σ——人體電導率;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.在計算接觸電流時,假設人體在垂直方向電場作用下接觸接地導體,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)境電場強度,kV/cm.3國外電磁暴露標準目前,國際非電離輻射防護委員會(ICNIRP)和美國電氣電子工程師學會(IEEE)均制定了關于電磁場暴露限值的導則和標準,各國的標準大多根據(jù)上述標準制定.世界上主要國際組織及國家的工頻電磁場暴露標準如表3所示.(1)關于長期磁場暴露限值的相關研究其職責是調(diào)查各種形式的非電離輻射(NIR)可能帶來的危害,制定有關NIR暴露限值的國際導則,并處理與NIR防護相關的各方面問題.國際非電離輻射防護委員會于1998年出版的關于電磁場暴露限值的導則,雖然沒有法律效力,但是已被許多國際組織和國家承認,并作為制定相關標準的依據(jù).該導則總結了實驗室和流行病學研究的成果,得出了電磁場的暴露限值,其所制定的限值均有嚴格確實的科學依據(jù).而對于一些尚無確切證據(jù)證實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)與其他標準的比較美國關于電磁場暴露限值并無統(tǒng)一的標準,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準.相比較而言,IEEE的標準在國際上更為接受和認可.IEEE的標準與其他標準的最大不同在于采用了人體內(nèi)感應產(chǎn)生的電場強度為基本限值,其好處是以獲得描述電磁場效應更精確的限值,而其他標準多采用感應電流密度為基本限值,而且IEEE的標準中對身體各個部位的限值均做了更為詳細的規(guī)定,而ICNIRP的導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年制定了關于電磁場公眾暴露和職業(yè)暴露的限值.歐盟關于公眾暴露和職業(yè)暴露的限值完全是參照國際非電離輻射防護委員會的導則制定的.(4)關于電磁暴露限值的基本標準原來的英國國家輻射保護局(NRPB)、現(xiàn)為英國HealthProtectionAgency下屬的CentreforRadiation,ChemicalandEnvironmentalHazards,于2004年發(fā)布了關于電磁場暴露限值的建議和科學依據(jù).該建議關于公眾暴露和職業(yè)暴露的限值也是參照國際非電離輻射防護委員會的導則制定的.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導則推薦的10mA/m2得出的,因為它假定組織的電導率為0.1S/m.而工頻下,公眾暴露的基本限值為20mV/m.(5)icnirp的標準澳大利亞于1999年發(fā)布的澳大利亞輻射防護和核安全條例(AustralianRadiationProtectionandNuclearSafetyRegulations1999)參考了ICNIRP的標準,但在50/60Hz的限值仍沿用了澳大利亞的NHMRC(NationalHealthandMedicalResearchCouncil)在1989年制定的標準.(6)相關限值的確定中國于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.由此得出的導出限值也遠低于ICNIRP的導則中規(guī)定的相關限值.與現(xiàn)在大多數(shù)國家的限值相比,該標準所確定的限值比較嚴格,但在標準中并沒有提到制定如此嚴格限值的依據(jù),缺乏說服力.在實際工程中,有關電磁場公眾暴露限值的標準按《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術規(guī)范》中的相關規(guī)定執(zhí)行.該規(guī)范規(guī)定,推薦暫以4kV/m作為居民區(qū)工頻電場評價標準,推薦應用國際輻射保護協(xié)會關于對公眾全天輻射時的工