1、民用建筑电磁环境卫生问题分析与探讨 邓灿 李峰 王为强 南京长江都市建筑设计股份有限公司 江苏中大建筑工程设计有限公司 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司 摘 要： 对日常生活中的工频电磁场对人体的影响和防护问题进行研究:首先通过电磁场测试仪器对选定的几处典型变配电场所进行实地测量;其次运用 Maxwell 2D/3D软件搭建日常生活中常见的电气设备模型并进行计算机防真, 得出设备周围的磁感应强度值, 并对防护措施的电磁屏蔽效果进行仿真验证;最后给出对强电桥架、母线槽及变压器等电气设备的具体有效的防护方法。关键词： 工频电磁场; 电磁辐射; 磁感应强度; 公众暴露限值; 计算机仿真;
2、 Maxwell 2D/3D; 电磁屏蔽; 防护措施; 作者简介：邓灿, 男, 南京长江都市建筑设计股份有限公司, 工程师。作者简介：李峰, 男, 江苏中大建筑工程设计有限公司, 高级工程师。作者简介：王为强, 男, 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司, 总工程师。收稿日期：2017-05-24Analysis and Research of Electromagnetic Environment and Sanitary Issues of Civil BuildingsDENG Can LI Feng WANG Weiqiang Nanjing Yangtze River Urb
3、an Architectural Design Co., Ltd.; Jiangsu Zhongda Construction Engineering Design Co., Ltd.; Nanjing Branch of Shenzhen Huasen Architectural Abstract： The research is made on the impact of power-frequency electromagnetic field on human bodies in daily life and the method for protection:first of all
4、, the electromagnetic field ( EMF) test instrument is used for field measurement of several typical power transformation and distribution sites selected; secondly, Maxwell 2D/3D is used for setting up some electrical equipment models in daily life for computer simulation to get the values of magneti
5、c induction around the equipment, and simulation verification is carried out for the electromagnetic shielding effect of some preventive measures; finally, the effective protective methods are provided for electrical equipment, e.g. heavy-current cable trays, bus ducts and transformers.Keyword： powe
6、r-frequency electromagnetic field; electromagnetic radiation; magnetic induction intensity; public exposure limits; computer simulation; Maxwell 2D/3D; electromagnetic shielding; preventive measures; Received： 2017-05-240 引言随着中国经济的高速发展, 居民用电量大幅增加, 高电压、大容量的输变电设备进入到公众的视野, 由此带来的安全和环境风险问题逐渐成为公众关心的热点问题之一
7、。本文通过实际测量及仿真计算分析, 对工频电磁场在多大程度上影响人体健康, 以及如何防护进行初步的探讨。1 基本概念及研究背景电磁场环境健康问题涉及生物学、医学、流行病学、物理学、工程学等多门学科, 在缺乏有效沟通的情况下, 错误信息等因素均会影响环境健康问题存在的周期。国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 是与世界卫生组织 (WHO) 正式建立关系的非政府组织, 已经制定了国际指导准则, 极低频指导准则适用范围为1 Hz100 k Hz。自 19 世纪后期以来, 人工电磁场的潜在健康效应一直是科学界十分关注的一个话题, 并且在过去 30 年内, 尤其受到重视。广义上讲, 电磁场可分为静
8、态和低频的电场和磁场、高频或射频场两种, 前者常见的场源包括高压线路、家用电器、电脑等, 后者的主要场源包括雷达、无线电、电视播报设施、移动电话、移动电话的发射台、感应加热设备和防盗设施等1。本文研究的工频电磁辐射是一种极低频率的电磁场, 我国的电力系统为工频 50 Hz, 它与广播、电视等高频的射频电磁辐射有着本质的区别。世界卫生组织 (WHO) 曾明确指出, 在电力线路、电缆、民房布线和用电设备周围, 确实存在感应电场和感应磁场, 而不是电磁“辐射”1。相比于电离辐射 ( 射线、X射线等) 而言, 工频电磁场非常弱, 它们不能打断细胞内分子的化学键, 因此不能产生电离作用1。世界卫生组织国
9、际癌症研究机构 (IARC) 及 WHO 专题工作组经过评估认为:极低频 (0 Hz100 k Hz) 磁场与儿童白血病及脑癌有关, 当工频 (50/60 Hz) 磁场暴露强度超过 0.3T 或 0.4T 时儿童白血病的患病风险增加 2 倍。另外, 据 WHO 统计显示约 1%4%的儿童长期暴露于强度大于 0.3T 的工频磁场环境中。同时, 世界卫生组织 (WHO) 也认为应当采取适当措施防止极低频电场和磁场对公众产生已知的健康危害, 鉴于电磁辐射健康影响研究存在一定的科学不确定性, 各国在制订电磁辐射预防策略时应当综合考虑电力行业对社会和经济的巨大贡献, 应当采取低成本的预防措施, 而不应当
10、主观臆断地将暴露限值降低到不符合科学规律的程度1。2 现场实测数据与分析笔者对南京某公共建筑及住宅小区的几处典型变配电场所进行了实地测量, 测量的数据见表 1。GB 8702-2014电磁环境控制限值中对 0.025 k Hz1.2 k Hz 频率范围的磁感应强度公众暴露限值为 5/f, 即 50 Hz 工频交流电的磁感应强度公众暴露限值为 100T。国际辐射防护协会所属国际非电离辐射委员会 (IRPA/INRC) 对50/60 Hz 电磁场强度限值的标准 (见表 2) 与 GB 8702-2014电磁环境控制限值的规定一致, 但 WHO环境健康标准 2007 专论-极低频电磁场的建议是居民所
11、处环境的磁感应强度应小于或等于 0.4T, 远低于前面二者的限值。由于标准仅适用于电磁环境中控制公众暴露的评价和管理, 而 WHO 环境健康标准要求更严苛, 故本文以 WHO环境健康标准 2007 专论-极低频电磁场建议的磁感应强度应小于或等于 0.4T 作为目标限值。经过比较发现:20 个测量点的电场强度和磁感应强度的最大值分别为 0.930 V/m和 12.960T, 均在 5 k V/m 和 0.1 m T 的标准限值以下;但是, 其中有 15 个测量点的磁感应强度大于 0.4T, 超过了 WHO环境健康标准 2007 专论-极低频电磁场给出的建议限值。可见, 在一般公共建筑的变电所内的
12、电气设备附近, 磁感应强度很容易超过安全限值。表 1 工程实测电磁场强度 Tab.1 Measured magnetic induction of the project 下载原表 表 2 50/60 Hz 电磁场强度限值 Tab.2 Limits of 50/60 Hz magnetic induction 下载原表 3 理论计算与分析Maxwell 2D/3D 是 Ansoft 公司开发的一款运用有限元法进行电磁分析的软件, 笔者将借助 Maxwell2D/3D 搭建一些日常生活中常见的电气设备模型并进行仿真, 得出设备周围的磁感应强度值。此外, 还对一些简单防护措施进行电磁屏蔽效果的仿真
13、验证。图 1 是运用 Maxwell 3D 搭建的两种不同桥架的三维仿真模型, 一种为槽式桥架, 另一种为梯形桥架。两种桥架的外形尺寸均为 200 mm60 mm, 厚度为 2 mm, 内穿 6 根载流量为 800 A 的铜质电缆。图 2 是经过仿真后两种桥架正下方的磁感应强度随距离的变化曲线。通过仿真数据可以得出:梯形桥架正下方 1 m 处的磁感应强度 B 约为 4.25T, 而槽式桥架在同样位置的磁感应强度 B 约为 0.775T, 电磁辐射强度仅为梯形桥架的 18%。进一步研究表明, 当槽式桥架的厚度增至 3 mm 时, 距离其 1 m 处的磁感应强度 B 只有 0.373T, 在 WH
14、O环境健康标准 2007 专论-极低频电磁场给出的建议限值之内。图 1 两种桥架的三维模型 Fig.1 3D Model of two types of cable trays 下载原图图 2 两种桥架正下方磁感应强度 Fig.2 Magnetic induction under two types of cable trays 下载原图运用 Maxwell 2D 搭建铜母线槽的二维仿真模型, 该母线槽尺寸为 50 mm6.3 mm, 铁质外壳的厚度为 23 mm, 载流量为 800 A。仿真结果表明:当铜母线槽铁质外壳厚度为 2 mm 时, 距母线槽正面 30 cm 处的磁感应强度为 5.2
15、8T;当外壳厚度增至 3 mm 时, 同样位置的磁感应强度为0.936T, 而距母线槽正面 100 cm 处的磁感应强度为 0.289T。可见, 选用密闭的导磁材料 (如铁等) 的外壳对屏蔽电磁辐射具有显著的作用, 且外壳越厚效果越明显。运用 Maxwell 3D 搭建的 800 k VA 变压器的三维仿真模型, 变压器的具体尺寸和电气特征参考的是梅兰日兰 HV/LV SCB9 800 k VA 变压器。图 3 为经过仿真计算后变压器正面磁感应强度随距离的变化曲线。经过仿真计算后得出:变压器正面离外壳 1 m 处磁感应强度为 12.55T, 侧面离外壳 1m 处磁感应强度为 28.1T, 正上
16、方 (离上一层地面约 15 cm) 磁感应强度为 12.85T。由此可见, 在一般的变电所 (变压器带外壳) 中, 磁辐射的强度远高于安全限值。图 3 变压器正面磁感应强度 Fig.3 Magnetic induction on the front side of transformer 下载原图GB 50352-2005民用建筑设计通则第 8.3.1 条第 1 款规定:当配变电所的正上方、正下方为住宅、客房、办公室等场所时, 配变电所应作屏蔽处理。一般情况下, 楼板选用直径为 8 mm 的钢筋, 分两层铺设, 每层上下垂直捆扎。楼板钢筋可以起到一定的屏蔽作用, 但从现场实测和软件仿真的结果来
17、看, 并不能达到理想的效果, 需要采取另外的屏蔽措施。国标图集 09DX009电子信息系统机房工程设计与安装P48 给出了对需做屏蔽处理的房间的布置要求2:在房间的内墙上需设 3 层屏蔽层 (由里向外依次为室内装修层、龙骨层、电磁屏蔽壁板) , 室内装修层采用轻钢龙骨、双面铅塑板和嵌缝条的组合, 龙骨层采用 C6.3 槽钢、C10 槽钢和矩形管的组合, 而电磁屏蔽壁板采用厚度 =2 mm (地板、顶板 =3 mm) 的 Q195A 号冷轧钢板。从电磁学的角度看, 起主要屏蔽作用的是钢板, 因此本文主要对钢板和楼板钢筋相结合的形式进行了仿真研究。经仿真计算得出:当电磁屏蔽钢板厚度 =3 mm 时
18、, 800 k VA 变压器的正上方 (离上一层地面约 15 cm) 处的磁感应强度为 0.276T, 处于安全限值之下;而当变压器的容量变为 2 000 k VA 时, 同一位置的磁感应强度为 1.389T, 超过了安全限制, 这时, 将电磁屏蔽钢板的厚度增至 4 mm, 相同位置的磁感应强度降为 0.304T。可见, 国标图集 09DX009电子信息系统机房工程设计与安装给出的电磁屏蔽做法在一般情况下能取得很好的屏蔽效果, 可是当环境变得更复杂时 (如变压器的容量很大) , 虽然也能起到屏蔽作用, 但达不到理想状态, 这时需要增加屏蔽层的厚度。4 结论日常生活中的一些电气设备 (如强电桥架
19、、母线槽、变压器等) , 特别是开敞式或半开敞式运行的设备, 往往存在电磁辐射过量的现象, 尤其是对那些长期有人居住或工作的场所, 更需要引起我们的注意。在实际工作中, 宜选用铁质的封闭槽式桥架, 在满足需要的条件下, 尽量选择厚的外壳;母线槽的保护外壳也应用导磁性能好的铁质外壳, 在满足散热和成本控制的前提下, 外壳以厚为宜, 且母线槽要尽可能地装设在长期无人居留的一侧墙上;变压器应选用带外壳的产品, 国标图集 09DX009电子信息系统机房工程设计与安装给出的电磁屏蔽做法在大多数情况下都能满足对电磁屏蔽的要求, 但对于配变电所设计容量较大的情况, 应适当增加屏蔽层 (屏蔽钢板) 的厚度。参
20、考文献1刘文魁, 李金有.电磁辐射的风险与规避M.北京:人民卫生出版社, 2009. 2中国建筑标准设计研究院.09DX009 电子信息系统机房工程设计与安装M.北京:中国计划出版社, 2009. 3环境保护部辐射环境监测技术中心.GB 8702-2014 电磁环境控制限值S.北京:中国环境科学出版社, 2015. 4上海建筑设计研究院有限公司, 上海现代建筑设计 (集团) 有限公司.GB 51204-2016 建筑电气工程电磁兼容技术规范S.北京:中国计划出版社, 2017. 5中国建筑设计研究院, 中国建筑标准设计研究院.GB 50352-2005 民用建筑设计通则S.北京:中国建筑工业出版社, 2005. 6中机中电设计研究院有限公司.GB 50053-201320 k V 及以下变电所设计规范S.北京:中国计划出版社, 2013. 7中国建筑东北设计研究院.JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范S.北京:中国建筑工业出版社, 2008. 8中国电力工程顾问集团西南电力设计院.GB50217-2007 电力工程电缆设计规范S.北京:中国计划出版社, 2008.
