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照明设备对人体电磁辐射的IEC标准研究
[2012/10/16 14:15:00]   来源:中国之光网   编辑:zhaomingr   评论0
摘要:陈超中 施晓红 刘尔立 陆世鸣 [上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)上海时代之光照明电器检测有限公司 上海 201114] 摘要:当我们关注于环境中存在的各类辐射......

  陈超中 施晓红 刘尔立 陆世鸣


  [上海市质量监督检验技术研究院 国家灯具质量监督检验中心 国家电光源质量监督检验中心(上海)上海时代之光照明电器检测有限公司 上海 201114]


  摘要:当我们关注于环境中存在的各类辐射时会发现,原来我们日常生活中的各类电器都会有电磁辐射,照明设备也是如此。本文分析、揭示了IEC 62493:2009《照明设备对人体电磁辐射的评价》标准的基本思路、测量原理与合格评估准则。


  关键词:照明设备;EMF;IEC 62493


  辐射有电离辐射和非电离辐射之分,其中电离辐射(Ionizing radiation)是指拥有足够高能量、可以把原子电离的辐射,如X、α、β和γ射线。非电离辐射(Non-ionizing radiation)能量较电离辐射弱,非电离辐射不会电离物质。照明设备产生的电磁辐射属于非电离辐射。


  照明设备电磁辐射对人体影响和评价的关键要素包括3个方面:被评价产品的工作频率、人体可以接受电磁辐射的限值、照明设备对人体影响的测量和评价方法。


  不同光源的照明设备有各自的频率范围,如在直流下工作的LED及其灯具、工频(50Hz)下工作的钨丝灯及各类使用电感镇流器的气体放电灯具,以及高频(大于20kHz)下工作的气体放电灯具。


  经过近25年的研究,在1000余篇文献和144本参看书的基础上,2005年电气和电子工程师协会(IEEE,The Institute of Electrical and Electronics engineers.Inc)出版了IEEE C95.1:2005《暴露在无线电频率电磁场3kHz至300GHz对人的安全水平》。在一定安全系数的基础上,根据对人体健康的副作用,该标准对普通公众人群给出了规定暴露的基本限制(BF),在该条件下的人是安全的。但该标准同时提出,由于给出的限值引入了较保守的安全系数,所以超过BF不一定意味着不安全。


  基于不同人体组织或部位对相关频率电磁辐射的敏感度,IEEE C95.1:2005给出了对应的基本限制。


  IEEE C95.1:2005指出,对于近场或再辐射物体,由于电场强度(单位V/m)在近场的场强可能很高,而随着距离拉大又迅速减小,导致的吸收仅是很微小的,而且近场呈现的电磁场能量分布很复杂,所以在近场测量电流强度(mA/m2)更好,能更真实地确定符合标准的程度。


  1、IEC标准的基本思路


  IEC 62493:2009适用于人体暴露于照明设备电磁辐射的评估。评价包括频率介于20 kHz~10 MHz之间的感应电流密度和照明设备周围频率介于100 kHz~300 MHz的比吸收率(SAR)。


  由于照明电器中使用电子控制装置高频工作的产品的设计频率为大于等于20kHz,而无极灯的工作频率在2.51MHz~3MHz之间,该标准的适用频率覆盖了各类照明电器产品。


  2、IEC标准的测量原理


  根据研究结果,电磁辐射对人体的影响主要体现在人体组织的感应电流密度和热效应。电场产生的电流密度(权重0.85)需按IEC 62493:2009测量。磁场产生的电流密度(权重0.15)和热效应需按CISPR 15测量。


  IEC 62311:2007《电子和电气设备对人体电磁辐射(0Hz-300GHz)限制的评价》均质人体的数字模型(如图1所示)研究表明:人体的头部直径为210mm,颈部直径为110mm。


  图1 均质人体的数字模型


  通常认为人体模型头部离照明设备最近,而最大电流密度出现在人体的颈部,测量时使用一个人体模型的头部作为人体的感应部位来测量感应电流,而按人体的颈部直径尺寸来计算感应电流密度。IEC 62493采用了IEC 62311提出的均质人体的头部直径和颈部直径,如图2所示。


  Dhead = 210 mm±5 mm
  Dneck=110 mm


  图2 用作测量装置的导电球直径和用作计算的颈部直径示意图


  感应电流密度的测量装置如图3所示。


  图3 测量装置


  在某一频率fn下,导电球得到一个电压信号V(fn) [V],将电压信号转化为电流信号Icap (fn) [A],转化函数由图1的保护网络确定,除以颈部的面积得到电流密度Jcap (fn) [A/m2],将电流密度Jcap (fn) 除以电流密度限值Jlim (fn)。将20 kHz~10 MHz频率范围的电流密度Jcap (fn) 与Jlim (fn)的比值求和得到因数


  电流密度Jcap (fn)的大小取决于照明设备与导电球之间的寄生电容的大小。图1中测量距离d与寄生电容的大小成反比,两者的关系曲线如图4所示。当测量距离为30cm时,寄生电容为3pF。当测量距离为50cm时,寄生电容为2pF。测量距离d越小,照明设备与导电球之间的寄生电容越大;测量距离d越大,照明设备与导电球之间的寄生电容越小。因此,IEC 62493:2009对不同的照明设备规定了测量距离,如表1所示。


  
  图4 测量距离d与寄生电容C的关系曲线图


  表1 照明设备和测量距离


  图3中的保护网络如图5所示。保护网络的作用是完成从采样的电压信号到EMI接收机50的输入阻抗的匹配。保护网络由人体阻抗组合而成。


  图5 保护网络示例图


  将图4的保护网络简化成图6。


  图6 保护网络电路简化图


  3、IEC 标准的合格评估准则


  评估内容包括20 kHz~10 MHz的感应电流密度和100 kHz~300 MHz的比吸收率(SAR)。


  -100 kHz~300 MHz的比吸收率(SAR)的要求:即应符合GB17743-2007规定的电源端子的骚扰电压、辐射电磁骚扰的要求;


  -20 kHz~10 MHz感应电流密度的要求:测得的20 kHz~10 MHz频率范围内电场产生的感应电流密度与规定的人体电流密度限值作加权计算,得到,标准规定F的限值为0.85。


  根据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)对普通公众暴露于10GHz以下频率时变电场和磁场的基本限制的规定,可以得到如图7所示的一个规定频率的电流密度基本限值Jlim曲线。


  图7 电流密度基本限值曲线


  4、总结


  IEC 62493:2009标准为各类照明设备周边空间电磁场的测量确定了适当的评估方法。评估方法基于ICNIRP:1998和IEEE C 95.1:2005中给出的基本限制。所采用的测量方法模拟照明设备附近人体内的电流密度。


  
  5、参考文献


  [1] IEC 62493:2009 Assessment of lighting equipment related to human exposure to electromagnetic fields


  [2] IEEE C95.1:2005 IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz)


  [3] ICNIRP, Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz). Health Phys. , 1998, vol. 41, no. 4, pp. 449-522


  [4] IEC 62311:2007 Assessment of electronic and electrical equipment related to human exposure restrictions for electromagnetic fields (0 Hz-300 GHz)


  [5] 陈超中 刘尔立 施晓红,“厘清普通照明用自镇流荧光灯产品的辐射标准”

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