Механизмы связи и способы их ослабления

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНИМАЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ВГС ВОЗ ИКТ КЗ КС КЭ ЛЭП МЭК ПКЭ ППЭ ТС ТП ЭДС ЭЗ ЭМВ ЭМИ ЭМО ЭМП ЭМС ЭСР - высшие гармонические составляющие Всемирная организация здравоохранения информационно-коммуникационные технологии короткое замыкание контактная сеть качество электрической энергии линия электропередачи Международная электротехническая комиссия показатель качества электрической энергии плотность потока электромагнитной энергии техническое средство тяговая подстанция электродвижущая сила электрический заряд электромагнитное влияние электромагнитное излучение электромагнитная обстановка электромагнитное поле / электромагнитная помеха электромагнитная совместимость электростатический разряд Лекция 4 МЕХАНИЗМЫ СВЯЗИ И СПОСОБЫ ИХ ОСЛАБЛЕНИЯ План лекции 4.1 Общие положения 4.2 Емкостная связь (электрическое влияние) 4.3. Индуктивная связь (магнитное влияние) 4.4 Гальваническая связь (гальваническое влияние) 4.5 Влияния электромагнитных полей радиочастотного диапазона 4.1 Общие положения Электромагнитное поле как форма существования материи – это единый и неделимый объект, но в «ближней» зоне ЭМП принято рассматривать раздельно ЭП и МП, что позволяет раздельно рассчитывать и оценивать их уровни. Как было рассмотрено ранее в лекции 3, переменные токи и напряжения различной формы создают в пространстве, окружающем электрические цепи, переменные электрические и магнитные поля. Характер изменения этих полей соответствует характеру изменения электрического напряжения и тока в рассматриваемой цепи. Линии, находящиеся в непосредственной близости от этих электрических цепей, попадают под влияния их электромагнитных полей. Линии подразделяют на линии влияющие и линии, подверженные влиянию. Из двух линий влияющей считают линию с большим уровнем 2 передачи энергии. К линиям, подверженным влиянию относят: линии связи (как воздушные, так и кабельные); линии телефонной и телеграфной связи; линии радиовещания, телеуправления и телесигнализации; силовые и осветительные электрические сети; менее мощные по сравнению с влияющей линии электропередачи; неэлектрические, но проводящие линии - металлические сооружения, эстакады, трубопроводы, оболочки кабелей и др. Влияние называют опасным, если напряжения и токи, возникающие в подверженной влиянию цепи, создают опасность для здоровья и жизни людей, обслуживающих эту цепь или пользующихся ею, а также для целости аппаратов, приборов, линий и их изоляции. Влияние называют мешающим в том случае, если индуктированные в цепи напряжения и токи нарушают ее нормальную работу, затрудняют передачу сигнала в виде шумовых и прочих помех. Мешающее влияние на смежные объекты зачастую оказывают высшие гармонические составляющие тока и напряжения, присутствующие во влияющей линии. Взаимное расположение линий, при котором в их цепях могут возникнуть опасные или мешающие напряжения и токи, называют сближением линий влияющей и подверженной влиянию, причем вторая из них находится в зоне влияния первой. Длина сближения - это длина частей обеих линий, находящихся в зоне влияния: ширина сближения а - кратчайшее расстояние между влияющей линией и линией, подверженной влиянию, как показано на рис.4.1. 3  линия влияющая a1 a2 an 1 2 n линия, подверженная влиянию Рис. 4.1 Виды сближений линии влияющей и линии, подверженной влиянию Сближение считают параллельным в том случае, когда ширина сближения а по длине участка неизменна или отличается от среднего значения не более чем на 10 % (участок 1 на рис.4.1). В противном случае сближение называют косым (участок 2 на рис.4.1), при этом величина а равна среднему алгебраическому длин проекций на влияющую линию в начале и конце рассматриваемого участка. Сложной называют трассу сближения, состоящую из участков параллельного и косого сближения (весь участок на рис.4.1). При определении опасного и мешающего влияния в цепях проводной связи и радиовещания их линии разбивают на расчетные участки. Расчетными являются гальванически неразделенные участки, не содержащие трансформаторов, усилителей и фильтров. 4.2 Емкостная связь (электрическое влияние) Электрическое влияние обусловлено наличием во влияющей линии переменного электрического напряжения, создающего вокруг проводов переменное электрическое поле. Силовые линии ЭП начинаются на поверхности провода влияющей линии и заканчиваются на поверхности земли, поэтому электрическому влиянию подвержены воздушные линии 4 и подвесные линии, выполненные кабелем без металлической оболочки. Линии, расположенные на земле или в земле (жилы с заземленной металлической оболочкой, кабельные линии) этому влиянию не подвержены. При рассмотрении электрического влияния отдельно от магнитного считают, что во влияющем проводе имеется напряжение относительно земли, а ток в линии отсутствует отсутствует. Возьмем в качестве влияющей линии провод 1 одной фазы воздушной ЛЭП переменного тока с напряжением U1, а в качестве линии, подверженной влиянию – жилу 2 однопроводной воздушной линии связи, как показано на рис.4.2. 1 U1 C1-2 I 2 g1-2 Uэ C2-0 g2-0 в a Рис. 4.2 Схема электрического влияния Будем считать, что влияющая и подверженная влиянию линии имеют одинаковую длину сближения , и эта длина значительно больше, чем высота подвеса проводов обеих линий. Между точкой 1 и 2 существует проводимость y12 , См/км: y12  g12  jC12 , где g12 – активная проводимость изоляции и воздуха; C12 – реактивная (емкостная) проводимость между проводом влияющей ЛЭП и линией связи. Аналогично, между токами 2-0 существует проводимость линии связи относительно земли y 20 , См/км, состоящая также из активного и реактивного слагаемых: 5 y20  g20  jC20 , где g20 – активная проводимость линии связи относительно земли; C20 – реактивная проводимость. Обычно активные проводимости крайне малы, то есть g C , поэтому примем у12  jC12 и у20  jC20 , См/км. В таком случае между влияющим проводом 1 и землей имеется разность потенциалов, равная напряжению влияющей линии UВЛ. Под воздействием этого напряжения из точки 1 через точку 2 в точку 0 потечет ток I , А, который можно найти из выражения: I  U1 y12  y 20 . y12  y 20 Количественной оценкой электрического влияния линии 1 на линию 2 является величина напряжения электрического влияния UЭ , В, провода 2 относительно земли. Это напряжение определяется между точками 2 и 0 на рис.4.2, то есть : UЭ  I y 20  U1 y12 С12  U1 . С12  С20 y12  y 20 Выясним, как зависит величина наведенного напряжения Uэ от высоты подвеса в относительно поверхности земли провода 2, подверженного влиянию. 6 Как правило, высота подвеса провода воздушной линии гораздо меньше, чем ширина сближения проводов этих линий а, т.е. в  а, поэтому емкость между линиями 1 и 2 соотносится по выражению С1-2  С2-0 (емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между его обкладками), в связи с чем можем записать для напряжения электрического влияния: Uэ  U1 C1-2 . C2 0 При уменьшении высоты подвеса в провода 2, подверженного влиянию, емкость С2-0 возрастает, а емкость С1-2 остается практически постоянной, вследствие чего наведенный на его поверхность потенциал будет уменьшаться при приближении провода 2 к земле. В случае, когда провод 2 достигнет поверхности земли, высота его подвеса станет равной нулю в = 0, емкость относительно земли станет бесконечно большой С2-0 = , а напряжение электрического влияния станет равным нулю Uэ  0 . Таким образом, на провода, лежащие на земле и в земле, электрическое влияние не действует (силовые линии электрического поля от провода 1 заканчиваются на поверхности земли). Величины емкостей могут быть найдены из первой группы уравнений Максвелла, определяющих распределение напряжений в системе изолированных заряженных тел. В таких случаях принято анализировать взаимодействие однопроводных влияющей и подверженной влиянию линий, причем, обратными влияниями часто пренебрегают, так как уровень передаваемой мощности линии, подверженной влиянию, на несколько порядков меньше, чем у влияющей линии. В качестве влияющей линии чаще всего в практических задачах рассматриваются: контактная сеть электрифицированных железных дорог; одна фаза ЛЭП; а в качестве линии, подверженной влиянию, рассматривается цепь «провод–земля» воздушной линии; «оболочка– земля» кабельной линии; цепь «жила–земля» кабеля без металлической оболочки. 7 Расчет потенциала ЭП, создаваемого одним заряженным проводом, произведем на примере ЭП, создаваемого заряженной осью 1 с зарядом  на единицу длины, которая расположена над плоской проводящей поверхностью (земля), как показано на рис.4.3. Определим характеристики поля в верхней полуплоскости диэлектрика (в воздухе) в некоторой точке пространства М. Отметим, что электрическое поле в воздухе, а также в подавляющем большинстве видов изоляции, является линейным, а для любой линейной среды применим метод наложения [26]. Помимо этого, для решения задачи применим метод зеркальных изображений, суть которого заключается в следующем. Заряд  создаст в точке М некий потенциал. Вследствие электростатической индукции от заряда  на поверхности земли выступают заряды, которые в точке М создают некий другой потенциал, и суммарное значение потенциала м в точке М будет складываться из двух упомянутых потенциалов.  1 а1М М h в h 1М 1'  Рис.4.3 Метод зеркальных изображений В соответствии с методом зеркальных изображений влияние земли на распределение потенциалов может быть заменено на влияние дополнительного провода 1, который является зеркальным изображением влияющего провода 1 и имеет противоположный по знаку заряд (-) на единицу длины. Согласно положениям электротехники 26, если поместить на расстоянии h от поверхности земли ( в точку 1 8 рис.4.3) такой же заряд , но с обратным знаком (-), то оба заряда  и () наведут в точке М тот же потенциал м, что и сумма ранее рассмотренных потенциалов. Таким образом, в задаче с зеркальными изображениями земли уже нет, а есть два провода в безграничном пространстве. ЭП в такой системе совпадает с ЭП исходной системы в верхнем полупространстве над землей вне проводов. Для одиночного длинного (дабы не учитывать краевые эффекты) провода потенциал м , В, любой точки пространства М определяется как следствие теоремы Гаусса по известному выражению [26] : м = где q  b  1 ( ) 1 ln  ln    q  ln 1м , 20 а1м 20 b1м а1м (4.1) 1 ; a1м - расстояние от точки М до геометрического центра 2  0 провода 1, м; b1м – расстояние от точки М до геометрического центра провода 1’, м. Здесь и далее будем обозначать литерой “а” с индексом “аiM” расстояния от точки М до геометрического центра i-го провода, а литерой “b” с индексом “biM” расстояния от точки М до геометрического центра зеркального изображения i-го провода. Если поместим точку М на поверхность провода с радиусом r (точка 1 на рис. 4.4), то рассмотренные выше расстояния составят а1м = r b1м = 2h - r = 2h. 9 r а 1М 1 в1М h h Рис. 4.4 Схема для определения потенциала на поверхности провода Так как высота подвеса провода значительно больше его радиуса h >> r, то потенциал влияющего провода 1 1 , В, в соответствии с рис.4.4 запишем как: 1 = ∙q∙ln 2h . r (4.2) Далее введем понятие потенциальных коэффициентов: взаимный потенциальный коэффициент: 12  q  ln b1М , а1М собственный потенциальный коэффициент: 10 (4.3) 11  q  ln a11 2h  q  ln b11 r (4.4) С учетом этого, перепишем ф. 4.1 для потенциала м, В, произвольной точки пространства М: м = м    а12  U1  а12 , (4.5) где U1 - напряжение влияющей линии (провода 1 на рис.4.2 -4.4), В. Для потенциала влияющего провода 1 , В, формулу 4.2. перепишем: 1 = ∙q∙ln 1    q  ln 2h    а11  U1  а11 . r (4.6) Перейдем далее к расчету потенциала смежного провода, наведенного электрическим полем влияющего провода. В качестве влияющего провода рассмотрим одиночный провод 1 контактной сети, в качестве провода 2 (подверженного влиянию) – провод однопроводной воздушной линии связи. Допустим, что нам известны потенциал влияющего провода 1, радиусы обоих проводов r1 и r2, ширина сближения между проводами а, и высоты их подвеса относительно земли h1 и h2. На основании исходных данных составляем расчетную схему, представленную на рис. 4.5. 11 1 1 a12 h1 2 a b12 h1 2 h2 c' h2 1' Рис. 4.5. К расчету потенциала, наводимого ЭП влияющим проводом 1 на смежный провод 2 Требуется найти потенциал смежного провода 2 2, который индуцируется на поверхности этого провода вследствие ЭП, влияющей линии. Потенциалы 1, 2 и линейные заряды проводов 1 и 2 будут определяться через собственные и потенциальные коэффициенты согласно уравнениями Максвелла 1  1a11  2a12  , 2  кa21  2a22  (4.7) где 11 и 22 = собственные потенциальные коэффициенты проводов 1 и 2, соответственно, а 12 и 21 - взаимные потенциальные коэффициенты этих проводов. Как правило, заряд смежной линии (линия связи или провода линии меньшей мощности) очень мал или совсем отсутствует (провод отключен от источника питания и изолирован), поэтому в расчетах примем 2 = 0 тогда из первого уравнения системы (4.7) получаем 1 = 1 /11, а из второго уравнения 12 2  212 , 11 12  q  ln (4.8) b12 2h , 11  q 1 , а12 r1 (4.9) Подставляя значения 12 и 11 в формулу (4.8), получим 2  1 ln b12 / а12  . ln  2h1 / r1  (4.10) Далее согласно рис. 4.4 находим a2   h1  h2  b12 1 a2  (h1  h2 )2 ln  ln  ln 2  2 2 2 а12 2 a  (h  h ) 1 2 a   h1  h2  2 2 2 2 1 1  2 h1h2  / (a  h1  h2 ) 1 1  x ln  ln 2 1  2  h1h2  / (a2  h12  h22 ) 2 1  x Обозначим за некую 2 h1h2  / (a2  h12  h22 ) , неизвестную входящее в величину числитель х и (4.11) выражение знаменатель натурального логарифма. Значение x очевидно из формулы (4.11), и в нашем случае оно меньше нуля x<1. Логарифмическую функцию можно разложить в ряд 13  b12 1 1  x 1  x3 x5 ln  ln   2  x    ...  . a12 2 1  x 2  3 5  (4.12) Так как x <1, то в формуле (4.12) с достаточной степенью точности можно ограничиться первым членом, то есть ln Обозначив b12 2h  h  x  2 12 2 2 . а12 a  h1  h2 (4.13) 2  p , c учетом формулы (4.13) выражение (4.10) ln(2h1 / r1) перепишем в виде: 2  1 h1  h2 p. a2  h12  h22 (4.14) Таким образом, по ф.4.14, зная величины потенциала (или напряжения) влияющего провода φ1 и геометрию взаимного расположения проводов (высоты подвеса влияющего провода h1 и провода, поверженного влиянию h2, а также ширину их сближения а), мы можем рассчитать потенциал электрического поля, наводимого влияющей линией 1 в любой точке пространства. Влияние контактной сети на смежную линию связи. Рассчитаем величину наведенного потенциала 2 на провод воздушной однопроводной линии связи при условии влияния на нее контактной сети 25 кВ переменного тока. Цепная контактная подвеска на дорогах переменного тока, как правило, состоит из троса ПБСМ-95 и провода МФ-100. Примем, что радиусы их проводов одинаковы: rт = rпр = 0,0056 м. 14 Для упрощения расчетов трос и провод контактной сети заменяются одним эквивалентным проводом, радиус которого определится по выражению rэ  n nrorpn1, (4.15) где n – количество проводов ro – радиус одного провода rp – радиус окружности, по которой располагаются провода расщепленной фазы. Отметим, что формула 4.15 применима для расчетов любых многопроводных систем, включая случаи расщепления фаз ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения. В рассматриваемом случае количество проводов n = 2, ro = rср = = 0,0056 м (средний радиус контактного провода и несущего троса); rp = acp / 2 = 1,6 / 2 = 0,8 м (аср – среднее расстояние между контактным проводом и несущим тросом). После подстановки исходных данных и вычисления по формуле (4.15) получим радиус эквивалентного провода, равный rэ = 0,095 м. При расстоянии между тросом и проводом акт = 1,6 м высота подвеса эквивалентного провода будет равна hэ = hк+акт/2, или hэ = 6,25+1,6:2 =7,05 м (hк = 6,25 м – габарит контактного провода на перегоне). Задано напряжение провода U1=25кВ, следовательно, потенциал провода влияющей линии 1 = U1; высота подвеса влияющего провода h1 = hэ = 7,05 м радиус провода влияющей линии 1 r1 = rэ = 0,095 м, высота подвеса провода линии связи h2 = 6 м [27]. По формуле (4.14) при ширине сближения а=15 м на провод линии связи наводится потенциал 15 2  1 h1  h2 7,05  6 2  p  25000 2   1361,4 В 2 2 2 2 a  h1  h2 15  7,05  6 ln 2  7,05 0,095 2 Таким образом, на изолированный от земли провод воздушной линии связи, отстоящий от контактной сети 25 кВ на расстояние 15 м, наводится потенциал порядка 1,4 кВ. Степень опасности наводимого напряжения для человека определяется двумя основными факторами: 1. Разряд емкости “смежный провод-земля” в случае касания смежного провода 2 человеком, который стоит на земле или соприкасается с заземленным объектом ввиду большой величины этой емкости. 2. Длительное протекание емкостного тока промышленной частоты между влияющей линией 1 и линией, подверженной влиянию, 2, который определяется емкостью “влияющий провод - смежный провод ”. Степень опасности может быть существенно снижена за счет заземления объектов, подверженных электрическому влиянию. Описанная выше методика расчета позволяет также производить расчет потенциалов точек ЭП, создаваемого трехфазной ЛЭП переменного тока, как показано на рис.4.6. Потенциал произвольной точки 4 на рис. 4.6 будет равен сумме потенциалов, создаваемых каждым проводом и его зеркальным изображением. Примем высоту подвеса всех проводов ЛЭП одинаковой и равной H, радиус проводов – r. Найдем потенциал φ4 произвольной точки пространства (точка 4 с координатами (x;y) на рис.4.6) . D D 2 1 а14 а 24 3 а34 а H b12 4 y x H b14 1' b24 2' 16 b34 3' Рис.4.6 К расчету влияния трехфазной ЛЭП Поместим точку 4 на ординату у - высоту головы человека, который удален от центра опоры ЛЭП на расстояние х. Это расстояние – есть ширина сближения между объектом исследования и влияющей линией, т.е. х= а. Потенциал, наводимый в точку 4 от влияющего провода 1 можно найти по формуле (4.3) b  41  1q ln 14 , a 14 Потенциал, наводимый в ту же точку 4 от провода 2: b  42   2q ln 24 , a 24 Аналогично от провода 3 : b 43   3q ln 34 . a 34 Составляющая потенциала в точке 4 от собственного отсутствует, так как заряд точки 4 равен нулю 4 = 0. заряда Следовательно, в результате получим: 4  41  42  43  1q ln b b14 b  2q ln 24  3q ln 34 , a14 a 24 a 34 17 (4.16) где 1, 2, 3 – заряды проводов, зависящие от их потенциалов относительно земли, кВ. Поместим точку 4 на поверхность провода 1. С учетом условий, изображенных на рис. 4.3 и 4.5, получим: 1  1q ln b b 2H   2q ln 12   3q ln 13 . r a 12 a 13 (4.17) Поместим точку 4 на поверхность провода 2, после чего по аналогии с формулой (4.17), т.е. имея в виду, что  21  12 , b 21 = b12 и так далее, найдем: b b 2H  2  1q ln 12   2q ln   3q ln 23 . a 12 r a 23 (4.18) Поместив точку 4 на поверхность провода 3, запишем: b b 2H  3  1q ln 13   2q ln 23   3q ln . a 13 a 23 r Обозначив qln (4.19) 2H b14  11, , имея ввиду, что 14 = 41 ,  14 , qln r a14 сведем в одну систему уравнения из формул 4.16-4.19: 1 = 11 1 +12 2 +13 3 18 2 = 12 1 +22 2 +23 3 (4.20) 3 = 13 1 +23 2 +33 3 4 = 14 1 +24 2 +34 3 . Неизвестны величины 1, 2, 3, 4, их значения можно рассчитать решением системы (4.20). Для упрощения решения задачи примем, что провода влияющей линии 1, 2, 3 располагаются так, что расстояния между ними одинаковы или почти одинаковы, поэтому вместо 12, 23, 13 примем их среднее значение, то есть: 12  (12   23  13 ) / 3 . Так как высота подвеса проводов принимается одинаковой (расположение их в одной горизонтальной плоскости), то 11 = 22 = 33. Потенциал  каждого из проводов 1, 2 и 3 – есть напряжение этих  , здесь  1,   2,  1  U 3  U 2  U проводов относительно земли, значит  3  – фазное напряжение каждого провода. U С учетом этого перепишем систему (4.20) как:        ; U 1 11 1 12 2 12 3         ; U 2 12 1 11 2 12 3  3  12 1  12  2  11 3 ; U 19 (4.21)  4  14 1   24  2   34 3 . U Коэффициенты  в последнем уравнении системы не могут быть одинаковыми, так как точка 4 может находиться в любом месте, т.е. перемещаться как по оси 0-у (по высоте), так и оси 0-х (удаляться от влияющей системы). Для определения U4 необходимо решить систему первых трех уравнений из системы (4.21) и получить величины 1, 2, 3:        ; U 1 11 1 12 2 12 3  2  12 1  112  12 3 ; U (4.22)         U 3 12 1 12 2 11 3 Затем значения величин 1, 2, 3 нужно подставить в четвертое уравнение системы (4.21). Систему уравнений (4.22) решим методом Крамера [18]. Согласно методу Крамера запишем: 1 = 1   3 , 2 = 2 , 3 = ,    где  – определитель системы (4.22), который равен: 20 (4.23) 11 12 12   12 12 11 12  12 11 (4.24) 3 3 2  11  212  31112  (11  12 ) 2 (11  212 ). Чтобы найти определитель  1, надо в определителе, представленном в (4.24), заменить первый столбец коэффициентов  3 , т.е. получается выражение:  2, U  1, U значениями U  1 U1 12 12  U2 11 12  U3 12 11 (4.25)    (   )(U  U  ).  (112   212 ) U 1 12 11 12 2 3 Для упрощения решения задачи примем, что фазные напряжения 1U 2 U  3  0; U 2 U  3  U  1 , поэтому получаем: симметричны, т.е. U  1  (   )(  2 ). U 1 11 12 11 12 (4.26) Для нахождения определителя   2 необходимо второй столбец коэф 1, U  2,U  3 , после фициентов в определителе (4.24) заменить величинами U чего докажем, что:    2  U 2 (11  12 )(11  212 ) , 21 (4.27)  3 (11  12 )(11  212 ). и аналогично получим   3  U Подставляя значения 1, 2, 3 из формул (4.23) в последнее уравнение системы (4.21), с учетом формул (4.24) – (4.27) получим: U 4  ( 14  1   24 2   34  3 ) /   (11  12 )( 11  2 12 )( 14U 1   24U 2   34U 3 )  . ( 11   12 ) 2 (11  2 12 ) Окончательно определим:     4  14 U1   24 U 2   34 U 3 . U 11  12 (4.28) Рассмотрим применение полученной формулы для конкретного варианта расположения проводов трехфазной ЛЭП. В свете проблемы экологического влияния линий высокого и сверхвысокого напряжения на окружающую среду в качестве расчетной схемы рассмотрим схему, в которой провода фаз ЛЭП располагаются в одной горизонтальной плоскости, как показано на рис. 4.6 . Расположим систему координат так, чтобы отсчет начинался на поверхности земли под проводом 2. Расстояние между фазами ЛЭП обозначим как D, м; а высоту подвеса проводов ЛЭП - H, м. При расположении проводов ЛЭП в одной горизонтальной плоскости высота Н для всех проводов фаз одинакова. Текущие координаты произвольной точки 4 запишем как (x; y). Систему фазных симметричных напряжений комплексной плоскости так, как показано на рис. 4.7. 22 расположим на + j UB = U2 1200 U А = U1 + UC = U3 Рис.4.7 Система фазовых симметричных напряжений С учетом рисунка 4.7 запишем значения напряжений каждого провода в комплексных числах в виде:  1  U ф ; U   U e j60  U (0,5  j0,87) ; U 2 ф ф U3  Uфe j60  Uф (0,5  j0,87). Согласно расчетной схеме рис. 4.8 запишем: (H  y)2  (D  x)2 b 14 14  ln  ln . a14 (H  y)2  (D  x)2 Величину q опускаем, так как она входит во все коэффициенты  формулы (4.22) и сокращается. Далее для следующих коэффициентов получаем: 23  24  ln ( H  y) 2  x 2 2 ( H  y)  x 2 ; 34  ln (H  y)2  (x  D)2 (H  y)  (x  D) 2 2 . С учетом вышеизложенного формула (4.28) получит вид Uф  4 [  (0,5  j0,87)   (0,5  j0,87)  ]  14 24 34   11 12 Uф  (H  y)2  (D  x)2 (H  y)2  x 2  n   (0,5  j0,87) n  2 2 2 2    (H  y)  (D  х) (H  y)  x 11 12  (4.29) (H  y)2  (x  D)2  , (0,5  j0,87) n 2 2 (H  y)  (x  D)  где 11  ln 2H ; 12 определяется по формуле (4.20), а ее r составляющие 12  23  ln( (2H)2  D2 / D) , 13  ln( (2H)2  (2D)2 / 2D) . (4.30) Формула (4.29) позволяет найти потенциал изолированного провода, находящегося в любой точке пространства с координатами (x; y). Если для рассмотренного примера продифференцировать потенциал рассматриваемой точки пространства М М по x, то получится выражение для горизонтальной составляющей напряженности электрического поля, то есть Е х  dм / dх . Аналогично, вертикальная составляющая напряженности будет 24 находиться по выражению Еу  dм / dу , а модуль напряженности электрического поля в точке М определится выражением Е м  Е 2х  Е 2у . На человека, стоящего перпендикулярно проводам ЛЭП, действует вертикальная составляющая Еу, (ток, протекающий через человека, создается именно этой составляющей), поэтому для оценки условий безопасности нахождения человека в ЭП необходимо найти только вертикальную составляющую напряженности Еу [16]. Для решения этой задачи напомним следующие математические положения: равен разности a числителя и знаменателя этой дроби : n  n a  n b ; b 1)натуральный логарифм 2)производная ( na)  a / a ; от дроби логарифма находится логарифмов по выражению 3) производная от квадратного корня равна производной от подкоренного выражения, деленной на удвоенный квадратный корень. Производная от n (H  y)  (D  x) по у будет равна 2  n (H  y)  (D  х)  Н у . (Н  у)2  (D  х)2 2 2    2 2(Н  у) 2 (Н  у)2  (D  х)2 (Н  у)2  (D  х)2  После нахождения производных от всех составляющих квадратной скобки формулы (4.29), опустим знак минус и получим: 25           Н у Н у        2 2 (Н  у)2  (D  х)2    (Н  у)  (D  х)   Uф  dм    Н у Н у Ey     . В (4.31) (0,5  j0,87)  2 2 2 2  dy 11  12  (Н  у)  х (Н  у)  х      Н у       (Н  у)2  (D  х)2       (0,5  j0,87)      Н у    2 2     (Н  у)  (Д  х)  После нахождения величины E y в комплексном виде, берется ее модуль Ey  Ey , кВ/м, и сравнивается со значением, записанным в нормативных документах [31-32]. К примеру, для оперативного персонала электроустановок на уровне головы человека от земли h=2м допустимая величина напряженности ЭП в течение восьмичасового рабочего дня не должна превышать значение Еу доп = 5 кВ /м. В случае, если рассчитанная величина превышает указанную норму, то необходимо применять защитные костюмы или сократить время пребывания человека в поле с такой напряженностью. Приведем пример расчета напряженности ЭП ЛЭП 500 кВ и построим график изменения напряженности электрического поля при удалении человека от оси ЛЭП (в горизонтальной плоскости по оси 0-у). Рассмотрим поперечное сечение линии на высоте роста человека, работающего с земли, для двух случаев высоты подвеса проводов влияющей ЛЭП. Первый случай - высота подвеса проводов у опоры Н1 = 22 м, второй случай – высота подвеса проводов в середине пролета с учетом максимальной стрелы провеса , т.е. Н2 = 8 м. После расчета величины Еу, кВ /м, построим график изменения напряжённости электрического поля при удалении от опоры ЛЭП, по 26 которому определим безопасную зону для работающего электромонтёра, исходя из допустимого значения напряженности электрического поля Еу доп = 5 кВ /м. В качестве исходных данных примем следующие значения: Uном = 500 кВ, Uф  3Uл = 289 кВ; расстояние между осями фазных проводов D = 12 м, высота подвеса провода фазы на опоре относительно поверхности земли Н1 = 22 м, высота подвеса провода фазы в середине пролета с учетом стрелы провеса Н2 = 8 м, высота роста человека у = 1,8 ( 2 м); радиус провода АС-240 рассматриваемой ЛЭП 500 кВ ro = 10,8 мм; количество проводов в расщепленной фазе ЛЭП n = 3, радиус расщепленной фазы rp = 0,23 м, а, эквивалентный радиус фазы в соответствии с формулой (4.15) будет равен r э  3 3  0,0108  0,232  013 , м. 1-й случай, Н1 = 22 м (высота подвеса фазного провода на опоре ЛЭП относительно поверхности земли) По формулам (4.20),(4.28) находим    11 n(2  22 / 0,13)5,82; 12  23  n (2  22) 2  12 2 /12  1,34;    13 n (2  22) 2  (2  12) 2 / 2  12  0,74; 12 (1,34  2  0,74)/31,14. После подстановки найденных значений в формулу (4.31), получим выражение:  Ey   289   24 20    2  5,821,14   24  (12  x) 2 202  (12  x) 2  20   24  (0,5 j 0,87)  2   (0,5  j 0,87)  2 202  x 2   24  x   24 20   2.  . 2 2 2  24  ( 12  x ) 20  ( 12  x )   27 (4.32) В нашем примере в качестве х будем рассматривать точку, где стоит человек. Тоска отсчета (нулевое значение х) соответствует центру средней фазы ЛЭП. Задавая значения х от нуля до 30 метров, мы имитируем удаление человека от центра опоры ЛЭП вправо на расстояние 30 м. Задавая значения х с произвольным шагом, выполним серию расчетов по формуле (4.32) и занесем рассчитанные значения модуля Еу , кВ/м, в табл. 4.1. 2-й случай, Н2 = 8 м (высота подвеса фазных проводов в середине пролета с учетом максимальной стрелы провеса). Потенциальные коэффициенты находим как:   11  ln (2  8 / 0,13)  4,8;12   23  ln (2  8) 2  122 /12  0,51;   13 ln (2  8) 2  (2 12) 2 / 2 12  0,18;12  (0,51  2  0,18)/30,4. Подставив найденные значения в формулу (4.31), получим выражение:    10 6  2  2 2 6  (12  x)   10  (12  x) 6   10  (0,5  j0,87)  2  2  (0,5  j0,87)  2 6  x 2  10  x 289 E y  4,8  0,4    2 (4.33)    10 6  2 .  2. 2 2  6  (12  x)   10  (12  x) Подставляя в ф.4.33 значения х от 0 до 30 м с произвольным шагом, находим соответствующие им значения Еу и заносим их в табл. 4.1. 28 Таблица 4.1 Значения вертикальной составляющей напряженности ЭП под проводами ЛЭП, Еу, кВ/м Удаление от оси ЛЭП х, м Еу при 1,4 1 2 5 8 1,6 1,4 1,8 2,1 10 12 15 17 20 25 30 2,5 2,7 2,9 2,9 2,7 2,3 2,0 Н1 = 22м Еу при Н2 = 8 м 12,8 12,3 9,7 7,8 9,4 12,8 14,4 12,5 9,7 6,3 3,2 1,9 По данным табл. 4.1 построим для обоих случаев зависимости Еу , кВ/м от х, м, изображенные на рис. 4.8. Еу, кВ/м 15 2 3 опасная зона безопасная зона 10 м в середине пролета Н1=8м 10 5 кВ/м 5 под опорой Н2=22м 10 12 20 30 x, м Рис. 4.8 Расчет Еу, кВ/м, под проводами на уровне головы человека, стоящего на земле на удалении х от оси ЛЭП Проведя на рис. 4.8 горизонталь на уровне 5 кВ/м (допустимое значение напряженности ЭП для персонала электроустановок в течение 8-часового рабочего дня), определим безопасную зону для работы людей. В случае работы человека под проводами ЛЭП в середине пролета при высоте подвеса фазного провода ЛЭП Н2 = 8 безопасная зона находится на расстоянии 10 м вправо от крайней фазы ЛЭП. При 29 работе персонала под опорой (Н1 = 22 м) на любом приближении к оси ЛЭП опасная зона отсутствует, так как вся кривая Еу 2 лежит ниже уровня 5 кВ/м. Кривые Еу при х < 0 симметричны (зеркальны) кривым при х > 0, поэтому на рис.4.8 не приводятся. Основные способы и средства защиты от электрического влияния заключаются в использовании на ЛЭП расширенных проводов; расщеплении фазы ЛЭП; применении компактных ЛЭП; установке заземленных тросов, проводов обратного напряжения; обязательного заземления машин и механизмов, находящихся в зоне ЭМВ устройств электроснабжения; использовании оперативным персоналов при работе в ЭП повышенной напряженности защитных экранирующих костюмов (работающих по принципу клетки Фарадея); переносных экранов и т.п. Рассмотрим перечисленные мероприятия более подробно. Основной изолирующей средой воздушных ЛЭП является воздух, лишь в точках крепления проводов к опорам используются изоляторы, поверхность которых может увлажняться мелко-капельной влагой (изморозь, туман, роса), что приводит к снижению электрической прочности изоляторов. Увеличению электрической прочности способствует удлинение путей утечки токов по поверхности изоляторов, поэтому применяют такие изоляторы, которые без изменения их размеров позволяют увеличивать пути утечки токов по поверхности. В этом отношении преимущества имеют изоляторы из полимеров, материал которых позволяет создавать ребра любой толщины и под любым углом наклона [19,27,29,30]. Фарфоровые и стеклянные изоляторы, имеющие низкие прочностные характеристики и технологические особенности, по указанным показателям уступают изоляторам из полимеров. Фактором, влияющим на электрическую прочность воздушных промежутков между проводами, является напряженность ЭП на поверхности провода. Эта величина зависит от многих факторов, в первую очередь, от радиуса провода: чем меньше радиус провода, тем выше напряженность. Так как увеличение физического радиуса провода только для уменьшения напряженности ЭП неприемлемо из-за затрат цветного металла, то прибегают к расщеплению фазы ЛЭП. Суть этого метода заключается в том, что вместо одного провода сечением S 30 подвешивают несколько проводов с тем же суммарным сечением S, но теперь напряженность ЭП будет определяться не радиусом одиночного провода, а эквивалентным радиусом rэ, значение которого можно найти [19, 26] по формуле (4.15). Чем больше количество проводов, на которое расщепляется фаза, и больше расстояние между расщепленными проводами в фазе, тем меньше напряженность ЭП на поверхности провода, тем больше электрическая прочность воздушного промежутка между фазами, между фазой и землей и между фазой и элементами опоры. Для увеличения эквивалентного радиуса провода фазы наряду с ее расщеплением в последние годы стали применять разработанные в СССР и США так называемые расширенные провода, изображенные на рис. 4.8, где цифрами обозначено: 1 - спираль, образующая каркас расширенного провода; 2 -обычный сердечник сталеалюминиевого провода; 3 - токопроводящие жилы. 3 34 1 2 Рис.4.8 Схема расширенного провода. Суть конструкции расширенных проводов состоит в наличии внутренней полости, образованной каркасной спиралью из алюминиевых проволок, наматываемой на стальной сердечник обычной конструкции. На рисунке 4.8 стрелками показаны направления навивок проводов. Конструкция опоры также влияет на напряженность ЭП на поверхности проводов в месте их крепления к опоре. С целью уменьшения напряженности ЭП на поверхности проводов в месте их крепления к опоре разработаны оптимальные конструкции опор ЛЭП [19]. 31 К снижению напряженности ЭП приводит уменьшение расстояния между фазами ЛЭП. Для уменьшения указанного расстояния в пролете применяют изоляционные распорки, препятствующие сближению проводов под воздействием ветровых отклонений. ЛЭП с перечисленными выше способами уменьшения междуфазового расстояния называются компактными линиями. Расчеты показывают, что применение перечисленных методов уменьшения междуфазных расстояний позволяет существенно снизить расстояния между крайними проводами, ширину трасс и площадь линий в лесах. Если бы были на стадии проектирования ЛЭП в РФ в 60-70 г.г. прошлого века могли бы быть применены описанные выше мероприятия, то площадь сохраненных лесов составила бы около 90 тыс. га [19]. Кроме отрицательного воздействия высоковольтных ЛЭП на сельскохозяйственные и лесные угодья, необходимо отметить вредное воздействие высокой напряженности ЭП на организмы человека и животных. При напряженности ЭП Е > 10÷15 кВ/м происходят физиологические изменения в организме человека, связанные с воздействием на нервную и сердечно-сосудистую системы, мышечную ткань и другие органы, при этом меняется кровяное давление, пульс, может появиться аритмия сердца, повышенная нервная возбудимость [16]. Наиболее чувствительны к ЭП копытные животные и человек в обуви, т.е. особи, изолированные «копытом и обувью» от земли [16-19]. В этом случае на изолированном от земли проводящем объемном теле наводится потенциал, зависящий от соотношения емкости тела на землю и на провода ЛЭП. Чем меньше емкость на землю (т.е. чем толще подошва обуви), тем больше наведенный потенциал, который может достигать значения до 10 кВ. Если при этом тело приближается к заземленному предмету (нога или рука человека приближается к травинке или веточке куста), то происходит искровой разряд, сопровождаемый звуковым эффектом (потрескиванием) с протеканием импульса тока через тело. Сопротивление в цепи разряда определяется, в основном, сопротивлением растительности, составляющим 1,5–3,5 мегаома на метр длины растения летом и 100–500 МОм/м зимой. Максимум импульса тока через человека достигает 100–200 мкА, что безопасно для здоровья человека, но при этом возможны вторичные травмы, происходящие вследствие испуга и непроизвольных движений. Ток значительно возрастает, если тело приближается к хорошо заземленному металлическому предмету. В этом случае максимум 32 импульса тока определяется только переходным сопротивлением кожи и может достигать десятков ампер, однако, воздействие таких импульсов тока из-за малой их длительности неопасно. Опасные воздействия тока могут произойти при соприкосновении тела человека с изолированным от земли большим механизмом (например, трактор на резиновом ходу), емкость которого значительно больше чем у человека. Поэтому все механизмы, находящиеся в зоне повышенной напряженности электрического поля ЛЭП, должны надежно заземляться, например, с помощью металлической цепи. С учетом изложенных факторов разработаны и утверждены Минздравом СССР “Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты”. Эти нормы, применяющиеся с 28.02.84 г., устанавливают защитные зоны (территории вдоль оси высоковольтных линий), пребывание в которых в некоторых случаях небезопасно, если напряженность поля на уровне 1,8 м (рост человека) от поверхности земли составляет 1кВ/м и больше. Так как население, проживающее вблизи ВЛ, контактирует с санитарно-защитной зоной (переход под линией, сельскохозяйственные работы в зоне), то разработаны меры и средства, обеспечивающие безопасность людей. Одним из требований является достаточное удаление ВЛ от мест проживания людей. С точки зрения экологии нежелательно располагать вводы ВЛ 330 и 500 кВ на территории населенных пунктов. Если же избежать этого не удается, необходимо обеспечить под линией в границах населенной местности напряженность электрического поля не более 5 кВ/м. Соблюдение этого условия может потребовать создания сокращенных пролетов между опорами для обеспечения меньшей стрелы провеса. При выборе трассы для ВЛ 750 и 1150 кВ расстояние от оси линии до границ населенных пунктов с учетом перспективы их развития должно быть не менее 250 м для ВЛ 750 кВ и 300 м – для ВЛ 1150 кВ. Пересекать населенные пункты ЛЭП разрешается только в исключительных случаях, в сельской местности, при расположении домов в один ряд, линией ВЛ 750 кВ, при этом высота подвеса проводов должна быть не менее 22÷23 м. Нормы максимально допустимой напряженности электрического поля для других случаев составляют:  5 кВ/м – на участках пересечения населенной местности в пределах садов, огородов; 33  10 кВ/м – на участках пересечения автодорог с ВЛ СВН;  15 кВ/м – на участках пересечения ненаселенной местности над пашнями и выгонами;  20 кВ/м – на загороженных и труднодоступных участках, где нельзя использовать машины и механизмы. Санитарными нормами предусмотрено оснащение линий средствами маркировки для ЛЭП 750 и 1150 кВ. С обеих сторон от оси линии на расстоянии 200 м устанавливается знак «Остановка запрещена – 200 м». Этот знак предупреждает об опасности прикосновения к корпусу машины, случайно остановившейся в пределах санитарно-защитной зоны и не имеющей заземляющего устройства [19]. Одним из важных требований по обеспечению безопасности населения является снабжение заземлителями всех машин и механизмов, работающих в защитной зоне. В качестве заземлителей могут использоваться металлические цепи, свисающие до земли, или специальные заземлители типа “груша”. Эти заземлители одновременно являются и средствами защиты машин на резиновом ходу от самовозгорания. Уменьшение напряженности ЭП под ЛЭП может быть достигнуто при использовании растительного массива под проводами ЛЭП, так как стволы деревьев и ветки кустарников имеют значительную проводимость, особенно в летнее время. Сопротивление корневой системы деревьев и кустарников очень мало по сравнению с сопротивлением веток (30–40 кОм). В связи с этим при высоте кустарниковой растительности под проводами линий 4 м (габарит для прохода механизмов и машин) падение напряжения на указанной высоте не превышает десятков вольт летом и 3–4 кВ зимой, поэтому средняя напряженность поля в массиве кустарниковой растительности не превышает 0,01 кВ/м при положительных температурах и 1 кВ/м – при отрицательных температурах. Таким образом, оставление древеснокустарниковой растительности высотой до 4 м под проводами линии обеспечивает полную экологическую безопасность людей и животных и уменьшает трудозатраты по повторным вырубкам трасс ЛЭП. С помощью длительных наблюдений установлено почти полное отсутствие влияния ЭП с напряженностью до 50 кВ/м на окружающие 34 лесопосадки, также не обнаружено влияние ЭП и на цветение и плодоношение плодовых деревьев яблонь, груш и др. Таким образом, вопреки существующей практике сооружения ЛЭП, с точки зрения ЭМС нужно сохранять на трассах растительность высотой 4–5 метров, производя вырубку только высокорастущих деревьев. В зонах интенсивного земледелия целесообразно использовать трассы линий для разведения плодово-ягодных садов и орешника. Одним из эффективных способов уменьшения напряженности ЭП является установка заземленных тросов под проводами линий. Габарит проводов до земли по условиям обеспечения безопасности перемещения под линиями различных механизмов составляет 4÷4,5 м. Поэтому, если высота заземленного троса в месте его максимального провеса не будет превышать 4÷4,5 м, высота подвеса проводов над землей не изменится и не потребует более высоких опор. Суть защитного эффекта заземленного троса показана на рис. 4.9. D D 1 2 3 4 5 6 Hпр Hтр Рис. 4.9 Схема расположения заземляющих тросов под проводами линии Согласно рис.4.9, заряды проводов 1, 2, 3, находящихся под напряжением, наведут в тросах 4, 5, 6 заряды, противоположные им по знаку. Последние в каждой точке ЭП будут создавать свою напряженность, противоположную по знаку напряженности ЭП от проводов 1, 2, 3. В результате происходит компенсация ЭП проводов ЛЭП встречным полем тросов, что приводит к снижению суммарной напряженности результирующего ЭП. Более эффективна подвеска под каждым проводом линии двух тросов, разнесенных в горизонтальной 35 плоскости. Однако подвеска дополнительных тросов приводит к значительному удорожанию линии, экономически более выгодно увеличивать высоту подвески проводов. Поэтому заземленные тросы применяют только при пересечении дорог. Иногда экономически более целесообразно тросы под проводами линии не заземлять, а «нагрузить» токами, тем самым, обеспечив эффективное использование их сечения. В этом случае вместо стальных тросов следует подвешивать сталеалюминиевые провода и подключать их к источнику напряжения. Для обеспечения экранирующего эффекта потенциал каждого провода должен быть противоположен потенциалу верхнего провода. В данном случае имеем дело с проводами обратного напряжения, которые широко применяются в системах тягового электроснабжения железных дорог. Как показано в [19], таким способом достигается снижение напряженности ЭП примерно в два раза. Если заземленные тросы подвешиваются на высоте 4÷4,5 м над землей, то при наличии рабочего напряжения на нижних проводах их высота определяется нормами ПУЭ, а высота подвеса верхних проводов увеличивается, следовательно, должно быть увеличено дополнительно расстояние между верхней и нижней цепью, что приводит к увеличению высоты опор линии. Кроме этого недостатка, возникают трудности, связанные с эксплуатацией двухцепной линии с разными системами напряжений. Различные экранирующие костюмы, работающие по принципу клетки Фарадея, широко используются для экранирования внешних ЭП. Клетка Фарадея - устройство, изобретённое М. Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей, представляющее собой клетку, выполненную из хорошо токопроводящего материала. Принцип работы клетки Фарадея заключается в следующем. При попадании замкнутой электропроводящей оболочки в ЭП свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля, в результате чего противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее ЭП. Клетка Фарадея защищает только от ЭП, статическое магнитное поле, напротив, внутрь клетки проникать будет. Изменяющееся ЭП создаёт изменяющееся МП, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся ЭП. Поэтому если с помощью клетки Фарадея блокируется изменяющееся ЭП, то изменяющееся МП генерироваться также не 36 будет. В области высоких частот (“дальняя” зона ЭМ излучения) действие клетки Фарадея основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи. К примеру, как показано на рис.4.10, защитный комплект Эп1,представляющий собой клетку Фарадея в современном ее исполнении состоит из состоит куртки с капюшоном (2) и брюк (4), перчаток (6), экрана для лица (на рисунке не приводится), ботинок или сапог(5), электропроводящего накасника (1). Рис. 4.10 Конструкция экранирующего костюма Все составные части комплекта выполняются из электропроводящих материалов и снабжены контактными выводами для гальванического соединения отдельных частей между собой. В качестве контактных выводов используется тесьма из электропроводящего материала, металлические проводники и кнопки (3), обеспечивающие гальваническую связь между элементами костюма. Костюм ЭП-1 защищает от вредного воздействия ЭП промышленной частоты 50÷60 Гц и в соответствии с требованиями типовых норм выдачи защитной спецодежды в электроэнергетике такой комплект должен применяется на высоковольтных электроустановках напряжением до 1150 кВ переменного тока при напряженности электрического поля более допустимых 5кВ/м. 37 Помимо этого ЭП-1 также защищает от воздействия тока смещения, вызванного переменным ЭМП; воздействия интенсивных ЭМИ, возникающих при разряде между контактами разъединителей; разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам или частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику; электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение. Все элементы комплекта изготовлены из электропроводящих материалов и соединены между собой каналами повышенной проводимости и электропроводящими контактными выводами, благодаря чему костюм шунтирует тело человека, обеспечивая безопасное стекание токов электростатической или емкостной природы [28]. На рис. 4.11. приведены принцип действия защитного экрана (а) и вариант использования люлек, экранированных сетчатыми щитами (б). а) б) Рис. 4.11 Принцип действия защитного экрана (а) и пример экранирование люлек с помощью сетчатых щитов (б) Приведенные средства защиты от ЭП целесообразны к применению на высоковольтных электроустановках напряжением до 1150 кВ переменного тока при напряженности электрического поля более допустимых 5кВ/м. 4.2 Индуктивная связь (магнитное влияние) Магнитное влияние обусловлено протеканием во влияющей линии переменного электрического тока, создающего переменное магнитное поле. Силовые линии МП проникают в землю, поэтому магнитному влиянию подвержены как воздушные, так и кабельные линии, что 38 схематично показано на рис.4.12. Суть магнитного влияния рассмотрим на примере воздействия МП одной фазы ЛЭП на однопроводную жилу воздушной линии связи. При магнитном влиянии считаем, что напряжение в проводе влияющей линии отсутствует, а ток I1 - присутствует (т.е. U1=0, I1 0). На рис.4.12, а, цифрами обозначены: 1- фазный провод ЛЭП; 2- провод воздушной линии связи; 3- кабель, проложенный в земле. а) б) в) I1 I1 1 2 E’ж I1 I об  Eм E2 3 Eоб Eж Рис.4.12 Механизм магнитного влияния: а) расчетная схема, б) векторная диаграмма магнитного влияния; в) экранирующее действие оболочки кабеля Ток I1, протекающий во влияющем проводе 1 на рис. 4.12,а, создает в окружающем пространстве магнитное поле. В контуре “смежный провод – земля” переменным магнитным полем наводится ЭДС, величина которой определяется законом электромагнитной индукции по выражению e2   dФ , для синусоидальных токов E2   jФ , где Ф − dt магнитный поток под смежной линией в воздухе и в земле. В этом случае можно говорить о существовании воздушного трансформатора, первичная обмотка которого образована влияющим проводом и землей, а вторичная обмотка – это контур “смежная линия – земля”. Синусоидальный ток влияющего провода I1 наведет в проводе 2 воздушной линии, подверженной влиянию, на единицу длины ЭДС E2 , отстающую от вектора тока I1 на угол 90 (рис. 4.12, б) и равную: 39 Е2   jМ12  I1  z12  I1, (4.33) где  – угловая частота, М12 – коэффициент взаимной индукции на единицу длины между влияющим проводом и проводом линии связи, Z12 – сопротивление взаимной индукции между упомянутыми проводами. Понятие взаимной индукции вводится в электротехнике как следствие закона электромагнитной индукции и закона полного тока [26]. Для двух замкнутых контуров из тонкий проводов, первый из которых создает МП, а второй находится в этом поле так, что его площадку пересекает магнитный поток Ф от первого контура, взаимной индуктивностью называют магнитный поток Ф внутри второго контура, создаваемый током 1 А первого контура. Формулы для расчета взаимной индуктивности были получены и опубликованы одновременно и независимо друг от друга Карсоном и Поллачеком в 1926 г. на основе решения задачи об ЭМП провода над плоской поверхностью однородной земли. Взаимная индуктивность М, Гн/км, может быть определена на основании номограмм и графиков из [29] или же рассчитана по приближенной формуле:  6  105   М  10 ln 1  2  а f  4 (4.34) где а – ширина сближения, м;  – проводимость земли; f – частота тока. Говоря о магнитном влиянии, необходимо отметить экранирующее действие проводников (металлические покровы и жилы кабелей, металлические трубопроводы, рельс в системе электрифицированного транспорта). 40 Рассмотрим экранирующий эффект металлической оболочки кабеля при магнитном влиянии и оценим магнитное влияние тока I1 на жилу кабеля 3 как показано на рис. 4.12, в. Силовые линии магнитного поля переменного тока, проникая в землю, пересекают жилу и оболочку кабеля, вследствие чего в них возникают две ЭДС: в оболочке кабеля в жиле кабеля - Еоб   jМ1-об  I1  r  , Еж   jМ1-ж  I1  r  , где М1-об, М1-ж , Гн/м – коэффициенты взаимной индукции на единицу длины между влияющим проводом 1 и оболочкой кабеля и влияющим проводом 1 и жилой кабеля, соответственно; r- коэффициент экранирующего действия кабеля; - длина гальванически неразделенного участка кабельной линии, км. Поскольку расстояние между влияющим проводом и жилой практически такое же, как между влияющим проводом и оболочкой кабеля, то эти ЭДС приблизительно равны Еоб  Еж . Эти две ЭДС изображены на рис. 4.12 как два одинаковых по модулю вектора, отстающих на 90 градусов от создающего их тока I1 влияющей линии. Оболочка кабеля шунтирована землей, поэтому в оболочке потечет ток Iоб , который будет отставать от вектора своей ЭДС Еоб на некий угол , определяемый отношением индуктивного и активного сопротивлений оболочки кабеля. Для современных типов кабельных линий это отношение больше двух, поэтому угол  больше 60. Ток оболочки Iоб создает вокруг жилы свое магнитное поле, а в жиле – новую ЭДС Е'ж   jМоб-ж  Iоб  , где Моб-ж – коэффициент взаимной индукции между оболочкой и жилой кабеля. ЭДС Е'ж будет отставать от индуктирующего ее тока также на угол 90. Результирующую ЭДС магнитного влияния Ем получим, сложив векторы Е ж и Е'ж по правилу параллелограмма. Как видно из рис. 4.12,в, 41 результирующая ЭДС Ем меньше, чем ЭДС Еж, т.е. оболочка кабеля, экранируя жилу кабеля, тем самым уменьшает магнитное влияние. Отношение Ем / Еж= rоб называется коэффициентом защитного действия оболочки кабеля, для различных типов кабеля rоб = 0,010,1, т.е. оболочка кабеля в 100 10 раз уменьшает магнитное влияние. Также из рис. 4.12, в, можно заметить, что увеличивая вектор Еж1 до значения Еж1 , можно уменьшить вектор результирующей ЭДС Ем . Однако, физически увеличить Е'ж1 можно только увеличением тока оболочки кабеля 2 2 Iоб  Еоб / R об  Xоб Iоб который , определяется выражением , (без учета переходного сопротивления между оболочкой и землей). В этом выражении Rоб и Хоб – активное и индуктивное сопротивления оболочки кабеля. Сопротивление Хоб мало зависит от толщины оболочки кабеля, поэтому для увеличения тока оболочки Iоб уменьшают активное сопротивление оболочки кабеля Rоб, помещая для этого между жилами кабеля и оболочкой прослойку из цветного металла (экран). Увеличению тока Iоб способствует также заземление через 35 км оболочки кабеля. Второй способ уменьшения Ем состоит в том, чтобы Еж1 заняла вертикальное положение, как показано на рис.4.13. E’ж Eж1 I1 I об 90  Еж Е'м Ем Еоб Рис. 4.13 Способы увеличения экранирующего действия кабеля 42 Действительно, как следует из рис.4.13, при вертикальном положении вектора Еж1 и равенстве его модуля величине Еж значение Ем будет равно нулю. Поскольку вектор Еж жестко связан с током Iоб углом 90, то повернуть вектор Еж1 можно только увеличивая угол , для чего необходимо повышать индуктивность оболочки. В этих целях в качестве материала оболочки применяют специальные сорта сталей с повышенной магнитной проницаемостью. В настоящее время при создании материалов для электромагнитной защиты от МП наибольшую ценность представляют быстрозакаленные металлические сплавы (аморфные и нанокристаллические). Магнитные аморфные сплавы (ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса), наряду с высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью характеризуются исключительной «мягкостью» магнитных свойств. Они обладают низкой коэрцитивной силой (значение напряжённости МП, необходимое для полного размагничивания ферроили ферримагнитного вещества), высокой магнитной проницаемостью, что позволяет им легко намагничиваться и размагничиваться в слабых полях. В сочетании с высоким электрическим сопротивлением это приводит к низким значениям как магнитных, так и электрических потерь. Магнитные аморфные сплавы позволяют, например, при экранировании силового кабеля снизить уровень магнитного поля в 10– 500 раз, а при проведении сварочных работ ослабить внешнее магнитное поле внутри защитной одежды в 10-20 раз при внешнем поле до 1000 мкТл, что позволяет обеспечивать выполнение требований СанПиН к снижению уровней электромагнитных полей в производственных условиях [30]. Магнитное влияние электрических железных дорог переменного тока и линий электропередачи на кабельные линии связи может быть снижено посредством применения редукционных трансформаторов, представленные на рис. 4.14. 43 PT 1 W1 W2 2 RЗ1 RЗ2 Рис.4.14 Схема включения редукционного трансформатора в линию связи Первичная обмотка редукционного трансформатора w1 включена в рассечку металлической оболочки кабеля, вторичная обмотка w- 2 последовательно с жилой кабеля. Принципы его действия можно пояснить при помощи векторной диаграммы рис. 4.13. Ток влияющей линии наведет в оболочке и жиле две одинаковые ЭДС, ЭДС оболочки создает в ней ток оболочки, который практически находится в противофазе с влияющим током и создает в жиле еще одну ЭДС, знак которой противоположен знаку ЭДС от влияющего тока, поэтому результирующая ЭДС в жиле уменьшается. Добиться уменьшения магнитного влияния можно посредством уменьшения длины гальванически связанных участков путем применения разделяющих трансформаторов, включаемых в цепь линии связи, которые делят ее на гальванически несвязанные участки, уменьшая тем самым значения потенциала линий относительно земли как показано на рис.4.15. 44   3 E E/3  3 1  3 2 Рис. 4.15. Схема включения разделяющих трансформаторов При отсутствии трансформаторов в проводе линии связи при его изолированном состоянии наводится ЭДС (кривая 1 на рис.4.15), максимальное значение которой определяется выражением E  (jМ12  I1  ) / 2. В этом выражении М1-2 – погонный коэффициент взаимной индукции между влияющей и смежной линиями, Гн/км; I1 – влияющий ток линии 1,А,  – длина сближения, км. При разделении участка длиной  на 3 равные части ЭДС (потенциал) каждой части будет определяться кривой 2 рис.4.15, для которой максимум будет в три раза меньше чем первоначальная кривая 1, построенная для случая отсутствия в линии связи разделительных трансформаторов. Говоря о пользе и вреде магнитных полей, следует отметить, что МП индуцирует в теле человека вихревые токи, что вызывает изменения функционального состояния нервной, сердечно-сосудистой, иммунной систем человека. При высоких значениях напряженности МП и значительной длительности пребывания биоорганизмов в магнитных полях промышленной частоты имеется вероятность увеличения риска развития лейкозов и злокачественных новообразований центральной нервной системы. В настоящее время ВОЗ рекомендует придерживаться в качестве допустимого безопасного уровня МП 45 величины магнитной индукции В=0,2 мкТл для населения, длительно пребывающего в МП тока промышленной частоты (на основании исследований МП, проведенных в Швеции), что соответствует напряженности МП Н=0,16 А/м [17]. Учитывая относительно слабую изученность отдаленных последствий воздействия МП на организм человека и многократно возросшие в последние 10-15 лет интенсивность и длительность излучения МП от устройств сотовой связи, бытовой техники и т.д., ВОЗ рекомендует придерживаться предупредительного принципа и всеми доступными средствами ограничивать воздействие МП на человека. 4.3. Гальваническая связь (гальваническое влияние) Закономерности гальванического влияния объектов электроэнергетики существенно отличаются от ранее рассмотренных закономерностей электрического и магнитного влияний. Наиболее существенные отличия заключаются в следующем. 1. Гальваническому влиянию подвержены смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи, проложенные в земле, металлические сооружения и коммуникации, кабели). Для проявления влияния необходимо либо минимум две точки заземления, либо гальванический контакт с рельсом и минимум одна точка заземления [24]. 2. Гальваническое влияние помимо магнитных бурь вызывается блуждающими токами, возникающими вследствие утечки тока из рельсов в землю, например, в транспортных системах (трамвай, метро, электрические железные дороги). 3. В системах электроснабжения транспорта постоянного тока основную опасность гальванического влияния составляет электрохимическая коррозия подземных сооружений и опор контактной сети из-за заземления на рельс металлических поддерживающих конструкций опоры. Для однопроводных линий связи этот вид влияния заключается в затекании блуждающих токов в каналы линий, как показано на рис. 4.16. Как показано на рис.4.16, протекание блуждающего тока в земле является причиной появления в точках 1 и 2 потенциалов 1 и 2. 46 Разность этих потенциалов создает в линии посторонний ток или так называемый ток гальванического влияния Iг, А. Iг  2  1 .     R З1 R1 R Л R 2 R З2 На рисунке 4.16 обозначены: R1, R2 – сопротивления передающего и принимающего устройств однопроводной линии связи; Rл – сопротивление линии; Rз1, Rз2 – сопротивления заземлений начала и конца линии RЛ R1 Iг R2 Iг 1 1 R З1 2 R З2 2 Рис. 4.16 Схема гальванического влияния: Этот ток гальванического влияния накладывается на сигналы, передаваемые по линии связи, и искажает их. В двухпроводных линиях связи гальваническое влияние практически отсутствует, так как ее провода изолированы от земли. Наиболее эффективными мероприятиями по уменьшению гальванического влияния являются: 1) гальваническая развязка, т.е. устранение совместных проводов между различными контурами - осуществляется путем отказа от общих обратных проводников, выполнением системы питания компонентов 47 устройств автоматизации в виде звезды, раздельным питанием мощных электрических, аналоговых и дискретных элементов, которые потребляют сильно различающиеся мощности; 2) через цепи питания - выполнение соединений с возможно более низким полным сопротивлением, особенно низкой индуктивностью. Для этого требуется возможно меньшая длина общих линий, большое сечение проводников, малые расстояния между прямым и обратным проводом, выполнение систем опорного потенциала и проводов питания в виде плоских шин; 3) разделение потенциалов, т. е. устранение любых гальванических контактов между контурами путем использования оптопар и оптоволоконных линий; 4) установка стабилизирующих конденсаторов или применение индивидуальных коммутационных стабилизаторов для узлов и модулей с быстрыми коммутационными процессами, где возможны резкие изменения тока. Для защиты объектов связи и подземных сооружений от гальванического влияния электрифицированных железных дорог применяют следующие меры по уменьшению блуждающих токов:  обеспечение надежного межрельсового соединения,  пропитка шпал непроводящими составами,  подсыпка щебеночного балласта  устройства дренажа для осушения рельсового полотна и т.п. Также эффективны специальные устройства катодной, протекторной и анодной защиты, заключающиеся в сообщении защищаемому сооружению (трубопровод, эстакада и т.п.) потенциала обратного знака при помощи дополнительного внешнего источника напряжения [17]. 4.5 Влияния электромагнитных полей радиочастотного диапазона Большую часть неионизирующих электромагнитных излучений очень широкого диапазона длин волн (от 10 км до 1 мм) и частот (от 0,003 до 300 ГГц) составляют электромагнитные поля радиочастотного диапазона (ЭМП РЧ), или так называемые радиоволны. Свойство электромагнитных волн распространяться в пространстве и различных средах широко используют в радиосвязи, телевидении, радиолокации, а свойство отражаться от границы разных сред нашло применение в дефектоскопии для выявления внутренних пороков в структуре металла. Источниками ЭМП РЧ в производственных процессах являются промышленные установки, предназначенные для: - индукционного нагрева металлов под закалку; 48 - нанесения твердых покрытий на режущий инструмент; - плавки металлов и полупроводников, - выращивания полупроводниковых кристаллов, - сварки синтетических материалов, - прессовки синтетических порошков, - дефектоскопии. В радиоаппаратуре к сильным источникам ЭМИ и ЭМП в первую очередь относятся антенны, компьютеры и другая оргтехника, мобильные радиотелефоны; в медицине — приборы ультразвуковой диагностики, рентгеновские аппараты и пр.[31]. ЭМИ РЧ обладают выраженным биологическим действием, характер которого зависит от интенсивности ЭМП, времени облучения, частоты и характера электромагнитного сигнала, с одной стороны, и состава тканей (в частности, содержание в ней воды), формы организма, подвергающегося облучению, с другой стороны. Чем меньше длина волны, больше частота и интенсивность излучения, тем выше биологическая активность ЭМП. Влияние на организм зависит не только от физических параметров, но и от продолжительности воздействия ЭМП, а также размеров облучаемой поверхности. ЭМИ РЧ могут вызывать существенные изменения в состоянии практически всех систем организма человека как обратимые, так и достаточно стойкие. При воздействии электромагнитных излучений сверхвысокочастотного диапазона в биологических тканях возникают эффекты, которые делятся на тепловые и нетепловые. Тепловые эффекты наблюдаются при мощных потоках СВЧ-излучений, а нетепловые - при малых уровнях мощности излучения. Поглощение в тканях организма энергии ЭМИ вызывает повышение температуры ткани. Связано это с тем, что электромагнитные колебания могут приводить в движение молекулы организма: свободные заряды, ионы начинают колебаться, а дипольные молекулы вращаться с частотой приложенного поля. Движение ионов и молекул сопровождается трением, а в результате трения выделяется тепло. Организм разогревается изнутри, при этом температурные датчики – рецепторы кожи не могут предупредить о нагреве, так как находятся в поверхностных кожных слоях. Тепловой обмен организма с окружающей средой происходит при помощи механизма терморегуляции. Если механизм терморегуляции способен рассеянием избыточного тепла предупредить перегрев, то температура организма остается нормальной, если нет, происходит повышение температуры, которое приводит к нарушению деятельности организма. 49 Все биологические ткани по своим свойствам делятся на ткани с высоким содержанием воды (мышцы, кожа), с низким содержанием воды(жировая, костная ткани) и промежуточные (ткани головного и костного мозга, легких). Перечисленные типы тканей отличаются составом ионов и полярных молекул. При одинаковых значениях напряженности поля коэффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз больше, чем в тканях с низким содержанием. В результате отражения электромагнитных волн, падающих на организм, на границе раздела тканей с высоким и низким содержанием воды могут образовываться стоячие волны. Стоячие волны, в свою очередь, обусловливают возникновение так называемых «горячих пятен». Следствием этого эффекта является местное воспаление или даже разрушение (ожог) кожи и расположенной под ней ткани. Эти ожоги имеют, как правило, большую глубину и значительную тяжесть (ожоги четвертой степени) [16]. Наиболее подвержены перегреву ткани с плохой циркуляцией крови и недостаточной терморегуляцией: глаза, желчный пузырь, участки желудочно-кишечного тракта, семенники. Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте), причем развитие катаракты является только одним из немногих специфических поражений, вызываемых ЭМИ. Взаимодействие ЭМП со средой человеческого организма не ограничивается тепловыми эффектами, так как воздействие электромагнитного излучения проявляется и при сверхмалых интенсивностях, когда нагрев тканей не является определяющим или вообще становится невозможным. Наиболее ранними клиническими проявлениями последствий длительного воздействия СВЧ поля «нетепловой» интенсивности на человека являются функциональные нарушения со стороны нервной системы. ЭМП преимущественно тормозит текущую нервную деятельность, что проявляется в ухудшении запоминания, сложности понимания нового, бессоннице, депрессии, головных болях, нарушении чувства равновесия, дезориентации в пространстве, головокружении и т.д. Нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы выражаются в нестабильности пульса и артериального давления, склонности к гипотонии, появлении болей в области сердца и др. ЭМИ могут выступать в качестве аллергена или пускового фактора в развитии сенсибилизации: у людей с аллергией при контакте с ЭМП могут развиваться тяжелые аллергические реакции. Нарушения половой функции при контакте с ЭМП обычно связывают с изменением ее регуляции со стороны нервной и нейроэндокринной систем. Воздействие на половую систему проявляется в снижении 50 функции сперматогенеза, нарушении коэффициента рождаемости мальчиков / девочек, изменении менструального цикла, замедлении эмбрионального развития (т.к. чувствительность эмбриона к ЭМП значительно выше, чем у материнского организма), врожденных уродств у новорожденных детей и уменьшении лактации у кормящих матерей. Описанные расстройства могут быть довольно стойкими и наблюдаются после прекращения контакта работающего с ЭМП в течение 1÷2 месяцев, а в ряде случаев требуют госпитализации и перевода людей на работы, не связанные с ЭМП. Следует принимать также во внимание возможность возникновения так называемых резонансных эффектов при воздействии на биообъекты (в том числе и на человека) модулированного электромагнитного поля. Особенно неприятным является тот случай, когда частота модуляции составляет 6÷16 Гц, что соответствует биоритмам мозга человека, которые по интенсивности превышают другие ритмы электрической активности мозга здорового человека. В связи с вышеописанным негативным влиянием ЭМИ в качестве предельно допустимого уровня (ПДУ) ЭМП принимают такие значения, которые при ежедневной (кроме выходных дней), но не более 40 часов в неделю, в течение рабочего стажа не должны вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Здесь делается важное уточнение, что реч идет об отклонениях здоровья/заболеваниях, которые обнаруживаются современными методами исследования. Важно отметить, что оценка воздействия ЭМИ РЧ на людей осуществляется раздельно для следующих категорий лиц: 1) для лиц, работа или обучение которых связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ; 2) для лиц, работа и обучение которых не связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния ЭМИ РЧ, а также для работающих или учащихся, лиц, не достигших 18 лет, для беременных женщин и остального населения, подвергающихся воздействию внешнего ЭМИ РЧ в жилых, общественных и служебных зданиях и помещениях, на территории жилой застройки и в местах массового отдыха. Для первой группы оценка проводится по энергетической экспозиции (ЭЭ), которая определяется интенсивностью ЭМИ РЧ и временем его воздействия на человека, а для второй группы – по значениям интенсивности ЭМИ РЧ. Интенсивность ЭМИ РЧ в диапазоне частот оценивается по-разному: 51  в диапазоне 30 кГц ÷ 300 МГц оценивается значениями напряженности электрического поля Е, В/м и напряженности магнитного поля H, А/м;  в диапазоне 300 МГц ÷ 300 ГГц – значениями плотности потока энергии (ППЭ), Вт/м2, мкВт/см2. Энергетическая экспозиция определяется как произведение квадрата напряженности электрического поля Е, В/м, (или магнитного поля - Н, А/м,) на время воздействия на человека Т, час, в диапазоне частот 30 кГц ÷300 МГц: ЭЭ𝐸 = 𝐸 2 𝑇 , ЭЭ𝐻 = 𝐻 2 𝑇 В случае, если работники подвергаются воздействию импульсномодулированных колебаний, оценка проводится по средней за период следования мощности ЭМП и, соответственно, средней интенсивности ЭМП. В диапазоне частот 300 МГц ÷300 ГГц энергетическая экспозиция, создаваемая ЭМП, определяется по формуле: ЭЭППЭ = ППЭПДУ ∙ Т, (Вт/м2)∙ч Предельно допустимые для профессионального воздействия значения энергетической экспозиции за рабочий день (рабочую смену) ЭЭППЭ приведены в табл.4.2. Контроль уровня ЭМИ должен осуществляться на рабочих местах персонала, обслуживающего производственные установки, генерирующее, передающее и излучающее оборудование радио- и телевизионных центров, радиолокационных станций, физиотерапевтические аппараты и пр. Не подлежат контролю используемые в условиях производства источники ЭМП, если они не работают на открытый волновод, антенну или другой элемент, предназначенный для излучения в пространство и их максимальная мощность, согласно паспортным данным, не превышает: 52 - 5,0 Вт – в диапазоне частот 30 кГц ÷3 МГц; - 2,0 Вт – в диапазоне частот 3 МГц ÷30 МГц; - 0,2 Вт – в диапазоне частот 30 МГц ÷300 ГГц. Контроль уровня ЭМИ РЧ в производственных условиях проводится: 1) при проектировании, приемке в эксплуатацию, изменении конструкции источников ЭМИ РЧ и технологического оборудования, их включающего; 2) при организации новых рабочих мест 3) при аттестации рабочих мест; 4) в порядке текущего надзора за действующими источниками ЭМТ РЧ (1 раз в 3 года). Контроль уровней ЭМИ РЧ может осуществляться путем использования расчетных методов и/или проведения измерений на рабочих местах. На стадии проектирования допускается определение уровней электромагнитного поля радиочастотного диапазона расчетным методом, что достаточно трудоемко (в данном пособии не рассматривается). Расчет должен выполняться в соответствии с утвержденными методическими указаниями и с учетом следующих технических параметров радиопередающих устройств: мощности передатчика; режима излучения; коэффициента усиления антенны; величины потерь энергии в антенно-фидерном тракте; значений нормированной диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях (кроме антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов); сектора обзора антенны; высоты антенны над поверхностью земли и т.д. Для действующих объектов контроль ЭМИ РЧ осуществляется преимущественно посредством инструментальных измерений. Для оценки уровней ЭМИ РЧ используют приборы направленного приема (однокоординатные) и приборы ненаправленного приема, оснащенные изотропными (трехкоординатными) датчиками. Приборы, используемые для контроля, в обязательном порядке должны проходить государственную аттестацию и иметь свидетельство о поверке. Для защиты населения от воздействия ЭМИ РЧ, создаваемых передающими радиотехническими объектами (радиолокационными, радиопередающими, телевизионными станциями, земными станциями спутниковой связи и другими объектами), устанавливаются:  санитарно-защитные зоны (площадь, примыкающая к технической территории передающего объекта, внешняя граница которой определяется на высоте 2 м от поверхности земли по ПДУ ЭМП)  и зоны ограничения застройки - территория, где на высоте более 2 м от поверхности земли интенсивность ЭМИ превышает ПДУ. Внешняя граница этой зоны определяется по максимальной высоте зданий 53 перспективной застройки, на высоте верхнего этажа которых интенсивность ЭМИ не превышает ПДУ. Обе указанные выше зоны определяют расчетным путем и уточняют путем измерений интенсивности ЭМИ. Обязанность проведения расчетов и измерений лежит на владельце радиотехнического объекта. В санитарно-защитной зоне и зоне ограничений запрещается строительство жилых зданий всех видов, стационарных лечебнопрофилактических и санаторно-курортных учреждений, детских дошкольных учреждений, средних учебных заведений всех видов, интернатов всех видов и других зданий, предназначенных для круглосуточного пребывания людей. Для защиты общественных и производственных зданий в случае необходимости может быть предусмотрено выполнение ограждающих конструкций и кровли из материалов с высокими радиоэкранирующими свойствами (железобетон и др.) или покрытие ограждающих конструкций заземленной металлической сеткой. Помимо прямого излучения, опасность может представлять вторичное электромагнитное излучение, переизлучаемое элементами конструкции здания, коммуникациями, внутренней проводкой и т.д. Для защиты от него в случае необходимости батареи отопления и другие элементы коммуникаций и сетей следует закрывать диэлектрическими (деревянными и т.п.) коробами, препятствующими непосредственному доступу к этим элементам. Необходимое расстояние между элементом коммуникаций и сетей и коробом определяется путем измерений интенсивности ЭМИ. Каждый передающий радиотехнический объект должен иметь санитарный паспорт. Санитарный паспорт составляется администрацией радиотехнического объекта (его владельцем), подписывается руководителем (владельцем) объекта и согласовывается с руководителем специализированного подразделения надзора за источниками неионизирующих излучений соответствующего учреждения государственного санитарно-эпидемиологического надзора. 54 Защита персонала от воздействия ЭМП РЧ осуществляется путем проведения организационных, инженерно-технических, лечебнопрофилактических мероприятий, а также использования средств индивидуальной защиты. К организационным мероприятиям относятся: выбор рациональных режимов работы оборудования; ограничение места и времени нахождения персонала в зоне воздействия ЭМИ РЧ (защита расстоянием и временем) и т.п. Защита временем предусматривает ограничение времени пребывания человека в рабочей зоне. Она применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения до допустимых значений. Предельно допустимое время работы вносится в инструкции по технике безопасности и в технологические документы, а на источниках ЭМИ РЧ или в непосредственной близости от них размещаются соответствующие предупреждения. Сокращение продолжительности воздействия должно быть подтверждено технологическими, распорядительными документами и/или результатами хронометража. Защита расстоянием предполагает увеличение расстояний между излучателем и персоналом Расстояние, соответствующее предельно допустимой интенсивности облучения, определяется расчетом и проверяется инструментально. На дверях помещений, где имеет место повышенный уровень электромагнитного излучения, а также на приборах и др. размещают знак «Внимание! Электромагнитное поле». Инженерно-технические мероприятия предусматривают уменьшение мощности излучения в самом источнике, экранирование источников излучения, экранирование рабочих мест, обозначение и ограждение зон. Уменьшение мощности излучения в самом источнике излучения достигается применением специальных устройств: поглотителей мощности, эквивалентов антенн, аттенюаторов, направленных ответвителей, бронзовых прокладок между фланцами, дроссельных фланцев и др. Экранирование источников излучения используют для снижения интенсивности ЭМИ РЧ на рабочем месте или ограждения опасных зон излучений. Экраны изготавливают в виде замкнутых камер, шкафов или кожухов, в качестве материала которых применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако во многих случаях экономически выгодно вместо металлического экрана использовать проволочные сетки, фольговые и радиопоглощающие материалы, сотовые решетки. Эффективность экранирования ЭМП при использовании проволочных сеток зависит от диаметра провода и шага сетки. Для придания материалу поглощающих 55 свойств в него вводят проводящие добавки: сажу, активированный уголь, карбонильное железо. Средствами индивидуальной защиты (СИЗ) используются в тех случаях, когда применение других способов предотвращения воздействия ЭМИ РЧ невозможно. В качестве СИЗ применяют халат, комбинезон, капюшон, защитные очки. Материал, из которого изготавливают СИЗ, представляет собой специальную ткань, которую получают, либо вводя в состав ткани тонкие металлические нити, образующие сетку (принцип клетки Фарадея), либо методом химической металлизации (из растворов) суровых тканей различной структуры и плотности. Для защиты органов зрения применяют сетчатые очки, имеющие конструкцию полумасок из медной или латунной сетки и очки радиозащитные со специальным стеклом с токопроводящим слоем двуоксида олова [18, 31]. Резюме. Рассмотренные виды электромагнитных влияний источников промышленной частоты в произвольной точке пространства могут быть численно оценены путем расчетов напряженностей электрических и магнитных полей с применением основных положений электротехники, методов наложения и зеркальных изображений. Электрическое влияние, обусловленное наличием во влияющей линии переменного электрического напряжения, уменьшается посредством экранирования, заземления и применения специальных конструкций типа расширенных и расщепленных проводов, экранирующих тросов т.п. Магнитное влияние, вызываемое токами источника, может быть снижено путем изменения геометрии взаимного расположения токовых контуров, применением материалов с улучшенными магнитными свойствами, использования экранирующих свойств смежных объектов (рельсы, оболочки кабеля и т.д), сокращением длины сближения и заземлением отдельных участков линий. Гальваническое влияние, создаваемое при наличии гальванической связи между источником и приемником, чаще всего устраняется посредством гальванической развязки. Для снижения влияние ЭМИ РЧ применяется широкий перечень организационно-технических мероприятий, включающий экранирование, выбор рациональных режимов работы и мест размещения оборудования, обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМИ РЧ. Для защиты человека от электромагнитных влияний и ЭМИ РЧ используют защиту временем и расстоянием, а в исключительных случаях дополнительно используют средства индивидуальной защиты. 56 Необходимость применения защитных мероприятий в каждом конкретном случае определяется путем сравнения расчетных ПДУ с требованиями нормативных документов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие меры используются для защиты персонала электроустановок от электрического поля промышленной частоты? 2. Какое действие оказывает на организм человека магнитное поле промышленной частоты? 3. Поясните принцип заземленных тросов. ослабления ЭП ЛЭП при применении 4. Какая величина магнитной индукции в настоящее время считается безопасной для длительного пребывания населения в МП тока промышленной частоты? 5. Назовите источники ЭМП РЧ. Какими мерами обеспечивается защита населения от действия ЭМИ РЧ? Рекомендуемая литература: [16, 18, 19, 22-35]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990) “Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. IEC 60050-161:1990 "International Electrotechnical Vocabulary - Chapter 161: Electromagnetic compatibility (MOD)”.Утв. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 08.12. 2011 № 756 - ст. [Текст]. / М.: Стандартинформ, 2013. – 62 с. 2. Росстандарт. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Электронный – ресурс http://www.gost.ru/wps/portal/ 57 3. ГОСТ Р 52002-2003 "Электротехника . Термины и определения основных понятий". утв. Постановлением Госстандарта РФ от 09.01.2003 N 3-ст. [Текст]./ М. Госстандарт России:, 2003. – 31 с. 4. Правила устройства электроустановок. Издание 7-е [Текст] : утв. Минэнерго Российской Федерации 08.07.2002: [Текст]. / М.: СПб ДЕАН, 2009. – 701 с. 5. Википедия. Электронный – ресурс https://en.wikipedia.org/ 6. Компьютеры-гиганты: вычислительные машины ушедшей эпохи Электронный – ресурс http://www.3dnews.ru/584286 7. Paul, Clayton R. Introduction to electromagnetic compatibility / Clayton R. Paul.--2nd ed. , USA, 102 p. – 2006. 8. Электронный – ресурс https://archive.org 9. Электронный – ресурс http://dl2kq.de/ant/3-74.htm 10. Тележный, Б. Г. Проблеме электромагнитной совместимости - 100 лет / М. “Электросвязь" № 5, 2000 г., С. 38. 11. Радиоцентр. Электронный – ресурс http://www.radio-center.ru 12. Центральный музей связи имени А.С. Попова. Электронный – ресурс http://www.rustelecom-museum.ru 13. Тихонов М.Н., Богословский М.М. Электромагнитный терроризм новая угроза в информационно-энергетической среде Электронный – ресурс http://proatom.ru/modules.php 14. Газета “Энергетика и промышленность России” Электронный – ресурс http://www.eprussia.ru/epr/74/5072.htm 15. СанПиН 2971-84. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты. Электронный – ресурс http://www.internetlaw.ru/stroyka/doc/2835/ 16. Аполлонский, С.М. Безопасность жизнедеятельности человека в электромагнитных полях Учебное пособие [Текст] / С.М. Аполлонский, Т.В. Каляда, Б.Е. Синдаловский / СПб.: Политехника, 2006. - 263 с. – ил. 17. Всемирная организация здравоохранения Электронный – ресурс http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/latest_classif.php 18. Володина, Н.А., Карякин, Р.Н. и др. Основы электромагнитной совместимости: Учебник для вузов [Текст] / под ред. докт. тех. наук, проф. Р.Н. Карякина / Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: ОАО «Алтайский полиграфический комбинат», 2007 – 496 с. 19. Бессонов, В.А. Электромагнитная совместимость: Учебное пособие [Текст] / В.А. Бессонов / Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. –80 с. 20. Информационно-измерительные технологии. Электронный – ресурс http://www.vxi.ru/praktikum/elektricheskoe-pole-zemli/ 58 21. Прогноз магнитных бурь и солнечной активности. Электронный – ресурс http://www.tesis.lebedev.ru/forecast_activity.html 22. Альфа-ЭМС Электронный – ресурс http://alfa-ems.ru/ 23. Ощепков, В.А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Ч. 1.: Учеб. пособие [Текст] / В.А. Ощепков, В.Н. Горюнов / Изд-во ОмГТУ – Омск, 2005. - 40 с. 24. Закарюкин, В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог : методическое пособие [Текст] / В.П. Закарюкин / ИрГУПС – Иркутск, 2003. – 40 с. 25. Бадер, М.П. Электромагнитная совместимость: Учебник для вузов железнодорожного транспорта [Текст] / М.П. Бадер. – М.: УМК МПС, 2002. – 638 с. 26. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – 8-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Л.А. Бессонов – М.: Высш. шк., 1986. – 263 с.: ил. 27. Электрокомплект сервис. Комплексные поставки кабельнопроводниковой и электротехнической продукции. Электронный – ресурс https://e-kc.ru/cena/provod-as-50-8 28. Энергоконтракт. Защита от электромагнитных полей и наведенного напряжения. Электронный – ресурс http://www.energocontract.ru/catalog/1117/model/2538/ 29. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных ж.д. переменного тока. – М.: Транспорт, 1989 – 134с. 30. ОАО МСТАТОР. Магнитомягкие материалы и электромагнитные компоненты Электронный – ресурс http://mstator.ru/ 31. Охрана труда и БЖД. Электронный – ресурс http://ohranabgd.narod.ru/jdtrans/jdtrans_ 32. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.1191- 03. Электромагнитные поля в производственных условиях: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. [Текст] / М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. – 38 с. 33. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях: гигиенический норматив ГН 2.1.8/2.2.4.226207. [Текст] / М.: Роспотребнадзор, 2008; 7 с. 34. Санитарно-защитные предприятий, сооружений зоны и санитарная классификация и иных объектов. Санитарно59 эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. [Текст] / М.: ФЦ ГСЭН Минздрава России, 2003; 33 с. 35. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты № 2971-84. М.: МЗ СССР, 1984 - 8 c. 60