物理性污染控制-第四章-电磁污染及其控制

物理性污染控制 主编陈杰瑢 第四章电磁辐射污染及其防治 第一节概述 第二节电磁辐射基础 第三节电磁辐射防护标准 第四节电磁辐射污染防治技术 第四章 第一节概述 一 电磁环境和电磁辐射污染 二 电磁辐射污染源 三 电磁辐射污染的危害 一 电磁环境和电磁辐射污染 电磁环境定义 某个存在电磁辐射的空间范围 特点 电磁辐射是以电磁波的形式在空间环境中传播的 不能静止地存在于空间某处 人类工作和生活的环境充满电磁辐射 电磁辐射污染是指人类使用产生电磁辐射的器具而泄露的电磁能量流传播到室内外空气中 其量超出环境本底值 且其性质 频率 强度和持续时间等综合影响而引起周围人群的不适感 并使健康和福利受到损害 二 电磁辐射污染源 一 电磁辐射污染源的种类 二 电磁辐射体与电磁辐射的产生 一 电磁辐射污染源的种类 表4 2人工电磁场源分类 自然电磁场源 雷电 火山活动 太阳活动和宇宙射线 自然电磁场源 家用电器 人工电磁场源 电子设备 大功率输电线 人工电磁场源 二 电磁辐射体与电磁辐射的产生 电磁辐射体定义 能产生电磁辐射的物体 电力系统工业设备电气化铁道系统及设备广播电视和微波发射系统及设备电磁冶炼系统及电加热设备等 电磁辐射的产生电磁辐射是一种物理现象 是能量以电磁波形式由源发射到空间的现象 输出功率100kW 频率200 300kHz的高频冶炼机电磁辐射 表4 3 表4 3冶炼机作业区电磁辐射产生状况 三 电磁辐射污染的危害 对人体健康危害的影响因素 三 电磁辐射污染的危害 周围环境 受体差异 辐射源 频率 波长 电磁场强度 波形 照射时间 与辐射源距离 累计频次 波长对生物效应的影响 表4 4 受检人员症状百分比与场强关系统计 表4 5 场强 电磁波作用于人体的机理 案例介绍 在斯德哥尔摩市 生活在高压输电线区域内的市民 因磁通密度B 3mG 毫高斯 癌症发病率为其他地区的3 8倍 1991年英国劳达公司一架民航机不幸坠毁 电磁辐射酿成了这场大祸 环境保护报 1993年 瑞典等北欧三国的研究调查公布 长期受到2mG以上的电磁辐射影响 罹患白血病的机会是正常人的2 1倍 罹患脑肿瘤的机会是正常人的1 5倍 一 电场与磁场 二 电磁场与电磁辐射 三 射频电磁场 四 电磁辐射的量度单位 第二节电磁辐射基础 一 电场与磁场 一 电场与磁场 二 电磁场与电磁辐射 电磁辐射 电磁场以一定速度在空间传播过程中不断向周围空间辐射能量 此能量称为电磁辐射 亦称电磁波 一 电场与磁场 二 电磁场与电磁辐射 三 射频电磁场 四 电磁辐射的量度单位 第二节电磁辐射基础 二 电磁场与电磁辐射 一 电磁波的周期 T 频率 f 波长 和波速 V 二 场区分类及其特点 三 电磁场的能量 四 电磁波的传播特性 周期 电磁波发生一次全振动所需要的时间 单位s 秒 频率 电磁场每秒振荡的次数 单位Hz 赫兹 常用单位还有kHz 千赫 MHz 兆赫 或GHz 千兆赫 周期与频率互为倒数103MHz 106kHz 109Hz 一 电磁波的周期 T 频率 f 波长 和波速 V 波长 电磁波在一个周期内所经过的距离 单位有nm 纳米 m 微米 或m 米 等 换算关系1m 103mm 106 m 109nm 波速 v 电磁波在介质中的传播速度 4 1 真空光速c0 2 993 108m s 3 108m s 相对介电常数 相对导磁系数 讨论 在同一介质中 电磁波传播速度是不变的 故波长与频率成反比 定义空气的 r和 r的值均为1 则电磁波在空气中的波长和频率的关系可简化为 4 2 二 场区分类及其特点 电场强度E与磁场强度H间无定量比例关系 近区场电磁场强度比远区场要大得多 且衰减速度快 近区场电磁感应现象与场源密切相关 近区场不能脱离场源而独立存在 电场强度与磁场强度的定量关系 电场E与磁场H互相垂直 且都与传播方向垂直 远区场电磁辐射强度随距离衰减比近区场缓慢 4 3 电场的能量 用电场各点的能量密度表示磁场的能量 用磁场各点的能量密度表示电磁场的能量 等于上述二者之和 三 电磁场的能量 4 5 4 6 4 7 四 电磁波的传播特性 1 电场分量与磁场分量 2 电磁波的传播方向 3 波的极化 4 电磁波在不同介质中的衰减 5 电磁波的反射和透射 6 电磁波的相速与群速 7 电磁波谱 作简谐振动的平面电磁波沿z方向传播时 x方向的电场强度Ex为 1 电场分量与磁场分量 4 8 其中 y分量的磁场Hy为 4 9 其中 介质的本征阻抗 电场强度E和磁场强度H互相垂直的关系用右手螺旋法则描述 即右手四指由电场强度方向转向磁场强度方向时 垂直伸直的大拇指的方向即为电磁波的传播方向 电磁波的传播方向用矢量S表示 S E H 4 10 2 电磁波的传播方向 波的极化 指电场E的取向 类型 由电场的方向来决定电场的水平分量和垂直分量的相位相同或相反时为直线极化波 电场的水平分量和垂直分量振幅相等 而相位相差90 或270 时为圆极化波 电场两个分量的振幅和相位都不相等 则为椭圆极化波 3 波的极化 4 电磁波在不同介质中的衰减 均匀介质 如空气 中 无能量损耗 电磁波的波形不随距离改变 电场和磁场在时间上同相 在空间上互相垂直 均作正弦函数的周期性变化 而且也都与传播方向垂直 图4 1 电磁波在无损介质中的衰减 4 电磁波在不同介质中的衰减 金属等传导介质中 自由电子在电磁场的作用下定向运动形成电流 引起电磁波能量的损耗 衰减 电磁波只在传导介质的表面层或界面上传播 波形为衰减正弦波 图4 2 电磁波在有损介质中的衰减 4 电磁波在不同介质中的衰减 趋肤厚度 穿透深度 电磁波能够穿入金属的深度 电磁波在有损介质中的衰减 4 11 式中 介质的电导率 介质的磁导率 频率越低 进入良导体的厚度即穿透深度越大 5 电磁波的反射和透射 电磁波传播至分界面时 发生反射和透射 图4 3电磁波的反射和透射 反射系数传输系数 又称透射系数 5 电磁波的反射和透射 当平面波在理想导电平面上垂直入射时 4 12 4 13 6 电磁波的相速与群速 电磁波的角频率 rad s 7 电磁波谱 电磁波 无线电波 红外线 可见光 紫外线 x射线和 射线等 的频率 或波长 不同 按其频率 或波长 的大小 依次排列谱图即成电磁波谱 图4 4电磁波谱图 一 电场与磁场 二 电磁场与电磁辐射 三 射频电磁场 四 电磁辐射的量度单位 第二节电磁辐射基础 三 射频电磁场 射频电磁场 高频电流周围形成的高频率电场和磁场 也称高频电磁场 每秒振荡十万次以上的交流电 表4 6射频电磁场的频段 三 射频电磁场 射频电磁场 高频电流周围形成的高频率电场和磁场 也称高频电磁场 表4 6射频电磁场的频段 应用于无线电广播 三 射频电磁场 射频电磁场 高频电流周围形成的高频率电场和磁场 也称高频电磁场 表4 6射频电磁场的频段 应用于无线电广播 电视 三 射频电磁场 射频电磁场 高频电流周围形成的高频率电场和磁场 也称高频电磁场 表4 6射频电磁场的频段 应用于无线电广播 电视 微波技术 表示电场中各个点电场的强弱和方向的物理量 用单个电荷在电场中所受到的力的大小来衡量 单位 V m 伏 米 mV m 毫伏 米 或 V m 微伏 米 四 电磁辐射的量度单位 磁场强度的大小在数值上等于该点单位磁极所受力的大小 单位 A m 安 米 mA m 毫安 米 A m 微安 米 四 电磁辐射的量度单位 射频电磁场频段不同 测量采用的单位不同 四 电磁辐射的量度单位 高频 100kHz 30MHz 甚高频 30 300MHz V m mV m V m或dB 分贝 特高频微波领域 300MHz 单位 功率密度W cm2 mW cm2或 W cm2 定义 两个或两个以上频率的电磁波复合在一起的场强 计算式 4 16 式中 E 复合场强 V m E1 E2 En 各频率对应的电磁场强 四 电磁辐射的量度单位 一 电磁辐射评价标准及相关计算方法 二 电磁辐射评价测量范围 第三节电磁辐射防护标准 一 电磁辐射评价标准及相关计算方法 一 我国电磁辐射标准 二 国际电磁辐射标准简介 作业场所电磁辐射安全卫生标准 电磁辐射环境安全卫生标准 干扰控制标准 一 我国电磁辐射标准 一 我国电磁辐射标准 1 电磁辐射防护规定 GB8702 88 2 环境电磁波卫生标准 GB9174 3 88 3 作业场所微波辐射卫生标准 GB10346 89 4 作业场所超短波辐射卫生标准 GB1043 89 5 作业场所工频电场卫生标准 GB16203 1996 6 工业企业设计卫生标准 GBZ1 2002 7 国家军用标准 国家环保总局和国家技术监督局联合发布增加了SAR 比吸收率 剂量的内容规定在24h以内任意连续6min的平均SAR应小于0 02W kg 职业照射导出限值 表4 7 公众照射导出限值 表4 8 1 电磁辐射防护规定 GB8702 88 1 电磁辐射防护规定 GB8702 88 表4 7职业照射导出限值 150 0 40 0 5 0 0015 系平面波等效值 供对照参考 供对照参考 不作为限值 表中f是频率 MHz 表中数据作了取整处理 1 电磁辐射防护规定 GB8702 88 表4 8公众照射导出限值 150 0 40 0 5 0 0015 系平面波等效值 供对照参考 供对照参考 不作为限值 表中f是频率 MHz 表中数据作了取整处理 本标准还规定对于一个辐射体发射几种频率或存在多个辐射体时 其电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内的平均值之和 应满足Ai j 第i个辐射体受j频段辐射的辐射水平 Bi j l 对应于j频段的电磁辐射所规定的照射限值 1 电磁辐射防护规定 GB8702 88 4 16 SAR值 能流密度 s P A P 4 L2 L为手机与人体的距离 吸收功率 p s S S为人体接受辐射的表面积 SAR p m m为接受辐射的人体组织的质量 SAR PS 4 L2m Kp L2 适用范围 适用于一切人群经常居住和活动场所的环境电磁辐射 不包括职业辐射和射频 微波治疗需要的辐射 内容 二级容许限值 表4 9 I级标准安全区 老弱病残孕婴儿公众在此区环境中长期居住生活 不受电磁辐射影响的区域 II级中间区 长期居住生活在此区 有可能对易感人群引起某些不良反应或影响 故必须加以限制 2 环境电磁波卫生标准 GB9174 3 88 表4 9环境电磁波卫生标准 GB9174 3 88 适用范围 接触微波辐射的各类作业 除居民所受环境辐射及接受微波诊断或治疗的辐射外 内容 规定了作业场所微波辐射卫生标准及测试方法 此标准规定的内容相对较多 详细可参见标准原件 GB10346 89 主要内容 表4 10 3 作业场所微波辐射卫生标准 GB10346 89 表4 10作业场所微波辐射卫生标准 GB10346 89 内容 规定了作业场所超高频辐射 30 300MHz 的容许限值及测试方法 表4 11 4 作业场所超短波辐射卫生标准 GB1043 89 表4 11 作业场所超短波 30 300MHz 辐射卫生标准 GB10437 89 内容 作业场所工频电场8小时最高容许量为5kV m 因工作需要必须进入超过最高容许量的地点或延长接触时间时 应采取有效防护措施 带电作业人员应该在 全封闭式 的屏蔽装置中操作 或应穿包括面部的屏蔽服 5 作业场所工频电场卫生标准 GB16203 1996 6 工业企业设计卫生标准 GBZ1 2002 主要内容 1 防非电离辐射 射频辐射 生产工艺过程防止电磁辐射能的泄漏措施 工作地点微波辐射强度卫生限值 短时间接触时辐射强度卫生限值 高频电磁辐射工作地点辐射强度卫生限值 产生非电离辐射的设备的屏蔽措施 6 工业企业设计卫生标准 GBZ1 2002 主要内容 2 工频超高压电场的防护 产生工频超高压电场的设备防护措施 产生工频超高压电场的设备安装地址 位置 的选择与辐射强度限值 从事工频高压电作业场所的电场强度限值 超高压输电设备的屏蔽要求 超短波辐射作业区安全限值 GJB1002 90 7 国家军用标准 表4 14 超短波 30 300MHz 辐射作业区安全限值 GJB1002 90 当在脉冲条件下工作电场强度大于10V m 在连续波条件下工作电场强度大于14V m时 都必须采取有效防护措施 如实测数据以平均功率密度表示时 须将数据按下式换算成等效值 式中 E为电场强度 单位为V m Pd为功率密度 单位为W m 水面舰艇磁场对人体作用安全限值 GJB2779 96 7 国家军用标准 生活舱 系包括居住舱 会议室 餐厅等生活与休息舱室 一般工作舱 指除强磁场设备舱以外的各种作业舱室 表4 15 水面舰艇磁场对人体作用安全限值 GJB2779 96 1 工频电场卫生标准 2 工频磁场卫生标准 3 射频电磁辐射标准 4 无线通信标准 5 磁场标准 二 国际电磁辐射标准简介 表4 16各国工频电场强度限值 1 工频电场卫生标准 目前约有20个国家制定了工频电场电磁辐射标准 多数标准是推荐值 表4 17IRPA INIRC50 60Hz电磁场限值 2 工频磁场卫生标准 国际辐射防护协会所属国际非电离辐射委员会 IRPA INIRC 于1990年向各国推荐频率为50 60Hz电场和磁场限值临时导则 2 工频磁场卫生标准 4 19 职业照射 受照射时间t与电场强度E的关系为 公众照射 磁通量密度 1mT时 受照射时间容许值限制在每天数分钟以内 且此时体内感应电流密度 2mA m 表4 18IRPA射频电磁辐射职业暴露限值 3 射频电磁辐射标准 国际辐射防护协会 IRPA 对射频电磁辐射标准的修改 1988年 表中f为频率 MHz 表4 19IRPA射频电磁辐射公众暴露限值 3 射频电磁辐射标准 表中f为频率 MHz 4 无线通信标准 无线通信容许限值 为保护无线通信环境中工作和生活的职业人群和公众人群的安全与健康的限值 国际非电离辐射防护委员会 ICNPR 制定的无线通信标准被世界卫生组织和越来越多的国家 地区逐步采用 国外研究机构已有研究报道 对恒定磁场职业暴露标准提出了一些建议或推荐限值 但尚未得到公认 仅具有参考价值 我国在磁场暴露卫生标准方面研究较少 5 磁场标准 表4 20电磁辐射评价测量范围 二 电磁辐射评价测量范围 一 电磁辐射防护基本原则 二 电磁辐射防治的基本方法 三 电磁辐射防治技术 四 电磁辐射控制应用实例 第四节电磁辐射污染防治技术 一 电磁辐射防护基本原则 目标 抑制电磁辐射源具体做法 设备的合理设计 加强电磁兼容性设计的审查与管理 做好模拟预测和危害分析工作等 主动防护与治理被动防护与治理 目标 防护被辐射方具体做法 采用调频 编码等方法防治干扰 对特定区域和特定人群进行屏蔽保护 在泄漏和辐射源层面采取防护措施特点 着眼于设备的电磁漏场和电磁漏能减少 使泄漏到空间的电磁场强度和功率密度降低到最小程度 根据上述电磁辐射防护技术原则 电磁辐射防护形式分为两大类 在作业人员层面 包括工作环境 采取防护措施特点 着眼于增加电波在介质中的传播衰减 使到达人体的场强和能量水平降低到卫生标准以下 二 电磁辐射防治的基本方法 一 屏蔽 1 屏蔽的分类 2 电磁场屏蔽机理 3 电磁屏蔽室的设计制作 1 屏蔽的分类 屏蔽 采取一切可能的措施将电磁辐射的作用与影响限定在一个特定的区域内 1 屏蔽的分类 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 1 屏蔽的分类 场源位于屏蔽体之内限制场源对外部空间的影响 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 场源位于屏蔽体之外用于防治外界电磁场对屏蔽室内的影响 1 屏蔽的分类 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 1 屏蔽的分类 采取一定的措施以消除电磁感应的影响 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 1 屏蔽的分类 利用静电场的特性 使电力线终止于屏蔽体的表面上 抑制电场的干扰 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 1 屏蔽的分类 用高磁导率材料制成的磁屏蔽体将磁场封闭在内 屏蔽分类 1 按照屏蔽的方法 2 按照屏蔽的内容 主动场屏蔽 被动场屏蔽 电磁屏蔽 静电屏蔽 磁屏蔽 1 屏蔽的分类 实际防治工作中采用最多 依靠屏蔽体的反射和吸收起作用 实现电磁场的屏蔽 在屏蔽体表面部分电磁波被反射回空气介质中 部分穿透屏蔽体的电磁波因电损耗 磁损耗及介质损耗而被吸收 2 电磁场屏蔽机理 3 电磁屏蔽室的设计制作 电磁屏蔽室结构类型 板型屏蔽室 网型屏蔽室 由若干块金属薄板制成 毫米波段只能采用此类屏蔽室 由若干块金属网或板拉网等嵌在金属骨架上装配或焊接制成 电磁屏蔽室 二 人工光环境的评价 影响电磁屏蔽室屏蔽效果的因素 1 孔洞及缝隙 2 屏蔽材料 4 混合屏蔽及天线效应 3 空腔谐振 5 辐射源 二 人工光环境的评价 屏蔽室结构设计一般要求 1 屏蔽材料的选择必须选用导电性和透磁性高的材料 铜 铝 铁均具有较好的屏蔽效能 超短波和微波频段 一般采用屏蔽材料与吸收材料制成复合材料 二 人工光环境的评价 屏蔽室结构设计一般要求 2 屏蔽结构的设计尽量减少不必要的开孔 缝隙及尖端突出物 孔洞上接金属套管可减小孔洞的影响 套管与孔洞周围要有可靠的电气连接 孔洞的尺寸要小于干扰电波的波长 每条焊缝都应做到电磁屏蔽 二 人工光环境的评价 屏蔽室结构设计一般要求 3 屏蔽厚度的选用接地良好时 屏蔽效率随屏蔽厚度的增加而增高 鉴于射频 特别是高频波段 的特性 厚度无需无限制地增加 二 人工光环境的评价 屏蔽室结构设计一般要求 4 屏蔽网孔大小 目数 及间距的确定对于中 短波 网孔目数小些即可保证屏蔽效果 对于超短波 微波 屏网目数一定要大 适当增大屏蔽体与场源的间距 可提高屏蔽效果 将场源屏蔽体或屏蔽体部件内感应电流加以迅速引流以形成等电势分布 避免屏蔽体产生二次辐射 是实践中常用的一种方法 射频接地 将设备屏蔽体和大地之间 或者与大地上可视为公共点的某些构件之间 采用低电阻导体连接起来 形成电气通路 使屏蔽系统与大地之间形成一个等电势分布 高频接地 二 接地技术 1 接地抑制电磁辐射的机理 2 接地系统的设计与实施 图4 15接地系统结构组成 射频设备 接地线 接地极 2 接地系统的设计与实施 2 接地系统的设计与实施 2 接地极 接地极的结构设计型式 埋置接地铜板 埋置接地格网铜板 埋置嵌入接地棒 竖立埋 横立埋 平埋 埋置接地铜板 将约2m2的铜板埋在土壤中 接地线良好地连接在接地铜板上 埋置接地铜板 竖立埋 图4 6 图4 6竖立埋铜板 埋置接地铜板 横立埋 图4 7 图4 7横立埋铜板 埋置接地铜板 平埋 图4 8 图4 8平埋铜板 埋置接地格网铜板 图4 9 在一块2m2的铜板上立焊 字形铜板 使其成为格网结构 而后埋入土壤中 埋置接地格网铜板 图4 9 图4 9接地格网铜板 埋置嵌入接地棒 图4 10 一般将长度为2m 直径为5 10cm的金属铜棒或铁棒打进土壤中 或挖坑埋置 然后将各接地棒上端连接在一起 并与屏蔽体相连接 埋置嵌入接地棒 图4 10 图4 10接地棒埋置示意图 多片 根 单一接地极之间的屏蔽问题 板与板 或棒与棒 间存在着相互屏蔽效应 接地极附近的土壤得不到充分利用 泄流面积变小 流散电阻变大 复合接地极中的各个单一接地体间距要大 考虑到施工方便 一般以3m 5m间距为宜 2 接地系统的设计与实施 3 单点接地与多点接地通常采用单点接地 对射频设备本身进行 接地 处理 采用多点接地 对射频场源本身实行屏蔽无论采取单点接地或多点接地 都须注意接地体本身所具有的天线效应问题 2 接地系统的设计与实施 射频接地系统设计时的注意点 接地线要尽可能短 以保证接地系统的阻抗足够低 要保证接地系统有良好的作用 接地应避开1 4波长的奇数倍 无论何种接地方式都要求有足够厚度 以维持一定的机械强度和耐腐蚀性 3 接地效果 中 短波段 接地对电场屏蔽效果的影响很大 对磁场屏蔽效能则无明显影响 表4 21 短波段 特别是20 30MHz频段以上 接地作用不太明显 表4 22 微波段 屏蔽接地作用更小 三 滤波 1 滤波的机理 机理 在电磁波的所有频谱中分离出一定频率范围内的有用波段 作用 保证有用信号通过的同时阻截无用信号通过 是抑制电磁干扰最有效手段之一 2 滤波器 功能 具有分离频带作用的无源选择性网络 能够从输入端 或输出端 电流的所有频谱中分离出一定频率范围内有用电流的能力 可有效对付电磁干扰信号的传导和某些辐射干扰注意点 电源网络的所有引入线在屏蔽室入口处必须装设滤波器 若导线分别引入屏蔽室 则要求对每根导线都必须进行单独滤波 2 滤波器 3 滤波器的设计要点 1 截止频率的确定选定原则 为保证得到尽可能大的衰减常数 截止频率一定要取低些 2 阻抗的确定选定原则 在保证最大衰减值的条件下 滤波器的对象阻抗要取最小数值 3 阻频带宽的确定选定原则 为了获得较宽的阻抗带 k值的选择必须大一些 k为 型网络的旁路电容