加強電磁環境保護,提高城市電磁兼容水平

管登高,孫傳敏,孫 遙,徐冠立,林金輝,何政偉

(1.成都理工大學材料與化學化工學院,成都 610059;2.礦產資源化學四川省高校重點實驗室,成都 610059;3.成都理工大學 地球科學學院,成都 610059)

1 引 言

隨著城市經濟快速發展、人口劇增和現代電磁技術的廣泛應用,各種頻率電磁波的交互作用使城市中人為電磁能量顯著增加[1]。由空間、時間和頻譜3個要素組成并存在于城市環境中所有電磁現象的總和稱為城市電磁環境。由電磁輻射引起的城市電磁環境的復雜與惡化已成為一種新的城市現代病——被稱為“隱形殺手”的城市電磁環境污染,對城市發展與正常生產生活造成的危害越來越嚴重[2-3]。為此,電磁環境污染已被世界衛生組織(WHO)列為繼大氣污染、水污染和噪音污染之后的世界第四大環境污染,聯合國人類環境大會已將其列入必須控制的主要污染物之一。

加強城市電磁環境保護、提高城市的電磁兼容水平已成為城市發展和日常運行過程中十分重要的內容之一。隨著城市發展理念和建設水平的逐漸提高以及人們對城市電磁環境污染研究的進一步深入,人們越來越重視對城市電磁環境污染的防護與治理。因此,探討城市電磁環境污染的產生、危害與防治對策,對加強城市電磁環境污染的防治和提高城市電磁兼容水平,以及對促進城市經濟發展、社會進步與環境保護三者保持高度和諧統一具有十分重要的作用和現實意義。

2 城市電磁環境的主要污染源

2.1 通信、廣播電視發射系統的電磁環境污染

廣播電視發射系統主要包括長、中、短波廣播、調頻廣播、電視及差轉發射臺。其中,從環境電磁輻射電平來看,廣播電視發射塔對城市電磁環境所造成的污染最大[4]。發射塔越建越高,這是為了讓電視發射天線更高,信號播送的范圍更大。如我國的廣州塔塔高450 m,天線桅桿160 m,總高達610 m,是當前世界上最高的電視塔之一[5]。發射塔多用電磁輻射性能更好的天線和增大發射功率,以使天線輻射的有用電磁信號更強,從而提高信號的有效接收距離。部分城市的電視發射頻率已逐漸從甚高頻(VHF,30～300 MHz)向特高頻(UHF,300～3000 MHz)發展,電視發射功率由幾十千瓦發展到幾百千瓦。發射塔多位于人口較為稠密的市區或近郊區,以使這些地區有較高場強的電平,從而方便用戶接收到較高質量的電視信號。因此,在廣播電視發射系統附近尤其是沿主輻射方向區域,存在較強的電磁環境污染。據文獻報道[4],在距離高達525 m的莫斯科電視塔(發射功率315 kW)300 m處的地面的電磁輻射場強高達3.8 V/m。

近年來,由于集群專業網、移動、尋呼等通信業務的迅速發展,位于高層建筑的移動通信基站、專業通信網站、尋呼通信基站、微波通信臺和地面衛星發射臺等用以通信的發射基站、發射臺和發射天線的數量日益增多,其電磁場強度日漸增強,局部區域存在超標現象。文獻[6]報道的北京架設移動通信天線的某樓頂平臺電磁輻射環境監測值大多數小于30μW/cm2,但部分平臺區域達40～80μW/cm2,超過了國家規定的限值。

2.2 電力設備系統的電磁環境污染

電力設備系統的電磁環境污染主要來源于各類電力傳輸線路和變電站等。目前,我國電網輸送的是50 Hz工頻交流電,其輸送電壓主要為220/380 V(0.4 kV)、3 kV、6 kV 、10 kV 、20 kV、35 kV、66 kV、110 kV 、220 kV、330 kV和500 kV等,其中,110 kV以上的為高壓。輸送導線周圍和變電站附近產生的工頻電場和工頻磁場,對人體健康有一定的危害。此外,高壓架空送電線路和高壓變電站產生的放電頻率可達幾十千赫的電暈放電和放電頻譜可高達數百兆赫的絕緣子放電,這類電磁噪聲會對廣播和無線通信產生一定的電磁干擾[7]。據文獻報道[3],在某露天500 kV高壓線下電磁輻射場強竟高達5000 V/m左右,大于4000V/m的限值。

2.3 工業、科學和醫療用高頻設備的電磁環境污染

工業、科學和醫療用射頻設備是指除無線電通信和信息技術設備領域外,為工業、科學、醫療(包括具體用途)目的而產生和/或使用射頻能量的設備或器具[8]。這部分設備的主要用途是將高頻電磁能轉化成熱能,如中高頻感應加熱設備、高頻介質加熱設備、微波加熱及醫療設備、射頻醫療設備、射頻弧焊設備、電動工具和辦公用電子電氣設備等。目前,這類設備的年增長率基本都保持在20%以上。這些現代化的設備在工作時會產生一定的射頻電磁騷擾并向城市空間輻射,從而影響周圍電子電氣設備的正常工作,加劇城市空間電磁環境污染。表1[8]為國際無線電干擾特別委員會(International Special Committee on Radio Interference,CISPR)根據《工業,科學和醫療(ISM)射頻設備電磁騷擾特性的測量方法和限值》CISPR11-1990提供的2.5 GHz以下工業、科學和醫療用設備的電磁輻射騷擾實測數據。

表1 2.5 GHz以下工業、科學和醫療用設備的電磁輻射騷擾實測數據Table 1 Measured data of electromagnetic radiation disturbance of ISM devices under 2.5 GHz

2.4 城市交通設備系統的電磁環境污染

由于城市機動車、電氣化軌道交通等的快速發展,交通干線兩側的電磁環境污染日漸增強。城市電氣化軌道交通產生電磁輻射的設備主要是配電及牽引變壓器等變電設備及附屬設施,以及由集群基站等組成的通信與控制系統等設備和變頻變壓電動列車。據文獻[9]報道,北京地鐵八通線列車型式試驗結果表明,在型號為VVVF的變頻變壓電動列車客室內距地面450 mm測得其磁場強度小于等于10 G,在距地面900 mm其磁場強度小于等于5 G。

機動車發電機的整流器、發動機的點火系統、電動喇叭、蓄電池的大電流瞬時通斷等會產生一定的電磁噪聲。例如,當發動機點火系統點火時可產生火花電流脈沖和電弧,其中,火花電流的頻譜包括基波、諧波和X頻段[2]。相對于一般的內燃機汽車,混合動力汽車的電磁騷擾特性更復雜,電磁干擾問題更嚴重。文獻[10]報道了某混合動力汽車按GB/T 18387-2008標準對其電磁場強度測試結果表明,該車在12～17 MHz和24～30 MHz頻段其電場強度超標,而在26～30MHz頻段其磁場強度超標。

2.5 家用電器的電磁環境污染

在城市生活中,家用電器也是重要的電磁環境污染源,主要是以高頻輻射為主的微波爐、手機等以及以低頻輻射為主的電視機、空調和電腦等,其電磁環境污染的程度與這些輻射源的數量、功率、空間分布及使用頻率等有關。文獻[11]報道了房軍等人依據GB9175-88《環境電磁波衛生標準》于2004年前后對北京市昌平等城區的8個居民小區的174戶市民家中的微波爐等家用電器的電磁輻射強度進行了測試,結果見表2。

表2 北京市部分家用電器電磁輻射檢測結果Table 2 Detection result of electromagnetic radiation of partial household electronic appliances in Beijing city

綜上所述,通信、廣播電視發射系統,電力設備系統,工業、科學和醫療用高頻設備,城市交通設備系統及家用電器等是城市中的主要電磁環境污染源。隨著城市進一步發展,城市電磁輻射污染源更多、更復雜,局部電磁環境污染更為嚴重。

3 城市電磁環境污染的主要危害

3.1 電磁環境污染會降低城市電磁兼容水平

惡化的電磁環境會降低城市電磁兼容水平。所謂城市電磁兼容性(Urban Electromagnetic Compatibility,UEMC)是指設備或系統在城市電磁環境中既能滿足其功能要求又不會對城市環境中的任何事物帶來不能容忍的任何可能引起裝置、設備或系統性能降低或對有生命或無生命物質產生損害作用的電磁現象的能力。UEMC包括傳導、輻射兩種類型的電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)和電磁耐受(Electromagnetic Susceptibility,EMS)等。其中,電磁干擾的危害尤為嚴重,可造成數字系統與數據傳輸過程中數據的丟失,影響收音機、電視機的正常收看和收聽,引起儀器的假計數甚至誤動作,造成導航系統的工作失常、起爆裝置的無意爆炸和石油、化工等工業過程控制功能的失效等,導致從小的麻煩到大的災難性后果[12]。

3.2 電磁環境污染會危及城市電磁信息安全

電磁環境污染會危及城市電磁信息安全。在電子信息設備工作過程中產生一定的電磁信息泄密的原因在于[13]:由于計算機顯示器、通信線路、主機、打印機等輸出設備存在的“硬缺陷漏洞”而使計算機易產生電磁泄漏;由于軟件程序等存在的“軟缺陷漏洞”而使計算機網絡較為脆弱和易受攻擊。據文獻[14]報道,荷蘭學者Wim VanEck 1985年在《Computer&Security》上首次報道了用改裝的黑白電視機把1000 m之外的計算機顯示器上的信息復現出來的研究結果。目前,其竊取、復現與還原的最遠接收距離可達1600 m以外甚至更遠距離。而對于“手機監聽王”,用戶只要在其上輸入被監聽手機號碼,可監聽該手機通話資訊長達20 h以上[15]。因此,由電磁環境污染引起的城市電磁信息安全問題越來越引起世界各國的高度重視。

3.3 電磁環境污染會危害市民健康

隨著城市空間電磁環境污染的加劇,人類在盡情享受各種各樣的電磁技術帶來的高效、便捷服務的同時,作用于人體的電磁輻射會通過熱效應、非熱效應和積累效應對人體的健康造成一定的危害[16]。由于人體是電磁波的良導體,當能量過大(功率密度大于100 mW/c)的電磁輻射持續長時間穿過人體時,被人體吸收的電磁能量不容易及時通過人體自身的熱調節機制散發出去,就會引起人體溫度升高,這就是電磁輻射的熱效應。如果電磁波長時間作用于人體神經系統,會影響腦電流以及人體的循環、免疫、生殖和代謝等功能,甚至誘發癌癥等,這就是電磁輻射的非熱效應和積累效應。多種頻率電磁波長時間作用于人體,易使人的精力、體力減退,生物鐘紊亂,記憶、思考和判斷力降低,甚至誘發白內障、腦腫瘤、心血管疾病以及婦女流產和不孕等病變。

由此可見,惡化的城市電磁環境,既會降低城市的電磁兼容水平,又會危及電磁信息安全,還會危害市民健康。

4 加強電磁環境保護、提高城市電磁兼容水平的主要措施

4.1 加強政府相關職能部門對電磁環境污染源的約束和監管

隨著城市電磁環境污染源日益增多,城市局部區域的電磁環境污染越來越嚴重,對城市的發展及正常生產和生活造成了一定的危害。因此,迫切需要加強政府相關職能部門對電磁環境污染源的約束和監管。

首先,要成立相應的行政主管部門,落實其監管權利和職責。為此,國家環保部專門設立了主要負責與電磁環境保護等有關的法律、法規、標準和規范的制定、組織實施及監督管理的核安全管理司(輻射安全管理司),及主要負責組織管理國家環境監測網、組織實施各地的重點和基礎監測站對電磁污染源進行監督監測等的環境監測司。

其次,要與時俱進,建立科學、實用和可操作性強的電磁輻射標準體系,規范電磁輻射劑量,統一監管依據。

最后,要及時開展城市電磁環境污染源申報登記,建立城市電磁環境污染源數據庫,弄清城市電磁輻射污染設施的分布、運行功率、頻率分布等情況,并及時將各類電磁輻射污染源全部納入監控范圍,提高監管能力。

為此,國家環保總局在1997—1998年組織實施了首次全國電磁輻射污染源調查。徐州市環保局已對徐州市電磁輻射環境的污染現狀進行了調查[17],這對城市電磁環境污染源的控制與治理具有重要的作用和意義。

4.2 加強規劃布局,實施強制電磁環境影響評價與認證制度

為了提高城市電磁兼容水平,還需充分發揮環保部門在城市建設中對電磁環境規劃布局的指導作用,實施強制電磁環境影響評價與認證制度,特別是對新上電磁輻射設備、項目嚴格執行環境影響評價與認證制度。例如,在廣播電視塔、變電站、高壓線、手機基站等大型項目的規劃布局及開工建設前要經過嚴格的電磁環境影響評價,建成后需接受專業機構的檢測、驗收。環保部門還需加強對城市環境中電磁輻射等的常規監測、督察和執法,對局部區域內造成電磁環境污染較嚴重的設備及其設施提出整改指令,并督促其達到整改效果。此外,還要加強合作,共同采取措施提高電子電氣產品的EMC性能和進入城市流通的門檻。為此,我國已于2002年5月1日起對電子電氣等強制性產品實行CCC認證制度,規定凡列入強制性產品認證目錄內的產品必須獲得經國家指定的專門機構的CCC認證方可上市流通。目前,我國CCC認證的第二類標志即為“CCC+EMC”電磁兼容類認證標志,第三類標志為“CCC+S&E”安全與電磁兼容認證標志。將電磁輻射污染控制在國家規定的安全標準之內,杜絕產生新的電磁輻射污染源,從源頭上控制電磁輻射污染,這對城市電磁環境污染源的控制具有重要的作用和意義。

4.3 研發推廣經濟實用的抑制電磁輻射技術

屏蔽、接地與濾波是抑制電磁輻射提高EMC的三大關鍵技術[18]。屏蔽是用電磁波屏蔽材料對電子電氣設備及其所處環境進行防護的技術,屏蔽材料是實現電磁波屏蔽技術的重要物質基礎。接地是為了防止電磁干擾而將屏蔽體與地或干擾源的金屬殼體之間所做的永久良好的電氣連接,這樣既可有效保護屏蔽接地體內的設備免受外界電磁波的干擾,又可通過降低屏蔽體外的電磁波強度來減輕或消除電磁波對人體的危害。濾波就是通過濾波器、濾波電路等從含有噪聲或干擾的接收信號中將特定頻段頻率濾除,從而提取有用信號分量的一種技術方法。這三大關鍵技術在成本、電磁輻射防護性能、使用和維護的難易程度等方面各有特點。研發和推廣經濟實用的電磁輻射抑制技術對改善城市電磁環境提高電磁兼容水平方面具有十分重要的作用和意義。

4.4 加強電磁輻射污染防護的宣傳教育工作

加強電磁輻射污染防護的宣傳和教育工作,既利于消除市民由于對電磁輻射的誤解而導致的不必要的恐慌,又利于引導市民科學預防電磁環境污染。為此,國家環保部專門設立了主要負責組織、指導和協調全國環境保護宣傳教育工作和促進生態文明建設的環境保護宣傳教育司,各級地方政府也成立了與此相對應的職能機構,宣傳教育引導市民在日常生活和工作中注意加強對電磁輻射污染進行時間和空間防護[19]。例如,要教育市民正確擺放各種電子電氣設備,要與電子電氣設備保持適當距離,要避免同時啟用多種電子電氣設備,要縮短電子電氣設備的使用時間,每天可服用一定量的維生素C或者多吃些富含維生素C的新鮮蔬菜(如西紅柿、辣椒、香椿、菜花、菠菜等)、水果(如柑橘、棗等)和富含維生素A、C和蛋白質的食物(如瘦肉、動物肝臟等)。這些措施可在一定程度上起到積極預防和減輕電磁輻射對人體造成傷害的作用。

可見,為了加強電磁環境保護、提高城市電磁兼容水平,加強政府相關職能部門對電磁環境污染源的約束和監管,需加強規劃布局實施強制電磁環境影響評價與認證制度,研發和推廣經濟實用的抑制電磁輻射技術和加強電磁輻射污染防護的宣傳教育工作。

5 結 論

城市主要的電磁環境污染源主要包括通信、廣播電視發射系統,電力設備系統,工業、科學和醫療用高頻設備,城市交通設備和系統以及家用電器等。惡化的城市電磁環境會降低城市的電磁兼容水平、危及電磁信息安全和危害市民健康。為了加強電磁環境保護提高城市電磁兼容水平,需加強政府相關職能部門對電磁環境污染源的約束和監管,加強規劃布局實施強制電磁環境影響評價與認證制度,研發和推廣經濟實用的抑制電磁輻射的新材料、新器件和新技術,以及加強電磁輻射污染防護的宣傳教育工作。

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