关于照明设备相对人体电磁辐射的评价

● 国家电光源质量监督检验中心 查跃丹

GB/T 31275-2014《照明设备对人体电磁辐射的评价》等同采用IEC62493：2009标准。ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)和IEEE(电气和电子工程师协会)的暴露限值评价包括感应电流和热效应两方面内容，结合人体模型，建立数学模型，探讨测量设备和测量设备的不确定度。

评价方法

1.感应电流密度(20kHz~10MHz)

(1)磁场产生感应电流密度Jeddy(fi,dloop)

用探头模拟头部放在照明设备附近，测量电磁辐射（示意图1）。

图1 头部回路与测量装置之间的距离

头部回路中因磁场产生的感应电压计算公式:

其中：

Vind(fi,dloop)——频率为fi、距离为dloop时头部回路中的感应电压；

Dloop——头部回路的直径；

B(fi,dloop)——频率为fi、距离为dloop时的磁场B。

头部回路中磁场产生的感应电流计算公式:

其中：

Ieddy(fi,dloop)——频率为fi、距离为dloop时头部回路中的感应电流；

A——头部回路的“导线”面积；

σ(fi)——频率为fi时头部回路的电导率。

一定频率fi和距离dloop时头部回路中因磁场产生的电流密度计算公式:

在电源频率和距离d=0.3 m时，从照明设备上测得的磁感应强度B约为60nT，利用σ(fmains)≤0.09(引自IEC62311表C.1的脑部值)和Dloop=Dhead=0.21 m，计算感应电流密度Jeddy(fi,dloop)与限值JLim(fi)之比。结果见表1：

表1 感应电流密度的计算

可得出结论，在电源频率和测量距离d=0.3m时，头部回路中因磁场产生的电流密度很小，可忽略不计。

最坏情况下频率为20 kHz~10 MHz，测量距离为d时，头部回路中因磁场产生的电流密度可通过CISPR15磁辐射发射来确定， 2 m大环天线LLA的最大电流频率限值如图2所示。

图2 2mLLA的最大电流限值

最大电流可转换为频率fi和任意距离d时的最大磁场B，解释为天线中心面积为Adipole的虚拟磁耦极子对大环天线LLA的互感公式:

其中：

M——虚拟磁偶极子和大环LLA之间的互感；

Adipole——虚拟磁偶极子的面积；

DLLA——大环天线LLA的直径2 m。

虚拟磁偶极子的动量为Idipole(fi)Adiploe，其中Idipole(fi)表示频率fi时虚拟磁偶极子中的虚拟电流。大环天线中的感应电压公式：

大环天线LLA中的电流公式：

式中LLA取值9.96μH。利用大环天线LLA中的电流限值计算虚拟磁偶极子动量Idipole(fi)Adiploe，然后计算最大电流值所处方向上的场强H。公式适用于10 MHz以下，最小波长30 m，近场和远场之间的转变点位于30/2π=4.8 m。对于电磁辐射更关注较近距离处的感应电流密度，所有计算是在近场条件H~1/d3，距离dloop处的最大场强表示，公式(7)：

其中：Dloop=d+DheadI2。

频率fi和任意距离dloop时最大磁场B定义公式:

在最坏情况下，x、y、z方向上均达到最大值的磁场B，公式(9)：

将公式(9)代入公式(3)得到公式(10)：

头部回路在频率20 kHz~10 MHz，距离d=0.3m时，最坏情况的磁场电流密度为公式(11)：

其结果≤0.15。

(2)电场产生感应电流密度

人体模型是IEC62311∶2007图C.3描述的均质人体模型，通常认为人体模型头部距离照明设备最近，计算电流密度时使用“Van der Hoofden”测试探头。

在最坏情况下，电源对感应电流密度贡献是相对于接地照明设备存在大平板电压Umains(图1)，d为头部和测量装置之间的距离。

大平板和金属球之间的寄生电容，可用公式(12)和公式(13)计算(摘自W.R.Smythe，静态电和动态电，McGraw-Hill，1950[3] )，图3所示寄生电容与距离成反比衰减关系。

在大多数情况下N取值50。其中：d=0.3 mm，Csphere-plate=3pF。

图3 寄生电容与距离关系曲线

电源造成的颈部电流密度用公式(14)计算：

颈部直径Dneck=110 mm。常见电源贡献的计算列于表2。

表2 电源贡献的计算

图4 测量装置

20 kHz~10 MHz频率范围的电容电流对感应电流密度的贡献，按照图4测量装置，接收机频率阶跃响应符合CISPR16-1-1规定的B6带宽要求，用公式(15)简化表示：

振幅增加频率阶跃公式：

振幅增加频率阶跃等于1.11倍B6（见表3）。

表3 等于1.11倍B6的振幅增加频率阶跃

从表3中可以看出，20 kHz~10 MHz频率范围接收机测量频率步长fstep-ampl应分为两段进行。

2.热效应(100 kHz~300 MHz)

(1)热效应(100 kHz~30 MHz)贡献

传导发射的最大端电压(TV)由CISPR15：2005设定。假设这个端电压由共模电流产生，电源线的作用是任何频率下的半波长偶极子辐射发射值为最大。已知半波长偶极子辐射阻抗73Ω，最大辐射功率由公式(17)计算：

式中：

Prad,max(100 kHz~30 MHz)——在100 kHz~30 MHz之间的最大辐射功率，单位为瓦特(W)；

Icm(fi)——频率fi时的共模电流，单位为安培(A)。

根据基尔霍夫定律公式(17)表述为公式(18)：

其中：TVlim(fi)等于频率fi时符合CISPR15的端电压，则公式(18)的结果为：Prad，max(100 kHz~30 MHz)≤5.98(mW)。

(2)热效应(30 MHz~300 MHz)贡献

在最坏情况下，任何频率的照明设备都是作为半波偶极子辐射，电场E主方向上的最大辐射功率由公式(19)给出：

式中：Elim(fi)——频率fi时的E场限值，单位为伏每米(V/m)。

根据CISPR15场强限值见表4：

表4 符合CISPR15:2005的场强限值

由公式(19)得到结果：

Prad，max(30MHz~300MHz)≤0.10(mW)。

3.暴露限值评价

暴露限值的人体感应电流密度评价用公式(20)表示：

式中：

J(fi,d)——频率fi和测量距离d时测得的电流密度；

JLim(fi)——ICNIRP普通公众fi时的电流密度基本限值。

人体模型中的感应电流密度可由受试照明设备磁场产生的涡电流和电场产生的电容电流组成，则公式(20)又可用公式(21) 描述。

式中：

Jeddy(fi,d)——频率fi和测量距离d时因磁场产生的电流密度；

Jcap(fi,d)——频率fi和测量距离d时因电场产生的电流密度。

为了避免噪声和红外干扰，照明设备中功率转换的频率大于20 kHz，公式(21)又可分解为公式(22)。

50 Hz或60 Hz的电源频率是1 Hz~20 Hz频率范围内惟一相关频率，公式(22)又可描述为公式(23)：

磁场产生的感应电流密度，通过前面的分析将表1电源贡献结果、公式(11)代入公式(23)，得到近似公式(24)：

电场产生的感应电流密度，考虑到表2电源贡献可忽略的因素，公式(24)简化为公式（25）：

再考虑到接收机的阶跃响应，可将公式(25)分解为公式(26)：

暴露限值的人体感应电流密度评价使用公式(26)，在20kHz~10MHz频率范围内电场产生感应电流密度的评价。而热效应问题，通过照明设备的辐射 发 射 功 率 分 析 可 知：Prad，max（100kHz~30MHz）≤5.98（mW）和Prad，max（30MHz~300MHz）≤0.10（mW），远远小于ICNIRP关于头部和躯干（10 g）给出的辐射发射功率≤20mW的限值要求，因此得出结论：任何照明设备如果符合CISPR15辐射发射限值要求，则符合ICNIRP和IEEE的热效应要求。

测量设备

1.接收机

用于测量电磁干扰EMI的接收机或频谱分析仪应符合CISPR16-1-1要求，参数列于表5：

表5 接收机或频谱仪参数

2.测试探头(Van der Hoofden)

Van der Hoofden测试头(图5所示)，外径Dhead=(210±5)mm的导电球，安装在非金属支架上，通过一根普通导线与保护网络相连。保护网络系数由公式(27)确定，这个系数与计算的特征值偏差应小于±1dB，保护网络校准应符合本标准附录F要求。

测试中(图1)应特别注意测量距离d的问题，除非制造商另有规定，照明设备应按照本标准附录A表A.1给出的测量距离评价，确定测量距离时应将测试头外表面作为参考点，测量距离d允差为±5%，在计算测量设备不确定度时应予以考虑。

图5 Van der Hoofden测试头

表6A： 20 kHz~10 kHz频率范围的测量不确定度计算

测量设备不确定度

测量设备最大不确定Ubasic估计为30%。GB/T 31275-2014附录G测量设备不确定度给出了计算实例。表6A列出主要影响因素和计算结果Uc=1.88dB(k=2)，表6B注释和资料对各因素分量来源进行解释说明。测量值变量V计算公式：

结束语

我们讨论人体暴露于照明设备电磁辐射问题，是因为电磁辐射产生的感应电流对人体有伤害，这里涉及的照明设备主要是含有电子控制装置的一般照明设备，它们广泛应用于工业照明、住宅照明、公共场所照明和街道照明设备。如何评价这些设备产生的电磁辐射对人体的影响，是公众和企业共同关心的问题。随着家用电子产品的迅速增加，人们对生活中的电磁辐射等不确定因素产生担忧，由于相关专业知识的缺乏，也造成公众对电子电器产品产生许多不必要的恐慌。国际组织研究电磁辐射兼容问题，就是寻找兼容方案。GB/T 31275-2014标准把人体暴露于照明设备电磁辐射的评价，简化为照明设备的电场产生感应电流密度的评价，使得研究人体电磁辐射伤害问题更具有针对性。

讨论人体暴露于照明设备电磁辐射量，辐射距离d是重要参考量之一，标准附录A给出各种照明设备测量距离，例如与大众生活相关的有台式灯具（30 cm），壁式灯具（50 cm），小于180W的吸顶式或嵌入式灯具（50 cm），自镇流荧光灯（30 cm）等等。只要人们使用灯具保持一定的安全距离，且照明产品的电磁辐射符合本标准要求，就可避免电磁辐射对人体的较大伤害。

GB/T 31275-2014《照明设备对人体电磁辐射的评价》标准的实施，有利于生产企业评价和判断产品是否符合电磁辐射安全要求，有利于公众了解和正确看待照明设备所产生的电磁辐射 。

注释 GB/T 6113.402-2006附录A.5的参考符号 计算/说明所使用的数据1)接收机读数的随机波动 注1 GB/T6113.402-2006表A.1 2)线损测量 注2 GB/T6113.402-2006表A.1 3)接收机正弦波修正 注3 GB/T6113.402-2006表A.1 4)接收机脉冲振幅响应 —— 因仅存有正弦波信号和谐波，脉冲振幅响应可忽略不计。5)接收机脉冲重复率响应 —— 因仅存有正弦波信号和谐波，脉冲重复响应可忽略不计。6)接收机本底噪声影响 注6 GB/T6113.402 7)接收机与保护网络之间失配 注7 GB/T6113.402 8)保护网络转化函数公差 ——9)测试头与受试设备DUT距离公差 —— GB/T31275-2014(6.3)10)测试头产生的公差 —— GB/T31275-2014(5.4)11)电缆长度(如0.3m±0.03m误差小于0.2%可忽略不计) —— 试验表明：0.2 m和2.5 m之间误差小于0.8%