關于照明設備相對人體電磁輻射的評價

● 國家電光源質量監督檢驗中心 查躍丹

GB/T 31275-2014《照明設備對人體電磁輻射的評價》等同采用IEC62493：2009標準。ICNIRP(國際非電離輻射防護委員會)和IEEE(電氣和電子工程師協會)的暴露限值評價包括感應電流和熱效應兩方面內容，結合人體模型，建立數學模型，探討測量設備和測量設備的不確定度。

評價方法

1.感應電流密度(20kHz~10MHz)

(1)磁場產生感應電流密度Jeddy(fi,dloop)

用探頭模擬頭部放在照明設備附近，測量電磁輻射（示意圖1）。

圖1 頭部回路與測量裝置之間的距離

頭部回路中因磁場產生的感應電壓計算公式:

其中：

Vind(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時頭部回路中的感應電壓；

Dloop——頭部回路的直徑；

B(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時的磁場B。

頭部回路中磁場產生的感應電流計算公式:

其中：

Ieddy(fi,dloop)——頻率為fi、距離為dloop時頭部回路中的感應電流；

A——頭部回路的“導線”面積；

σ(fi)——頻率為fi時頭部回路的電導率。

一定頻率fi和距離dloop時頭部回路中因磁場產生的電流密度計算公式:

在電源頻率和距離d=0.3 m時，從照明設備上測得的磁感應強度B約為60nT，利用σ(fmains)≤0.09(引自IEC62311表C.1的腦部值)和Dloop=Dhead=0.21 m，計算感應電流密度Jeddy(fi,dloop)與限值JLim(fi)之比。結果見表1：

表1 感應電流密度的計算

可得出結論，在電源頻率和測量距離d=0.3m時，頭部回路中因磁場產生的電流密度很小，可忽略不計。

最壞情況下頻率為20 kHz~10 MHz，測量距離為d時，頭部回路中因磁場產生的電流密度可通過CISPR15磁輻射發射來確定， 2 m大環天線LLA的最大電流頻率限值如圖2所示。

圖2 2mLLA的最大電流限值

最大電流可轉換為頻率fi和任意距離d時的最大磁場B，解釋為天線中心面積為Adipole的虛擬磁耦極子對大環天線LLA的互感公式:

其中：

M——虛擬磁偶極子和大環LLA之間的互感；

Adipole——虛擬磁偶極子的面積；

DLLA——大環天線LLA的直徑2 m。

虛擬磁偶極子的動量為Idipole(fi)Adiploe，其中Idipole(fi)表示頻率fi時虛擬磁偶極子中的虛擬電流。大環天線中的感應電壓公式：

大環天線LLA中的電流公式：

式中LLA取值9.96μH。利用大環天線LLA中的電流限值計算虛擬磁偶極子動量Idipole(fi)Adiploe，然后計算最大電流值所處方向上的場強H。公式適用于10 MHz以下，最小波長30 m，近場和遠場之間的轉變點位于30/2π=4.8 m。對于電磁輻射更關注較近距離處的感應電流密度，所有計算是在近場條件H~1/d3，距離dloop處的最大場強表示，公式(7)：

其中：Dloop=d+DheadI2。

頻率fi和任意距離dloop時最大磁場B定義公式:

在最壞情況下，x、y、z方向上均達到最大值的磁場B，公式(9)：

將公式(9)代入公式(3)得到公式(10)：

頭部回路在頻率20 kHz~10 MHz，距離d=0.3m時，最壞情況的磁場電流密度為公式(11)：

其結果≤0.15。

(2)電場產生感應電流密度

人體模型是IEC62311∶2007圖C.3描述的均質人體模型，通常認為人體模型頭部距離照明設備最近，計算電流密度時使用“Van der Hoofden”測試探頭。

在最壞情況下，電源對感應電流密度貢獻是相對于接地照明設備存在大平板電壓Umains(圖1)，d為頭部和測量裝置之間的距離。

大平板和金屬球之間的寄生電容，可用公式(12)和公式(13)計算(摘自W.R.Smythe，靜態電和動態電，McGraw-Hill，1950[3] )，圖3所示寄生電容與距離成反比衰減關系。

在大多數情況下N取值50。其中：d=0.3 mm，Csphere-plate=3pF。

圖3 寄生電容與距離關系曲線

電源造成的頸部電流密度用公式(14)計算：

頸部直徑Dneck=110 mm。常見電源貢獻的計算列于表2。

表2 電源貢獻的計算

圖4 測量裝置

20 kHz~10 MHz頻率范圍的電容電流對感應電流密度的貢獻，按照圖4測量裝置，接收機頻率階躍響應符合CISPR16-1-1規定的B6帶寬要求，用公式(15)簡化表示：

振幅增加頻率階躍公式：

振幅增加頻率階躍等于1.11倍B6（見表3）。

表3 等于1.11倍B6的振幅增加頻率階躍

從表3中可以看出，20 kHz~10 MHz頻率范圍接收機測量頻率步長fstep-ampl應分為兩段進行。

2.熱效應(100 kHz~300 MHz)

(1)熱效應(100 kHz~30 MHz)貢獻

傳導發射的最大端電壓(TV)由CISPR15：2005設定。假設這個端電壓由共模電流產生，電源線的作用是任何頻率下的半波長偶極子輻射發射值為最大。已知半波長偶極子輻射阻抗73Ω，最大輻射功率由公式(17)計算：

式中：

Prad,max(100 kHz~30 MHz)——在100 kHz~30 MHz之間的最大輻射功率，單位為瓦特(W)；

Icm(fi)——頻率fi時的共模電流，單位為安培(A)。

根據基爾霍夫定律公式(17)表述為公式(18)：

其中：TVlim(fi)等于頻率fi時符合CISPR15的端電壓，則公式(18)的結果為：Prad，max(100 kHz~30 MHz)≤5.98(mW)。

(2)熱效應(30 MHz~300 MHz)貢獻

在最壞情況下，任何頻率的照明設備都是作為半波偶極子輻射，電場E主方向上的最大輻射功率由公式(19)給出：

式中：Elim(fi)——頻率fi時的E場限值，單位為伏每米(V/m)。

根據CISPR15場強限值見表4：

表4 符合CISPR15:2005的場強限值

由公式(19)得到結果：

Prad，max(30MHz~300MHz)≤0.10(mW)。

3.暴露限值評價

暴露限值的人體感應電流密度評價用公式(20)表示：

式中：

J(fi,d)——頻率fi和測量距離d時測得的電流密度；

JLim(fi)——ICNIRP普通公眾fi時的電流密度基本限值。

人體模型中的感應電流密度可由受試照明設備磁場產生的渦電流和電場產生的電容電流組成，則公式(20)又可用公式(21) 描述。

式中：

Jeddy(fi,d)——頻率fi和測量距離d時因磁場產生的電流密度；

Jcap(fi,d)——頻率fi和測量距離d時因電場產生的電流密度。

為了避免噪聲和紅外干擾，照明設備中功率轉換的頻率大于20 kHz，公式(21)又可分解為公式(22)。

50 Hz或60 Hz的電源頻率是1 Hz~20 Hz頻率范圍內惟一相關頻率，公式(22)又可描述為公式(23)：

磁場產生的感應電流密度，通過前面的分析將表1電源貢獻結果、公式(11)代入公式(23)，得到近似公式(24)：

電場產生的感應電流密度，考慮到表2電源貢獻可忽略的因素，公式(24)簡化為公式（25）：

再考慮到接收機的階躍響應，可將公式(25)分解為公式(26)：

暴露限值的人體感應電流密度評價使用公式(26)，在20kHz~10MHz頻率范圍內電場產生感應電流密度的評價。而熱效應問題，通過照明設備的輻射 發 射 功 率 分 析 可 知：Prad，max（100kHz~30MHz）≤5.98（mW）和Prad，max（30MHz~300MHz）≤0.10（mW），遠遠小于ICNIRP關于頭部和軀干（10 g）給出的輻射發射功率≤20mW的限值要求，因此得出結論：任何照明設備如果符合CISPR15輻射發射限值要求，則符合ICNIRP和IEEE的熱效應要求。

測量設備

1.接收機

用于測量電磁干擾EMI的接收機或頻譜分析儀應符合CISPR16-1-1要求，參數列于表5：

表5 接收機或頻譜儀參數

2.測試探頭(Van der Hoofden)

Van der Hoofden測試頭(圖5所示)，外徑Dhead=(210±5)mm的導電球，安裝在非金屬支架上，通過一根普通導線與保護網絡相連。保護網絡系數由公式(27)確定，這個系數與計算的特征值偏差應小于±1dB，保護網絡校準應符合本標準附錄F要求。

測試中(圖1)應特別注意測量距離d的問題，除非制造商另有規定，照明設備應按照本標準附錄A表A.1給出的測量距離評價，確定測量距離時應將測試頭外表面作為參考點，測量距離d允差為±5%，在計算測量設備不確定度時應予以考慮。

圖5 Van der Hoofden測試頭

表6A： 20 kHz~10 kHz頻率范圍的測量不確定度計算

測量設備不確定度

測量設備最大不確定Ubasic估計為30%。GB/T 31275-2014附錄G測量設備不確定度給出了計算實例。表6A列出主要影響因素和計算結果Uc=1.88dB(k=2)，表6B注釋和資料對各因素分量來源進行解釋說明。測量值變量V計算公式：

結束語

我們討論人體暴露于照明設備電磁輻射問題，是因為電磁輻射產生的感應電流對人體有傷害，這里涉及的照明設備主要是含有電子控制裝置的一般照明設備，它們廣泛應用于工業照明、住宅照明、公共場所照明和街道照明設備。如何評價這些設備產生的電磁輻射對人體的影響，是公眾和企業共同關心的問題。隨著家用電子產品的迅速增加，人們對生活中的電磁輻射等不確定因素產生擔憂，由于相關專業知識的缺乏，也造成公眾對電子電器產品產生許多不必要的恐慌。國際組織研究電磁輻射兼容問題，就是尋找兼容方案。GB/T 31275-2014標準把人體暴露于照明設備電磁輻射的評價，簡化為照明設備的電場產生感應電流密度的評價，使得研究人體電磁輻射傷害問題更具有針對性。

討論人體暴露于照明設備電磁輻射量，輻射距離d是重要參考量之一，標準附錄A給出各種照明設備測量距離，例如與大眾生活相關的有臺式燈具（30 cm），壁式燈具（50 cm），小于180W的吸頂式或嵌入式燈具（50 cm），自鎮流熒光燈（30 cm）等等。只要人們使用燈具保持一定的安全距離，且照明產品的電磁輻射符合本標準要求，就可避免電磁輻射對人體的較大傷害。

GB/T 31275-2014《照明設備對人體電磁輻射的評價》標準的實施，有利于生產企業評價和判斷產品是否符合電磁輻射安全要求，有利于公眾了解和正確看待照明設備所產生的電磁輻射 。

注釋 GB/T 6113.402-2006附錄A.5的參考符號 計算/說明所使用的數據1)接收機讀數的隨機波動 注1 GB/T6113.402-2006表A.1 2)線損測量 注2 GB/T6113.402-2006表A.1 3)接收機正弦波修正 注3 GB/T6113.402-2006表A.1 4)接收機脈沖振幅響應 —— 因僅存有正弦波信號和諧波，脈沖振幅響應可忽略不計。5)接收機脈沖重復率響應 —— 因僅存有正弦波信號和諧波，脈沖重復響應可忽略不計。6)接收機本底噪聲影響 注6 GB/T6113.402 7)接收機與保護網絡之間失配 注7 GB/T6113.402 8)保護網絡轉化函數公差 ——9)測試頭與受試設備DUT距離公差 —— GB/T31275-2014(6.3)10)測試頭產生的公差 —— GB/T31275-2014(5.4)11)電纜長度(如0.3m±0.03m誤差小于0.2%可忽略不計) —— 試驗表明：0.2 m和2.5 m之間誤差小于0.8%