Исследование фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов для нужд железнодорожного транспорта

Вред для глаз от излучения СД состоит в возможном термическом или фотохимическом повреждении сетчатки. Опасности оптического излучения (ОИ) оцениваются в соответствии с руководящими указаниями Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений (МКЗНИ, ICNIRP), в которых устанавливаются пределы времени воздействия (экспозиции) и рассматриваются вопросы оценки опасностей ОИ для глаз и кожи, раздельно для лазеров и для некогерентных широкополосных источников оптического излучения (ИИ). Эти пределы были положены в основу соответствующей директивы Европейского Союза (ЕС) [1].

Международная комиссия по освещению (МКО, CIE) (Отделение 6) совместно с Международной электротехнической комиссией (МЭК, IEC) разработала для ламп методы оценки и классификации рисков со стороны синего и ИК-излучений. Эти методы приведены в стандарте МКО/CIE S009 [2], затем принятого МЭК в качестве стандарта IEC 62471 [3].

Так как конкретное использование ИИ обычно заранее неизвестно, стандарты по безопасности продукции требуют определения некоторых радиометрических параметров для сравнения их с допустимыми пределами [4]. Эти пределы соответствуют одному из классов опасности (или группе риска), каждый из которых отражает традиционную философию безопасности. В этих стандартах указываются и необходимые условия измерения этих параметров, основанные на учете наиболее тяжелых условий экспозиции. Масштабное внедрение светодиодной техники на объектах железнодорожного транспорта, проводимое в настоящее время, стало возможным лишь после внесения Роспотребнадзором изменений и дополнений, разрешающих использование светодиодного освещения на объектах железнодорожного транспорта, в следующие Санитарные правила:

1. «Санитарные правила по проектированию, размещению и эксплуатации депо по ремонту подвижного состава железнодорожного транспорта» СП 2.5.1334-03;
2. «Санитарные правила по проектированию, изготовлению и реконструкции локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта» СП 2.5.1336-03;
3. «Санитарные правила для формирований железнодорожного транспорта специального назначения» СП 2.5.1335-03;
4. «Санитарные правила по организации грузовых перевозок на железнодорожном транспорте» СП 2.5.1250-03.

В то же время применение светодиодов для освещения кабин машинистов и рабочих мест диспетчеров-операторов, связанных с обеспечением безопасности движения, Главным санитарным врачом ОАО «РЖД» не разрешено. Для решения вопроса о возможности получения такого разрешения необходимы исследования, подтверждающие фотобиологическую и гигиеническую безопасность длительного воздействия излучения светодиодов на организм человека при выполнении трудовых обязанностей специалистов водительских (машинистов и помощников машинистов) и диспетчерских профессий.

Данная статья посвящена исследованию фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов, предназначаемых для использования при освещении кабин подвижного состава и помещений диспетчерских систем железнодорожного транспорта. Настоящие исследования проводились в России впервые и выполнялись по заданию Департаментов Управления охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля и Технической политики ОАО «РЖД» в лаборатории «Л.И.С.Т.» («Лаборатория Исследования Световых Технологий»).

Объектом исследований являлись осветительные приборы со светодиодами (ОП с СД), наиболее близкие по конструкции и светотехническим параметрам к светильникам с традиционными источниками света, используемым в настоящее время в кабинах локомотивов и помещениях диспетчерских систем железнодорожного транспорта. Были выбраны и исследовались следующие осветительные приборы: светильники СОЛ-1 (образцы № 1 и 3, производства ЗАО НПО «РоСАТ») для освещения кабин локомотивов, предназначаемые для замены плафонов с лампой накаливания, светодиодная панель ЕхР-600 (производства ООО «Экспомет») для освещения помещений диспетчерских систем, предназначаемая для замены светильников с люминесцентными лампами. Фотографии светильников представлены на рис. 1.

По данным В. Йордан, В. Халбриттер и В. Хорак [4], основным радиометрическим параметром при оценке фотобиологической опасности светильников является спектральное распределение их энергетической яркости. При измерении радиометрических характеристик светильников должны строго соблюдаться условия, приведенные в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4]. Измерение радиометрических параметров излучения светильников общего освещения должно проводиться с расстояний, на которых светильники создают освещенность, равную 500 лк, при входном (апертурном) угле у, определяемом конкретным видом опасности и группой риска.

Энергетическая яркость светильника L (Вт/м²·ср) определялась по формуле (1):

где Р — измеряемая радиометром интегральная мощность излучения, Вт, S — площадь светящейся части светильника, вырезанная углом ϒ, м²; Ω — телесный угол, в котором заключено измеренное излучение, ср.

При этом:

где r₁ — радиус светящейся части площади светильника, вырезанной углом ϒ, м ; r — рас-тояние от светильника до измерительной апертуры радиометра, м.

Расстояние r предварительно определялось от поверхности рассеивателя светильника до плоскости, на которой освещенность была равна 500 лк. Перед измерениями освещенности светильники работали более 1,5 ч. Результаты измерений расстояния приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расстояние для измерений радиометрических параметров r

Для измерения интегральной мощности излучения использовалась радиометрическая головка и гониометр в составе стенда «Флакс 20»; для измерения относительного спектрального распределения мощности излучения — спектрометрический стенд «Спекорд»; для измерения пространственного распределения силы света — фотометрический стенд «Флакс 20», включающий гониометр и фотометрическую головку.

В помещении фотометрической лаборатории поверхности потолка, стен и пола имели светопоглощающее покрытие с коэффициентом отражения менее 0,03. Температура в помещении во время измерений составляла +25±1 °C.

Измерения мощности излучения всех исследуемых светильников проводились при диаметре апертурной диафрагмы радиометрической головки 7 мм (приведено к диаметру зрачка темноадаптированного глаза). Для оценки светильников по требованиям «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки» при измерениях мощности излучения обеспечивался входной (апертурный) угол у = 0,1 рад. А для оценки светильника СОЛ-1 образец № 1, с максимальным излучением в длинноволновой области спектра из исследованных светильников, по требованиям «группы полного отсутствия риска от термической опасности для сетчатки» мощность излучения была измерена и при входном (апертурном) угле ϒ = 0,011 рад. Соответствующие входные углы обеспечивались расстояниями между плоскостью входного окна радиометра (табл. 1) и масками, устанавливаемыми на соответствующий светильник, с диаметрами диафрагм поля зрения, приведенными в таблице 2.

Таблица 2. Диаметры диафрагм поля зрения

Исследования фотобиологической опасности светильников с СД проводились в следующем порядке.

Светильник устанавливался на гониометр фотометрического стенда «Флакс 20» (рис. 2), и на него подавалось номинальное напряжение.

Светильник работал в течение 1,5-2 ч, до достижения стабилизации параметров.

Далее измерялось пространственное распределение силы света с помощью фотометрической головки, расположенной на расстоянии порядка 18 м от гониометра (точное расстояние зависит от типа светильника и его геометрических размеров) (рис. 3).

На выбранном (табл. 1) расстоянии для каждого светильника измерялось относительное спектральное распределение мощности излучения с помощью спектрометрического стенда «Спекорд» (рис. 4) по оптической оси светильника и под углом 75° к оптической оси в плоскости симметрии светильника. Последнее выполнялось для оценки отличия спектрального распределения излучения в направлении оси светильника и под большим углом наблюдения, всегда присутствующего у приборов на основе светодиодов и могущего повлиять на дальнейшие расчеты и достоверность полученных значений энергетической яркости.

Затем на светильник устанавливалась подготовленная заранее маска с диафрагмой, диаметр которой по таблице 2 соответствовал входному (апертурному) углу ϒ = 0,1 рад (рис. 5).

Поворотная часть гониометра со светильником устанавливалась так, чтобы оптическая ось светильника была параллельна рельсу, на котором установлены гониометр и радиометр и который расположен под углом к направлению измерения пространственного распределения силы света фотометром. На рельсе устанавливалась радиометрическая головка (рис. 6) с входной (апертурной) диафрагмой в 7 мм на расстоянии по таблице 1, измеренном с помощью лазерного дальномера Leica Disto А5. В процессе исследования замерялся ток I в измерительной цепи радиометрической головки, освещенной светильником через диафрагму маски. Для светильника СОЛ-1 образец № 1 дополнительно устанавливалась маска с диафрагмой, диаметр которой по таблице 2 соответствовал входному (апертурному) углу у = 0,011 рад, и снова замерялся ток в измерительной цепи радиометрической головки.

Мощность излучения светильника P, измеренная радиометром и заключенная в заданном входным углом ϒ телесном угле Ω, определялась по следующей формуле (4):

где I — ток радиометра, А; К_х — коэффициент чувствительности радиометра для спектрального распределения излучения исследуемого светильника.

Коэффициент К_х (А/Вт) определялся на основе относительного спектрального распределения излучения светильника φ_λ, измеренного ранее, характеристики
относительной спектральной чувствительности радиометра λ_λ (рис. 7) и паспортного максимального коэффициента чувствительности радиометра λ_max = 0,50622 А/Вт по следующей формуле (5):

Энергетическая яркость светильника L (Вт/(м²·ср нм) определялась по формуле (1). Спектральное распределение энергетической яркости светильника для заданных условий измерения определялось по следующей формуле (6):

где φ _λ — относительное спектральное распределение излучения светильника, С — нормирующий коэффициент (Вт/(м²·ср нм), рассчитываемый следующим образом (7):

Для оценки опасности «синего» излучения светильника для сетчатки рассчитывалось значение энергетической яркости эффективного излучения синего света L_B (Вт/(м²·ср)) по следующей формуле (8) [1]:

где В(λ) — спектральное взвешивание с учетом длины волны, вызывающее фотохимическое поражение зрения синим светом (табл. 1.3 [1]).

Для оценки термической опасности излучения светильника для сетчатки рассчитывалось значение энергетической яркости эффективного излучения теплового поражения L_R по формуле (9) [1]:

где R(λ) — спектральное взвешивание с учетом длины волны, наносящее тепловое поражение

зрению посредством видимого и импульсного излучения, приведено в таблице 1.3 [1]. При этом значения L_λ должны быть определены для соответствующего значения входного угла
ϒ = 0,011.

Окончательная оценка фотобиологической опасности осветительных приборов со свето-диодами проводилась сравнением значений L_B и L_R с предельными значениями, приведенными в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4].

Полученные данные удобнее рассматривать отдельно для каждого образца, представляющего свой класс по характеристикам и месту применения.

Результаты исследований светодиодной панели ЕхР-600

Светодиодная панель ЕхР-600 (далее светодиодная панель) может использоваться в качестве встраиваемого светодиодного светильника в подвесные потолки с шагом ячейки 600×600 мм или как отдельный накладной светильник потолочного или настенного крепления. Светодиодная панель предназначена для освещения офисов, торговых и складских помещений.

Технические характеристики ЕхР-600 (по данным производителя):

1. питающее напряжение 110-240 В 50-60 Гц;
2. потребляемая мощность светильника 45 Вт;
3. класс электробезопасности II;
4. коэффициент пульсации 4,75;
5. цвет белый (5000 К) и теплый белый (2800 К);
6. класс защиты IP40;
7. климатическое исполнение У3.1;
8. рабочий диапазон температур -20.. .+50 °С;
9. массо-габаритные показатели 597x597x75 мм, 1,8 кг.

Светодиодная панель имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии. Результаты измерения пространственного распределения силы света в них и расчетов фотометрических параметров на основе диаграмм распределения показаны на рис. 8. В таблице 3 приведены результаты измерения основных светотехнических параметров светодиодной панели.

Таблица 3. Светотехнические параметры светодиодной панели

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения светодиодной панели иллюстрирует рис. 9.

Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», приведены в таблице 4.

Результаты
исследований светодиодного светильника СОЛ-1

Светодиодные светильники СОЛ-1 (далее светильники) предназначены для освещения: оборудования, устанавливаемого в кузове локомотива; проходов и коридоров; ходовой части локомотива; жилых и общественных помещений; производственных зданий; гаражных боксов; лестничных клеток; лифтов; подземных переходов. Светильники устанавливаются на стеновые или потолочные поверхности.

Технические характеристики светильника (по данным производителя):

1. потребляемая мощность не более 15 Вт;
2. диапазон номинальных напряжений питания постоянного тока 24-110 В;
3. диапазон номинальных напряжений питания переменного тока 50-240 В;
4. световой поток Ф 450 ±90 лм;
5. срок службы 50 000 ч;
6. цвет холодный белый (6500-8000 К), натуральный белый (4000-5000 К), теплый белый (3000 К);
7. класс защиты IP53;
8. климатическое исполнение УХЛ1 по ГОСТ 15150-69;
9. диапазон рабочих температур -55.. .+60 °C;
10. массо-габаритные показатели 157×128×106 мм,
    2 кг.

Светильник имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии.

Светильник СОЛ-1, образец № 3

Результаты измерения пространственного распределения силы света в двух плоскостях симметрии и расчетов на их основе фотометрических параметров образца № 3 показаны на рис. 10. В таблице 5 приведены результаты измерения его основных светотехнических параметров.

Таблица 5. Светотехнические параметры образца № 3

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения и координаты цветности образца № 3 можно увидеть на рис. 11. Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», приведены в таблице 6.

Светильник СОЛ-1, образец № 1

Результаты измерения пространственного распределения силы света в двух плоскостях симметрии и расчетов фотометрических параметров на их основе
образца № 1 показаны на рис. 12. В таблице 7 приведены результаты измерения его основных светотехнических параметров.

Таблица 7. Светотехнические параметры образца № 1

Результаты измерения относительного спектрального распределения излучения и координаты цветности образца № 1 иллюстрирует рис. 13. Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки», представлены в таблице 8.

Результаты радиометрических измерений и расчетов значений параметров, необходимых для определения спектрального распределения энергетической яркости для условий «группы полного отсутствия риска от термической опасности для сетчатки», приведены в таблице 9.

Оценка фотобиологической опасности светодиодных светильников

Оценка фотобиологической опасности светодиодных светильников проводилась сравнением значений энергетической яркости эффектив ного излучения синего света
L_B и энергетической яркости эффективного излучения теплового поражения L_R, определенных в процессе исследований, с предельными значениями, приведенными в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [4].

Степень термической опасности для сетчатки глаза зависит от размера изображения источника излучения (ИИ) на ней. Поэтому в случае доминирования термических опасностей угловой размер ИИ а известен. При этом:

где d — характерный размер светящего тела; r — расстояние от последнего до измерительной апертуры.

Для определения d используется половина точек изображения ИИ. Для нахождения соответствующего угла а по данной формуле используются два его ограничения:
α_min = 1,7 мрад и α_max = 100 мрад. Выше и ниже этих границ пределы термической опасности для сетчатки не зависят от размеров ИИ.

Для светильника СОЛ-1 № 1: d = 0,0785 м; r = 0,443 м; α = 0,177 рад, что в 1,77 раза больше α_max = 100 мрад. Следовательно, для
определения предельного значения L_R принимаем α = 100 мрад, и предельное значение L_R = 2,8 × 104/а = 280 Вт/(м2-ср).

В таблице 10 представлены значения L_B и L_R, полученные в результате исследования светодиодных светильников, предназначаемых для
освещения рабочих мест машинистов локомотивов и диспетчерских систем железнодорожного транспорта. В той же таблице приведены предельные значения L_B для «группы полного
отсутствия риска от опасности «синего» излучения для сетчатки» и предельные значения L_R для «группы полного отсутствия риска от теплового поражения сетчатки».

Анализ данных таблицы 10 показывает, что для всех исследованных осветительных приборов со светодиодами величины L_B и L_R значительно
меньше предельных.

В результате проведенной оценки фотобиологической опасности исследованных светильников можно сделать вывод о том, что они относятся к «группам полного отсутствия риска от опасности «синего» излучения и теплового поражения сетчатки».

В заключение следует отметить, что использованный метод измерения энергетической яркости без создания изображения светящей части светильника на приемнике радиометра с помощью объектива вносит дополнительную погрешность. Погрешность составляет 10-20% от заданного входного угла Y в сторону его увеличения. Дополнительная погрешность увеличивает измеренные значения энергетической яркости. Однако превышение предельных значений намного больше даже увеличенных измеренных величин, что никак не влияет на оценку фотобиологической безопасности исследованных светильников.