输变电设施电磁环境工频电场强度控制限值安全性分析

王 冠,蒋忠湧,翟国庆

(1.环境保护部核与辐射安全中心,北京,100082;2.北京交通大学,北京,100044;3.浙江大学,杭州,310012)

随着输变电设施邻近公众的生活和生产空间,其日益增强的电磁效应也为公众所关注。为了保障公众的身心健康和电力行业的可持续性发展,现已出台了国家标准 《电磁环境控制限值》 (GB 8702-2014)[1],已于2015年1月1日起实施,其中规定输变电设施 (工作频率为50Hz,简称工频)的工频电场强度公众曝露控制限值为4k V·m-1,这也规范了我国输变电工程建设和电磁环境管理。对于这一控制限值,自环境保护行业标准 《500k V超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T 24-1998)[2]实施以来的十数年间实践说明是适合我国国情的。因此,在整合修订原国家标准 《电磁辐射防护规定》(GB 8702-1988)[3]和 《环境电磁波卫生标准》(GB 9175-1988)[4]为新国家标准《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)时,将起始频率改为1Hz,从而纳入了关于工频(50Hz)的相应限值规定,并继续沿用工频电场强度曝露限值为4k V·m-1,见表1—表3。尽管该限值已在输变电工程的环境影响评价和验收中广泛应用,但仍有进一步理解的必要。本文拟就该限值的安全性进行分析,进而论证其可行性。

表1 输变电设施公众曝露控制限值 [1]Table 1 Public exposure controlling limits of power transmission facilities[1]

表2 公众照射导出限值[3]Table 2 Public exposure reference levels[3]

表3 环境电磁波容许辐射强度分级标准[4]Table 3 Grading standard for permissible radiation intensity of environmental electromagnetic waves[4]

1 电磁环境影响的两大关键因素

1.1 时时处处均存在着电磁现象

现实生活中人们对于电磁现象的适应和将其为我所用已是无法回避和必然选择的事实。不可想象当今社会如果没有电磁效应的利用和开发,我们的生活将是怎样的状态。电磁环境影响决定于产生电磁效应的电磁源,通常可根据电磁波生成的原因将电磁源分为自然源和人工源。前者如地球自身产生的大地磁场、雷电放电、来自太阳和其它星球的电磁场;后者则为利用电磁效应而建设的电磁源,它又可分为电磁干扰源 (如塑料热合机工作过程中的电磁干扰)和有用无线电信号源 (如广播、电视及通信等),如图1所示。自然源是人们不能控制的,对其有害影响只能设法防护,而人工源有的是可从源本身采取措施加以限制的,另一些则是由于工作需要不能限制、只能防护的。

图1 电磁源的分类Fig.1 Classification of electromagnetic sources

这些众多自然的和人为的、既有的和新增的、低频的和高频的、信号的和干扰的电磁源在我们生活的空间并存,构成了复杂的电磁环境,时时、处处充斥着所有空间,使我们在享受着现代文明的同时,电磁源也在一定程度上影响着我们的生活。发展是大趋势,保障公众健康是必需,两者的统一就是分而治之、规范管理,当前修订国家标准《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)就是有效的治理措施之一[5-8]。

1.2 电磁强度

从理论上说,任何电磁的扰动都能产生电磁效应。但实际中,能否形成电磁环境影响及影响程度的大小,主要取决于电磁强度,就本文而言即是工频电场强度。对人体健康的影响也是随着曝露于工频电场强度的增加由量变到质变的过程,分为 “生物效应”和“健康影响”两个性质截然不同的生理反应。

“生物效应”是指由曝露引起生物内部可注意到或可检测到的生理变化,当曝露去掉后,此影响即可消除。但 “生物效应”不全是有害的,例如太阳光也是电磁波的一种形式,人们在冬天适时的曝露在太阳光下会感觉到暖和、舒适就是其中一例。当前在医学理疗过程中更是大量采用电磁波生物效应的治疗措施。输变电设施的电磁环境影响必须严格控制在 “生物效应”范围内。

“健康影响”是 “生物效应”超过躯体正常调节范围发生有害健康的状态。国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP)在 《限制时变电场、磁场和电磁场曝露的导则 (300GHz以下)》中指出:在1Hz—10MHz频率范围内,以防止对神经系统功能造成影响,基本限值主要是感应电流密度[9]。综合国际的研究成果可知,当频率在几Hz到1k Hz范围内,感应电流密度超过100m A·m-2时,中枢神经系统将发生兴奋性剧烈变化以及其它剧烈效应,也即发生 “健康影响”。所以实践中将感应电流100m A·m-2作为 “生物效应”和 “健康影响”界域的判值。为控制 “健康影响”必须科学地制定曝露限值。

1.3 电磁频率

电磁频率是决定电磁场性质的关键因素,几种典型设备设施的电磁频谱示意图如图2所示[10]。

图2 几种典型设备设施的电磁频谱示意图[10]Fig.2 Sketch map of electromagnetic spectrum of several typical equipments and facilities[10]

1.3.1 两类不同性质的电磁场

“电磁辐射”:国家标准 《电磁兼容术语》(GB/T 4365-2003)定义为能量以电磁波形式由源发射到空间的现象[11]。根据电磁场理论可知,其必要条件是具备时变电场 (位移电流),且充分曝露于空间,如要达到有效的辐射,则其辐射体长度应满足工作波长的一半(相当于半波对称振子)。

“电磁感应”是指放在变化磁通量中的导体会产生电动势,称此电动势为感应电动势。若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流。通常产生感应电流的方法有变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁和在磁场中运动的导体等五种类型。其必要条件是电磁场和导体间存在相对运动,一旦此相对运动停止,则此电磁感应现象也就终止了,反之则加剧。

1.3.2 交流输变电设施电磁环境影响的机理是电磁感应

交流输变电设施的工作频率为50Hz(简称工频),在广阔的电磁波频谱中趋近于零赫兹 (直流),所以对其研究应基于准静态场的电磁感应现象。

国家标准 《电磁兼容术语》(GB/T 4365-1995)中关于 “电磁辐射”术语的定义附有“注”解,说明电磁辐射 “有时也可引申将电磁感应现象也包含在内”。但在实践中两者的混用,在环境影响评价中带来一些误识,特别是当前 “辐射”一词的诸多方面应用,如“电离辐射”、“电磁辐射”、“光辐射”和 “核辐射”等等,而辐射的健康影响使人们谈“电”变色,导致额外的处理。有必要强调交流输变电设施电磁环境影响的机理,正确对待。目前在交流输变电工程环境影响评价、监测及相关标准中将交流输变电设施产生的电场称为 “工频电场”、产生的磁场称为 “工频磁场”,以示区别[12-14]。

从国家标准 《电磁辐射防护规定》 (GB 8702-88)到修订为现行的国家标准 《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)为止,均是按频段分列限值,充分突出了电磁强度、频率这两大因素。

2 国家标准 《电磁环境控制限值》(GB 8702-2014)关于交流输变电设施工频电场强度控制限值安全性分析

2.1 制定限值的原则

首先,是以人为本,具有足够的安全性,保障人体健康。

其次,具有经济、技术上的可行性,适合国情,促进电力行业的发展。

再次,吸收国内外先进研究成果,参考国际相关标准,达到环境友好,并具有公正性和科学性。

2.2 工频电场强度控制限值4k V·m-1的安全性

ICNIRP在 《限制时变电场、磁场和电磁场曝露的导则 (300GHz以下)》中指出,对于1Hz—l0GHz频率范围而言,电流密度、全身平均SAR(Specific Absorption Rate,简称比吸收率)和局部暴露SAR基本限值见表4[9]。对于超过l00 m A·m-2的感应电流密度而言,由于将发生 “健康影响”,出于安全考虑,相应4Hz—1k Hz的频率范围内,职业曝露应限制感应电流密度低于10m A·m-2,即安全系数为10。对于公众曝露而言,采用额外的安全系数5,即基本照射限值为2m A·m-2,对应总的安全系数为50。

表4 频率低于10GHz的时变电场和磁场基本限值[9]Table 4 Basic restrictions for time varying electric and magnetic fields for frequencies up to 10GHz[9]

经实验验证,当工频电场方向与人体轴线平行时 (这是影响最大的情况),工频电场强度为5k V·m-1,在躯体内产生感应电流密度值2m A·m-2。这就是国外相关国家对工频电场 (交流输变电)的公众曝露控制限值定为5 k V·m-1的技术依据。

在制订我国国家标准时,考虑到我国人口密度大及国内的研究成果,提出了更为严格的曝露控制限值:工频电场强度为4 k V·m-1。由此可知,其安全系数大于50,具有足够的安全性,应消除曝露达到4 k V·m-1的控制限值就有 “健康影响”的顾虑。

在此附言,关于工频磁场强度曝露控制限值的安全性也具有类似的考虑,其值将远大于工频电场强度相应值,在此不作赘述。

3 世界卫生组织 (WHO)关于 “国际电磁场计划”研究成果的评估结论

针对公众对电磁场健康影响的关注,WHO自1996年开始组织60多个国家及多个国际组织,开展全球性的 “国际电磁场计划”研究,历时十年,已完成了极低频场的全面健康风险评估。并以正式文件发表了 《制定以健康为基础的电磁场标准的框架》[15]和《WHO “国际电磁场计划”的评估结论与建议》[16],现将有关结论摘要如下:

(1)明确推荐作为形成全球标准基础的曝露标准有两项:

①1998年,ICNIRP发布的 《限制时变电场、磁场和电磁场曝露的导则 (300GHz以下)》;

②2002年9月22日,美国电气和电子工程师协会 (IEEE)批准发布的 《IEEE关于人体曝露于0—3k Hz电磁场的安全水平标准》。

其所提出的工频电场强度公众曝露控制限值为5 k V·m-1。上述两文件在确定阈值时均考虑了对生物学影响认知的不充分性,最终的曝露限值包含了与不确定程度成比例的安全因子,如图3所示。

(2)对于公众通常达到的极低频电场水平,不存在实际的健康影响问题。

(3)极低频电场或磁场对神经内分泌系统、心血管系统、免疫和血液系统、生长和生育、癌症等的健康影响均显示证据不足。

(4)当前的研究成果不足以证明需要降低两个导则 (ICNIRP 1998;IEEE 2002)规定的量化曝露控制限值。

图3 采用危害阈值和生物学法的曝露限值确定方法[15]Fig.3 Determination of exposure limits using the hazard threshold and biological approaches[15]

(5)ICNIRP于2010年发布的新导则《限制时变电场和磁场曝露的导则 (1Hz—100k Hz)》中已将工频磁感应强度公众曝露的参照水平改为200μT(原导则为100μT)[17]。

4 结 论

(1)工频电场强度公众曝露控制限值4 k V·m-1对于健康影响的安全系数大于50倍,具有较高的安全性。

(2)虽然在输电线路下接触不接地的导线偶尔会产生麻电、放电等令人不愉快的体验,但其电磁环境影响仍然满足4 k V·m-1的控制限值要求,且留有足够安全裕度。

(3)公众期望的是其所在区域在合理和可行的技术、经济条件下,尽量少发生或不发生 “扰民”现象。因此,建议建设单位能积极履行社会责任,尽可能采取技术措施,避免、减缓、减少上述现象的发生,切忌将4 k V·m-1控制限值确定的距离 “红线”作为输电线路建设的唯一依据。

[1]环境保护部,国家质量监督检验检疫总局.GB 8702-2014电磁环境控制限值[S].北京:中国环境科学出版社,2014.

[2]国家环境保护总局.HJ/T 24-1998 500k V超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范[S].北京:中国环境科学出版社,1998.

[3]国家环境保护总局.GB 8702-1988电磁辐射防护规定[S].北京:中国标准出版社,1988.

[4]卫生部.GB 9175-1988环境电磁波卫生标准[S].北京:中国标准出版社,1988.

[5]李宏,巢哲雄,吕浩,等.我国居民区工频电场限值的合理性分析[J].核安全,2015(03):24-29.

[6]赵亚民.高压输变电工程环境影响报告中几个值得商榷的问题[J].核安全,2010(01):13-18.

[7]邬雄,龚宇清,李妮.确定工频磁场公众曝露限值的分析[J].高电压技术,2009(09):2091-2095.

[8]毛文利,杨新村,李海平.工频电场、磁场及高压输电线路的电场效应[J].浙江电力,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]环境保护部辐射环境监测技术中心,环境保护部核与辐射安全中心,电力系统电磁兼容和电磁环境研究与监测中心.电网环保ABC[M].北京:中国电力出版社,2014.

[11]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 4365-2003电磁兼容术语[S].北京:中国标准出版社,2003.

[12]环境保护部.HJ 24-2014环境影响评价技术导则输变电工程[S].北京:中国环境科学出版社,2014.

[13]环境保护部.HJ 705-2014建设项目竣工环境保护验收技术规范 输变电工程[S].北京:中国环境科学出版社,2014.

[14]环境保护部.HJ 681-2013交流输变电工程电磁环境监测方法(试行)[S].北京:中国环境科学出版社,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.