照明設備對人體電磁輻射的IEC標準研究

陳超中 施曉紅 劉爾立 陸世鳴

(上海市質量監督檢驗技術研究院 國家燈具質量監督檢驗中心國家電光源質量監督檢驗中心 (上海)上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114)

輻射有電離輻射和非電離輻射之分，其中電離輻射 (Ionizing radiation)是指擁有足夠高能量、可以把原子電離的輻射，如X、α、β和γ射線。非電離輻射 (Non-ionizing radiation)能量較電離輻射弱，非電離輻射不會電離物質。照明設備產生的電磁輻射屬于非電離輻射。

照明設備電磁輻射對人體影響和評價的關鍵要素包括3個方面:被評價產品的工作頻率、人體可以接受電磁輻射的限值、照明設備對人體影響的測量和評價方法。

不同光源的照明設備有各自的頻率范圍，如在直流下工作的LED及其燈具、工頻 (50Hz)下工作的鎢絲燈及各類使用電感鎮流器的氣體放電燈具，以及高頻 (大于20kHz)下工作的氣體放電燈具。

經過近25年的研究，在1000余篇文獻和144本參考書的基礎上，2005年電氣和電子工程師協會 (IEEE，The Institute of Electrical and Electronics engineers.Inc)出版了IEEE C95.1:2005《人體接觸3kHz至300GHz射頻電磁場的安全水平標準》。在一定安全系數的基礎上，根據對人體健康的副作用，該標準對普通公眾人群給出了規定暴露的基本限制 (BF)，在該條件下的人是安全的。但該標準同時提出，由于給出的限值引入了較保守的安全系數，所以超過BF不一定意味著不安全。

基于不同人體組織或部位對相關頻率電磁輻射的敏感度，IEEE C95.1:2005給出了對應的基本限制。

IEEE C95.1:2005指出，對于近場或再輻射物體，由于電場強度 (單位V/m)在近場的場強可能很高，而隨著距離拉大又迅速減小，導致的吸收僅是很微小的，而且近場呈現的電磁場能量分布很復雜，所以在近場測量電流強度 (mA/m2)更好，能更真實地確定符合標準的程度。

1 IEC標準的基本思路

IEC 62493:2009適用于人體暴露于照明設備電磁輻射的評估。評價包括頻率介于20kHz～10 MHz之間的感應電流密度和照明設備周圍頻率介于100 kHz～300 MHz的比吸收率 (SAR)。

由于照明電器中使用電子控制裝置高頻工作的產品的設計頻率為大于等于20kHz，而無極燈的工作頻率在2.51MHz～3MHz之間，該標準的適用頻率覆蓋了各類照明電器產品。

2 IEC標準的測量原理

根據研究結果，電磁輻射對人體的影響主要體現在人體組織的感應電流密度和熱效應。電場產生的電流密度 (權重0.85)需按IEC 62493:2009測量。磁場產生的電流密度 (權重0.15)和熱效應需按CISPR 15測量。

IEC 62311:2007《電子和電氣設備對人體電磁輻射 (0Hz-300GHz)限制的評價》均質人體的數字模型 (如圖1所示)研究表明:人體的頭部直徑為210mm，頸部直徑為110mm。

圖1 均質人體的數字模型

通常認為人體模型頭部離照明設備最近，而最大電流密度出現在人體的頸部，測量時使用一個人體模型的頭部作為人體的感應部位來測量感應電流，而按人體的頸部直徑尺寸來計算感應電流密度。IEC 62493采用了IEC 62311提出的均質人體的頭部直徑和頸部直徑，如圖2所示。

感應電流密度的測量裝置如圖3所示。

在某一頻率fn下，導電球得到一個電壓信號V(fn)［V］，將電壓信號轉化為電流信號 Icap(fn)［A］，轉化函數由圖3的保護網絡確定，除以頸部的面積得到電流密度Jcap(fn)［A/m2］，將電流密度Jcap(fn)除以電流密度限值Jlim(fn)。將20 kHz～10 MHz頻率范圍的電流密度Jcap(fn)與Jlim(fn)的比值求和得到因數:

電流密度Jcap(fn)的大小取決于照明設備與導電球之間的寄生電容的大小。圖1中測量距離d與寄生電容的大小成反比，兩者的關系曲線如圖4所示。當測量距離為30cm時，寄生電容為3pF。當測量距離為50cm時，寄生電容為2pF。測量距離d越小，照明設備與導電球之間的寄生電容越大;測量距離d越大，照明設備與導電球之間的寄生電容越小。因此，IEC 62493:2009對不同的照明設備規定了測量距離，如表1所示。

圖2 用作測量裝置的導電球直徑和用作計算的頸部直徑示意圖

圖3 測量裝置

圖4 測量距離d與寄生電容C的關系曲線圖

表1 照明設備和測量距離

圖3中的保護網絡如圖5所示。保護網絡的作用是完成從采樣的電壓信號到EMI接收機50Ω的輸入阻抗的匹配。保護網絡由人體阻抗組合而成。

圖5 保護網絡示例圖

將圖4的保護網絡簡化成圖6。

圖6 保護網絡電路簡化圖

R2與 R0串聯后再與 C2并聯的復阻抗 Z=

流過R0的電流又由于I0

g( fn)即為保護網絡的轉化系數。

3 IEC標準的合格評估準則

評估內容包括20 kHz～10 MHz的感應電流密度和100 kHz～300 MHz的比吸收率 (SAR)。

——100 kHz～300 MHz的比吸收率 (SAR) 的要求:即應符合GB17743—2007規定的電源端子的騷擾電壓、輻射電磁騷擾的要求;

——20 kHz～10 MHz感應電流密度的要求:測得的20 kHz～10 MHz頻率范圍內電場產生的感應電流密度與規定的人體電流密度限值作加權計算，得標準規定F的限值為0.85。

根據國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP)對普通公眾暴露于10GHz以下頻率時變電場和磁場的基本限制的規定，可以得到如圖7所示的一個規定頻率的電流密度基本限值Jlim曲線。

圖7 電流密度基本限值曲線

基本限值是基于已確認生物影響，并乘以安全因數得出的對暴露于時變電場、磁場和電磁場的限制。基本限制是任何條件下均不應超過的最大水平。

是否符合限值，應采用以下方式確定:

如果利用實際測試設備計算出的不確定度(Ulab)小于或等于IEC62493中給出的不確定度(Ubasic)，那么;

——如果測量結果不超過適用限值，即視為符合。

——如果測量結果超過適用限值，即視為不符合。

如果利用實際測試設備計算出的不確定度(Ulab)大于IEC 62493中給出的不確定度(Ubasic)，那么，

——如果測量結果加上(Ulab－Ubasic)不超過適用限值，即視為符合。

——如果測量結果加上(Ulab－Ubasic)超過適用限值，即視為不符合。

4 總結

IEC 62493:2009標準為各類照明設備周邊空間電磁場的測量確定了適當的評估方法。評估方法基于ICNIRP:1998和IEEE C 95.1:2005中給出的基本限制。所采用的測量方法模擬照明設備附近人體內的電流密度。

［1］IEC 62493:2009.Assessment oflighting 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 equipmentrelated tohuman exposurerestrictionsfor electromagnetic fields(0 Hz～300 GHz)

［5］陳超中，劉爾立，施曉紅.厘清普通照明用自鎮流熒光燈產品的輻射標準.全國照明電器標準化技術委員會燈具分技術委員會.