關(guān)于照明設(shè)備相對人體電磁輻射的評價

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GB/T 31275-2014《照明設(shè)備對人體電磁輻射的評價》等同采用IEC62493：2009標(biāo)準(zhǔn)。ICNIRP(國際非電離輻射防護(hù)委員會)和IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)的暴露限值評價包括感應(yīng)電流和熱效應(yīng)兩方面內(nèi)容，結(jié)合人體模型，建立數(shù)學(xué)模型，探討測量設(shè)備和測量設(shè)備的不確定度。

評價方法

1.感應(yīng)電流密度(20kHz~10MHz)

(1)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流密度Jeddy(fi,dloop)

用探頭模擬頭部放在照明設(shè)備附近，測量電磁輻射（示意圖1）。

圖1 頭部回路與測量裝置之間的距離

頭部回路中因磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電壓計算公式:

其中：

Vind(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時頭部回路中的感應(yīng)電壓；

Dloop——頭部回路的直徑；

B(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時的磁場B。

頭部回路中磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流計算公式:

其中：

Ieddy(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時頭部回路中的感應(yīng)電流；

A——頭部回路的“導(dǎo)線”面積；

σ(fi)——頻率為fi時頭部回路的電導(dǎo)率。

一定頻率fi和距離dloop時頭部回路中因磁場產(chǎn)生的電流密度計算公式:

在電源頻率和距離d=0.3 m時，從照明設(shè)備上測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度B約為60nT，利用σ(fmains)≤0.09(引自IEC62311表C.1的腦部值)和Dloop=Dhead=0.21 m，計算感應(yīng)電流密度Jeddy(fi,dloop)與限值JLim(fi)之比。結(jié)果見表1：

表1 感應(yīng)電流密度的計算

可得出結(jié)論，在電源頻率和測量距離d=0.3m時，頭部回路中因磁場產(chǎn)生的電流密度很小，可忽略不計。

最壞情況下頻率為20 kHz~10 MHz，測量距離為d時，頭部回路中因磁場產(chǎn)生的電流密度可通過CISPR15磁輻射發(fā)射來確定， 2 m大環(huán)天線LLA的最大電流頻率限值如圖2所示。

圖2 2mLLA的最大電流限值

最大電流可轉(zhuǎn)換為頻率fi和任意距離d時的最大磁場B，解釋為天線中心面積為Adipole的虛擬磁耦極子對大環(huán)天線LLA的互感公式:

其中：

M——虛擬磁偶極子和大環(huán)LLA之間的互感；

Adipole——虛擬磁偶極子的面積；

DLLA——大環(huán)天線LLA的直徑2 m。

虛擬磁偶極子的動量為Idipole(fi)Adiploe，其中Idipole(fi)表示頻率fi時虛擬磁偶極子中的虛擬電流。大環(huán)天線中的感應(yīng)電壓公式：

大環(huán)天線LLA中的電流公式：

式中LLA取值9.96μH。利用大環(huán)天線LLA中的電流限值計算虛擬磁偶極子動量Idipole(fi)Adiploe，然后計算最大電流值所處方向上的場強(qiáng)H。公式適用于10 MHz以下，最小波長30 m，近場和遠(yuǎn)場之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)位于30/2π=4.8 m。對于電磁輻射更關(guān)注較近距離處的感應(yīng)電流密度，所有計算是在近場條件H~1/d3，距離dloop處的最大場強(qiáng)表示，公式(7)：

其中：Dloop=d+DheadI2。

頻率fi和任意距離dloop時最大磁場B定義公式:

在最壞情況下，x、y、z方向上均達(dá)到最大值的磁場B，公式(9)：

將公式(9)代入公式(3)得到公式(10)：

頭部回路在頻率20 kHz~10 MHz，距離d=0.3m時，最壞情況的磁場電流密度為公式(11)：

其結(jié)果≤0.15。

(2)電場產(chǎn)生感應(yīng)電流密度

人體模型是IEC62311∶2007圖C.3描述的均質(zhì)人體模型，通常認(rèn)為人體模型頭部距離照明設(shè)備最近，計算電流密度時使用“Van der Hoofden”測試探頭。

在最壞情況下，電源對感應(yīng)電流密度貢獻(xiàn)是相對于接地照明設(shè)備存在大平板電壓Umains(圖1)，d為頭部和測量裝置之間的距離。

大平板和金屬球之間的寄生電容，可用公式(12)和公式(13)計算(摘自W.R.Smythe，靜態(tài)電和動態(tài)電，McGraw-Hill，1950[3] )，圖3所示寄生電容與距離成反比衰減關(guān)系。

在大多數(shù)情況下N取值50。其中：d=0.3 mm，Csphere-plate=3pF。

圖3 寄生電容與距離關(guān)系曲線

電源造成的頸部電流密度用公式(14)計算：

頸部直徑Dneck=110 mm。常見電源貢獻(xiàn)的計算列于表2。

表2 電源貢獻(xiàn)的計算

圖4 測量裝置

20 kHz~10 MHz頻率范圍的電容電流對感應(yīng)電流密度的貢獻(xiàn)，按照圖4測量裝置，接收機(jī)頻率階躍響應(yīng)符合CISPR16-1-1規(guī)定的B6帶寬要求，用公式(15)簡化表示：

振幅增加頻率階躍公式：

振幅增加頻率階躍等于1.11倍B6（見表3）。

表3 等于1.11倍B6的振幅增加頻率階躍

從表3中可以看出，20 kHz~10 MHz頻率范圍接收機(jī)測量頻率步長fstep-ampl應(yīng)分為兩段進(jìn)行。

2.熱效應(yīng)(100 kHz~300 MHz)

(1)熱效應(yīng)(100 kHz~30 MHz)貢獻(xiàn)

傳導(dǎo)發(fā)射的最大端電壓(TV)由CISPR15：2005設(shè)定。假設(shè)這個端電壓由共模電流產(chǎn)生，電源線的作用是任何頻率下的半波長偶極子輻射發(fā)射值為最大。已知半波長偶極子輻射阻抗73Ω，最大輻射功率由公式(17)計算：

式中：

Prad,max(100 kHz~30 MHz)——在100 kHz~30 MHz之間的最大輻射功率，單位為瓦特(W)；

Icm(fi)——頻率fi時的共模電流，單位為安培(A)。

根據(jù)基爾霍夫定律公式(17)表述為公式(18)：

其中：TVlim(fi)等于頻率fi時符合CISPR15的端電壓，則公式(18)的結(jié)果為：Prad，max(100 kHz~30 MHz)≤5.98(mW)。

(2)熱效應(yīng)(30 MHz~300 MHz)貢獻(xiàn)

在最壞情況下，任何頻率的照明設(shè)備都是作為半波偶極子輻射，電場E主方向上的最大輻射功率由公式(19)給出：

式中：Elim(fi)——頻率fi時的E場限值，單位為伏每米(V/m)。

根據(jù)CISPR15場強(qiáng)限值見表4：

表4 符合CISPR15:2005的場強(qiáng)限值

由公式(19)得到結(jié)果：

Prad，max(30MHz~300MHz)≤0.10(mW)。

3.暴露限值評價

暴露限值的人體感應(yīng)電流密度評價用公式(20)表示：

式中：

J(fi,d)——頻率fi和測量距離d時測得的電流密度；

JLim(fi)——ICNIRP普通公眾fi時的電流密度基本限值。

人體模型中的感應(yīng)電流密度可由受試照明設(shè)備磁場產(chǎn)生的渦電流和電場產(chǎn)生的電容電流組成，則公式(20)又可用公式(21) 描述。

式中：

Jeddy(fi,d)——頻率fi和測量距離d時因磁場產(chǎn)生的電流密度；

Jcap(fi,d)——頻率fi和測量距離d時因電場產(chǎn)生的電流密度。

為了避免噪聲和紅外干擾，照明設(shè)備中功率轉(zhuǎn)換的頻率大于20 kHz，公式(21)又可分解為公式(22)。

50 Hz或60 Hz的電源頻率是1 Hz~20 Hz頻率范圍內(nèi)惟一相關(guān)頻率，公式(22)又可描述為公式(23)：

磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度，通過前面的分析將表1電源貢獻(xiàn)結(jié)果、公式(11)代入公式(23)，得到近似公式(24)：

電場產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度，考慮到表2電源貢獻(xiàn)可忽略的因素，公式(24)簡化為公式（25）：

再考慮到接收機(jī)的階躍響應(yīng)，可將公式(25)分解為公式(26)：

暴露限值的人體感應(yīng)電流密度評價使用公式(26)，在20kHz~10MHz頻率范圍內(nèi)電場產(chǎn)生感應(yīng)電流密度的評價。而熱效應(yīng)問題，通過照明設(shè)備的輻射 發(fā) 射 功 率 分 析 可 知：Prad，max（100kHz~30MHz）≤5.98（mW）和Prad，max（30MHz~300MHz）≤0.10（mW），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ICNIRP關(guān)于頭部和軀干（10 g）給出的輻射發(fā)射功率≤20mW的限值要求，因此得出結(jié)論：任何照明設(shè)備如果符合CISPR15輻射發(fā)射限值要求，則符合ICNIRP和IEEE的熱效應(yīng)要求。

測量設(shè)備

1.接收機(jī)

用于測量電磁干擾EMI的接收機(jī)或頻譜分析儀應(yīng)符合CISPR16-1-1要求，參數(shù)列于表5：

表5 接收機(jī)或頻譜儀參數(shù)

2.測試探頭(Van der Hoofden)

Van der Hoofden測試頭(圖5所示)，外徑Dhead=(210±5)mm的導(dǎo)電球，安裝在非金屬支架上，通過一根普通導(dǎo)線與保護(hù)網(wǎng)絡(luò)相連。保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)由公式(27)確定，這個系數(shù)與計算的特征值偏差應(yīng)小于±1dB，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄F要求。

測試中(圖1)應(yīng)特別注意測量距離d的問題，除非制造商另有規(guī)定，照明設(shè)備應(yīng)按照本標(biāo)準(zhǔn)附錄A表A.1給出的測量距離評價，確定測量距離時應(yīng)將測試頭外表面作為參考點(diǎn)，測量距離d允差為±5%，在計算測量設(shè)備不確定度時應(yīng)予以考慮。

圖5 Van der Hoofden測試頭

表6A： 20 kHz~10 kHz頻率范圍的測量不確定度計算

測量設(shè)備不確定度

測量設(shè)備最大不確定Ubasic估計為30%。GB/T 31275-2014附錄G測量設(shè)備不確定度給出了計算實(shí)例。表6A列出主要影響因素和計算結(jié)果Uc=1.88dB(k=2)，表6B注釋和資料對各因素分量來源進(jìn)行解釋說明。測量值變量V計算公式：

結(jié)束語

我們討論人體暴露于照明設(shè)備電磁輻射問題，是因?yàn)殡姶泡椛洚a(chǎn)生的感應(yīng)電流對人體有傷害，這里涉及的照明設(shè)備主要是含有電子控制裝置的一般照明設(shè)備，它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)照明、住宅照明、公共場所照明和街道照明設(shè)備。如何評價這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射對人體的影響，是公眾和企業(yè)共同關(guān)心的問題。隨著家用電子產(chǎn)品的迅速增加，人們對生活中的電磁輻射等不確定因素產(chǎn)生擔(dān)憂，由于相關(guān)專業(yè)知識的缺乏，也造成公眾對電子電器產(chǎn)品產(chǎn)生許多不必要的恐慌。國際組織研究電磁輻射兼容問題，就是尋找兼容方案。GB/T 31275-2014標(biāo)準(zhǔn)把人體暴露于照明設(shè)備電磁輻射的評價，簡化為照明設(shè)備的電場產(chǎn)生感應(yīng)電流密度的評價，使得研究人體電磁輻射傷害問題更具有針對性。

討論人體暴露于照明設(shè)備電磁輻射量，輻射距離d是重要參考量之一，標(biāo)準(zhǔn)附錄A給出各種照明設(shè)備測量距離，例如與大眾生活相關(guān)的有臺式燈具（30 cm），壁式燈具（50 cm），小于180W的吸頂式或嵌入式燈具（50 cm），自鎮(zhèn)流熒光燈（30 cm）等等。只要人們使用燈具保持一定的安全距離，且照明產(chǎn)品的電磁輻射符合本標(biāo)準(zhǔn)要求，就可避免電磁輻射對人體的較大傷害。

GB/T 31275-2014《照明設(shè)備對人體電磁輻射的評價》標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，有利于生產(chǎn)企業(yè)評價和判斷產(chǎn)品是否符合電磁輻射安全要求，有利于公眾了解和正確看待照明設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射 。

注釋 GB/T 6113.402-2006附錄A.5的參考符號 計算/說明所使用的數(shù)據(jù)1)接收機(jī)讀數(shù)的隨機(jī)波動 注1 GB/T6113.402-2006表A.1 2)線損測量 注2 GB/T6113.402-2006表A.1 3)接收機(jī)正弦波修正 注3 GB/T6113.402-2006表A.1 4)接收機(jī)脈沖振幅響應(yīng) —— 因僅存有正弦波信號和諧波，脈沖振幅響應(yīng)可忽略不計。5)接收機(jī)脈沖重復(fù)率響應(yīng) —— 因僅存有正弦波信號和諧波，脈沖重復(fù)響應(yīng)可忽略不計。6)接收機(jī)本底噪聲影響 注6 GB/T6113.402 7)接收機(jī)與保護(hù)網(wǎng)絡(luò)之間失配 注7 GB/T6113.402 8)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化函數(shù)公差 ——9)測試頭與受試設(shè)備DUT距離公差 —— GB/T31275-2014(6.3)10)測試頭產(chǎn)生的公差 —— GB/T31275-2014(5.4)11)電纜長度(如0.3m±0.03m誤差小于0.2%可忽略不計) —— 試驗(yàn)表明：0.2 m和2.5 m之間誤差小于0.8%