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1、真空灭弧室中X射线对人体健康的影响2007年12月高电压技术第33卷第12期.101.真空灭弧室中X射线对人体健康的影响李炜,郭媛媛,(1.中国电力科学研究院,北京100085;2.王承玉,刘伟荣,孟佳北京京东方真空电器有限责任公司,北京100016)摘要:一般认为,在进行真空灭弧室的出厂耐压试验时不会产生危及人体健康的x射线,这忽略r两个非常重要的因素,即过小的开距和较高的外施电压.为深入了解x射线对高压试验人员的影响,住不同情况下进行系列模拟加压试验,并对生产线上大量真空灭弧室进行X射线释放最的监测,发现在商电压老炼过程中会释放出高水平的x射线,无论瞬时量还是累计量都已经远远超过标准中规定
2、的要求.因此,存从事该项1:作时,采取适当的防范措施是十分必要的.关键词:真空灭弧室;真空断路器;X射线;工频耐压试验;释放强度;人体危害中图分类号:TM561文献标志码:A文章编号:10036520(2007)12021104InfluenceofXraysinVacuumInterrupteronHumanHealth无论是IEC还是ANSI,为了防止进行真空断路器断口工频耐压试验时产生的x射线对高压试验人员产生伤害,均对其试验条件做出了相行规定_l.,但我国无论是国家标准GB还是电力行业标压试验人员的影响,作者作了大量的试验统计工作,经过对L百只不同型号的真空灭弧室进行出厂绝缘试验时的监
3、测,得出了一些试验结论.1X射线的产生机理及其吸收特性当电场中的电子被加速到一定速度,有相当大的动能时,撞击电极就会发生能量转换,它会将入射电子的动能全部或局部转化为光子能量(包括X射线).电子动能与加速电压有直接关系,较低电压基金资助工程:中国电力科学研究院青年科研基金项日(GF7l一07005).ProjectSupportedbyYouthScienceFoundationofChinaElectricPowerResearchInstitute(GF7l一07005).下产生的是软x射线,波长较长(0.11nm),能量较小(0.0220keV),穿透力较弱;较高电压下产生的是硬X射线,
4、波长较短(0.0010.1nm),能量较强(2O500keV),穿透力较强,对人的影响较大.因此,真空灭弧窜在触头翻开的条件下施加试验电压时,如果电压到达一定大小,肯定会产生能量较强的X射线.x射线通过物体后,局部会被吸收,这种吸收服从比耳定律:即如入射强度为,通过厚为D的介质后,那么强度降为,一le,其中表征原子的吸收特性.通常情兄下,施加l丁频电压时产生的X射线会经过屏蔽罩,陶瓷外壳,绝缘筒,由于屏蔽罩一般由无氧铜等轻元素金属材料制成,吸收系数很小,而陶瓷外壳与绝缘筒也不会吸收太多能量,所以绝大局部射线都会穿透到气rfI,并随着传播距离角度出发,设计良好的真空灭弧室应具有极低的场致放电效应
5、和低剂量的X射线发射水平.一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一=薹一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一Ieg_=l一_anLmmv1二r0th:Kns,d;dnM出一一一一一一一一一H叶豫ymbyMae一2X射线监测方法,产生条件及影响其大小的因素X射线的监测方法在ANSI和IEC中均有说明,在工频高电压条件下检测真空灭弧室释放x射线量时,可将测试探头布置于距离灭弧室1m处.为了保证电气平安距离,推荐的方法是将其放置于油中进行加压,但考虑到实施的方便性,可采用将探测距离加长的方法.同时为了便于比拟,可按P(M)一dP()l6将实测
6、到的结果统一归算至M一1m处的数值,其中,式中P(M)为距离灭弧室11TI处的吸收剂量,P()为距离d处的吸收剂量.测试原理见图1.射线产生的条件和影响其剂量大小的因素:正常运行期问真空开关不会释放出高于环境本底的x射线,产生x射线的异常的组合条件包括:触头翻开到一定距离,真空管内部压力情况,加载到一定的电压水平,并且产生的x射线能量可足够穿透屏检测到真空灭弧室发射X射线,对于不同电压等级U真空灭弧室曾经有过统计.,产生x射线时的外施电压U.大小见表1.有研究说明,自由电子流速,靶材料的核电荷数和加速电压是影响x射线发射剂量的主要因素.自由电子的速度越大,产生的动能越大,撞击电极时转化为光子的
7、能量就越高,而自由电子的速度取决于其在电场中受到的电动力大小,这与灭弧室触头结构与几何尺寸有关;所谓的靶材料核电荷数的差异表现为触头材料不同,X射线辐射强度正比于靶材料核电荷数的平方l_,所以作为目前使用较普遍的CC触头材料因为C和C的比例搭配也会带来辐射量的差异;加速电压指外施电压,进行绝缘试验的灭弧室随着外施电压的增加,触头问电场增强,释放的X射线量会随之变高,X射线释放量P与外施电压U的关系见图2.为了研究X射线能否对高压试验人员的健康施加工频电压时进行了大量的监测.实验中发现,试验时产生的X射线剂量极低,几乎无法测到;对电压范围在7075kV,即使在额定工频电压下产究结论一致:即真空灭
8、弧室所产生的X射线强度不提条件,即1min额定工频耐压试验是在额定开距下进行的,无论是电压还是开距的条件都比拟轻松,真外施电压图1X射线监测原理图图2额定开距下X射线释放量图3半开距下x射线释放量表1VS系列真空灭弧室X射线特性可是每只真空灭弧室在生产过程中都要有一个电压老炼环节.在此期间,为了使触头外表更加光滑,平整,一般采取的方法是在减小的开距条件下施加更高的工频电压进行长时间的加压.这样一来,由于场强增加了许多,产生的X射线量就可能非常大在老炼一段时间后,陶瓷外壳竞出现发黄的现象,将样品送至材料研究所化验分析后得出:发黄的原因是较强的X射线照射所致.由此证实,在一定条件下,确实会产生很强
9、的X射线.3国内外标准关于x射线的相关规定X射线对人体的影响分为瞬时效应和累积效45352515O321O一.,c0/p2007年12月高电压技术第33卷第12期?103?应u.,轻者会使人感到疲劳,食欲不振,严重时眼球及胸部会有刺痛感,甚至造成染色体畸变,产生不良遗传效应.西方兴旺国家对此均十分重视,IEC62271-2003高压交流断路器将工频绝缘试验时测量X射线列入型式试验工程,作为判别灭弧室合格与否的依据,而ANSIC37.85交流高压真空断路器一X射线极限的平安要求更是将最高运行电压下和工频绝缘试验电压下的X射线释放量分别做出了具体规定,它要求在非受控区域内:在最高运行电压下的吸收剂
10、量率为5ttGy/h;绝缘试验电sv(即吸收剂量率为150pGy/h);每小时累积剂量上限为0.02mSv;每7天累积剂量上限为1mSv;在GB1887卜2002电离辐射防护与辐射源平安根本标准中对公众每年受到的有效剂量做过规定12,即实践使公众中有关人群的成员所受到年有效剂量上限为1mSv,并未有专门针对高压试验人员制定相应的平安标准.实际上,单从每年受到的总有效剂量上限来看,GB比ANSI的规定要严格得多,ANSI中规定每分钟产生有效剂量E限前提是假定一名试验人员每年进行2000次该试验,如按此二限要求,我国该类试验人员每年只能进行400次该试验,而实际情况是一家生产企业每年的真空管产量均
11、在几万只甚至几十万只,每只产品在出厂时均须进行各种工频耐压试验,平均到每个试验人员头I二的试验次数要远远超过上述数值,即使对于开关试验站,每按照ANSI的要求也不现实,这就需要制定适合我国国情的标准对X射线释放量加以控制.4试验结果的统计分析仅仪在标准中对X射线量加以限制并不够,仍需采取其它防范措施.既然住电压老炼过程中,可能会释放出远高于运行或工频耐压试验时的X射线,为了了解具体情况,分别对卜多种型号几卜只火弧室,在不同老炼环境下进行的上百次电压老炼试验进行了跟踪测试,得到j,一些x射线释放量的分布规律,具体的老炼方法和分布规律分别见表2,3.如果一家灭弧室生产企业每年生产各电压等级的真空管
12、6万只(其lfj,12kV等级5.5万只,24kV等级o.2万只,4o.5kv等级o.3万只),每只需要13次不同方式的电压老炼,轮流从事电压老炼岗位工作的有两人,人均年试验量为3万只.那么,假设按表3中分布规律推算:即12kV产生X射线剂量率范围在l(卜100tzGy/h约占46.5,l00/xGy/h表2不同电压等级下的老炼方式表3X射线释放量分布规律以上约占53.;24kV产生X射线剂量率范围>100Oy/h几乎占到93.8,只有6.2在1O100/Gy,/h和>100tGy/h各占50%.根据概率统计计算:每名试验人员受到的年吸收剂量约为:D一D+D+D.,其中,D为每个试
13、验人员受到12kV真空管照射的年吸收剂量;D40.5kV的年吸收剂量一.那么:275()()一D一D孙=210mGy,71,一】D2一Du+D一33mGy,Ds一10+Df_513m(那么:D一256mGy,式中,D,为每次折算到1m处测到的吸收剂量率,指试品只次数,为释放出的X射线强度不同范围情况,D圳和D分别指在半开率折算到11TI处的数值.那么年当量剂量为:HT-_>:D1R,其中,议k为辐射权重因数,因x射线属光子范畴,故CUR取l,那么人体最终所受年有效剂量:E一:议H其中,为组织或器官的组织权重因数.最后经过加权计算后得出,如果试验人员在不加任何遮挡的情况下,距离灭弧室lm处
14、进行工频电压老炼试验,那么1a中受到x射线照射的累积有效剂量将能到达256mSv,已经远远超过公众可接受的辐射水平,如按照试验人员距离灭弧室4m计算,根据比耳定律,那么累计年有效剂量衰减为16mSv,这也是非常危险的数值.这说明,在电压老炼时仅仅保证电气平安距离是远远不够的,为了阻止x射线直接照射人体,还必须采用一些重金属材料进行屏蔽,常用的如56mm的铅板(吸收系数为5.776),将x射线强度再衰减到5.63,这样的话,剩下约为0.90.5mSv,才到达GB中规定年有效剂量上限为1mSv的要求.5结语试验结果说明,无论是GB还是DL均应根据我国实际情况制定专门针对高压试验人员的平安标准.另外
15、,进行工频老炼试验的真空灭弧室在改变外施电压和开距时其x射线释放量存在很大差异,在某些条件下甚至到达严重危害人体健康的程度.所以,作为真空灭弧室生产企业应该充分重视试验人员的平安问题,在加强员工平安意识的同时,还应制定具体的平安规程.如:试验人员最好在加压试验时距离被试灭弧室>4m,并且在试验场地围栏处安装能够屏蔽x射线的挡板,如56mm铅板,对该岗位工作的员工配备个人剂量计,设置报警阚值,进行日常监测,并且定期进行体检.参考文献1IEC62271100Highvoltageswitchgearandeontrolgearpartl00:highvoltagealternatingcur
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