工頻電磁場(chǎng)暴露限域研究

工頻電磁場(chǎng)暴露限域研究

隨著社會(huì)的發(fā)展和健康意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注電氣表環(huán)境對(duì)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(zhǎng)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(huì)影響人體的健康并引起公眾的關(guān)注。目前,國(guó)際上尚無(wú)關(guān)于工頻電磁場(chǎng)暴露限值的統(tǒng)一規(guī)定,許多國(guó)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(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)制定的《限制時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)暴露的導(dǎo)則(300GHz以下)》,以及美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)所屬的國(guó)際電磁安全委員會(huì)制定的《關(guān)于人體暴露到0～3kHz電磁場(chǎng)安全水平的IEEE標(biāo)準(zhǔn)》(IEEEStdC95.6-2002).其他國(guó)家和組織限值的規(guī)定大多參考了上述標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)也于2002年發(fā)布了《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》的國(guó)標(biāo)征求意見(jiàn)稿.本文主要闡述了工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的作用機(jī)理和影響,以及工頻電磁場(chǎng)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(chǎng)暴露限值及其特點(diǎn).1工頻高頻對(duì)人體的影響的分析1.1交流輸電線路的電場(chǎng)計(jì)算由于電磁場(chǎng)隨時(shí)間t的變化緩慢,在不影響工程計(jì)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(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程.簡(jiǎn)化后電磁場(chǎng)稱為準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng),具有類同于靜態(tài)電磁場(chǎng)的某些特征.在工頻電磁場(chǎng)暴露中,由于通常忽略?B/?t或?D/?t項(xiàng),因此可以將電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)人體的影響分開(kāi)考慮.關(guān)于交流輸電線路的電場(chǎng)計(jì)算,國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組推薦了一種計(jì)算交流輸電線路工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的等效電荷法;而磁場(chǎng)計(jì)算,國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)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(chǎng)的計(jì)算和分布特點(diǎn)可參見(jiàn)文獻(xiàn).假設(shè)工頻電磁場(chǎng)頻率為50Hz,波長(zhǎng)為6000km.如果把有限長(zhǎng)度的輸電線路視為“發(fā)射天線”的話,則人體處于近場(chǎng)區(qū).該區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)無(wú)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(chǎng)輻射穿透所產(chǎn)生的熱效應(yīng).1.2對(duì)生物組織的電磁特性的測(cè)量研究電磁場(chǎng)與人體的相互作用時(shí),必須首先了解作為電磁場(chǎng)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(duì)電磁場(chǎng)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(shí)來(lái)加以分析、并用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量的.由于現(xiàn)代電生理技術(shù)無(wú)法測(cè)量生物體內(nèi)的微觀場(chǎng),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(lái)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(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性.因此,介電常數(shù)ε隨頻率和溫度而變化.對(duì)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(jì)算,需要測(cè)量.1.3接觸電流的產(chǎn)生ELF-EMF(極低頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng))暴露會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生直接和間接影響.直接影響源于場(chǎng)與身體的直接相互作用,間接影響則涉及身體與不同電勢(shì)物體間的相互作用.當(dāng)人體與電勢(shì)不同的物體接觸時(shí),就會(huì)產(chǎn)生接觸電流.1.3.1低頻時(shí)變磁場(chǎng)與人體的直接作用在低頻時(shí)變電場(chǎng)中,由于人體的導(dǎo)電特性,低頻時(shí)變的電場(chǎng)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(dòng)(電流).而由于人的介電特性,低頻時(shí)變的電場(chǎng)會(huì)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(huì)在體內(nèi)感應(yīng)出電場(chǎng)和電流.各種效果的相對(duì)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(chǎng)中的人體會(huì)影響電場(chǎng)的空間分布,人體外的電場(chǎng)線近似垂直于人體表面.對(duì)于低頻時(shí)變磁場(chǎng)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(shí)變的磁場(chǎng)與人體之間的直接相互作用可以產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)以及循環(huán)電流.感應(yīng)電場(chǎng)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(chǎng)與人體組織中的磁場(chǎng)是相同的.磁場(chǎng)中的人體不會(huì)明顯影響磁場(chǎng)的分布.總之,低頻電磁場(chǎng)與人體的直接作用可以在人體內(nèi)感應(yīng)出微弱的電場(chǎng)和電流.工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的直接影響包括短期效應(yīng)和長(zhǎng)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(guò)一定的閾值,就會(huì)對(duì)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(duì)人體的短期效應(yīng)如表1所示.因此,為防止對(duì)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(guò)100mA/m2的場(chǎng)中.目前,工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的長(zhǎng)期效應(yīng)還不明確.圍繞長(zhǎng)期暴露于極低頻電磁場(chǎng)下會(huì)否增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)已展開(kāi)了大量研究.但是,由于對(duì)癌癥的病因并不確定,且調(diào)查環(huán)境中可能會(huì)存在其他的致病因素使研究結(jié)果產(chǎn)生偏差,以致于無(wú)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(chǎng)限值的基礎(chǔ).1.3.2接觸電流的影響電磁場(chǎng)的間接效應(yīng)來(lái)自人與電勢(shì)不同的物體發(fā)生物理接觸,如與場(chǎng)中的金屬發(fā)生觸碰或者擦碰,會(huì)產(chǎn)生接觸電流.接觸電流對(duì)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(chǎng)測(cè)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(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的限值.通常以物理量電流密度J來(lái)衡量.為防止對(duì)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(guò)100mA/m2的磁場(chǎng)中.對(duì)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(duì)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(lái)評(píng)估實(shí)際暴露以確定基本限值是否被超過(guò).一類導(dǎo)出限值以物理量電場(chǎng)強(qiáng)度(E)和磁通量密度(B)來(lái)衡量,其值可根據(jù)相關(guān)的基本限值,用測(cè)量或者計(jì)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(lái)衡量,其值根據(jù)暴露在電磁場(chǎng)中的感覺(jué)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(chǎng)中的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比的,如果測(cè)量值低于導(dǎo)出限值,可確保滿足基本限值;如果測(cè)量值高于導(dǎo)出限值,則并不一定意味著超過(guò)了基本限值,此時(shí)需要進(jìn)行更詳細(xì)的分析,以便評(píng)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(dòng)物身上進(jìn)行大量的實(shí)際測(cè)量是很困難的,因此根據(jù)基本限值求導(dǎo)出限值時(shí),主要通過(guò)建立人體模型進(jìn)行計(jì)算.國(guó)際上各個(gè)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(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的標(biāo)準(zhǔn)IEC62226-1和IEC62226-2-1中對(duì)建立人體模型和計(jì)算導(dǎo)出限值有比較詳細(xì)的描述.近年來(lái),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(cè)體內(nèi)感應(yīng)電流分布的能力.2.2.1人體均勻干動(dòng)力特性和區(qū)域內(nèi)資源量的模型目前,關(guān)于工頻電場(chǎng)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(chǎng)在人體中感應(yīng)電流的計(jì)算,文獻(xiàn)介紹了UHV工頻電場(chǎng)在人體中感應(yīng)電流的計(jì)算.根據(jù)上述方法,可以根據(jù)基本限值計(jì)算出導(dǎo)出限值,本文介紹其中一種計(jì)算導(dǎo)出限值電場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生電勢(shì),產(chǎn)生的感應(yīng)電荷由電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)法線方向分量.由于將人體看成一個(gè)導(dǎo)體,En等于人體表面外部的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度E.2.2.2人體電導(dǎo)率的測(cè)定文獻(xiàn)和文獻(xiàn)介紹了工頻磁場(chǎng)在人體中感應(yīng)電流的計(jì)算.本文介紹其中一種方法計(jì)算導(dǎo)出限值.人體磁導(dǎo)率μ≈μ0,因此人體中的磁場(chǎng)與外部的磁場(chǎng)相同,不會(huì)影響外部磁場(chǎng)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(chǎng)為純正弦的時(shí)變磁場(chǎng),將人體暴露部分垂直于磁場(chǎng)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(chǎng)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(cè)定本文介紹的接觸電流的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn).在計(jì)算接觸電流時(shí),假設(shè)人體在垂直方向電場(chǎng)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(chǎng)的頻率,Hz;E——環(huán)境電場(chǎng)強(qiáng)度,kV/cm.3國(guó)外電磁暴露標(biāo)準(zhǔn)目前,國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP)和美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)均制定了關(guān)于電磁場(chǎng)暴露限值的導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn),各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)大多根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)制定.世界上主要國(guó)際組織及國(guó)家的工頻電磁場(chǎng)暴露標(biāo)準(zhǔn)如表3所示.(1)關(guān)于長(zhǎng)期磁場(chǎng)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(lái)的危害,制定有關(guān)NIR暴露限值的國(guó)際導(dǎo)則,并處理與NIR防護(hù)相關(guān)的各方面問(wèn)題.國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)于1998年出版的關(guān)于電磁場(chǎng)暴露限值的導(dǎo)則,雖然沒(méi)有法律效力,但是已被許多國(guó)際組織和國(guó)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(chǎng)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(duì)于一些尚無(wú)確切證據(jù)證實(shí)的長(zhǎng)期電磁場(chǎng)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(guó)關(guān)于電磁場(chǎng)暴露限值并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),IEEE和美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生專家會(huì)議(ACHIH)以及其他一些部門(mén)均制定了各自的標(biāo)準(zhǔn).相比較而言,IEEE的標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)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(chǎng)強(qiáng)度為基本限值,其好處是以獲得描述電磁場(chǎng)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(duì)身體各個(gè)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(huì)和歐洲理事會(huì)分別于1999年和2004年制定了關(guān)于電磁場(chǎng)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(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)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(lái)的英國(guó)國(guó)家輻射保護(hù)局(NRPB)、現(xiàn)為英國(guó)HealthProtectionAgency下屬的CentreforRadiation,ChemicalandEnvironmentalHazards,于2004年發(fā)布了關(guān)于電磁場(chǎng)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(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)的導(dǎo)則制定的.所不同的是,工頻時(shí),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(guó)于2002年發(fā)布了《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》的國(guó)標(biāo)征求意見(jiàn)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(guó)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(méi)有提到制定如此嚴(yán)格限值的依據(jù),缺乏說(shuō)服力.在實(shí)際工程中,有關(guān)電磁場(chǎng)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(píng)價(jià)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(chǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),推薦應(yīng)用國(guó)際輻射保護(hù)協(xié)會(huì)關(guān)于對(duì)公眾全天輻射時(shí)的工