輸變電設(shè)施電磁環(huán)境工頻電場強度控制限值安全性分析

王 冠,蔣忠湧,翟國慶

(1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心,北京,100082;2.北京交通大學,北京,100044;3.浙江大學,杭州,310012)

隨著輸變電設(shè)施鄰近公眾的生活和生產(chǎn)空間,其日益增強的電磁效應(yīng)也為公眾所關(guān)注。為了保障公眾的身心健康和電力行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展,現(xiàn)已出臺了國家標準 《電磁環(huán)境控制限值》 (GB 8702-2014)[1],已于2015年1月1日起實施,其中規(guī)定輸變電設(shè)施 (工作頻率為50Hz,簡稱工頻)的工頻電場強度公眾曝露控制限值為4k V·m-1,這也規(guī)范了我國輸變電工程建設(shè)和電磁環(huán)境管理。對于這一控制限值,自環(huán)境保護行業(yè)標準 《500k V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》(HJ/T 24-1998)[2]實施以來的十數(shù)年間實踐說明是適合我國國情的。因此,在整合修訂原國家標準 《電磁輻射防護規(guī)定》(GB 8702-1988)[3]和 《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準》(GB 9175-1988)[4]為新國家標準《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702-2014)時,將起始頻率改為1Hz,從而納入了關(guān)于工頻(50Hz)的相應(yīng)限值規(guī)定,并繼續(xù)沿用工頻電場強度曝露限值為4k V·m-1,見表1—表3。盡管該限值已在輸變電工程的環(huán)境影響評價和驗收中廣泛應(yīng)用,但仍有進一步理解的必要。本文擬就該限值的安全性進行分析,進而論證其可行性。

表1 輸變電設(shè)施公眾曝露控制限值 [1]Table 1 Public exposure controlling limits of power transmission facilities[1]

表2 公眾照射導出限值[3]Table 2 Public exposure reference levels[3]

表3 環(huán)境電磁波容許輻射強度分級標準[4]Table 3 Grading standard for permissible radiation intensity of environmental electromagnetic waves[4]

1 電磁環(huán)境影響的兩大關(guān)鍵因素

1.1 時時處處均存在著電磁現(xiàn)象

現(xiàn)實生活中人們對于電磁現(xiàn)象的適應(yīng)和將其為我所用已是無法回避和必然選擇的事實。不可想象當今社會如果沒有電磁效應(yīng)的利用和開發(fā),我們的生活將是怎樣的狀態(tài)。電磁環(huán)境影響決定于產(chǎn)生電磁效應(yīng)的電磁源,通?？筛鶕?jù)電磁波生成的原因?qū)㈦姶旁捶譃樽匀辉春腿斯ぴ?。前者如地球自身產(chǎn)生的大地磁場、雷電放電、來自太陽和其它星球的電磁場;后者則為利用電磁效應(yīng)而建設(shè)的電磁源,它又可分為電磁干擾源 (如塑料熱合機工作過程中的電磁干擾)和有用無線電信號源 (如廣播、電視及通信等),如圖1所示。自然源是人們不能控制的,對其有害影響只能設(shè)法防護,而人工源有的是可從源本身采取措施加以限制的,另一些則是由于工作需要不能限制、只能防護的。

圖1 電磁源的分類Fig.1 Classification of electromagnetic sources

這些眾多自然的和人為的、既有的和新增的、低頻的和高頻的、信號的和干擾的電磁源在我們生活的空間并存,構(gòu)成了復雜的電磁環(huán)境,時時、處處充斥著所有空間,使我們在享受著現(xiàn)代文明的同時,電磁源也在一定程度上影響著我們的生活。發(fā)展是大趨勢,保障公眾健康是必需,兩者的統(tǒng)一就是分而治之、規(guī)范管理,當前修訂國家標準《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702-2014)就是有效的治理措施之一[5-8]。

1.2 電磁強度

從理論上說,任何電磁的擾動都能產(chǎn)生電磁效應(yīng)。但實際中,能否形成電磁環(huán)境影響及影響程度的大小,主要取決于電磁強度,就本文而言即是工頻電場強度。對人體健康的影響也是隨著曝露于工頻電場強度的增加由量變到質(zhì)變的過程,分為 “生物效應(yīng)”和“健康影響”兩個性質(zhì)截然不同的生理反應(yīng)。

“生物效應(yīng)”是指由曝露引起生物內(nèi)部可注意到或可檢測到的生理變化,當曝露去掉后,此影響即可消除。但 “生物效應(yīng)”不全是有害的,例如太陽光也是電磁波的一種形式,人們在冬天適時的曝露在太陽光下會感覺到暖和、舒適就是其中一例。當前在醫(yī)學理療過程中更是大量采用電磁波生物效應(yīng)的治療措施。輸變電設(shè)施的電磁環(huán)境影響必須嚴格控制在 “生物效應(yīng)”范圍內(nèi)。

“健康影響”是 “生物效應(yīng)”超過軀體正常調(diào)節(jié)范圍發(fā)生有害健康的狀態(tài)。國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP)在 《限制時變電場、磁場和電磁場曝露的導則 (300GHz以下)》中指出:在1Hz—10MHz頻率范圍內(nèi),以防止對神經(jīng)系統(tǒng)功能造成影響,基本限值主要是感應(yīng)電流密度[9]。綜合國際的研究成果可知,當頻率在幾Hz到1k Hz范圍內(nèi),感應(yīng)電流密度超過100m A·m-2時,中樞神經(jīng)系統(tǒng)將發(fā)生興奮性劇烈變化以及其它劇烈效應(yīng),也即發(fā)生 “健康影響”。所以實踐中將感應(yīng)電流100m A·m-2作為 “生物效應(yīng)”和 “健康影響”界域的判值。為控制 “健康影響”必須科學地制定曝露限值。

1.3 電磁頻率

電磁頻率是決定電磁場性質(zhì)的關(guān)鍵因素,幾種典型設(shè)備設(shè)施的電磁頻譜示意圖如圖2所示[10]。

圖2 幾種典型設(shè)備設(shè)施的電磁頻譜示意圖[10]Fig.2 Sketch map of electromagnetic spectrum of several typical equipments and facilities[10]

1.3.1 兩類不同性質(zhì)的電磁場

“電磁輻射”:國家標準 《電磁兼容術(shù)語》(GB/T 4365-2003)定義為能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象[11]。根據(jù)電磁場理論可知,其必要條件是具備時變電場 (位移電流),且充分曝露于空間,如要達到有效的輻射,則其輻射體長度應(yīng)滿足工作波長的一半(相當于半波對稱振子)。

“電磁感應(yīng)”是指放在變化磁通量中的導體會產(chǎn)生電動勢,稱此電動勢為感應(yīng)電動勢。若將此導體閉合成一回路,則該電動勢會驅(qū)使電子流動,形成感應(yīng)電流。通常產(chǎn)生感應(yīng)電流的方法有變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵和在磁場中運動的導體等五種類型。其必要條件是電磁場和導體間存在相對運動,一旦此相對運動停止,則此電磁感應(yīng)現(xiàn)象也就終止了,反之則加劇。

1.3.2 交流輸變電設(shè)施電磁環(huán)境影響的機理是電磁感應(yīng)

交流輸變電設(shè)施的工作頻率為50Hz(簡稱工頻),在廣闊的電磁波頻譜中趨近于零赫茲 (直流),所以對其研究應(yīng)基于準靜態(tài)場的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

國家標準 《電磁兼容術(shù)語》(GB/T 4365-1995)中關(guān)于 “電磁輻射”術(shù)語的定義附有“注”解,說明電磁輻射 “有時也可引申將電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包含在內(nèi)”。但在實踐中兩者的混用,在環(huán)境影響評價中帶來一些誤識,特別是當前 “輻射”一詞的諸多方面應(yīng)用,如“電離輻射”、“電磁輻射”、“光輻射”和 “核輻射”等等,而輻射的健康影響使人們談“電”變色,導致額外的處理。有必要強調(diào)交流輸變電設(shè)施電磁環(huán)境影響的機理,正確對待。目前在交流輸變電工程環(huán)境影響評價、監(jiān)測及相關(guān)標準中將交流輸變電設(shè)施產(chǎn)生的電場稱為 “工頻電場”、產(chǎn)生的磁場稱為 “工頻磁場”,以示區(qū)別[12-14]。

從國家標準 《電磁輻射防護規(guī)定》 (GB 8702-88)到修訂為現(xiàn)行的國家標準 《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702-2014)為止,均是按頻段分列限值,充分突出了電磁強度、頻率這兩大因素。

2 國家標準 《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702-2014)關(guān)于交流輸變電設(shè)施工頻電場強度控制限值安全性分析

2.1 制定限值的原則

首先,是以人為本,具有足夠的安全性,保障人體健康。

其次,具有經(jīng)濟、技術(shù)上的可行性,適合國情,促進電力行業(yè)的發(fā)展。

再次,吸收國內(nèi)外先進研究成果,參考國際相關(guān)標準,達到環(huán)境友好,并具有公正性和科學性。

2.2 工頻電場強度控制限值4k V·m-1的安全性

ICNIRP在 《限制時變電場、磁場和電磁場曝露的導則 (300GHz以下)》中指出,對于1Hz—l0GHz頻率范圍而言,電流密度、全身平均SAR(Specific Absorption Rate,簡稱比吸收率)和局部暴露SAR基本限值見表4[9]。對于超過l00 m A·m-2的感應(yīng)電流密度而言,由于將發(fā)生 “健康影響”,出于安全考慮,相應(yīng)4Hz—1k Hz的頻率范圍內(nèi),職業(yè)曝露應(yīng)限制感應(yīng)電流密度低于10m A·m-2,即安全系數(shù)為10。對于公眾曝露而言,采用額外的安全系數(shù)5,即基本照射限值為2m A·m-2,對應(yīng)總的安全系數(shù)為50。

表4 頻率低于10GHz的時變電場和磁場基本限值[9]Table 4 Basic restrictions for time varying electric and magnetic fields for frequencies up to 10GHz[9]

經(jīng)實驗驗證,當工頻電場方向與人體軸線平行時 (這是影響最大的情況),工頻電場強度為5k V·m-1,在軀體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流密度值2m A·m-2。這就是國外相關(guān)國家對工頻電場 (交流輸變電)的公眾曝露控制限值定為5 k V·m-1的技術(shù)依據(jù)。

在制訂我國國家標準時,考慮到我國人口密度大及國內(nèi)的研究成果,提出了更為嚴格的曝露控制限值:工頻電場強度為4 k V·m-1。由此可知,其安全系數(shù)大于50,具有足夠的安全性,應(yīng)消除曝露達到4 k V·m-1的控制限值就有 “健康影響”的顧慮。

在此附言,關(guān)于工頻磁場強度曝露控制限值的安全性也具有類似的考慮,其值將遠大于工頻電場強度相應(yīng)值,在此不作贅述。

3 世界衛(wèi)生組織 (WHO)關(guān)于 “國際電磁場計劃”研究成果的評估結(jié)論

針對公眾對電磁場健康影響的關(guān)注,WHO自1996年開始組織60多個國家及多個國際組織,開展全球性的 “國際電磁場計劃”研究,歷時十年,已完成了極低頻場的全面健康風險評估。并以正式文件發(fā)表了 《制定以健康為基礎(chǔ)的電磁場標準的框架》[15]和《WHO “國際電磁場計劃”的評估結(jié)論與建議》[16],現(xiàn)將有關(guān)結(jié)論摘要如下:

(1)明確推薦作為形成全球標準基礎(chǔ)的曝露標準有兩項:

①1998年,ICNIRP發(fā)布的 《限制時變電場、磁場和電磁場曝露的導則 (300GHz以下)》;

②2002年9月22日,美國電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE)批準發(fā)布的 《IEEE關(guān)于人體曝露于0—3k Hz電磁場的安全水平標準》。

其所提出的工頻電場強度公眾曝露控制限值為5 k V·m-1。上述兩文件在確定閾值時均考慮了對生物學影響認知的不充分性,最終的曝露限值包含了與不確定程度成比例的安全因子,如圖3所示。

(2)對于公眾通常達到的極低頻電場水平,不存在實際的健康影響問題。

(3)極低頻電場或磁場對神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫和血液系統(tǒng)、生長和生育、癌癥等的健康影響均顯示證據(jù)不足。

(4)當前的研究成果不足以證明需要降低兩個導則 (ICNIRP 1998;IEEE 2002)規(guī)定的量化曝露控制限值。

圖3 采用危害閾值和生物學法的曝露限值確定方法[15]Fig.3 Determination of exposure limits using the hazard threshold and biological approaches[15]

(5)ICNIRP于2010年發(fā)布的新導則《限制時變電場和磁場曝露的導則 (1Hz—100k Hz)》中已將工頻磁感應(yīng)強度公眾曝露的參照水平改為200μT(原導則為100μT)[17]。

4 結(jié) 論

(1)工頻電場強度公眾曝露控制限值4 k V·m-1對于健康影響的安全系數(shù)大于50倍,具有較高的安全性。

(2)雖然在輸電線路下接觸不接地的導線偶爾會產(chǎn)生麻電、放電等令人不愉快的體驗,但其電磁環(huán)境影響仍然滿足4 k V·m-1的控制限值要求,且留有足夠安全裕度。

(3)公眾期望的是其所在區(qū)域在合理和可行的技術(shù)、經(jīng)濟條件下,盡量少發(fā)生或不發(fā)生 “擾民”現(xiàn)象。因此,建議建設(shè)單位能積極履行社會責任,盡可能采取技術(shù)措施,避免、減緩、減少上述現(xiàn)象的發(fā)生,切忌將4 k V·m-1控制限值確定的距離 “紅線”作為輸電線路建設(shè)的唯一依據(jù)。

[1]環(huán)境保護部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 8702-2014電磁環(huán)境控制限值[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2014.

[2]國家環(huán)境保護總局.HJ/T 24-1998 500k V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[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,1998.

[3]國家環(huán)境保護總局.GB 8702-1988電磁輻射防護規(guī)定[S].北京:中國標準出版社,1988.

[4]衛(wèi)生部.GB 9175-1988環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準[S].北京:中國標準出版社,1988.

[5]李宏,巢哲雄,呂浩,等.我國居民區(qū)工頻電場限值的合理性分析[J].核安全,2015(03):24-29.

[6]趙亞民.高壓輸變電工程環(huán)境影響報告中幾個值得商榷的問題[J].核安全,2010(01):13-18.

[7]鄔雄,龔宇清,李妮.確定工頻磁場公眾曝露限值的分析[J].高電壓技術(shù),2009(09):2091-2095.

[8]毛文利,楊新村,李海平.工頻電場、磁場及高壓輸電線路的電場效應(yīng)[J].浙江電力,2016(06):26-29+52.

[9]ICNIRP.Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric,Magnetic,and Electromagnetic Fields(up to 300GHz)[J].Health Physics,1998:74(4):494-522.

[10]環(huán)境保護部輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中心,環(huán)境保護部核與輻射安全中心,電力系統(tǒng)電磁兼容和電磁環(huán)境研究與監(jiān)測中心.電網(wǎng)環(huán)保ABC[M].北京:中國電力出版社,2014.

[11]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 4365-2003電磁兼容術(shù)語[S].北京:中國標準出版社,2003.

[12]環(huán)境保護部.HJ 24-2014環(huán)境影響評價技術(shù)導則輸變電工程[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2014.

[13]環(huán)境保護部.HJ 705-2014建設(shè)項目竣工環(huán)境保護驗收技術(shù)規(guī)范 輸變電工程[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2014.

[14]環(huán)境保護部.HJ 681-2013交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測方法(試行)[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2013.

[15]WHO.Framework for Developing Health-Based EMF Standards[M].2006.

[16]WHO.Assessment Conclusions and Suggestions of WHO’s International EMF Project[M].2007.

[17]ICNIRP.Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric and Magnetic fields(1Hz—100k Hz)[J].Health Physics,99(6):818,2010.