Влияние полей на человека

Синдром длительной статической нагрузки (СДСН). У пользователей дисплеев развивается мышечная слабость, изменения формы позвоночника. В США признано, что СДСН - профессиональное заболевания 1990-1991 гг. с самой высокой скоростью распространения. При вынужденной рабочей позе, при статической мышечной нагрузке мышц ног, плеч, шеи и рук длительно пребывают в состоянии сокращения. Поскольку мышцы не расслабляются, в них ухудшается кровоснабжение, нарушается обмен веществ, накапливаются биопродукты распада и, в частности, молочная кислота. У 29 женщин с синдромом длительной статической нагрузки бралась биопсия мышечной ткани, в которой было обнаружено резкое отклонение биохимических показателей от нормы. Пользователи дисплеев часто находятся в состоянии стресса. По данным Национального Института охраны труда и профилактики профзаболеваний США (1990 г.) пользователи ВДТ в большей степени, чем другие профессиональные группы, включая авиадиспетчеров, подвержены развитию стрессорных состояний. При этом у большинства пользователей работа на ВДТ сопровождается значительном умственным напряжением. Показано, что источниками стресса могут быть: вид деятельности, характерные особенности компьютера, используемое программное обеспечение, организация работы, социальные аспекты. Работа на ВДТ имеет специфические стрессорные факторы, такие как время задержки ответа (реакции) компьютера при выполнении команд человека, «обучаемость командам управления» (простота запоминания, похожесть, простота использования и т.п.), способ визуализации информации и т.д. Пребывание человека в состоянии стресса может привести к изменениям настроения человека, повышению агрессивности, депрессии, раздражительности. Зарегистрированы случаи психосоматических расстройств, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, нарушение сна, изменение частоты пульса, менструального цикла Пребывание человека в условиях длительно действующего стресс-фактора может привести к развитию сердечно-сосудистых заболеваний.

Дерматиты. Экспериментально было доказано, что электростатические поля способствуют отложению аэрозольных частиц на лице и что в зависимости от природы аэрозольных загрязняющих частиц у некоторых чувствительных лиц могут возникать те или иные кожные реакции. В научной литературе описаны случаи развития дерматита на лице у пользователей ВДТ. Дерматит исчезал, когда пользователей отстраняли от работы с ВДТ. Высказывается предположение, что экзема развивается из-за наличия электростатического поля

Тендовагиниты. Весьма распространенным у пользователей ВДТ является поражение сухожилий кистей рук, т.н. «запястный синдром», пользователи жалуются на боли и запястьях. В дальнейшем возможно развитие контрактур.

Средства защиты пользователей компьютерами

Экранирование является одним из основных методов ослабления любого излучения, практически заключается в локализации электромагнитной энергии создаваемой источником поля. Экраны могут охватывать часть системы, всю систему или систему внешних соединений путем окружения их проводящей поверхностью с потенциалом земли. Первоначально применялось экранирование всей системы, для чего вся система плотно закрывалась металлическим (Аl или Fe) кожухом. Однако для мониторов ПК данный способ неприемлем, поскольку заключение монитора в сплошной корпус делает невозможным выполнение монитором основных функции. У современных устройств быстрыми темпами снижаются размеры, масса, а также стоимость, поэтому в них применяются пластмассовые корпуса, а в экран заключаются только отдельные функциональные узлы внутри корпуса.

Межсоединительные кабели могут создавать возмущений больше, чем само оборудование. При этом имеются три вида связи: через электрическое (емкостная связь), магнитное (индуктивная связь) или электромагнитное поля. Для уменьшения возможности создания возмущений также в основном используют экранирование. В коаксиальном кабеле роль экрана выполняет внешний проводник. В коаксиальных радиочастотных кабелях экран может быть выполнен в виде сплошной цилиндрической трубки, спиральной намотки из круглых проволок или плоских лент, металлической оплетки (одинарной, двойной или тройной), а также металлической фольги. Наибольшую степень экранирования и наименьшие потери обеспечивает внешний проводник в виде цилиндрической трубки. Однако из-за большой жесткости этот вид внешнего проводника в компьютерной технике не используется. Наиболее часто для экранов межсоединительных кабелей в компьютерной технике используется экранированная оплетка (более плотная оплетка имеет повышенную эффективность на ВЧ). Оплетка гибка, прочна на разрыв и допускает многократные перегибы. Наличие отверстий в оплетке обычно слабо влияет на экранирование электрических полей, но сильно ухудшает экранирование тока в экране. Двойные, а также тройные оплетки применяются редко, так как каждая дополнительная оплетка, хотя и повышает эффективность экранирования, приводит к значительному удорожанию кабеля, увеличению его массы и уменьшению гибкости.

Кабели с экраном из плотной алюминиевой фольги обладают достаточной гибкостью. При толщине фольги, достаточной для того чтобы гарантировать трехкратное превышение глубины проникновения поля в интересующем диапазоне частот, данный тип экрана обладает практически 100%-ной эффективностью. Сплошные экраны делают наиболее равномерное распределение экранного тока, обеспечивая тем самым наилучшее магнитное экранирование.

Основным средством подавления кондуктивных возмущений в цепях электропитания устройства, линиях передачи данных и на печатных платах является фильтрация. Можно выделить три группы применяемых фильтров: проходные помехоподавляющие фильтры, фильтры-контакты, наплатные помехоподавляющие фильтры. На частотах до 50 МГц используют также ферритовые изделия (бусинки). В СВЧ-диапазоне наиболее эффективно применение гибких поглощающих фильтров и помехоподавляющих трубок. Для сохранения неизменным качества передаваемого сигнала, подавления излучений от сигнального кабеля, а также устранения помех, поступающих в устройство извне, провода сигнальною кабеля, а также оплетку, выполняющую роль земли, наматывают на ферритовый сердечник, формируя тем самым продольный дроссель или так называемый нейтрализующий трансформатор. На один и тот же сердечник можно наматывать сигнальные проводники от нескольких схем, не опасаясь их взаимного влияния (перекрестных помех). Отличительной особенностью этого метода является возможность обеспечения быстрой зашиты уже готовых изделий. Компенсационный метод состоит в том, чтобы сделать равными помехи, наводимые в обоих проводниках; в этом случае они представят собой противофазный сигнал, который будет скомпенсирован.

7. Радиотелефонная связь

Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. Уже в 2000 г. в мире насчитывалось более 85 млн абонентов, пользующихся услугами этого вида подвижной (мобильной) связи (в России - более 600 тыс.). Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне (400-1800). Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное использование выделяемого для работы системы радиочастотного спектра (многократное использование одних и тех же частот, применение различных методов доступа), что делает возможным обеспечение телефонной связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется принцип деления некоторой территории на зоны, или «соты», радиусом обычно 0,5-10 км. Некоторые технические характеристики действующих в настоящее время в России стандартов системы сотовой радиосвязи.

Базовые станции

Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приёма и передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот 463 до 1880 МГц.

Антенны БС устанавливаются на высоте 150-100 м от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т.д.) или на специально сооруженных мачтах. К выбору места размещения антенн БС с точки зрения санитарно-гигиенического надзора не предъявляется никаких иных требований, кроме соответствия интенсивности электромагнитного излучения значениям предельно допустимых уровней.

Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к БС, были проведены специалистами разных стран, в том числе Швеции, Венгрии и России. По результатам измерений, проведенных в Москве и Московской области, можно констатировать, что в 100 % случаев, электромагнитная обстановка в помещениях зданий, на которых установлены антенны БС, не отличалась от фоновой, характерной для данного района в данном диапазоне частот. На прилегающей территории в 91 % случаев зафиксированные уровни электромагнитного поля были в 50 раз меньше ПДУ, установленного для БС. Максимальное значение при измерениях, меньшее ПДУ в 10 раз, было зафиксировано вблизи здания, на котором установлено сразу три базовые станции разных стандартов. Имеющиеся научные данные и существующая система санитарно-гигиенического контроля при введении в эксплуатацию базовых станций сотовой связи позволяют отнести базовые станции сотовой связи к экологическим и санитарно-гигиеническим безопасным системам связи.

Мобильные радиотелефоны

Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в диапазоне частот 453-1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи «мобильный радиотелефон - базовая станция», т.е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125-1 Вт. Специалисты считают, что при этом мощность облучения мозга человека равна (1516) Вт/м², что выше предельно допустимого значения. Вопрос о воздействии излучения МРТ на организм пользователя до сих пор остаётся не изученным. Многочисленные исследования, проведенные учеными разных стран, включая Россию, на биологических объектах (в том числе, на добровольцах), привели к неоднозначным, иногда противоречащим друг другу результатам. Неоспоримым остается лишь тот факт, что организм человека «откликается» на наличие излучения сотового телефона. Поэтому владельцам МРТ рекомендуется соблюдать некоторые меры предосторожности:

– не пользуйтесь сотовым телефоном без необходимости;

– разговаривайте непрерывно не боле 3-4 мин;

– не допускайте, чтобы МРТ пользовались дети;

– при покупке выбирайте сотовый телефон с меньшей максимальной мощностью излучения.

При разговоре по мобильному радиотелефону возникающее (создающееся) электромагнитное поле практически не представляет никакой опасности для окружающих.

Какой радиотелефон безопаснее

Специалисты Центра электромагнитной безопасности провели медико-биологические эксперименты по исследованию влияния на физиологическое и гормональное состояние человека электромагнитного излучения мобильных телефонов существующих и перспективных стандартов сотовой связи [72]. При работе мобильного телефона электромагнитное излучение воспринимается не только приемником базовой станции, но и телом пользователя, и в первую очередь его головой. Что при этом происходит в организме человека, насколько это воздействие опасно для здоровья? Однозначного ответа на этот вопрос до сих пор не существует. Однако эксперимент российских ученых показал, что мозг человека не только ощущает электромагнитное излучение сотового телефона, но и различает стандарты сотовой связи. В опытах использовались телефоны:

· стандарта NMT-450, имеющего в России статус федерального (аппарат Nokia 450),

· действующего европейского стандарта GSM-900 (аппарат Siemens S4),

· перспективного стандарта GSM-1800 (аппарат Motorola PT-9s).

Все эти стандарты активно применяются операторами сотовой связи России. Испытатели-добровольцы облучались ЭМП мобильных телефонов трех различных систем в течение 30 мин, при этом они не знали, какой аппарат излучает в данной серии эксперимента, включен он или нет. На голове испытателя закрепляли датчик для контроля электроэнцефалограммы от 6 областей коры головного мозга, а на теле-датчики для контроля сердечно-сосудистой и дыхательной деятельности, мышечной активности. Эксперимент начинался с того, что записывались исходные параметры деятельности организма испытателя. Затем сотовый телефон включали в режим излучения. В неизвестный для испытателя момент телефон отключали и продолжали запись показателей, фиксируя последствия воздействия ЭМП.

Результаты эксперимента свидетельствуют о достоверных изменениях в биоэлектрической активности мозга человека только в сериях с радиотелефонами стандартов NMT-450 и GSM-900. У большинства испытателей и во время, и после облучения ЭМП радиотелефона в спектрах электроэнцефалограммы усиливался альфа-диапазон биоэлектрической активности мозга. Особенно сильно эти изменения проявлялись непосредственно после выключения поля. Изменения в биоэлектрической активности мозга не зависят от времени «разговора» (5, 10 или 20 мин непрерывно), зато сохраняются в течение 15-20 мин и после окончания воздействия. Другие показатели (частота пульса, дыхания, электромиограмма, тремор, артериальное давление) не реагировали на факт облучения электромагнитным полем радиотелефона. Руководитель исследовательского проекта доктор медицинских наук Юрий Григорьев считает, что сотовые телефоны стандартов NMT-450 и GSM-900 вызывали достоверные и заслуживающие внимания изменения в биоэлектрической активности головного мозга. Однако клинически значимых последствий для организма человека однократное 30-минутное облучение электромагнитным полем мобильного телефона не оказывает. Использование телефона стандарта GSM-1800 может характеризовать его как наиболее «щадящий» для пользователя из трех использованных в эксперименте систем связи. Для испытаний были специально подобраны добровольцы - здоровые мужчины. А в дальнейших исследованиях намечено проследить зависимость состояния здоровья различных групп людей (по признакам пола, возраста, самочувствия) от условий облучения и режима пользования сотовым телефоном. Эти исследования помогут выявить условия, при которых может проявляться неблагоприятное влияние сотового телефона на здоровье человека. Комментируя результаты экспериментов, сотрудник Института биофизики доктор биологических наук Светлана Лукьянова сообщила, что полученные в эксперименте данные полностью соответствуют известным в радиобиологии фактам о последствиях влияния низкоинтенсивных однократных воздействий электромагнитного поля на организм человека. Описанные изменения в деятельности центральной нервной системы не выходят за рамки нормального функционирования организма и трактуются в физиологии как защитная реакция. С другой стороны, убедительно показано, что последствия зависят как от величины воздействующего электромагнитного излучения, так и от несущей частоты и модуляции радиосигнала. Очевидно, что никакие предостережения не могут остановить стремительный рост числа абонентов сотовой связи. Именно поэтому специалисты во всем мире видят свою задачу в выработке четких рекомендаций для создания нового поколения техники, работающей в так называемом щадящем режиме воздействия.

Радары и здоровье человека

Радиолокационные станции оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправленную диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль оптической оси.

Радиолокационные системы работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц. Создаваемый ими ЭМ-сигнал принципиально отличается от излучения иных источников. Связано это с тем, что периодическое перемещение антенны в пространстве приводит к пространственной прерывистости облучения. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радиолокатора на излучение. Время наработки в различных режимах работы радиотехнических средств может исчисляться от нескольких часов до суток. Так у метеорологических радиолокаторов с временной прерывистостью 30 мин - излучение, 30 мин - 1 пауза суммарная наработка не превышает 12 ч, в то время как радиолокационные станции аэропортов в большинстве случаев работают круглосуточно. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости обычно составляет несколько градусов, а длительность облучения за период обзора составляет десятки миллисекунд.

Радары метрологические могут создавать на удалении 1 км плотность потока энергии (ППЭ) ~ 100 Вт/м² за каждый цикл облучения. Радиолокационные станции аэропортов создают ППЭ ~ 0,5 Вт/м² на расстоянии 60 м. Морское радиолокационное оборудование устанавливается на всех кораблях, обычно оно имеет мощность передатчика на порядок меньшую, чем у аэродромных радаров, поэтому в обычном режиме сканирование ППЭ, создаваемое на расстоянии нескольких метров, не превышает 10 Вт/м².

Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности ЭМИ СВЧ-диапазона и создает на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты: Иркутск, Сочи, Сыктывкар, Ростов-на-Дону и ряд других.

Спутниковая связь и здоровье человека

Системы спутниковой связи состоят из приемопередающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите. Диаграмма направленности антенны станций спутниковой связи имеет ярко выраженной узконаправленный основной луч - главный лепесток. ППЭ в главном лепестке диаграммы направленности может достигать нескольких сотен Вт/м² вблизи антенны, создавая также значительные уровни поля на большом удалении. Например, станция мощностью 225 кВт, работающая на частоте 2,38 ГГц, создает на расстоянии 100 км ППЭ равное 2,8 Вт/м². Однако рассеяние энергии от основного луча очень небольшое и происходит больше всего в районе размещения антенны.

8. Поля промышленной частоты

Широкое распространение в России, в том числе и в Сибири, получили линии 110, 220, 500 кв. провода работающих линий электропередачи создают в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние, на которое распространяются эти поля от проводов линии достигает десятки метров. Дальность распространения электрического поля зависит от класса напряжения, чем выше напряжение - тем больше зона повышенного уровня электрического поля.

Дальность распространения магнитного поля зависит от нагрузки линии. поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течение суток, так и с изменением сезонов года, размеры зоны повышенного влияния магнитного поля изменяются в широком диапазоне.

Линии электропередачи

Общие методики расчета электрических и магнитных полей от линейных проводов приведены в гл. 4. В данном разделе продемонстрируем только применение этих методик для расчета полей трехфазных линий электропередач в различных условиях. При этом рассмотрим различные случаи:

- работа в зоне интенсивного действия электрического и магнитного полей;

- работа на отключенных линиях, находящихся под наведенным напряжением;

- работа непосредственно на проводах линий, находящихся под рабочим напряжением.

Электрическое поле

Электрическое поле промышленной частоты является квазистатическим, поэтому расчет поля можно производить по уравнениям Максвелла для электростатики:

. (9.3)

Из выражения (9.3) следует, что циркуляция вектора напряженности электрического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Такие поля называют безвихревыми или потенциальными. Решением уравнения (9.3) является выражение (9.4):



. (9.4)

Или если разложить напряженность на составляющие в декартовой системе координат

, (9.5)

, (9.6)

. (9.7)

В выражениях (9.4) - (9.7) - электрический потенциал.

Рассмотрим применение градиентного метода для расчета электрического поля ВЛ. Расположение координатных осей показано на рисунке 9.5. Ось z параллельна проводам линии электропередач. Так как потенциал по всей длине вдоль провода постоянен, то разность потенциалов вдоль оси z равна нулю, а, следовательно, по выражению (9.7) .

Изображены фиктивные провода, которые вводятся по методу зеркальных отображений. Делается это исключительно из соображений упрощения: между проводами рассчитать поле значительно проще, чем между n проводами и плоскостью (землей). Линейные плотности зарядов фиктивных проводов равны по величине линейным плотностям реальных проводов, но противоположны по знаку.

Для того чтобы определить потенциал в точке М, необходимо алгебраически сложить потенциал, создаваемый каждым из реальных и фиктивных проводов. Потенциал в точке М, создаваемый i-м проводом и его зеркальным отображением, можно записать в общем виде как



, (9.8)

где

- линейная плотность заряда i-го провода;

- расстояние между i-м проводом и точкой M;

- расстояние между зеркальным отображением i-го провода и точкой M; - электрическая постоянная.

Тогда потенциал в точке М от n проводов, будет определяться как:

(9.9)

Поместим точку М на поверхность первого провода. Тогда потенциал в точке будет определяться как

, (9.10)

, (9.11)

, и

это потенциальные коэффициенты, которые зависят от взаимного расположения проводов.

Аналогично, помещая поочередно точку на поверхность других проводников, получим систему уравнений:



(9.12)

Переписывая систему (9.12) в матричной форме получим

, (9.13)

где - столбец комплексных потенциалов;

- матрица потенциальных коэффициентов;

- столбец линейных плотностей зарядов.

В матрице потенциальных коэффициентов диагональные элементы могут быть представлены в общем виде как

, (9.14)

где h₁ - высота i-го провода над уровнем земли;

r₁ - радиус i-ого провода.

Недиагональные элементы матрицы потенциальных коэффициентов

. (9.15)

Так как потенциалы всех проводов и матрица потенциальных коэффициентов известны, то линейную плотность зарядов каждого из проводов можно определить следующим образом:



, (9.16)

где - матрица емкостных коэффициентов.

Зная линейную плотность зарядов каждого из проводов, можно определить потенциал электрического поля в любой точке М при помощи выражения (10.9). Учитывая, что координаты точки М равны x и y, а координаты i-ого провода и , то выражения (10.9) можно переписать как:

. (10.17)

После подстановки выражения (10.17) в (10.5) и (10.6) и математических преобразований получим:

; (9.18)

Из выражения (9.18) видно, что компоненты напряженности по x и y являются комплексными величинами и изменяются во времени по синусоидальному закону. Далее рассмотрим трехпроводную линию электропередачи. Для определения поля в произвольной точке М воспользуемся принципом суперпозиции.

Результирующую напряженность поля находим геометрическим суммированием составляющих:



. (9.19)

Компоненты вектора напряженности по осям x и y:

; ; ;

; ; .

При симметрии напряжения на линии

и ,

поэтому выражение (9.20) можно преобразовать:

(9.21)

; .

В выражениях (9.20) и (9.21) - временная функция; и - комплексные величины, не зависящие от времени.

Если принять



,

.

При этом

(9.22)

Введем обозначения:

.

Система (9.22) преобразуется:

(9.23)

Выполним анализ напряженности поля в точке М в комплексной плоскости при ,. . Поле носит линейно-поляризованный характер. В декартовой системе координат это прямая под углом .

Характер изменения поля такой же, как и для однопроводной линии. Это имеет место только тогда, когда точка М удалена от линии на значительное расстояние.

Непосредственно под линией поле не является линейно-поляризованным.

,

то при этом (9.23) преобразуется:

(9.24)

При вектор в декартовой системе координат описывает окружность.

При имеем эллипс, большая полуось которого, равная , направлена по оси х; малая полуось, равная , направлена по оси у

При имеем эллипс, большая полуось которого, равная , направлена по оси у; малая полуось, равная _,, направлена по оси х.

Общий случай

.

Исследования показали, что в зависимости от и напряженность электрического поля Е в декартовой системе координат представляет собой эллипсообразные фигуры с углом наклона большой оси относительно оси х .

Модуль векторов напряженностей большой и малой полуосей эллипса определяются выражениями:



(9.25)

Угол наклона эллипса равен

. (9.26)

Рассмотрим использование градиентного метода для определения напряженности электрического поля в некоторой точке М(, ), находящуюся под линией электропередачи с горизонтальным расположением проводов.

Проводим окружность с центром в точке М радиусом

, (9.27)

где - максимальное расстояние от проводов линии до точки М,

- минимальное расстояние от проводов до точки М.

При этом необходимо следить, чтобы выполнялось условие ( в соответствии с санитарными нормами принимается равным 1,8 м).

Через точку М проводим прямые, параллельные осям абсцисс и ординат, до пересечения с ранее построенной окружностью. Через точки пересечения , , , проводим четыре линейных тонких проводника параллельных проводам ВЛ. Для того чтобы проводники не исказили электрическое поле, необходимо, чтобы их сечение не превышало 1-2 % от сечения проводов линии.

Для расчета в фазных координатах ВЛ разбивается на однородные участки, на протяжении которых остаются неизменными число фаз и тросов, характер заземления тросов. Границей между двумя однородными участками является транспозиция фаз, изменения характера заземления тросов, т. е. все то, что может оказывать существенное влияние на величину напряженности электрического поля.

Далее рассчитываются все продольные и поперечные сопротивления (активные, индуктивные, емкостные) системы из семи проводников (трех фазных проводов и четырех искусственно введенных тонких проводников).

Рассчитанные параметры и напряжения , , проводов ВЛ являются исходными данными для расчета. Результатом расчета являются потенциалы искусственно введенных проводов малого сечения.

Обозначим потенциалы точек , , , соответственно через , , , . Тогда

, .

Имея скорость изменения потенциала по осям x и у, находим величину составляющих напряженности:

(9.28)

Тогда напряженность электрического поля равна

. (9.29)



Для определения величины напряженности электрического поля в других точках, точка М перемещается в заданное место и расчет повторяется.

В результате такого расчета получена кривая изменения напряженности электрического поля под линиями электропередачи 220 кВ (тип опоры П-220-1) и 500 кВ (тип опоры ПБ-1) на высоте 1,8 м (приблизительный рост человека) (рис. 9.13 а, б).

Анализ результатов расчетов показывает, что напряженность электрического поля максимальна под крайними фазами. Для ВЛ-220 кВ она составляет 3,5 кВ/м, а для ВЛ-500 кВ достигает 14 кВ/м.

Магнитное поле

На промышленной частоте источниками магнитных полей являются токи в проводах линий электропередач, ошиновке и в других элементах электрической сети.

Эти токи могут достигать сотен тысяч ампер в зависимости от передаваемой мощности и рабочего напряжения. Кроме токов в проводах на величину и характер магнитного поля влияют проводимость земли, схема и параметры контуров заземления опор и т.д. Поэтому точные расчеты магнитных полей являются весьма сложной проблемой. Основным законом, характеризующим свойства магнитного поля, является закон полного тока, который устанавливает связь между напряженностью магнитно поля и током:

. (9.30)

Для случая провода круглого сечения напряженность магнитного поля вдоль контура интегрирования имеет одинаковое численное значение и направлена по касательной к контуру интегрирования. Поэтому



, (9.31)

где - расстояние от оси провода до точки измерения М.

Тогда выражение (9.30) с учетом (9.31) принимает вид

,

.

Рассмотрим расчет магнитного поля в пролете ВЛ вдали от опоры. Наличие проводимости земли приводит к тому, что в ней индуцируют токи, обусловленные большой глубиной проникновения поля. Однако в силу большого удельного объемного сопротивления земли эти токи существенно меньше токов в проводах и область их растекания занимает большой объем. Распределение плотности тока в земле описывается достаточно сложным образом, и для расчета поля в воздухе, созданного токами в земле, приходится вычислять сложные интегралы. Однако известны приближенные модели для учета токов в земле. Простейшая из них сводится к следующему. Магнитное поле над поверхностью земли приближенно представляют как поле двух токов: в проводе и обратного направления, находящегося «под землей» на расстоянии , где - это расстояние от провода с током до поверхности земли

эквивалентная глубина возврата тока, - проводимость земли, - круговая частота



- магнитная постоянная.

Удельное объемное сопротивление земли в подавляющем большинстве случаев больше 50 Ом?м. Отсюда следует, что при частоте 50 Гц, глубина возврата тока а более 700 м. С ростом сопротивления земли а возрастает. По правилам устройства электроустановок (ПУЭ) расстояние проводов высоковольтных линий электропередач до земли не может быть мене 6 м. Обозначим напряженность магнитного поля, созданного током в проводе как , а напряженность, созданную током в земле как . Поскольку напряженность магнитного поля обратно пропорциональна расстоянию до провода, то на поверхности земли под проводом:

Отсюда следует вывод: расчет магнитного поля вблизи линии можно проводить, не учитывая влияния земли без большой погрешности. Можно также показать, что этот вывод верен и для трехфазных линий.

Как правило, ширина санитарной зоны на линии не превышает 100 м. Следовательно, расчет поля ведется максимум на расстоянии 50 м от оси симметрии линии. Очевидно, что расстояние много меньше параметра а, и отношение будет мало. Числовые оценки подтверждают возможность расчета магнитного поля вблизи проводов ВЛ (в санитарной зоне) без учета влияния земли при уровне погрешности не более 10 %.

На практике расчет ведется для составляющих напряженности по осям координат, используя принцип суперпозиции.

Для проводов ВЛ в прямоугольной системе координат составляющие напряженности магнитного поля выражаются формулами:



,

где - ток, протекающий в i-м проводе;

и - координаты точки, где определяется напряженность магнитного поля;

и - координаты провода, в котором протекает ток ;

- расстояние между i-м проводом и точкой, где определяется напряженность магнитного поля;

- угол между прямой, проведенной через провод i и точку определения магнитной напряженности, и горизонталью, проведенной через точку определения магнитной напряженности. При этом угол отсчитывается против часовой стрелки от прямой, проведенной через провод i и точку определения магнитной напряженности.

При наличии n проводов после расчета составляющих магнитной напряженности от каждого из проводов производится их арифметическое сложение, и далее находится модуль напряженности магнитного поля:

.

; ; ;

; ; .



Для симметричного режима работы ВЛ справедливо:

, (9.32)

где , , - токи фаз А, В и С соответственно; а - это оператор поворота. Введем обозначения:

; ; ;

; ; .

Тогда составляющие результирующей напряженности магнитного поля в точке можно записать:

Результирующая напряженность магнитного поля:

.

При значительном удалении точки М от ВЛ можно принять , тогда



.

Расчеты показывают, что если точка М удалена от оси симметрии линии на расстояние более чем (D - это расстояние между проводами разных фаз), величиной магнитного поля можно пренебречь.

Если линия несет симметричную нагрузку, то токи могут быть представлены по выражению (9.32). При этом мгновенные значения токов равны:

(9.34)

Исследования показывают, что напряженность магнитного поля изменяется во времени и зависит от координат точки измерения. В общем случае конец вектора напряженности магнитного поля H в течение периода описывает эллипсообразные фигуры, аналогично вектору электрического поля.

Наведенные напряжения на отключенных линиях электропередачи

Линии электропередачи, проходящие в одном коридоре, тем более линии, расположенные на общих опорах, оказывают влияние друг на друга. Это влияние и становится опасным, если одна линия остается в работе, а другая отключается для производства работ.

В соответствии с правилами техники безопасности энергосистемам предписывается выявлять путем измерений воздушные линии электропередачи (ВЛ), на проводах которых при их отключении и заземлении по концам (в РУ) и на рабочих местах могут находиться напряжения выше 25 В от проходящих вблизи действующих ВЛ.

В соответствии с наведенное напряжение на проводах отключенной линии определяется путем измерения потенциала провода, заземленного на опоре (спуске, заземлителе 0 относительно точки нулевого потенциала, расположенного на расстоянии 15-10 м от места заземления провода. Измерения необходимо производить при максимальной загрузке линии. Если фактическая загрузка линии отличалась от максимальной, то требуется по окончании измерений осуществить пересчет значения наведенного напряжения по выражению

, (9.35)

где - измеренное напряжение,

- максимальный рабочий ток,

- фактический ток в момент измерения.

При прохождении отключенной ВЛ в коридоре нескольких влияющих линий пересчет производится с учетом наибольшего рабочего тока линии, ближайшей к отключенной ВЛ, а при прочих равных условиях - линии с максимальным значением тока нагрузки.

По результатам измерений предприятия электрических сетей должны определить перечень ВЛ, находящихся после отключения и заземления под наведенным напряжением более 25в и обеспечить безопасное проведение работ на этих линиях. Выполнение этих требований сопряжено с рядом трудностей.

Величина уровня наведенного напряжения (УНН) зависит от множества различных факторов: от режима работы влияющей ВЛ, взаимного расположения действующей ВЛ и подверженного влиянию устройства, протяженности трасс параллельного следования и т.д. При этом данные многочисленных исследований свидетельствуют о том, что определение УНН путем прямых измерений в реальных электрических сетях провести достаточно сложно, а в ряде случаев и невозможно. Объясняется это как трудностью проведения самих измерений в полевых условиях, так и сложностью пересчета результатов измерения наведенного напряжения к режиму максимальных нагрузок влияющих ВЛ. Кроме того, в электросетевом строительстве часто значения ожидаемых УНН необходимо знать еще до начала строительства - на стадии проектирования. Поэтому для получения достоверной информации о величине наведенного напряжения на смежном устройстве, подверженном электростатическому и электромагнитному влияниям от одной или нескольких действующих ВЛ, проходящих в непосредственной близости от него, необходимы эффективные методики и алгоритмы и программы расчета УНН, которые бы достаточно полно учитывали особенности сложных электрических сетей.

Влияние работающей линии на отключенную осуществляется через емкостную и индуктивную связи. Электростатическая составляющая напряжения, появляющегося на i-м проводе отключенной линии от заряда провода j работающей линии, определяется выражением:

, (9.36)

где r_ji, r'_ji - расстояние от j-гo провода работающей линии и соответственно от его зеркального отображения до i-гo провода отключенной линии. Результирующее напряжение на i-м проводе отключенной линии находится как результат геометрического суммирования действия от всех трех фаз. Для симметричного режима в сети можно принять Q_A = Q_B = Q_C , тогда наведенное напряжение на i-м проводе равно:



, (9.37)

Каждый j-й провод работающей линии (А, В, С) связан взаимной индуктивностью с каждым i-м проводом отключенной линии (А', В', С'). Под взаимной индуктивностью между двумя проводами линий электропередач обычно понимается величина взаимной индуктивности между двумя петлями «провод - земля». При этом погонное сопротивление взаимной индукции между проводами i и j принимается:

. (9.38)

Электромагнитная составляющая ЭДС, наведенная в i-м проводе при протекании тока Ij в j-м проводе, определяется выражением

(9.39)

Ток каждой фазы работающей линии (А, В, С) наводит в каждой фазе отключенной линии (А', В', С') ЭДС.

Для симметричного режима работающей линии можно записать:

(9.40)



Полная величина наведенного напряжения определяется геометрическим суммированием электромагнитной (9.40) и электростатической (9.37) составляющих.

Аналитические методы расчета наведенного напряжения на отключенной линии являются достаточно трудоемкими. В рассматриваемой задаче анализ выполняется для участка линии, который сам по себе является несимметричным элементом. Несимметрия продольных и особенно поперечных параметров отключенных и работающих линий, разнообразие способов заземления отключенной линии и тросов приводят к большим погрешностям при использовании метода симметричных координат и к необходимости при исследовании наведенных напряжений использовать более простой и в то же время более универсальный метод - метод фазных координат [3,4].

Предварительно определяется полная матрица продольных и поперечных сопротивлений и составляется трехфазная расчетная схема замещения полностью соответствующая параметрам реальных линий электропередачи. В фазных координатах можно одинаково просто считать как полностью симметричную схему, так и содержащую любое число несимметричных элементов, связанных между собой взаимоиндукцией, также можно рассчитывать многократную несимметрию (несколько коротких замыканий одновременно, обрывы проводов и др.).

Питание линий двухстороннее. Нагрузочный режим по линиям регулируется изменением угла сдвига фаз д между ЭДС Е' и Е" одноименных фаз и величинами сопротивления системы Z' и Z". На отключенной линии предусмотрена установка заземлений по концам линии (R_3l,R₃₂) и на линии (R₃₃). Предусмотрено отключение любого сопротивления, в том числе отключение всех сопротивлений. Величина сопротивления заземления может варьироваться в пределах от нуля до бесконечности.

Линия разбита на n участков, что позволяет устанавливать заземления и измерять напряжения в пяти точках на линии 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1. Место установки заземления определяется:

U_?u = l/L, (9.41)

где L - полная длина линии (50-500 км); l - расстояние до места измерения.

Исследования выполнены для реальных линий электропередачи 500 кВ на опорах ПБ-1 с двумя грозозащитными тросами 2хС-70, заземленными в начале линии. Марка провода ЗхАС-500/64. Средняя стрела провеса 10 м. Расстояние между цепями взято 100 м.

Оценка влияния троса на величину наведенного напряжения

Расчет выполняем для двух случаев: а) с изолированным грозозащитным тросом; б) с заземленным в начале линии. Нормальный режим. Отключенная линия не заземлена.

Проявляется значительный экранирующий эффект заземленного троса. Наличие заземленного троса снижает наведенное напряжение в 1,7 раза. Все дальнейшие исследования проводились для случая, когда тросы заземлены в начале линии.

Влияние длины линии на величину наведенного напряжения

Приведены зависимости для отключенных незаземленных линий длиной 100; 250; 500 км.

Величина наведенного напряжения зависит от длины линии. Для линий до 100 км. величина наведенного напряжения составляет 2000 В и практически не изменяется по всей длине линии. При длине 250 км происходит заметный рост напряжения по концам линии в 1,4-1,5 раза. При длине линии 500км напряжение по концам возрастает в 2,5-2,7 раз и составляет: в начале линии 3400 В, в конце линии 6200 В Величины наведенных напряжений при разных длинах линий к середине линии различаются несущественно.

Из числа ВЛ под наведенным напряжением необходимо определить линии, при отключении и заземлении которых по концам (в РУ) на заземленных проводах остается потенциал наведенного напряжения выше 25 В. Представлены зависимости максимального значения наведенного напряжения на рабочем месте при установке заземления по концам и в месте работ, определены линии, на которых при такой схеме заземления наведенное напряжение не превышает 25 В и возможно безопасное производство работ.

Из анализа следует, что работа на ВЛ-500 с установкой заземления линии по концам (в РУ) и в месте работ допустима только для линий длиной не более 100 км.

Оценка эффективности установки заземления точек в месте работ

Если на отключенной ВЛ (цепи), находящейся под наведенным напряжением, не удается снизить это напряжение до 25 В, необходимо работать с заземлением проводов только на одной опоре. При этом заземлять ВЛ (цепь) в РУ не допускается. На рис. 9.24 представлены зависимости максимального значения наведенного напряжения на рабочем месте при установке заземления только в месте работ, определены линии, на которых при такой схеме заземления наведенное напряжение не превышает 25 В и возможно безопасное производство работ.

Распределительные устройства

Экстремально сильные поля создаются на подстанциях непосредственно в распредустройстве у шинопроводов и вблизи от мощных электрических устройств: генераторов, трансформаторов, технологических объектов (дуговые электропечи, сварочные агрегаты и др.). ЭМП на территории открытого распределительного устройства (ОРУ) могут быть значительно интенсивнее, чем по ВЛ того же напряжения. Однако отметим, что ОРУ является территорией, доступ на которую для населения категорически запрещен. Работающий там оперативный и ремонтный персонал проходят соответствующую профессиональную подготовку и медицинское освидетельствование. Кроме этого, персонал использует экранирующие костюмы.

Расчеты и измерения показывают, что напряженности электрического и магнитного полей на отдельных участках ОРУ могут значительно превышать ПДУ. Поэтому для ПС высокого напряжения и, в первую очередь, при напряжении 500 кв и выше необходимо иметь карту напряженностей полей для учета их при организации работ по обслуживанию и ремонту подстанционного оборудования и аттестации рабочих мест по условиям труда, по факторам напряженности электрического магнитного полей.

Наличие большого числа заземленных конструкций, оборудования создают определенные трудности при построении карт напряженности. Поэтому для расчета полей создаются специальные программы. Характерной особенностью распределения полей являются резкие неоднородности. По результатам расчета строятся зоны равной напряженности и определяется процент занимаемой ими площади. В табл. 9.11 [54] приведены результаты расчета площадей разной интенсивности полей в одном из распределительных устройств 500 кв.

Анализ полученных результатов показывает, что около 20 % площади ОРУ находится в зоне электрического поля, превышающего 5 кВ/м. Это позволяет утверждать, что надлежащей организацией работ можно минимизировать отрицательное воздействие электрического поля промышленной частоты.

Если рассмотреть распределение зон различной напряженности относительно установленного на ОРУ оборудования, то можно отметить, что, например, заменой шинных опор порталами можно существенно снизить напряженность электрического поля на участках, прилегавших к этим опорам. Увеличение же высоты железобетонных подпятников под установленным оборудованием (разъединителями, разрядниками) позволит практически на всей площади ОРУ иметь напряженность электрического поля, не превышающую 5 кВ/м.

На каждом ОРУ существуют рекомендуемые пути обхода по территории, которые должны обеспечивать максимально возможное уменьшение значений напряженности воздействующего на персонал электрического поля 50 Гц.

Влияние полей на человека. Защитные мероприятия

При производстве работ на неотключенном оборудовании воздушных линий (BJI) и подстанций (ПС) персонал может подвергаться воздействию комплекса неблагоприятных факторов производственной среды: электрических и магнитных полей (ЭП и МП) промышленной частоты; связанных с ЭП токов смещения и импульсных токов, имеющих место в момент выравнивания потенциалов тела человека и токопроводящих предметов. Существенное влияние могут иметь факторы коронного разряда: электромагнитное излучение широкополосного спектра частот, озон и окислы азота, слышимый треск и ультразвук.

Расчеты и измерения на электроэнергетических объектах (подстанциях, линиях электропередач и т.д.) показывают, что очень часто влияние ЭМП на человека превышает допустимое значение.

При несоответствии требованиям норм в зависимости от рабочего диапазона частот, характера выполняемых работ, уровня облучения и необходимой эффективности защиты применяют следующие способы и средства защиты или их комбинации: конструктивные меры, защита временем и расстоянием; уменьшение параметров излучения непосредственно в самом источнике излучения; экранирование источника излучения; экранирование рабочего места; рациональное размещение установок в рабочем помещении; установление рациональных режимов эксплуатации установок и работы обслуживающего персонала; применение средств предупреждающей сигнализации (световая, звуковая и т.д.); выделение зон излучения; применение средств индивидуальной защиты.

Конструктивные меры. Снижения напряженности поля в рабочих зонах можно добиться целенаправленным конструированием ОРУ, а в некоторых случаях и опор ЛЭП. Соответствующим выбором параметров (высота подвески провода над землей, сечение провода, шаг расщепления и т.д.) уже на стадии проектирования можно уменьшить потенциалы и напряженность электрического поля. Исходной величиной в этом случае является максимальная напряженность поля у поверхности провода, ограничиваемой короной.

Защита временем предусматривает ограничение времени пребывания человека в рабочей зоне, если интенсивность облучения превышает нормы, установленные при условии облучения в течение смены, и применяется, когда нет возможности снизить интенсивность облучения до допустимых значений другими способами. Допустимое время пребывания зависит от интенсивности облучения.

Защита расстоянием применяется, когда невозможно ослабить интенсивность облучения другими мерами, в том числе и сокращением времени пребывания человека в опасной зоне. В этом случае увеличивают расстояние между источником излучения и обслуживающим персоналом. Этот вид защиты основан на быстром уменьшении интенсивности поля с расстоянием.

Наиболее эффективным и часто применяемым методом защиты от электромагнитных излучений является экранирование источника или рабочего места. Формы и размеры экранов разнообразны и соответствуют условиям применения.

Экраны делятся на отражающие и поглощающие. Защитное действие отражающих экранов обусловлено тем, что воздействующее поле наводит в толще экрана вихревые токи, магнитное поле которых направлено противоположно первичному полю. Результирующее поле очень быстро убывает в экране, проникая в него на незначительную величину. Глубину проникновения д для любого заранее заданного ослабления поля L можно вычислить по формуле:

,

где м и г - соответственно, магнитная проницаемость (Г/м) и электрическая проводимость (См/м) материала.

На расстоянии, равном длине волны, ЭМП в проводящей среде почти полностью затухает, поэтому для эффективного экранирования толщина стенки экрана должна быть примерно равна длине волны в металле.

Для защиты от электрических полей воздушных линий электропередач необходимо выбрать оптимальные геометрические параметры линии (увеличение высоты подвеса фазных проводов ЛЭП, уменьшение расстояния между ними и т.п.), что снизит напряженность поля вблизи ЛЭП в 1,6-1,8 раза.

Для открытых распредустройств рекомендуются экранирующие устройства, которые в зависимости от назначения подразделяют на стационарные и временные. Выполняют их в виде козырьков, навесов и перегородок из металлической сетки на раме из уголковой стали. Экранирующие устройства необходимо заземлять. Применением заземленных тросов, подвешенных на высоте 2,5 м над землей под фазами соединительных шин ОРУ 750 кВ, удалось уменьшить потенциал в рабочей зоне на высоте 1,8 м, т.е. на уровне роста человека, с 30 до 13 кВ.

По значениям потенциала цh или напряженности поля Eh в зоне нахождения человека можно оценить значение проходящего через человека емкостного тока, обусловленного электрическим полем, который в течение рабочей смены не должен превышать 50-60 мкА: I_h = 10ц_h(мкА); I_h = 12E_h(мкА), где ц_h в кВ, E_h в кВ/м.

Если ток больше указанных значений, то при длительной работе человека в этих условиях надо принимать меры, снижающие ток, а именно: использовать экранирующие костюмы и экранирующие устройства.

Отметим, что экранирующие устройства, предназначенные для защиты от электрических полей промышленной частоты и определяемые в основном соображениями механической прочности, могут оказаться малоэффективными от воздействия магнитных полей, так как при частоте f=50 Гц электромагнитная волна проникает в медь на несколько сантиметров, и даже экран из ферромагнитного материала, у которого м = 1000м₀, должен иметь толщину стенки не меньше 4-5 мм.

При выполнении ряда работ, например, по настройке и отработке аппаратуры, оператору неизбежно приходится находиться в зоне электромагнитных излучений иногда большой плотности потока мощности. В этих случаях необходимо пользоваться средствами индивидуальной защиты, к которым относятся комбинезоны, халаты из металлизированной ткани, осуществляющие защиту организма человека по принципу сетчатого экрана.

Для защиты глаз от ЭМИ предназначены защитные очки с металлизированными стеклами типа ЗП5-80 (ГОСТ 12.4.013-75). Поверхность однослойных стекол, обращенная к глазу, покрыта бесцветной прозрачной пленкой двуокиси олова, которая дает ослабление электромагнитной энергии до 30 дБ при светопропускании не ниже 75 %.

Для защиты персонала от действия электрического поля при работах в действующих электроустановках промышленной частоты сверхвысокого напряжения применяется экранирующий костюм, который изготавливается в виде комбинезона или куртки с брюками. В комплект костюма входят также металлическая или пластмассовая металлизированная каска, специальная обувь, рукавицы или перчатки, покрытые токопроводящей тканью. Все части экранирующего костюма соединяются между собой специальными проводниками для обеспечения надежной электрической связи (рис.9.26).