Tiêu chuẩn TCVN 8334-3-1:2010 IEC 62226-3-1:2007 về Phần 3-1: Phơi nhiễm trong trường điện-Mô hình giải tích và mô hình đánh số hai chiều

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 8334-3-1:2010

IEC 62226-3-1:2007

PHƠI NHIỄM TRONG TRƯỜNG ĐIỆN HOẶC TRƯỜNG TỪ Ở DẢI TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ TRUNG GIAN - PHƯƠNG PHÁP TÍNH MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN VÀ TRƯỜNG ĐIỆN CẢM ỨNG BÊN TRONG CƠ THỂ NGƯỜI - PHẦN 3-1: PHƠI NHIỄM TRONG TRƯỜNG ĐIỆN - MÔ HÌNH GIẢI TÍCH VÀ MÔ HÌNH ĐÁNH SỐ HAI CHIỀU

Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range - Methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body - Part 3-1: Exposure to electric fields - Analytical and 2D numerical models

Lời nói đầu

TCVN 8334-3-1: 2010 hoàn toàn tương đương với IEC 62226-3-1: 2007;

TCVN 8334-3-1: 2010 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC/E9 Tương thích điện từ biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Mối quan tâm của công chúng liên quan đến phơi nhiễm của con người trong trường điện và trường từ khiến các tổ chức quốc tế và quốc gia cần đề xuất các giới hạn dựa trên ảnh hưởng bất lợi đã được thừa nhận.

Tiêu chuẩn này áp dụng cho dải tần số mà trong đó giới hạn phơi nhiễm dựa trên cảm ứng điện áp hoặc dòng điện trong cơ thể người khi bị phơi nhiễm trong trường điện hoặc trường từ. Dải tần số này bao trùm tần số thấp và tần số trung gian, đến 100 kHz. Một số phương pháp được mô tả trong tiêu chuẩn này có thể được sử dụng ở tần số cao hơn trong các điều kiện quy định.

Giới hạn phơi nhiễm dựa trên thực nghiệm sinh học và y học về các hiện tượng cảm ứng cơ bản này, thường được gọi là “giới hạn cơ bản”. Các giới hạn cơ bản này chứa đựng cả các yếu tố an toàn.

Đại lượng điện cảm ứng không thể đo trực tiếp được, vì vậy các giới hạn cũng bắt nguồn từ các đề xuất đơn giản hóa. Các giới hạn này, được gọi “mức tham chiếu”, được đưa ra dưới dạng trường điện và trường từ. Các giới hạn này dựa trên mô hình ghép nối rất đơn giản giữa trường bên ngoài và cơ thể. Các giới hạn này cũng mang tính thận trọng.

Mô hình phức tạp dùng để tính dòng điện cảm ứng trong cơ thể đã được sử dụng và đối tượng của nhiều xuất bản khoa học. Các mô hình sử dụng tập hợp các phép tính trường điện từ đánh số ba chiều và cấu trúc mô hình chi tiết bên ngoài có các đặc tính điện riêng cho từng chuỗi liên quan bên trong cơ thể. Tuy nhiên các mô hình này vẫn đang triển khai; dữ liệu có sẵn về tính dẫn điện này hiện có nhiều thiếu sót. Phân tích về không gian của các mô hình vẫn đang được hoàn thiện. Do đó, các mô hình này vẫn được tính đến trong phạm vi nghiên cứu khoa học và ở hiện tại, nó không được coi là thành quả đạt được từ các mô hình đó nên chưa biết đến khi nào được đưa vào các tiêu chuẩn. Tuy nhiên, thừa nhận rằng các mô hình này có thể và đã đóng góp hữu ích cho quá trình tiêu chuẩn hóa, đặc biệt đối với các tiêu chuẩn sản phẩm mà ở đó trường hợp phơi nhiễm cụ thể được quan tâm. Khi kết quả từ mô hình này được sử dụng trong tiêu chuẩn, vẫn cần định kỳ xem xét lại các kết quả để đảm bảo chúng liên tục phản ánh tình trạng khoa học đương đại.

Bộ tiêu chuẩn TCVN 8334 (IEC 62226) hiện nay có các tiêu chuẩn quốc gia sau:

1) TCVN 8334-1: 2010 (IEC 62226-1:2004), Phơi nhiễm trong trường điện hoặc trường từ ở dải tần số thấp và tần số trung gian - Phương pháp tính mật độ đòng điện và trường điện cảm ứng bên trong cơ thể người - Phần 1: Yêu cầu chung

2) TCVN 8334-3-1: 2010 (IEC 62226-3-1: 2007), Phơi nhiễm trong trường điện hoặc trường từ ở dải tần số thấp và tần số trung gian - Phương pháp tính mật độ dòng điện và trường điện cảm ứng bên trong cơ thể người - Phần 3-1: Phơi nhiễm trong trường điện - Mô hình giải tích và mô hình đánh số hai chiều

Bộ tiêu chuẩn IEC 62226 còn có tiêu chuẩn sau:

IEC 62226-2-1: 2004, Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range - Methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body - Part 2-1: Exposure to magnetic fields - 2D models (Phơi nhiễm trong trường điện hoặc trường từ ở dải tần số thấp và tần số trung gian - Phương pháp tính mật độ dòng điện và trường điện cảm ứng bên trong cơ thể người - Phần 2-1: Phơi nhiễm trong trường từ - Mô hình hai chiều)

PHƠI NHIỄM TRONG TRƯỜNG ĐIỆN HOẶC TRƯỜNG TỪ Ở DẢI TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ TRUNG GIAN - PHƯƠNG PHÁP TÍNH MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN VÀ TRƯỜNG ĐIỆN CẢM ỨNG BÊN TRONG CƠ THỂ NGƯỜI - PHẦN 3-1: PHƠI NHIỄM TRONG TRƯỜNG ĐIỆN - MÔ HÌNH GIẢI TÍCH VÀ MÔ HÌNH ĐÁNH SỐ HAI CHIỀU

Exposure to electric or magnetic fields in the low and intermediate frequency range - Methods for calculating the current density and internal electric field induced in the human body - Part 3-1: Exposure to electric fields - Analytical and 2D numerical models

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này áp dụng cho dải tần số mà trong đó giới hạn phơi nhiễm dựa trên cảm ứng điện áp hoặc dòng điện trong cơ thể người khi bị phơi nhiễm ở trường điện.

Tiêu chuẩn này xác định chi tiết về hệ số ghép nối K - được giới thiệu trong bộ TCVN 8334 (IEC 62226) để đánh giá phơi nhiễm trong các trường hợp phơi nhiễm phức tạp, ví dụ như trường từ không đồng nhất hoặc trường điện xáo trộn - đối với trường hợp mô hình đơn giản của cơ thể người, bị phơi nhiễm trong trường điện đồng nhất. Hệ số ghép nối K có các cách giải thích vật lý khác nhau phụ thuộc vào việc hệ số này liên quan đến phơi nhiễm trường điện hoặc trường từ. Hệ số này được gọi là “hệ số hình dạng dùng cho trường điện".

Có thể sử dụng tiêu chuẩn này khi trường điện được coi là đồng nhất, với tần số lên đến 100 kHz.

Trường hợp phơi nhiễm trong trường điện “đồng nhất” này thường xuất hiện ở vùng xung quanh hệ thống điện cao áp trên không. Vì lý do đó, các minh họa được đưa ra trong tiêu chuẩn này là minh họa ở tần số công nghiệp (50 Hz và 60 Hz).

2. Phơi nhiễm trong trường điện

Trường điện xoay chiều được phát ra bởi các dây dẫn mang điện (nghĩa là chịu tác động của điện áp). Ở vùng xung quanh sát với các thiết bị điện gia dụng, như bóng đèn, công tắc, máy trộn thực phẩm và bàn là, có thể xuất hiện cường độ trường điện cục bộ khoảng 100 V/m. Các trường này không đồng nhất nhưng cường độ của chúng ở thấp hơn nhiều so với mức được khuyến cáo trong hướng dẫn về an toàn do đó không cần tính dòng điện cảm ứng trong trường hợp phơi nhiễm này.

Cường độ trường điện cao hơn có thể xuất hiện ở vùng xung quanh thiết bị điện cao áp như đường dây tải điện. Ở dải tần số được đề cập trong tiêu chuẩn này, phơi nhiễm từ đường dây điện được coi là nguồn phơi nhiễm đáng kể duy nhất đối với công chúng liên quan đến các giới hạn hướng dẫn an toàn.

Các hướng dẫn về phơi nhiễm của con người trong trường điện thường được thể hiện dưới dạng mật độ dòng điện cảm ứng hoặc trường điện bên trong. Các đại lượng này không thể đo được trực tiếp và mục đích của tiêu chuẩn này là đưa ra sự hướng dẫn để đánh giá các đại lượng cảm ứng trong cơ thể người do có trường điện bên ngoài (môi trường) E₀.

Mật độ dòng điện cảm ứng J và trường điện bên trong E_i có liên quan mật thiết với nhau qua công thức:

J = s.E_i                                                                         (1)

trong đó s là độ dẫn của mô cơ thể cần xem xét.

Để đơn giản hóa, nội dung của tiêu chuẩn này thể hiện dưới dạng mật độ dòng điện cảm ứng J, từ đó có thể dễ dàng suy ra giá trị của trường điện bên trong E_i bằng cách sử dụng công thức trên đây.

Tất cả các phép tính trong tiêu chuẩn này sử dụng phép gần đúng tần số thấp trong đó dòng điện chuyển dịch trong cơ thể là không đáng kể sao cho ɛw/s nhỏ hơn 1. Phép gần đúng này đã được kiểm tra bằng cách sử dụng dữ liệu về mô đã được công bố [29,31]1) trong dải tần số thấp và thấy là có hiệu lực đối với tần số lên đến 100 kHz và có thể có hiệu lực ở tần số cao hơn.

Các tính toán dựa trên mô hình đánh số phức tạp của cơ thể người [24] cũng chứng tỏ rằng giả thiết này có hiệu lực ở các tần số cao hơn 100 kHz bằng cách cho thấy mối liên quan giữa mật độ dòng điện cảm ứng trong cơ thể và tích của tần số với trường điện bên ngoài hầu như không thay đổi trong khoảng từ 50 Hz đến 1 MHz, và chỉ thay đổi không đáng kể ở tần số 10 MHz.

Có thể sử dụng mô hình giải tích cho các trường hợp tính đơn giản.

Trường điện gây ra sự dịch chuyển của các điện tích trong vật dẫn (kể cả cơ thể sống) và do các trường này thay đổi nên các điện tích di chuyển qua lại. Kết quả là có dòng điện xoay chiều “cảm ứng” bên trong vật dẫn. Dòng điện này chỉ phụ thuộc vào:

- hình dạng và kích cỡ của vật dẫn;

- các đặc tính (độ lớn, phân cực, mức độ không đồng nhất, v.v..) của trường không xáo trộn (trường được đo khi không có mặt bất kỳ vật dẫn nào);

- tần số của trường;

- sự thay đổi của độ dẫn vật thể (trong môi chất đồng nhất, mật độ dòng điện cảm ứng bởi trường điện không phụ thuộc vào độ dẫn).

Hình 1 minh họa hiện tượng cảm ứng này đối với trường hợp cơ thể tiếp xúc điện với đất.

Hình 1 - Minh họa về hiện tượng dòng điện cảm ứng bởi trường điện trong cơ thể người đứng trên mặt đất

Trường hợp điển hình về phơi nhiễm trong trường điện là trường hợp công chúng bị phơi nhiễm ở bên dưới đường dây tải điện cao áp. Trong trường hợp này, khoảng cách giữa nguồn trường và cơ thể người là lớn và trường trong khu vực gần với mặt đất có thể coi là đồng nhất, khi không có bất kỳ vật dẫn nào (xem Hình 2).

Hình 2 - Các đường sức điện thế của trường điện phát ra bởi một dây mang điện khi không có mặt bất kỳ vật thể nào (tất cả các khoảng cách đều tính bằng mét)

3. Qui trình chung

3.1. Hệ số hình dạng

Trong dải tần số thấp và tần số trung gian, mối liên quan giữa dòng điện cảm ứng trong cơ thể người (J) và trường điện đồng nhất (E₀) có thể rút gọn thành:

J = K_E.f.E₀                                                                                (2)

Trong đó:

f là tần số;

E₀ là độ lớn trường điện không xáo trộn;

K_E được xác định là “hệ số hình dạng dùng cho trường điện”.

K_E phụ thuộc vào kích cỡ, độ dẫn, hình dáng và vị trí của mô hình cơ thể người. K_E cũng phụ thuộc vào vị trí trong cơ thể mà tại đó mật độ dòng điện cảm ứng được đánh giá. K_E không phụ thuộc vào tần số để đánh giá phân tích dòng điện cảm ứng được tạo bởi trường điện (xem Phụ lục A).

K_E được tính theo đơn vị A·s·V^-1·m^-1 hoặc Fara trên mét (F/m), có liên quan đến thực tế là việc phơi nhiễm trong trường điện tương ứng với ghép nối điện dung giữa nguồn trường và vật dẫn bị phơi nhiễm trong trường.

3.2. Qui trình

Mật độ dòng điện bên trong một cơ thể có thể được đánh giá bằng phép giải tích, theo qui trình ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là tính mật độ dòng điện trong một nửa phỏng cầu, có kích thước được lựa chọn để đại diện tốt nhất cho cơ thể cụ thể. Như được thể hiện trong 5.3 của tiêu chuẩn này, mật độ dòng điện tuy không đồng nhất trong cả khối phỏng cầu mà phụ thuộc vào tỉ số L/R là nửa trục dài và nửa trục ngắn.

Giai đoạn thứ hai là sử dụng mô hình trục đối xứng thực của cơ thể người để xác định mật độ dòng điện là hàm của các vị trí theo phương thẳng đứng của cơ thể.

Giai đoạn thứ ba là chuyển đổi mật độ dòng điện trung bình ở vị trí thẳng đứng cụ thể sang mật độ dòng điện cục bộ trong các mô khác nhau ở độ cao đó. Hướng dẫn y tế về phơi nhiễm trong trường điện từ liên quan cụ thể đến mật độ dòng điện trong hệ thần kinh trung ương, do đó các vùng đặc biệt quan trọng trong cơ thể là dây thần kinh trong cột sống ở cổ, vì cổ có tiết diện nhỏ nên dòng điện tập trung ở vùng đó.

Dòng điện cảm ứng được tính đối với nam giới, nữ giới cũng như với trẻ em bằng cách sử dụng các giá trị chuẩn về chiều cao, khối lượng và diện tích bề mặt được công bố trong ICRP [38]. Thông tin đầy đủ được đưa ra ở đây để áp dụng phương pháp này cho người có khối lượng và chiều cao bất kỳ.

Các phép tính đánh số cũng được đưa ra để chứng minh tính hiệu lực của qui trình giải tích.

4. Mô hình cơ thể người

4.1. Giới thiệu chung

Trong tài liệu khoa học, nhiều mô hình có độ phức tạp khác nhau đã được sử dụng cho việc đánh giá dòng điện và trường bên trong được cảm ứng bởi trường điện hoặc trường từ (Hình 3). Ví dụ về các tính toán phức tạp như vậy được đưa ra trong Thư mục tài liệu tham khảo. Cần phải nhấn mạnh rằng các tính toán này phải được thực hiện bằng cách sử dụng các phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi khả năng chuyên môn ở mức độ rất cao và không phổ biến. Vì thế, kỹ thuật tính toán như vậy được coi là không thích hợp cho mục đích tiêu chuẩn hóa.

Hình 3 - Mô hình cơ thể thực tế

Các tính toán giải tích có thể thực hiện khi sử dụng mô hình đơn giản, như mô hình phỏng cầu trong trường điện đồng nhất.

4.2. Diện tích bề mặt

Diện tích bề mặt của một cơ thể (SB) được sử dụng để chia tỉ lệ cho cả mô hình cơ thể phỏng cầu và mô hình cơ thể đối xứng qua trục ở các cơ thể có kích thước khác nhau. Diện tích bề mặt phụ thuộc vào chiều cao và khối lượng của cơ thể. Báo cáo của ICRP [38], Dữ liệu giải phẫu và sinh lý học cơ bản để sử dụng trong phòng chống phóng xạ: Giá trị tham chiếu, cung cấp thuật toán để tính diện tích bề mặt tổng (SB_T) của người là hàm của chiều cao L (tính bằng mét) và khối lượng M (tính bằng kg):

SB_T = 0,1644M^{0,514 56} L^{0,422 46}                                                         (3)

Trong tiêu chuẩn này, chỉ tính diện tích bề mặt bao phủ phía ngoài của cơ thể xấp xỉ bằng 82 % diện tích bề mặt tổng SB_T. Việc giảm 18 % bao gồm 3 % là gan bàn chân, 6 % là bề mặt tiếp xúc của hai chân và 8 % là bề mặt phía trong của hai cánh tay và bàn tay còn 1 % dành cho đáy chậu. Vì thế, diện tích bề mặt bị giảm (SB_R) là:

SB_R = 0,82SB_T                                                              (4)

Bảng 1 đưa ra các kết quả của nam giới chuẩn và của nữ giới chuẩn, được giới thiệu trong 4.4 và Phụ lục B.

Bảng 1 - Dữ liệu về nam giới chuẩn và nữ giới chuẩn

4.3. Mô hình nửa phỏng cầu

Để tính mật độ dòng điện cảm ứng bên trong cơ thể người đứng trên mặt phẳng dẫn, cần tạo mô hình ánh xạ của cơ thể trong đất. Do đó, cơ thể được thể hiện bằng một nửa phỏng cầu (Hình 4) và phần ánh xạ được thể hiện bằng nửa còn lại (Hình 7). Nửa trục dài L của phỏng cầu được lấy theo chiều cao của người đại diện.

Hình 4 - Biểu đồ nửa phỏng cầu mô phỏng một người đứng trên mặt phẳng có điện thế bằng không

Nửa trục ngắn (tức là bán kính) R được chọn để tạo ra dòng điện tổng giống nhau chạy vào đất qua bàn chân khi cơ thể tiếp xúc với đất giống như đối với cơ thể mà nó đại diện. Điều này đạt được bằng cách đảm bảo rằng phỏng cầu có diện tích bề mặt lớp bao bọc phía ngoài giống như với cơ thể mà nó đại diện.

Diện tích bề mặt SB_s của một nửa phỏng cầu có chiều cao L và bán kính R được cho bằng:

                                                      (5)

trong đó e là độ lệch tâm:

R được xác định từ khối lượng M và L bằng cách tính công thức (5) theo R, với SB_s = SB_R, và trong đó SB_R được cho bởi công thức (3) và (4). Do đó

                                                            (6)

trong đó

B là hàm của R, nhưng vì arcsin(e)/e chỉ thay đổi từ từ theo L/R, như thể hiện trong Bảng 2, B cũng chỉ thay đổi từ từ theo L/R, và do đó có thể xác định B bằng cách sử dụng giá trị gần đúng đối với L/R.

Bảng 2 - Giá trị của arcsin(e)/e đối với các giá trị L/R khác nhau

Với L/R = 9,8 sẽ tính được

B = 1,476 L

Đặt B vào công thức (6) để tính R theo L và SB_s:

                                                  (7)

Hình 5 thể hiện kết quả bằng đồ thị. Có thể sử dụng đồ thị này để tìm bán kính R theo chiều cao L và khối lượng M của một người. Ví dụ, nam giới chuẩn có khối lượng là 73 kg và chiều cao là 1,76 m, thì bán kính R là 0,178 m và L/R là 9,86.

Hình 5 - Bán kính phỏng cầu tương đương R, theo chiều cao L, và đối với khối lượng khác nhau M

4.4. Mô hình cơ thể đối xứng qua trục

Mô hình cơ thể đối xứng qua trục thể hiện các đặc trưng thiết yếu của cơ thể: chiều cao, diện tích bề mặt tổng, kích thước cổ và biến dạng thẳng đứng gần đúng. Tuy nhiên, mô hình này không thể là đại diện hoàn hảo cho cơ thể vì cơ thể không đối xứng qua trục. Hình 6 minh họa mặt cắt xuyên tâm của mô hình đối xứng qua trục đối với mô hình nam giới chuẩn và mô hình nữ giới chuẩn.

(Mời xem tiếp trong file tải về)