电焊机焊接电缆电磁暴露安全评估

蔺 敏 逯 迈 魏孔炳 孙军民 杜庆中

1（兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室 兰州730070）

2（中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司 兰州730050）

20 世纪70 年代，苏联学者Korobsova 提出低频电磁场可能对人的身体健康产生影响［1］；2003年英国科学家Attwell 通过研究低频磁场对视网膜神经系统造成的影响，设定了神经组织安全暴露的感应电场的大小限值［2］。近几十年来，电磁暴露及其所产生的生物效应已成为生物电磁学的研究热点［3-4］，如核磁共振梯度线圈电磁辐射［5］、手机及手机基站的电磁辐射［6］、特高压交流输电线路电磁暴露［7］、地铁站台电磁暴露［8］、纯电动汽车动力电缆电磁暴露［9］等，复杂电磁环境对从业人员的健康影响逐渐引起公众的重视。

2007 年， 世 界 卫 生 组 织（World Health Organization，WHO）向各成员国推荐使用国际非电离辐射防护委员会（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP） 的《限制时变电场、磁场和电磁场暴露导则》（ICNIRP1998）［10］。2010年，根据“国际电磁场计划”的评估结果和新的科学进展，ICNIRP 修订了针 对 100 kHz 以 下 频 段 的 新 标 准（ICNIRP2010）［11］。美国电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）也在2007 年推出了0～3 kHz 频段内的人体电磁暴露相关标准［12］。2014 年，我国国家环保部与国家质量监督检验检疫总局发布了《GB8702-2014电磁环境控制限值》，这一标准替代了1988年颁布的《GB8702-1988 电磁辐射防护规定》，确定了电磁辐射的国家标准［13-14］。

焊接技术在各行业均有大量需求，焊接操作通常伴随着大电流，有的输出电流甚至要达到3 000 A 以上，当电流通过焊接线缆时，根据电流大小不同会在线缆周围产生强度不同的电磁场，从而会对从业人员造成安全隐患，这已引起社会和各专业领域的重视。各国科研单位针对焊接过程中所产生的电磁暴露问题的研究已有部分成果，Jorgen等［15］对一个造船厂的50名焊接工人电磁暴露情况进行长期观察测量，实验结果表明：焊工通常每日至少会受到2 mT 以上的极低频（Extremely low frequency，ELF）磁场暴露；欧洲对悬挂式手操作电阻焊枪操作者的某几种焊接姿势的电磁环境进行计算［16］；北京工业大学宋永伦教授团队［17］对于焊接时空间场的电磁环境做了系统的测量分析。

近年来，对焊接电磁暴露问题研究多借助测量手段进行分析，这只能得到空间磁场的分布情况，不能解决焊接时人体生物组织的电磁场分布问题。本文不单使用测量手段，还运用电磁计量学的方法，建立实际的人体模型，将仿真结果与测量结果进行对比，量化分析了焊接时对从业者产生的身体影响，评估了焊工操作时的健康安全问题，同时也可以为焊接操作规范提供一定的参考。

1 方法

1.1 基于ANSYS的有限元求解原理

虽然可以测量得到焊接设备产生的磁场情况，但我们无法对直接暴露在焊接环境中的人体内部感应电磁场进行测量，所以用有限元方法来计算低频磁场对人体的健康影响是一种经典有效的方法。ANSYS 软件以麦克斯韦方程组作为电磁场分析的出发点。 根据麦克斯韦方程组（式（1）～（4））。

式中：μ为磁导率；ε为介电常数；σ为电导率。求解低频磁场时，用ANSYS仿真软件计算出磁场强度H→，根据式（5）即可求得焊接环境所产生的磁感应强度B→。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（Finite element analysis， FEA）软件，是世界范围增长最快的计算机辅助工程（Computer aided engineering， CAE） 软 件 ，ANSYS 电磁场分析以Maxwell 方程组作为电磁场分析的出发点。有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS 计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量［18］。本文借助ANSYS 的参数化设计语言（ANSYS parametric design language，APDL）模块进行分析。

1.2 焊接电缆周围空间磁场测量方法

为了精确测量焊接环境范围内磁感应强度的频谱分布，本文采用德国NARDA公司的EHP-50F低频探头进行实地测量，EHP-50F探头用于精确测量电场和磁场，测量范围为0.3 nT～100 μT，测量频率为1 Hz～400 kHz。测试焊接电源型号是WS-500，电流输出范围为10～500A，空载电压约为70 V，仅测量一条焊接电缆附近的磁感应强度。测量选用电缆长度为5 m，我们在距离地面1.1 m 处的平面内，以EHP-50F 探头测量架空的一条焊接电缆产生的磁感应强度，焊接电缆测量如图1所示。

图1 EHP-50F低频探头焊接电缆低频测量Fig.1 Measuring welding cables with EHP-50F low frequency measuring detector

1.3 ICNIRP职业暴露限值

20世纪90年代以来，ICNIRP通过与其他全球范围内的组织和国家机构等广泛合作和对相关科学文献的评估，制定了有关时变电场磁场的电磁暴露的ICNIRP 导则［11］，ICNIRP 的职业暴露参考限值是频率映射的函数，如表1所示。

表1 ICNIRP的职业暴露标准限值Table 1 Reference levels for occupational exposure to time-varying electric and magnetic fields

焊接环境中，焊接电缆产生的是几万赫兹的低频磁场。由表1可以看出，在焊接电缆所产生的磁场频段，职业暴露限值应当为100 μT。

1.4 建立人体模型

首先在ANSYS 软件中建立人体模型，三层球头模型由半径分别为0.085 m、0.090 m、0.100 m的3个球体构成，这3个球体分别组成了人体的头皮、颅骨、和大脑；颈部用高为0.200 m、半径为0.075 m 的圆柱体组成，颈部与头部有重叠部分；上身长为0.450 m，由两个半圆柱体及一个长方体组成；手臂设置高为0.600 m，半径为0.0375 m 的圆柱体；腿部长为0.900 m，由两段长为0.450 m的圆锥体分别代表大腿与小腿部分；脚的形状简化为两个圆柱体和一个长方体。人体身高参照笔者自身，总身高为1.710 m。在对人体进行有限元剖分时，先设置单元大小，再采用Smartsize 自动网格划分工具，生成形状合理的网格单元，人体模型和网格剖分见图2。

图2 人体模型和网格剖分Fig.2 ANSYS finite element in human body

1.5 ANSYS实现过程

从焊接过程对人体的电磁暴露情况的仿真而言，由于焊接电机离人体较远，根据已有的测量结果，焊接电源周围0.2 m 处磁感应强度约为5 μT，而焊接时操作人员距离电源远大于0.2 m。所以，仿真时主要考虑电缆与周围环境的几何模型的建立，以及焊接过程中焊接电缆周围的磁场分布。

首先，对电磁环境模型进行简化，将其假设为一个半径为2 m，高为6 m 的圆柱体空气腔；取架空的一条焊接电缆，使其距地面高度与人体腰部等高，视为长直导线，导线长设置为5 m，半径为0.005 m。实验模型包括人体、工件以及周围的介质（如空气）。根据实验方案设计，焊接电缆距离人体的位置是变化的，本文主要模拟了不同输出电流时分别距离焊接电缆0 m 和0.1 m 时的磁场情况。模型透视图如图3所示。

其次，利用ANSYS 有限元软件的低频电磁场分析功能，对实验环境模型进行有限元网格划分，剖分后网格单元数量约270万个，施加电流载荷并设置边界条件，选择低频静态磁场分析功能对焊接电流谐波产生的磁场分量进行分析计算。由于网格数量较多，计算量较大，在进行求解时，计算机存储容量需在16 GB 以上，计算时间需0.5 h以上，最后得到电极周围和人体内的磁感应强度值。

图3 ANSYS实验模型透视图Fig.3 ANSYS experimental model perspective

2 焊接电缆空间场测量

测量焊接电缆时，我们考虑了多种电流时的磁场变化情况，其中以100 A、400 A与500 A得到相对有代表性的测量结果，因为测量现场焊接时最常用的焊接电流为100 A，而部分焊机额定输出电流为400 A，受测焊机额定电流为500 A。测量时我们发现频率在41.1 kHz时，焊接电缆产生的磁感应达到峰值。

贴近焊接电缆测量结果显示，焊接电缆产生的磁感应强度峰值在频率为41.1 kHz处，表2为贴近焊接电缆时的部分测量数据（以下数据均为6个记录点的平均值）。

由表2 可以看出，当输出电流为500 A 时，焊接电缆产生的磁感应强度占ICNIRP 限值的62.10%。小于ICNIRP的磁感应强度标准限值，当输出电流更小时，测得的磁感应强度更小，因此焊接电缆贴近人体时不会产生健康风险。

表2 焊接电缆附近磁感应强度测量结果Table 2 Measurement results near the welding cables

距离焊接电缆0.1 m时测量结果显示，焊接电缆产生的磁感应强度峰值频率亦在41.1 kHz处，表3 为距焊接电缆0.1 m 时的部分测量数据（以下数据均为6个记录点的平均值）。

表3 距焊接电缆0.1 m处磁感应强度测量结果Table 3 Measurement results of magnetic flux density at a distance of 0.1 m from the welding cable

由表3 可以看出，当测点在离焊接电缆0.1 m处，测得的磁感应强度最大为16.85 μT，占ICNIRP标准限值的16.85%，不会对人体产生不良影响。

3 仿真结果分析

针对焊接电缆距人体的不同位置进行磁感应强度分析，考虑到实际操作，以贴近人体处和距人体0.1 m 处为例，结果如图4 所示。由图4 可以看出，焊接时输出电流所产生的磁场对人体的影响与距离有关，当输出电流为500 A，电缆贴近人体腰部时，焊接电缆所产生的磁通量密度约为63.36 μT，小于ICNIRP限值100 μT，在ICNIRP标准范围内。当焊接电缆离人体手臂0.1 m时，焊接电缆产生的磁感应强度有明显下降，在距离焊接电缆为0.1 m 的手腕处，磁感应强度为15.73 μT，占ICNIRP标准100 μT的15.73%，不会对人体造成健康风险。

图4 输出电流为500 A时，焊接电缆贴近人体（a）与离人体0.1 m（b）时的磁感应强度分布图Fig.4 Distribution of magnetic flux density when the welding cable is close to the human body(a)and 0.1 m away from the human body(b)when the output current is 500 A

根据仿真结果显示，当电流载荷加为400 A时，得出磁感应强度为53.01 μT，这占ICNIRP 标准100 μT 的53.01%，相对于500 A 时焊接电缆产生的磁感应强度有明显下降，不会对人体造成健康风险。当焊接电缆离人体手臂0.1 m时，给焊接电缆施加400 A的焊接电流，仿真得出其磁感应强度为13.11 μT，在ICNIRP 限值范围内。仿真结果如图5所示。

图5 输出电流为400 A时焊接电缆贴近人体（a）与离人体0.1 m（b）时人体内部磁感应强度分布图Fig.5 Distribution of magnetic flux density inside the human body when the welding cable is close to the human body(a)and 0.1m away from the human body(b)when the output current is 400 A

除研究输出电流为500 A、400 A 时人体内部的磁感应强度之外，我们再依次给焊接电缆模型施加200 A、100 A 的电流，结果如表4 和表5 所示。表4为焊接电缆紧贴人体时人体内部磁场仿真结果，表5 记录了焊接电缆距人体0.1 m 时人体内部磁场仿真结果。

表4 焊接电缆紧贴人体时人体内部磁场仿真结果Table 4 Magnetic field simulation results of welding cable close to human body

表5 焊接电缆距人体0.1 m时人体内部磁场仿真结果Table 5 Simulation results when the welding cable is 0.1m from the human body

4 结果讨论

4.1 实测数据与仿真数据比对

为了保证两组数据的有效性，我们将两种实验的结果数据用折线图进行比较，见图6。由图6可以看出，仿真实验的结果是相对接近实测数据的，测量结果与仿真结果的误差在10%以内，证明实验数据是可靠的。

图6 实测与仿真实验数据对比折线图Fig.6 Line charts of measured and simulated experimental data comparison

4.2 实验结果与ICNIRP标准比较分析

从实验结果看，焊接电缆产生的磁场频率比较高，为41.1 kHz，ICNIRP 标准规定该频段的磁感应强度参考限值是100 μT，在100 A 电流输出时，贴近电缆的位置磁感应强度在该频率点为10.92 μT 左右，而当电流增大，达到500 A 时，磁感应强度增大到62.10 μT，未超出ICNIRP 的安全限值100 μT，这样的磁场环境，对人体不会产生健康影响。

4.3 存在的问题及意义

本文量化分析了焊接过程中焊接电缆的电磁场在人体内部产生的影响，较之国内外研究，利用ANSYS仿真实验更直观地体现了焊接电缆的磁场在人体内部的分布情况，且借助测量手段，验证了结果的可靠性。结果显示：小型直流焊机的辐射情况较为乐观，不会对焊接工作者产生健康风险。但我们只研究了直流焊机额定电流在500 A以内的情形，对于输出电流更高的焊机并未深入，对于其他种类焊机，如交流型焊机的情况，也没有进一步探究。

5 结论

（1）既利用测量手段，又模拟人体内部受到的辐射情况，将两种实验数据进行对照分析，根据分析结果可以看出，ANSYS 仿真模拟是有效的实验方法，在条件有限的情况下，我们可以利用仿真软件分析实验。

（2）从实验结果看，焊接时，焊接电缆产生的磁场频率较高，在0～500 A的额定范围内，根据实验结果，在达到额定电流500 A时，焊接电缆产生的磁感应强度达到峰值。紧贴焊接电缆时，测得的磁感应强度为62.10 μT，占ICNIRP 职业暴露安全限值的62.10%，仿真结果显示焊接电缆贴近人体时人体内部所产生的磁感应强度为63.36 μT，占ICNIRP 职业暴露安全限值的63.36%，均小于ICNIRP 参考限值100 μT。而随着电流减小，焊接电缆所产生的磁感应强度也随之减小，不会对从业者产生健康风险。

（3）当测量点据焊接电缆0.1 m时，测得输出电流为500 A 时，磁感应强度减小为16.85 μT，占ICNIRP职业暴露安全限值的16.85%，此时仿真结果显示人体内部磁感应强度为15.73 μT，占ICNIRP 职业暴露安全限值的15.73%，小于ICNIRP 参考限值100 μT。根据实验结果，随着焊接电缆距人体距离的增大，在人体内部产生的磁感应强度也在逐渐减小。

研究表明，焊接时焊接电缆在人体内部产生的磁感应强度小于ICNIRP职业暴露参考限值，说明焊接操作时，不会对从业者产生健康风险。本文研究了额定电流在500 A之内的直流焊机的电磁暴露情况，随着焊接技术的不断发展，更大输出电流焊机的电磁暴露情况需要进一步探究。