РЗ. Расчет электромагнитных полей промышленной частоты
 Скачать 388.32 Kb.
|
|
РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭКОЛОГИИ» на тему: «Расчет электромагнитных полей промышленной частоты»
Москва 2021 Исходные данные:
Влияние ЭМП ПЧ на организм человека и нормы, ограничивающие интенсивность поля (для персонала и для населения) С развитием цивилизации, естественный геомагнитный фон усилился техногенным воздействием. Человек при помощи радиотехнических и радиоэлектронных приборов создал невидимую электромагнитную паутину, в которой мы все находимся. Мощные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, многочисленные радио- и телепередающие станции, космические станции спутниковой связи вызывают электромагнитное загрязнение среды обитания человека. Воздействие ЭМП происходит дома, на работе и даже во время отдыха на природе. Электробытовые приборы, предназначенные облегчить нашу жизнь, стены домов и квартир, пронизанные электрическими проводами, распространяют ЭМП не безвредные для здоровья человека. Биологическое действие ЭМП. Данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. ЭМП высокой частоты приводят к нагреву тканей организма. Многочисленные исследования в области биологического действия ЭМП определили наиболее чувствительные системы организма: нервную, иммунную, эндокринную, половую. Биологический эффект ЭМП в условиях многолетнего воздействия накапливается, вследствие чего возможно развитие отдаленных последствий дегенеративных процессов в центральной нервной системе, новообразований, гормональных заболеваний. К электромагнитным полям особенно чувствительны дети, беременные, люди с нарушениями в сердечно-сосудистой, гормональной, нервной, иммунной системах. Влияние на нервную систему. Нарушается передача нервных импульсов. В результате появляются вегетативные дисфункции (неврастенический и астенический синдром), жалобы на слабость, раздражительность, быструю утомляемость, нарушение сна нарушается высшая нервная деятельность - ослабление памяти, склонность к развитию стрессовых реакций. Влияние на сердечно-сосудистую систему. Нарушения деятельности этой системы проявляются, как правило, лабильностью пульса и артериального давления, склонностью к гипотонии, болями в области сердца. В крови отмечается умеренным снижением количества лейкоцитов и эритроцитов. Влияние на иммунную и эндокринную системы. Установлено, что при воздействии ЭМП нарушается иммуногенез, чаще в сторону угнетения. У животных организмов, облученных ЭМП, отягощается течение инфекционного процесса. Влияние электромагнитных полей высокой интенсивности проявляется в угнетающем эффекте на Т-систему клеточного иммунитета. Под действием ЭМП увеличивается выработка адреналина, активизируется свертываемость крови, снижается активность гипофиза. Влияние на половую систему. Многие ученые относят электромагнитные поля к тератогенным факторам. Наиболее уязвимыми периодами являются обычно ранние стадии развития зародыша. Наличие контакта женщины с электромагнитным излучением может привести к преждевременным родам, повлиять на развитие плода и, наконец, увеличить риск врожденных уродств. Основные источники ЭМП и способы защиты от их воздействия. Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, геомагнитные поля, промышленные установки, радиолокация, радионавигация, средства теле- и радиовещания, бытовые приборы, внутренние электрические сети в домах. Излучаемое ими поле разнится в зависимости от конкретных моделей - чем выше мощность прибора, тем больше создаваемое им магнитное поле. Достаточно актуальным является вопрос биологической безопасности сотовой связи. Однозначного ответа на него ученые до сих пор не дали. Можно отметить лишь одно: за все время существования сотовой связи ни один человек не получил явного ущерба здоровью из-за ее использования. Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, основная энергия излучения (более 90%) сосредоточена в довольно узком луче, который всегда направлен в сторону и выше прилегающих построек. В режиме разговора излучение сотового телефона гораздо выше, чем в режиме ожидания. Поле, возникающее вокруг его антенны, усиливается в метро, во время разговора в автомобиле, усиливает его действие металлическая оправа очков. Персональные компьютеры давно превратились в одну из самых важных вещей в доме среднестатистического жителя любой из развитых стран мира. Очень часто приходится пользоваться компьютером по месту работы. По статистике, около 30% населения большую часть рабочего времени проводят за компьютером, кроме того, значительная часть пользователей имеет контакт с ПК дома. В связи с этим у многих возникает вопрос о вредных факторах, влияющих на человека при работе на компьютере и способах защиты от них. Считается, что наиболее опасно излучение монитора, являющегося источником электромагнитного, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового излучений. Однако, опасными в этом плане могут оказаться только довольно старые, выпущенные 5-7 лет назад мониторы. Они являются источниками ЭМИ сверхнизкой частоты, но не больше, чем другие электроприборы. Уровень рентгеновского излучения монитора намного меньше, чем естественный радиационный фон. А уровни инфракрасного и ультрафиолетового излучений монитора ничтожны по сравнению с электрическими лампами. Но даже в этом случае можно отдельно приобрести защитный экран. Современные жидкокристаллические (плоские) экраны и переносные компьютеры-ноутбуки вообще не излучают - у них другой принцип действия. Для исключения или уменьшения уровней воздействия ЭМП на организм человека важно выполнять ряд простых рекомендаций: - исключение длительного пребывания в местах с повышенным уровнем магнитного поля промышленной частоты - грамотное расположение мебели для отдыха, обеспечивающие расстояние 2-3 метра до электрораспределительных щитов, силовых кабелей, электроприборов - при приобретении бытовой техники обращайте внимание на информацию о соответствии прибора требованиям санитарных норм - использование приборов меньшей мощности - не пользоваться сотовым телефоном без необходимости, не разговаривать непрерывно более 3-4 минут - использовать в автомобиле комплект hands-free, размещая его антенну в геометрическом центре крыши. Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле: оба компонента Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне). По воздействию на человека ЭМП ПЧ различают: Производственные воздействия. Персонал электросетевых объектов, обслуживающий ОРУ и ВЛ сверх- и ультравысокого напряжения, персонал, осуществляющий обслуживание кабельных линий электропередачи. Внепроизводственные воздействия. Воздушные и кабельные линии (ВЛ и КЛ) электропередачи, трансформаторные и распределительные подстанции, электротранспорт. В жилых помещениях – бытовая электротехника: холодильники, электроплиты, электроутюги, пылесосы, электробритвы, фены, чайники, кофеварки и кофемолки, электрогрелки, электроодеяла и др., в гаражах и на дачах – электроинструменты, насосы и пр. Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологическими объектами – наведение внутренних полей и электрических токов. Величина и распределение внутренних полей и электрических токов в теле человека зависит от: размера; формы; анатомического строения тела; электрических и магнитных свойств тканей (электрическая/магнитная проницаемость и электрическая/магнитная проводимость); ориентации объекта относительно поляризации тела; характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция и др.). Нормирование ЭМП ПЧ Ближняя зона – это зона вблизи от источника, в которой электромагнитная волна еще не сформировалась. В ближней зоне нет определенного соотношения между компонентами электрического и магнитного поля. Соотношение это напрямую зависит от физической природы источника электромагнитного поля, от типа излучателя, от его конструктивных особенностей. Чтобы получить полную информацию об энергетических характеристиках ЭМП в ближней зоне в обязательном порядке нужно измерять и электрическую составляющую (Е) и магнитную составляющую (В). Дальняя зона – это зона излучения, где существует сформированная электромагнитная волна с вполне определенным соотношением между компонентами электрического поля (Е) и магнитного поля (В). В дальней зоне нет смысла измерять все компоненты электромагнитного поля. Достаточно измерить одну из компонент (например, Е) или плотность потока энергии в электромагнитном излучении, чтобы получить полную информацию об энергетических характеристиках ЭМП. Плотность потока энергии ЭМП – это модуль (абсолютное значение) величины, которая в физике называется вектором Пойнтинга (вектором Умова-Пойнтинга) и равняется произведению (векторному произведению) напряженности электрического поля (Е) на напряженность магнитного поля (Н). Допустимые уровни воздействующих полей устанавливаются отдельно для персонала, обслуживающего электроустановки, и населения. Для персонала: СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" [2]. Предельно допустимый уровень напряженности: 25 кВ/м (время пребывания в поле напряженностью от 20 до 25 кВ/м персонала не должно превышать 10 минут). Пребывание в поле выше этого значения без средств защиты не допускается. Пребывание в поле с напряженностью до 5 кВ/м включительно допускается в течении рабочего дня. Допустимое время пребывания в ЭП напряженностью от 5 до 20 кВ/м включительно вычисляют по формуле:
где Т – допустимое время пребывания в ЭП при соответствующем уровне напряженности, ч; Е – напряженность воздействующего ЭП в контролируемой зоне, кВ/м. Допустимая напряженность (Н) или индукция (В) магнитного поля: Таблица 1 – ПДУ воздействия периодического магнитного поля частотой 50 Гц
Для населения:. Таблица 2 – Допустимая напряженность магнитного поля
Напряженность электрического поля промышленной частоты 50 Гц в жилых помещениях на расстоянии от 0,2 м от стен и окон и на высоте 0,5-1,8 м от пола не должна превышать 0,5 кВ/м. Расчет ЭП и МП ВЛ заданной конструкции на уровне 1,8 м над землей под ВЛ и определение ширины санитарной зоны для данной ВЛ. Расчеты провести для случаев, когда на опоре подвешена одна и две цепи ВЛ. Для последнего случая выбрать фазировку, обеспечивающую минимальную напряженность ЭП и МП. Одноцепная ВЛ Примем номинальный ток в линии Iном = 2,5 кА, радиус провода r0 = 0,02 м, число проводов в фазе n = 3, расстояние между проводами в фазе l = 0,4 м. Для одноцепной ВЛ графическое представление имеет вид:  Рисунок 1 – Одноцепная ВЛ Фазное напряжение:  Радиус расщепления:  Эквивалентный радиус:   Графики распределения напряженности электрического и магнитного полей на уровне 1,8 м над землей под воздушной ЛЭП, полученный в программе Elmaglep2, представлены на рисунке 3.Рисунок 2 – Распределение напряженности электрического и магнитного поля на высоте 1,8 м под ЛЭП В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов», в целях защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи (ВЛ), устанавливаются санитарные разрывы вдоль трассы высоковольтной линии, за пределами которых напряженность электрического поля не превышает 1 кВ/м. Для вновь проектируемых ВЛ, а также зданий и сооружений допускается принимать границы санитарных разрывов вдоль трассы ВЛ с горизонтальным расположением проводов и без средств снижения напряженности электрического поля по обе стороны от нее на следующих расстояниях от проекции на землю крайних фазных проводов в направлении, перпендикулярном к ВЛ [6]. Тогда, в данном случае величина СЗЗ составляет 29,73 м. Двухцепная ВЛ  Рисунок 3 – Двухцепная ВЛ Графики распределения напряженности электрического и магнитного полей на уровне 1,8 м над землей под воздушной линией электропередачи, полученный в программе Elmaglep2, представлены на рисунке 5.Рисунок 4 – Распределение напряженности электрического и магнитного поля на высоте 1,8 м под двухцепной ЛЭП (фазировка АВС) СЗЗ от опоры составляет 22,77 м при фазировке АВС.  Фазировка ВСА: Рисунок 5 – Распределение напряженности электрического и магнитного поля на высоте 1,8 м под двухцепной ЛЭП (фазировка ВСА) СЗЗ от опоры составляет 25,44 м при фазировке ВСА.  Фазировка САВ:Рисунок 6 – Распределение напряженности электрического и магнитного поля на высоте 1,8 м под двухцепной ЛЭП (фазировка САВ) СЗЗ от опоры составляет 23,4 м при фазировке САВ. Минимальная СЗЗ обеспечивается при фазировке АВС. Расчет тросового экрана под ВЛ, обеспечивающего Е ≤ 1 кВ/м на полосе заданной ширины.  Смещение между тросами 2d. Тогда для выполнения условия Е ≤ 1 кВ/м м на полосе заданной ширины (под тросами) выполняется при следующей конфигурации тросов: r = 0,05 м и на высоте h = 6 м.Рисунок 7 – Распределение напряженности электрического и магнитного поля на высоте 1,8 м под ВЛ с использованием защитных тросов Расчет сосредоточенного экрана на ОРУ, обеспечивающего на рабочем месте Е ≤ 5 кВ/м. Максимальная напряженность Е0 = 21,56 кВ/м (на высоте 1,8 м). Примем для дискового экрана следующие параметры: а = 0,01 м, h = 3 м, z = 1,8 м. Проведем расчет в маткаде. Расчетные формулы:    В результате, заданная величина напряженности электрического поля достигается при использовании диска с R = 0,63 м. Расчет магнитного экрана на ОРУ, обеспечивающего Н ≤ 15 А/м. Рисунок 8 – График зависимости Е(R) Рассмотрим экран с размерами: a = 3 м, l1 = 0,5, l2 = 2 м, r = 0,02 м (радиус провода рамки). H0 = 62,68 А/м – максимальная магнитная напряженность, μ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная постоянная, I1 = 2500 A. Рассчитаем наведённый в рамке внешним полем ток. Примем, что внешнее поле однородное. Поток вектора индукции:  ЭДС, наведенная в рамке:  Индуктивность рамки:   Ток, наведенный в рамке:   Вычисляем напряженность:    Требуемая напряженность Hтреб = 15 А/м, что удовлетворяет условие 1,3 < 15. Следовательно, экран с размерами: a = 3 м, l1 = 0,5, l2 = 2 м, r = 0,02 м обеспечивает требуемый уровень магнитной напряженности. В случае, если поставленная задача не была бы достигнута, то необходимо применить активный контур (подать на рамку напряжение заданной величины). Список используемых источников Действие электромагнитных полей [Электронный ресурс]. – URL: http://13.rospotrebnadzor.ru/center/services/zdorov_obraz/135871 (дата обращения: 12.12.2021) СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания" [Электронный ресурс]. – URL: https://docs.cntd.ru/document/573500115 (дата обращения: 15.12.2021) СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» [Электронный ресурс]. – URL: https://base.garant.ru/12158477/b89690251be5277812a78962f6302560/ (дата обращения: 11.12.2020) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
