ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

 

В.М. САЛТЫКОВ

А.В. САЛТЫКОВ

Н.В. САЙДОВА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

(ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
И ИХ ВЛИЯНИЕ)

 

Учебное пособие

 

 

Самара

Самарский государственный технический университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ   ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

 

В.М. САЛТЫКОВ

А.В. САЛТЫКОВ

Н.В. САЙДОВА

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

 

(ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
И ИХ ВЛИЯНИЕ)

 

 

Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

 

Самара

Самарский государственный технический университет

УДК 621.311.1

С 16

 

Р е ц е н з е н т: Заведующий кафедрой Электроснабжение

промышленных предприятий

д.т.н., профессор Зимин Л.С.

Салтыков В.М.

  ISBN 978-5-7964-1043-1  

УДК 621.311.1

С 16

 

 

ISBN 978-5-7964-1043-1 Ó В.М. Салтыков, А.В. Салтыков,

Н.В. Сайдова, 2007

Ó Самарский государственный

технический университет, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Нашу планету постоянно пронизывают потоки электромагнитных полей и излучений. Электромагнитные поля и излучения воздействуют на окружающую среду, человека, электротехнические устройства и т.д., что создает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС).

Электромагнитные поля и излучения обусловлены как естествен­ными, так и искусственными причинами. К естественным источникам полей относятся: электрическое и магнитное поле Земли, радиоизлучения Солнца и галактик, разряды статического электричества между предметами, получившими заряды противоположной полярности, и мощные электромагнитные импульсы, возникающие при грозо­вых разрядах. Напряженность электрического поля у поверхнос­ти Земли [1,2] составляет примерно 3 В/м, увеличиваясь до несколь­ких кВ/м под грозовым облаком. Постоянное магнитное поле Земли имеет напряженность около 0,2 А/м, увеличиваясь в не­сколько сотен раз при геомагнитных возмущениях. Главный раз­ряд молнии сопровождается импульсами тока амплитудой до не­скольких сотен килоампер (кА), создавая вблизи канала разряда маг­нитные поля напряженностью порядка 10⁵ А/м и выше.

К искусственным источникам полей относятся разнообразные электроэнергетические, электротехнические, радиотехнические и иные устройства, использующие электрическую энергию в быту, на производстве, для целей телекоммуникаций и т.д. В результа­те в окружающем пространстве возникает искусственный (анропогенный) электромагнитный фон, включающий в себя поля промышленной частоты, высоких и сверхвысоких частот, импульсных и переходных процессов. Частотный диапазон искусственных электромагнитных полей достаточно широк и составляет от 5 Гц до 300 ГГц.

По величинам напряженностей электромагнитного поля искусственный электромагнитный фон может значительно превышать естественный электромагнитный фон Земли, причем за последнее десятилетие суммарный уровень электромагнитный полей искусственного происхождения увеличился в среднем на 5 порядков.

В форми­рование электромагнитной окружающей обстановки су­щественный вклад вносят: воздушные линии электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения, системы электроснабжения (СЭС); разряды статического элек­тричества производственного происхождения; мощные промышленные электроустановки и распределительные устройства (РУ); электрофицированный транспорт; системы зажига­ния двигателей внутреннего сгорания; радиолокационные устройства, радио– и те­лепередатчики; мобильная телефонная связь; бытовые элетротехнические установки и устройства; микроволновые печи т. д.

По мере расширения применения разнообразных электро– и радиоприборов, возрастания их мощности, окружающие электри­ческие, магнитные и электромагнитные поля становятся все бо­лее интенсивными и разнообразными по своим характеристикам.

В электроэнергетике длительное время актуальными были и продолжают оставаться проблемы борьбы с радиопомехами; защиты изоляции электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений; повышения качества электроэнергии, т.е. обеспечения электромагнитной совместимости системы электроснабжения и электрооборудования для кондуктивных электромагнитных помех, распространяющихся по электрической сети [3, 4].

В настоящее время все большее значение приобретают и другие аспекты обеспечения электромагнитной со­вместимости, такие как, ослабление электромагнитных полей, т.е. снижение электромагнитных помех; затрудне­ние проникновения помех в прибор через сеть питания, корпус, систему заземления, сигнальные вводы; рациональное построе­ние схем и конструкций приборов и функциональных связей между ними; сохранения помехоустойчивости и т.д.

В последнее десятилетие в электроэнергетике непрерывно расширяется использование микропро­цессорной, вычислительной техники, компьютеров и т.д., проис­ходит их миниатюризация при понижении уровней рабочих на­пряжений, полезных сигналов. Все активнее используется электронная аппаратура в системах релейной защиты, режимной и противоаварийной автоматики электроустановок высокого напряжения. Однако электронная аппа­ратура, как правило, весьма чувствительна к помехам, появля­ющимся во вторичных цепях подстанций, источниками которых являются коммутации выключателей и разъединителей вы­сокого напряжения, удары молний, а также большие токи замы­кания на землю.

В связи с указанными обстоятельствами появилась необходи­мость решения сложной задачи электромагнитного сосущест­вования электронных и электротехнических систем. Таким образом, появилось новое актуальное научно-техническое направление – обеспе­чение электромагнитной совместимости электронных систем. При этом, надежная работа электронной аппаратуры является акту­альной частью проблемы обеспечения электромагнитной сов­местимости электрооборудования. Ее значение непрерывно возрастает в связи с развитием новых технологий, приведших к широкому распространению полупроводниковых, микроэлект­ронных и микропроцессорных систем автоматического управ­ления во всех сферах человеческой деятельности, включая электроэнергетику.

В работе использованы труды известных ученых: В.Г. Гольдштейна, А.П. Долина, Е.С. Колечицкого, Э. Хабигера, А.Й. Шваба, Д.М. Шевеля и др.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Понятия «передатчик» и «приемник» в электроэнергетике имеют более ши­рокий смысл, чем, например, в средствах связи. Причем, к передат­чикам… Электромагнитная совместимость ни в коем случае не являет­ся сама собой… Электрические устройства могут одновременно действовать как приемники, так и как передатчики. При этом можно упомянуть…

Государственные стандарты РФ в области электромагнитной безопасности

Санитарные правила и нормы содержат те же основные пункты, что и Государственные стандарты, однако, излагают и регламентируют гигиенические… В зависимости от отношения подвергающегося воздействию электромагнитных полей… ПДУ для профессионального и непрофессионального воздействия различны. Перечень основных санитарно-гигиенических правил…

Санитарные нормы и правила для условий профессионального облучения электромагнитными полями

Таблица 2.3

Санитарные нормы и правила для условий

Обозначение Наименование Примечание ГН 2.1.8./2.2.4.019-94 Гигиенические нормативы. Временные…   В основе установления ПДУ лежит принцип пороговости вредного действия электромагнитных полей (ЭМП). В качестве ПДУ ЭМП…

Предельно допустимые уровни электромагнитного поля для потребительской продукции, являющейся источником ЭМП

Таблица 2.5

Временно допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи, непрофессиональное воздействие

Категория облучения	Величина ВДУ ЭМИ	Примечание
Облучение населения, проживающего на прилегающей селитебной территории, от антенн базовых станций.	ППЭпду = 10 мкВт/см2
Облучение пользователей радиотелефонов.	ППЭпду = 100 мкВт/см2	Условия измерения: Измерения ППЭ следует производить на расстоянии от источника ЭМИ, соответствующего расположению головы человека, подвергающегося облучению.

 

Таблица 2.6

Предельно допустимые уровни воздействия ЭМП, создаваемых радиотехническими объектами для основного населения

Источник	Диапазон частот	Значение ПДУ	Примечание
Радиотехнические объекты	30 – 300 кГц	25 В/м	Для всех случаев облучения
0,3 – 3 МГц	15 В/м
3 – 30 МГц	10 В/м
30 – 300 МГц	3 В/м
300 МГц – 300 ГГц	10 мкВт/см2

 

Несмотря на то, что магнитное поле во всем мире сейчас считается наиболее опасным для здоровья, предельно допустимая величина магнитного поля для населения в России не нормируется. Причина – нет денег для исследований и разработки норм. Большая часть ЛЭП строилась без учета этой опасности.

На основании массовых эпидемиологических обследований населения, проживающего в условиях облучения магнитными полями ЛЭП как безопасный или «нормальный» уровень для условий продолжительного облучения, не приводящий к онкологическим заболеваниям, независимо друг от друга шведскими и американскими специалистами рекомендована величина плотности потока магнитной индукции В = 0,2…0,3 мкТл, что соответствует напряженности магнитного поля Н = 0,3…0,4 А/м.

В итоге, были приняты два принципа обеспечения безопасности населения.Основной принцип защиты здоровья населения от электромагнитного поля ЛЭП состоит в установлении санитарно-защитных зон для линий электропередачи и снижении напряженности электрического поля в жилых зданиях и в местах возможного продолжительного пребывания людей путем применения защитных экранов. Границы санитарно-защитных зон для действующих ЛЭП определяются по критерию напряженности электрического поля – 1 кВ/м., как показано в табл. 2.7:

Таблица 2.7

Границы санитарно-защитных зон для ЛЭП согласно СН № 2971-84

 

Напряжение ЛЭП	330 кВ	500 кВ	750 кВ	1150 кВ
Размер санитарно-защитной (охранной) зоны	20 м	30 м	40 м	55 м

Следует отметить, что в г. Москве приняты несколько другие санитарно-защитные зоны для ЛЭП, что видно из табл. 2.8:

Таблица 2.8

Границы санитарно-защитных зон для ЛЭП в г. Москве

Напряжение ЛЭП	< 20 кВ	35 кВ	110 кВ	150- 220 кВ	330- 500 кВ	750 кВ	1150 кВ
Размер санитарно-защитной зоны	10 м	15 м	20 м	25 м	30 м	40 м	55м

Для наглядности размеры санитарно-защитных зон для ЛЭП представлены на рис. 2.2.

К размещению воздушных линий ультравысокого напряжения ВЛ-750 кВ и ВЛ-1150 кВ предъявляются дополнительные требованияпо условиям воздействия электрического поля на население. Так, ближайшее расстояние от оси проектируемых ВЛ-750 и ВЛ-1150 кВ до границ населенных пунктов должно быть, как правило, не менее 250 и 300 м соответственно.

Р и с. 2.2. Размеры санитарно-защитных зон ЛЭП

Другим принципом защиты населения от электромагнитных полей является установление допустимых уровней воздействия электрического поля ЛЭП на население, как показано в табл. 2.9:

Таблица 2.9

Допустимые уровни воздействия электрического поля ЛЭП на население

Для условий профессионального воздействия характерно многообразие режимов генерации и вариантов воздействия электромагнитных полей на рабочих… Таблица 2.10

Допустимые уровни напряжённости магнитного и электрического полей

Если обслуживающий персонал подвергается воздействию поля не полный рабочий день (Т < 8 ч), то допустимые уровни возрастают в раз, а зона опасных…     Определенный интерес может представлять…  

Классификация электромагнитной обстановки окружающей среды по импульсным помехам

 

Класс	Признак окружающей обстановки	Объект
	Применены особые меры для сни­жения внешних помех.	Помещения с вычислительной техникой, медицинские кабинеты, радио– и телестудии.
	Здания с обычным оборудованием. Применение приборов с кабелями длиной более 1,5 м исключено. Устройства для измерений, управ­ления и регулирования, встроен­ные в обычное оборудование.	Жилые помещения, бюро.     Пульты управления, поме­щения с электронными уст­ройствами.

 

 

Окончание табл. 2.11

Класс	Признак окружающей обстановки	Объект
	Области, в которых часто могут коммутироваться электроустановки. Непосредственная близость промышленных электроустановок. Производственные помещения электроэнергетики.	Производственные помеще­ния, мастерские. Промышленные электроус­та-новки. Подстанции среднего и низкого напряжений.
	Близость к коммутационным устрой­ствам с сильным излучением помех. Области, в которые могут поступать внешние перенапряжения.	Внутренние области коммутационных шкафов. Подстанции высокого напряжения.

 

Классификация ЭМО окружающей среды выполняется также по помехам, вызванным электромагнитным излучением (классы 1-4):

Класс 1: низкий уровень электромагнитного излучения, на­пример, когда местные радио– и телевизионные станции находятся на расстоянии более чем 1 км; допустимо наличие разговорных ра­диоприборов низкой мощности.

Класс 2: средняя интенсивность электромагнитного излуче­ния, например, когда работающие радиотелефоны должны располагаться на рас­стоянии м от чувствительных устройств.

Класс 3: очень сильное электромагнитное излучение, вызван­ное, например приборами радиотелефонии большой мощности в непосредственной близости от устройств.

Класс 4: очень сильное излучение, когда степень строгости контро­ля должна быть согласована между заказчиком и изготовителем.

Аналогичным образом можно установить классы электромагнитной обстановки на борту самолетов и судов, в исследовательских установках или в зависимости от климатических условий (например, для усло­вий возникновения разрядов статического электричества) и т. д.

Перечисленные в класси­фикации электромагнитной обстановки окружающей среды критерии могут быть предметом договоренности, так как между классами окружающей среды нет резких границ.

 

2.5. Нормы и степени жесткости основных видов испытаний на помехоустойчивость устройств электростанций и подстанций

Электромагнитная обстановка на энергетических объектах: электростанциях, подстанциях, на территориях электромагнитного влияния линий электропередачи, характеризуется совокупностью электромагнитных явлений, существующих в данном месте, с широким разбросом параметров, количества, вида и интенсивности электромагнитных воздействий. Для их оценки требуется классификация электромагнитных условий окружающей среды по видам и уровням воздействия, в соответствии с которой можно сформулировать требования, предъявляемые к различным устройствам энергетических объектов в отношении электромагнитной совместимости. В настоящее время для классификации электромагнитной обстановки и электромагнитной совместимости в РАО «ЕЭС России» разработаны Методические указания в виде Стандарта организации СО 34.35.311–2004 [9]. С этой целью на энергетических объектах выполняются испытания на помехоустойчивость основных видов электрооборудования и электронных устройств. Нормированные уровни испытательных величин должны быть равны или превышать наибольшие возможные уровни помех. Это условие необходимо соблюдать при согласовании выбора уровня нормированных испытательных воздействий (степени жесткости испытаний) и допустимой для соответствующего класса электромагнитной обстановки. В соответствии с принятыми в ГОСТах классами электромагнитной обстановкой устанавливают степени жесткости испытаний технических средств (устройств) на помехоустойчивость.

На электростанциях и подстанциях особое внимание уделяется определению электромагнитной обстановки и совместимости в местах расположения автоматических и автоматизированных систем технологического управления (АСТУ). К ним относятся: автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), системы автоматического регулирования напряжения (АРН), автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ), релейная защита и автоматика (РЗА), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), системы сбора и передачи информации (ССПИ), автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ).

Устройства АСТУ проходят испытания на устойчивость к воздействиям электромагнитных помех в соответствии с базовым нормативно-техническим документом в области электромагнитной совместимости: ГОСТ 29280-92 (МЭК 61000-4) «Испытания на помехоустойчивость. Общие положения". В этом документе рассматриваются практически все виды испытаний. По отдельным видам испытаний (в более подробном изложении) выпущены серии ГОСТ Р 51317.4 (МЭК 61000-4), а также МЭК 255.

Из общего состава испытаний на помехоустойчивость АСТУ энергетических объектов можно выделить основные виды электромагнитных помех.

Магнитные поля промышленной частоты. Испытания на помехоустойчивость к воздействию магнитного поля промышленной частоты проводят в соответствии с ГОСТ Р 50648-94.

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость к магнитному полю промышленной частоты приведены в табл. 2.12.

Таблица 2.12

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии магнитным полем промышленной частоты

 

Степень жесткости	Напряженность магнитного поля, А/м
Магнитное поле постоянной интенсивности	Кратковременное магнитное поле (длительность 1-3 с)
		-
		-
		-
Специальная	По согласованию между потребителем и производителем

 

Импульсные магнитные поля. Испытания на помехоустойчивость к импульсному магнитному полю проводят в соответствии с ГОСТ Р 50649-94. Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость к импульсному магнитному полю приведены в табл. 2.13.

Таблица 2.13

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии импульсным магнитным полем

 

Степень жесткости	Максимальная напряженность магнитного поля, А/м
	-
	-
Специальная	По согласованию между потребителем и производителем

 

Испытания на помехоустойчивость к затухающему колебательному магнитному полю, которое возникает при коммутациях на шинах высокого напряжения выключателями и разъединителями, проводят в соответствии с ГОСТ Р 50652-94.Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость к затухающему колебательному магнитному полю даны в табл. 2.14.

Таблица 2.14

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии затухающим колебательным магнитным поле

  Помехи, связанные с возмущениями в цепях электропитания АСТУ постоянного и… Колебательные затухающие помехи частотой 100 кГц. Испытания на устойчивость к воздействию одиночных колебательных…

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне частот от 80 до 1000 МГц

 

Степень жесткости	Напряженность электромагнитного поля, В/м (дБ)
	1 (120)
	3 (130)
	10 (140)
	По согласованию между потребителем и производителем

 

Таблица 2.17

Степени жесткости и нормируемые уровни испытаний при воздействии радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне частот от 800 до 960 МГц и от 1,4 до 2 ГГц

 

Степень жесткости	Напряженность электромагнитного поля, В/м (дБ)
	1 (120)
	3 (130)
	10 (140)
	30 (150)
Специальная	По согласованию между потребителем и производителем

 

В табл. 2.18 приведены примеры степеней жесткости испытаний и соответствующих защитных расстояний. Защитное расстояние представляет собой минимально допустимое расстояние между устройством и цифровым радиотелефоном, соответствующее установленной степени жесткости испытаний.

Таблица 2.18

Примеры степеней жесткости испытаний и соответствующих защитных расстояний

 

Степень жесткости испытаний	Напряженность поля в отсутствие модуляции, В/м	Максимальное среднеквадратичное значение напряженности поля, В/м	Защитное расстояние, м, при излучении, Вт
2 (С5М)	8 (О8М)	4 (DECT)
		1,8	5,5		1,9
		5,4	1,8	3,7	0,6
			0,6	1,1	-
			0,4	0,4	-

 

Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот от 150 кГц до 80 МГц, воздействующим на порты электропитания и ввода-вывода сигналов, проводят в соответствии с ГОСТ Р 51317.4.6-99. Степени жесткости испытаний приведены в табл. 2.19.

Таблица 2.19

Степени жесткости испытаний в полосе частот от 150 кГц до 80 МГц

  Испытания на помехоустойчивость к кондуктивным помехам в полосе частот от 0 до… Таблица 2.20

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость при воздействии длительных помех постоянного тока и на частоте 50 Гц

 

Степень жесткости испытаний	Испытательное напряжение, В
Специальное	По согласованию между потребителем и производителем

 

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость при воздействии кондуктивных помех постоянного тока на порты устройств, на частоте 50 Гц и в полосе частот от 15 Гц до 150 кГц представлены в табл. 2.20–2.22.

Таблица 1.21

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость при воздействии кратковременных помех постоянного тока и на частоте 50 Гц

 

Степень жесткости испытаний	Испытательное напряжение, В
Специальное	По согласованию между потребителем и производителем

 

Таблица 2.22

Степени жесткости испытаний на помехоустойчивость при воздействии длительных помех в полосе частот от 15 Гц до 150 кГц

  При испытаниях на помехоустойчивость к кратковременным помехам время… 2.6. Нормирование кондуктивных помех в виде показателей качества электрической энергии

Нормы ПКЭ и допустимые погрешности их измерения

  Таблица 2.24

Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

 

Нормально допустимое значение (%) при Uном, В	Предельно допустимое значение (%) при Uном, В
0,38	6–20		110–330	0,38	6–20		110–330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

 

Таблица 2.25

Значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения

  Примечания: n — номер гармонической составляющей напряжения; * – нормально… – предельно допустимое значение коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле: КU(n)пред…

Значения коммутационных импульсных напряжений

 

Номинальное напряжение сети, кВ	0,38
Импульсное напряжение, кВ	4,5	15,5	2,7		85.5

Таблица 2.27

Характеристики временных перенапряжений

  Все ПКЭ можно разделить на две группы: нормируемые и ненормируемые. К… Кроме того, ГОСТ 13109-97 устанавливает номенклатуру вспомогательных параметров электрической энергии, которые…

Доза фликера – это мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. Доза фликера является безразмерной величиной и нормируется для интервала равного 10 мин (кратковременная доза – РSt и 120 мин (длительная доза – РLt).

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения характеризует искажение формы кривой в отличие от синусоидальной, которое вызвано наличием нелинейных элементов в электрической сети. Ток потребляемый такими элементами имеет не синусоидаль­ную форму и содержит высшие гармоники (ВГ), как правило, кратные основной частоте сети. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения выражается в процентах по выражению:

где n = 2…40 – порядок кратных гармоник, учитываемых при расчете К_U; U_(n) – действующее значение напряжения n-й гармоники, В; U₁ – действующее значение напряжения основной частоты, В.

Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения характеризует каждую из учитываемых гармоник напряжения в процентам по отношению к основной гармонике:

Коэффициент несимметрии напряжения по обратной (нулевой) последовательности характеризует трехфазную систему напряжений ос­новной частоты по отклонению фазных (междуфазных) напряжений от симметрии, т.е. равенства действующих значений напряжений в трех фазах сети и относительного углового сдвига (фазы) между ними. Зна­чения коэффициента несимметрии напряжения определяются в процен­тах формулами:

где U₂₍₁₎ и U₀₍₁₎ – соответственно напряжения обратной и нулевой по­следовательности основной частоты; U₁₍₁₎ – напряжение прямой после­довательности основной частоты.

Провал напряжения – это внезапное, в течение 10 мс, снижение напряжения до значения ниже 0,9 U_ном с последующим его восстанов­лением до значений, равных или близких к первоначальному, в резуль­тате действия средств защиты и автоматики, установленных в сети. Провалы напряжения характеризуются глубиной δU_п в процентах:

и длительностью провала напряжения – Δt_п.

Длительность провала напряжения Δt_п определяется суммарным временем срабатывания средств защиты и автоматики, под действием которых напряжение может восстанавливаться до первоначального значения.

Отклонение частоты – это ее изменение в ЭЭС в целом в резуль­тате изменения числа оборотов синхронных генераторов электростан­ций, происходящего под воздействием медленного изменения баланса активной мощности, выдаваемой генераторами электростанций и по­требляемой нагрузкой ЭЭС:

Δf = f_y – f_ном, Гц.

Временные перенапряжения – это повышение напряжения в точ­ке электрической сети выше 1,1U_ном продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или ко­ротких замыканиях за счет энергии, накопленной в индуктивных или емкостных элементах. Такие перенапряжения носят кратковременный характер, определяемый длительностью процесса. Значение этого ПКЭ оценивается коэффициентом временного перенапряжения К_перU в отн. ед. и его длительностью Δt_перU в секундах:

где U_{a max} – максимальное из измеренных амплитудное значение напря­жения.

Импульс напряжения – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Импульсы напряже­ния характеризуются амплитудой (U_имп.а) в вольтах и длительностью Δt_имп и Δt_{имп 0,5} в секундах.

Вопросы для самоподготовки

1. Какие организации, разрабатывающие нормы по электромагнитной совместимости, вы знаете ? Какими вопросами они занимаются ?

2. Какие требования регламентируют санитарные правила и нормы ?

3. Охарактеризуйте профессиональное и непрофессиональное воздействия электромагнитного поля на человека.

4. Как определяется предельно допустимый уровень электромагнитного поля для человека ?

5. Дайте классификацию окружающей среды по электромагнитным помехам, связанными с электрическими проводами.

6. Дайте классификацию окружающей среды по помехам, вызванным электромагнитным излучением.

7. Какие помехи относят к кондуктивным ?

8. Перечислите показатели качества электрической энергии.

9. Какие показатели качества электрической энергии относят к нормируемым ?

3. ИСТОЧНИКИ И ВЛИЯНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

3.1. Виды источников электромагнитных полей

Источники электромагнитных полей (влияний) могут быть естествен­ного или искусственного происхождения [2]. Источники естественного происхождения и их влияние должны быть приняты как данные природой, степенью же влияния (помехами) источников искусственного происхождения можно управлять путем ограничения непреднамеренно излучаемой электромагнитной энергии и электромагнитных полей.

Искусственные электромагнитные помехи (влияния) наблюдаются во всем спектре электромагнитных колебаний, начиная с нулевой частоты. К ним относятся элек­тростатические и магнитостатические влияния (помехи) постороннего поля на стрелочные измерительные приборы, осциллографы и изме­рительные мосты, влияния фона переменного тока частотой 50 Гц линий электропередачи, сверхнизкочастотных коммуникаци­онных систем, радио– и телевизионных передатчиков, электро­медицинской аппаратуры и устройств, радиолокационной техни­ки, микроволновых печей и космических источников. К этому добавляются влияния (помехи) от многочисленных переходных процессов в электрических цепях разного рода, чьи широкополосные высо­кочастотные излучения охватывают большие участки спектра. В зависимости от того, возникают ли электромагнитные влияния при преднамеренном производстве и применении электромагнит­ных волн или они являются паразитными и имеют мало общего с первичной функцией источника, различают функциональные и нефункциональные источники помех.

Функцональные источники. Это, прежде всего, радио– и теле­передатчики, которые распространяют электромагнитные волны через передающие антенны в окружающую среду в целях переда­чи информации. К этой группе относятся также все устройства, которые излучают электромагнитные волны не для коммуникативних целей, например генераторы высокой частоты для про­мышленного или медицинского применения, микроволновые печи, устройства радиоуправления и др.

Нефункциональные источники. К ним относятся автомобиль­ные устройства зажигания, люминесцентные лампы, сварочное оборудование, релейные и защитные катушки, электрический транспорт, выпрямители тока, контактные и бесконтактные по­лупроводниковые переключатели, проводные линии и компонен­ты электронных узлов, переговорные устройства, атмосферные разряды, коронные разряды, коммутационные процессы в сетях высокого напряжения, разряды статического электричества, быс­тро меняющиеся напряжения и токи в лабораториях техники высоких напряжений, при проведении электрофизических экс­периментов, технологическом использовании мощных импуль­сов и т. д.

В то время как соблюдение электромагнитной совме­стимости функциональных источников оказывается сравнитель­но простым (их природа как передатчиков чаще всего очевидна с самого начала), то выявление нефункциональных источников оказывается сложной задачей. Их существование проявляется чаще всего в процессе поиска причины неожиданного аварийно­го поведения приемной системы. Поэтому идентификация не­функциональных источников помех является важной задачей при обеспечении электромагнитной совместимости. Только когда установлены источники помех и их механизмы связи, обеспечение электромагнитной совмести­мости оказывается сравнительно простым.

3.2. Общая классификация источников электромагнитных полей

Источники электромагнитной энергии классифицируются, в ос­новном, по их проявлению в диапазоне частот, иными словами, по излучаемому ими высокочастотному спектру.

Разли­чают узкополосные и широкополосные источники полей (помех), как показано на рис. 3.1.

Сигнал счи­тается узкополосным, если его спектр (ширина спектральной линии) меньше ширины полосы прием­ника.

Источники узкополосных помех являются искусственно со­зданными человеком. Это, например радиопередатчики, кото­рые на предоставленных им частотах излучают больше мощнос­ти, чем допустимо, любительские радиопередатчики, устройства, излучающие высшие гармоники, возникающие вследствие нели­нейности элементов передатчиков, медицинские и промышлен­ные высокочастотные генераторы или просто электросеть часто­той 50 Гц.

Такие источники характеризуются амплитудой или действующим значением помехи при соответствующей частоте (линейчатый спектр).

Р и с. 3.1. Разделение передатчиков электромагнитной энергии
на узкополосные и широкополосные источники

 

Сигнал счи­тается широкополосным, если его спектр простирается на ши­рину полосы, большую чем ширина полосы определенной при­емной системы. Источники широкополосных помех характеризуются спектром с очень плотно или даже бесконечно близко расположенными друг к другу спек­тральными линиями (непрерывный спектр, плотность распреде­ления амплитуд). Типичные представители широкополосных помех – это естественные помехи (например, космический шум), а также все непериодические переходные процессы.

Источники широкополосных помех целесообразно подразде­лить также на источники шумовых и переходных помех. Шумо­вые помехи состоят из многих, вплотную соседствующих или пе­рекрывающихся импульсов различной амплитуды, которые нельзя разделить. Переходные помехи четко различимы одна от другой и обладают сравнительно малой степенью повторяемости, проявляются в виде импульсов. Переходные помехи могут быть распределе­ны статистически, например, при короне на воздушной линии, быть периодическими, например, в цепях фазовой отсечки тиристорных устройств или непериодическими, например, при вык­лючении катушек реле.

Классическая электромагнитная совмес­тимость, главной целью которой был контроль радиопомех, и современная интерпретация электромагнитной совместимости существенно различаются [2]. Согласно первой, вполне могут быть допущены отдельные переходные импульсные помехи, т. е. од­норазовые или редко повторяющиеся помехи в виде импульсов, в то время как при определенных обстоятельствах од­нократный импульс помехи в устройствах управления электро­станцией может привести к дорогостоящим простоям, а в авиа­ционных и космических устройствах – к тяжелым последствиям.

Источники периодических несинусоидальных помех, напри­мер сети вентильных преобразователей тока с линейчатым спек­тром высших гармоник, являются в зависимости от ширины по­лосы приемника узкополосными или широкополосными источ­никами, так как одна или несколько линий спектра могут быть расположены внутри полосы приемника. Широкополосные сиг­налы следует различать и по когерентности. При когерентных широкополосных сигналах реакция приемника пропорциональ­на ширине его полосы. Для некогерентных сигналов, спектраль­ные составляющие которых соотносятся произвольно, реакция приемника пропорциональна квадратному корню ширины его полосы.

Для узкополосных сигналов вышеприведенные различия ста­новятся излишними. До тех пор, пока спектр сигнала четко рас­положен внутри полосы приемника, реакция приемника остает­ся постоянной. Ранее широкополосные помехи представлялись только как временные функции (например, в виде осциллограм­мы), которые не позволяют непосредственно определить действие помехи в диапазоне частот. Однако при помощи преобразования Фурье функции могут быть переведены из временной в частот­ную область. На практике для этого чаще всего пользуютсяЭМС-номограммой.

Шумовые помехи (например, рябь на экране телевизора, кос­мические шумы) нельзя определенно описать аналитическими временными функциями. Они проявляют себя как результат мно­гих, не поддающихся индивидуальному анализу отдельных по­мех. В совокупности шумовые помехи следуют определенным ста­тистическим закономерностям.

3.3. Источники и влияние узкополосных электромагнитных полей

3.3.1. Влияние линий электропередачи в виде
узкополосного источника электромагнитных полей

Линии электропередачи представляют собой узкополосные источники электромагнитных полей, обусловленных долговременными рабочими токами при нормальной работе, токами заземления в сетях с компенсированной нейтралью, а также электромагнитными процессами в проводах, находящих­ся под высоким напряжением и обладающих большой емкостью относительно земли. В густонаселенных областях воздушные линии электропередачи высокого напряжения с частотой 50 Гц и линии связи телеуправления газопроводами и нефтепроводами часто располагаются параллельно друг другу на протяженных участках. Вследствие омической, индуктивной и емкостной связей возни­кают нежелательные влияния на линии связи и линии передачи данных, а также на устройства катодной защиты от коррозии трубопроводов. Кроме этого, недопустимо высокие напряжения прикосновения могут представлять угрозу для людей.

Если раньше проблемы влияния решались исклю­чительно мерами со стороны линии электропередачи, например, путем симметричного расположения проводов трехфазной линии в виде равностороннего треугольника (суммарная напряженность поля примерно равна нулю), скручиванием несимметрично рас­положенных проводов, резонансным заземлением нейтрали (малые токи замыкания фаз на землю), то в настоящее время проблемы влияния целесообразно решать также с позиций электромагнитной совместимости.

3.3.2. Влияние генераторов высокой частоты

Большое количество высокочастотных генераторов средней и большой мощности используется в промышленности, науке и медицине, а также в домашнем хозяйстве, например генераторы для высокочастотного нагрева, индукционной закалки, пайки и плавки, диэлектрической сушки клея, электротерапии, микро­волновые печи. К ним следует добавить генераторы для имплан­тации ионов при катодном распылении, циклические высокоча­стотные ускорители элементарных частиц (циклотроны, синхрот­роны) и т. д. Все перечисленные приборы целенаправленно про­изводят высокочастотную энергию, чтобы вызвать локальные электрофизические действия. Поэтому они относятся к группе функциональных передатчиков.

Посредством переменных магнитных полей 50 Гц – 1 МГц индукционными вихревыми токами могут быстро нагреваться проводящие детали. Глубина проникновения поля в деталь зависит от частоты.

Посредством высокочастотных электрических полей за счет освобожденного тепла вследствие объемного эффекта трения вибрирующих диполей можно быстро нагревать обладающие по­терями диэлектрики. Частоты лежат, как правило, в интервале 1 – 100 МГц.

Электрические, магнитные и электромагнитные поля исполь­зуются в медицине для теплового лечения суставов и внутренних органов (27 – 2450 МГц). Кроме этого, генераторы высокой час­тоты для возбуждения ультразвуковых колебаний находят при­менение в терапии (примерно 1 МГц) и диагностике (1 – 5 МГц), электромагнитные поля частотой, например, 2450 МГц, исполь­зуются в микроволновых печах [9-12].

В фундаментальных исследованиях, испытаниях материалов, лучевой терапии, литографии ускоряют элементарные частицы до энергии 20 ГэВ при частотах 10 – 200 МГц.

Большинство высокочастотных устройств работают на часто­тах 13,56 МГц, 27,12 МГц, 40,68 МГц, 433,92 МГц, 2450 МГц, 5800 МГц, 24 125 МГц [2]. При достаточном эк­ранировании установки могут применяться также другие часто­ты. При работе на предусмотренных частотах следует экспери­ментально доказать, что уровни электромагнитных излучений ус­тановок не превышают граничных значений для источников ра­диопомех. Кроме этого при наличии излучения следует обеспечить электромагнитную совместимость установок со средой обитания челове­ка.

3.3.3. Влияние радиоприемников, компьютеров, вычислительных систем и коммутационных устройств

Хотя рассматриваемые в этом разделе приборы и устройства, в основном, являются объектами электромагнитных влияний, они нередко сами создают электромагнитные помехи. Все названные приборы для выполнения своих функций нуждаются в собственных генераторах, которые через входные и выходные провода, а также через шасси и корпусы отдают электромагнитную энергию во внешнюю среду.

Супергетеродинные приемники смешивают частоту входного высокочастотного напряжения с частотой гетеродина в так назы­ваемую промежуточную частоту, поступающую в усилители про­межуточной частоты, и излучают как установлен­ную частоту гетеродина, так и постоянную промежуточную час­тоту вместе с электромагнитными полями. Промежуточная час­тота радиовещания составляет при амплитудной модуляции (AM) – 455 кГц, при частотной модуляции (ЧМ) – 10,7 МГц.

У приемни­ков телевизионного вещания промежуточная частота звукового сопровождения составляет от 4,5 МГц (ФРГ) до 6,5 МГц, промежуточная частота изображе­ния составляет, в среднем, 36,5 МГц.

Приборы изобра­жения (телевизионные приемники, компьютеры, терминалы вычислительных машин, осциллографы) создают помехи [18] благодаря наличию в них генераторов развертки, используемых для построения изображе­ния. Частота строк составляет 15,75 кГц у простых и, примерно, 35 кГц или 65 кГц у профессиональных мониторов. У высокочастотных осциллографов частота генератора отклоняющего на­пряжения может достигать 1 МГц.

Вычислительные системы выступают как передатчики электромагнитных помех от таймера центрального процессора, а также из-за влияния пе­риферийных приборов (терминалы, печатающие устройства) и относящихся к ним соединительных линий.

Коммутационные устройства создают электромагнитные излучения чаще всего при основной частоте колебаний выше 16 кГц.

Электромагнитные излучения указанных приборов и устройств не долж­ны превышать допустимые уровни радиопомех, установленные в соответствующих нормативных документах.

3.4. Источники и влияние широкополосных электромагнитных полей

3.4.1. Влияние воздушных линий высокого напряжения

На поверхности проводов фаз воздушных линий высокого и сверхвысокого напряжения напряженность электрического поля превышает в отдельных местах значение электрической прочно­сти воздуха, что ведет к частичным разрядам. Вследствие нео­днородности поля эти разряды существуют непосредственно вблизи провода, образуя так называемый коронный разряд. Час­тичные разряды вызывают в проводах импульсы тока со време­нами подъема и спада в диапазоне пикосекунд, которые распро­страняются вдоль проводов в виде электромагнитных волн. В совокупности многочисленные накладывающиеся друг на друга импульсы разрядов образуют источник шумовых помех, который ведет к нарушению радиоприема. Его спектр распространяется вплоть до диапазона ультравысоких частот.

Еще одним источником электромагнитных помех, который чаще всего наблюда­ется на линиях среднего напряжения, являются искровые разря­ды между неплотно соединенными металлическими частями или между металлическими частями и поверхностями изолятора. Спектр этих искровых разрядов простирается до очень высоких частот и вызывает в первую очередь помехи телевизионному ве­щанию.

Радиопомехи воздушных линий высокого напряжения в значительной степени зависят от погоды (плотности воздуха, дождя, инея) и формы верхней части опор.

Линии электропередачи являются широкополосными источниками кратковременных влияний при появлении токов коротких замыканий и токов замыкания двух фаз на землю длительностью в несколько десятых секунды. К широкополосным помехам относятся также импульсные электромагнитные поля, которые возникают в результате перенапряжений при переключениях.

3.4.2. Влияние газоразрядных ламп

Люминесцентные лампы низкого напряжения, встречающие­ся в административных зданиях, домашнем хозяйстве, могут являться ис­точниками электромагнитных полей (помех).

При включении люминисцентной лампы в стартере (лампа тлеющего разряда с би­металлическим электродом) возникает тлеющий разряд, в резуль­тате чего выделяется тепло, деформирующее биметаллический электрод, который замыкает цепь тока спиралей накала обоих главных электродов люминесцентной лампы. Одновременно зам­кнутый контакт гасит тлеющий разряд в стартере. После охлаж­дения биметаллического электрода ключ стартера вновь размы­кается, причем разрыв приводит к возникновению на катушке индуктивности напряжения самоиндукции в несколько киловольт. Это импульсное напряжение зажигает между предва­рительно нагретыми главными электродами газовый разряд. При последующих прохождениях тока через нуль разряд затухает, но затем периодически зажигается вновь при каждом полу­периоде напряжения сети, поскольку напряжение зажигания и напряжение горения лампы в результате повышения температу­ры электродов, соответственно, понизились (нагревание вызывает уменьшение анодного и катодного падений напряжения). Недо­статочная температура электродов ведет к известным многократ­ным попыткам зажигания люминесцентных ламп. При стацио­нарной работе стартер тлеющего разряда больше не срабатывает, так как его напряжение зажигания больше напряжения горения и напряжения повторного зажигания люминесцентной лампы с теплыми электродами.

Люминесцентные лампы низкого напряжения создают электромагнитные помехи не только при включении вследствие появления одного или не­скольких импульсов напряжения сравнительно большой ампли­туды, но также при работе в результате периодических затуханий и новых зажиганий разряда или после каждого прохождения тока через нуль при амплитудах напряжения всего в несколько сотен вольт.

Так как сильные помехи возникают только при включе­нии, то они проявляются при радиоприеме в в виде однократно­го щелчка или нескольких, едва ли поэтому являются важными. Однако они могут играть очень большую роль в другой ситуации, например, если лампа находится по соседству с высокочувствительными медицинскими и другими измеритель­ными приборами, а также с пациентом, имеющим сердечный сти­мулятор. Люминесцентные лампы с электронными включа­ющими устройствами (ЭПРА) содержат генератор высокой частоты (30 – 50 кГц), который питает лампу через LC-звено (для ограни­чения тока), что приводит к появлению заметных электромагнитных излучений.

Электромагнитные влияния, излучаемые во время ста­ционарной работы на основной частоте 50 Гц, при малых рас­стояниях до приемника и отсутствии мер помехозащиты, всегда создают помехи радиоприему в диапазоне средних и длинных волн. В электрической сети питания люминисцентных ламп, особенно, с ЭПРА, появляются кондуктивные помехи, распространяющиеся, преимущественно, вдоль проводов питания ламп. Типичные значения содержания высших гармоник тока в сети питания: третья гармоника – 90%, пятая гармоника – 75% и седьмая гармоника – 60%, Высшие гармоники тока и напряжения в зависимости от требований стандарта [3] должны уменьшаться посредством соответ­ствующей фильтрации до допустимых значений, что связано с увеличением габаритных размеров лампы и затрат на ее изготовление. Наконец, наряду с воздействием ламп на сеть модулированное низкой частотой инфракрасное излучение мо­жет также оказывать влияние, например при инфракрасном те­леуправлении.

Люминесцентные лампы для более высоких на­пряжений (например, световая реклама) не нуждаются в предва­рительном нагревании, так как их напряжение питания в каждом отдельном случае без особых трудностей может быть скоордини­ровано с соответствующими напряжениями зажигания и горе­ния.

Газоразрядные лампы высокого давления могут создавать су­щественные помехи вплоть до диапазона высоких и сверхвысо­ких частот (более быстрый пробой при высоком давлении и малых расстояниях между электродами). Высокая температура электродов и газа позволяет уменьшить электромагнитные влия­ния из-за меньших значений напряжений при обрывах тока и возобновлениях разряда.

3.4.3. Источники и влияние электромагнитных
полей в городах

В городах [10] имеет место значительный уровень широкополосных электромагнитных полей, из-за проходящий по территории города высоковольтных линий электропередачи, от ТЭЦ, распределительных подстанций, промышленных предприятий, электротранспорта, автомобильного транспорта и др.

Система электроснабжения города осуществляется в основном с помощью линий электропередачи (ЛЭП), в том числе в черте города. Напряженность электрического поля Е на территории города вблизи ЛЭП, как правило, не превышает нормируемых (допускается на территории зоны жилой застройки: Е_доп = 1 кВ/м; на участках пересечения воздушных линий электропередачи с автомобильными дорогами 1 – IV категорий: Е_доп = 10 кВ/м).

Напряженность магнитного поля В в жилом массиве территории города (по его периметру) вблизи подстанций и ЛЭП-110 кВ (под линиями) имеют достаточно большие величины и близки к значению 1 А/м, но быстро снижаются до незначительных величин при удалении от ЛЭП-110 кВ и от подстанций на 5…6 м, т.е. к участкам пешеходных дорожек и тротуаров (рекомендованная в жилом секторе величина плотности потока магнитной индукции 0,2 – 0,3 мкТл, т.е. 0,16…0,24 А/м). В промышленной зоне (район ТЭЦ) вблизи группы параллельных ЛЭП-110 кВ напряженность магнитного поля может достигать значительных величин, превышающих допустимые для населения, в частности, как показано в [10], до 3,8 А /м. Под линиями электропередачи ЛЭП-500 кВ напряженность магнитного поля достигает еще больших значений, в частности, до 18,2 А/м.

Электротранспорт (транспорт на электрической тяге) – электропоезда (в том числе поезда метрополитена), троллейбусы, трамваи и т. п. является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. По данным Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных «электричках» достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл. Среднее значение В на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне 29 мкТл.

Типичный результат долговременных измерений уровней магнитного поля, генерируемого железнодорожным электротранспортом на удалении 12 м от полотна, приведен на рис. 3.2.

 

Время

Р и с. 3.2. Уровни магнитного поля, В, генерируемого
железнодорожным электротранспортом

 

Автомобильный транспорт также является источником электромагнитных полей, которые возникают от систем зажигания автомашин. В автомобильных устройствах зажигания при прерывании первичного тока i₁(t) в катушке зажигания возникает изменение тока di₁(t)/dt. Связанное с этим изменение магнитного потока dФ₁(t)/dt индуктирует во вторичной обмотке катушки зажигания высокое напряжение u₂(t), как показано на рис. 3.3.

 

С_пар Распределитель С_пар

 

Р и с. 3.3. Возбуждение импульса высокого напряжения
в автомобильных устрой­ствах зажигания:
С_r – искрогасительный конденсатор для защиты контактов прерывателя;
С_пар – паразитные емкости

 

Небольшие паразитные напряжения индуктируются также и в других проводящих контурах этой и соседних автомашин (маг­нитная связь проводящих контуров).

Индуктируемый в обмотке высокого напряжения импульс вызывает на проводах зажигания высокую скорость изменения напряжения du₂(t)/dt, которая вследствие тока смещения i_с.м = С_парdu₂(t)/dt через паразитные емкости также может вызывать в соседних контурах и проводниках помехи (емкостная связь). При разрыве тока распределите­лем в цепях зажигания в результате разряда емкости вторичной обмотки вновь возникают быстрые изменения напряжения и тока, которые за счет индукции и взаимного влияния вызывают помехи. В зависимости от того, соединены ли соседние системы петлей или звездой и являются ли они высокоомными или низкоомными, влияние имеет емкостный или индуктивный харак­тер.

Типичные плотности амплитуд помех по напряженности электрического поля вблизи городских улиц находятся в пределах – 20 и + 20 дБ мкВ/м/кГц. Частоты электромагнитных помех в городах достигают гигарцевого диа­пазона.

Вопросы для самоподготовки

1. Перечислите источники электромагнитных влияний естественного происхождения.

2. Какие источники помех относятся к функциональным?

3. Какие источники помех относятся к нефункциональным?

4. Дайте классификацию источников помех по частотному спектру.

5. Охарактеризуйте электромагнитное влияние источников узкополосных помех.

6. Охарактеризуйте электромагнитное влияние источников широкополосных помех.

4. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

4.1. Классификация источников
электромагнитных помех в энергетических установках и средствах автоматизации

Электромагнитная обстановка, в которой работают энергетические установки, средства автоматизации, обусловлена наличием большого числа отдельных источников электромагнитных помех [1]. Источники электромагнитных помех для технических устройств можно разделить на две группы: естественные источники, обусловленные природными электромагнитными влияниями, и искусственные источники, образованные электромагнитными процессами в технических устройствах, например, как показано на рис. 4.1.

Р и с. 4.1. Внешние и внутренние источники помех, виды поступающих
в устройст­во и исходящих из него помех:
1 – сеть электропитания; 2 – разряды статического электричества;
3 – прибор автоматизации; 4 – внутренние источники; 5 – информационные входы;
6 – информационные выходы; 7 – заземление; 8 – электромагнитная обстановка

 

Среди известных естественных источников для энергетических установок и средств автоматизации важны разряды атмосферного электричества при локальной грозовой деятельности в виде молний, а также возможные разряды статического электричества между телами, получившими заря­ды разной полярности. Все другие естественные источники – глобального, солнечного и космического происхождения и вы­званные ими помехи в виде атмосферных шумов, геомагнитных и геоэлектрических полей, солнечного и космического излу­чений играют для рассматриваемой области слабую роль.

В качестве искусственных источников электромагнитных по­мех рассматривают все процессы при нормальных рабочих и ава­рийных режимах приборов, машин, электроэнергетических установок, устройств информационной техники, находящихся вблизи средств автоматизации. К ним же относится электромаг­нитный импульс, возникающий при внеатмосферных ядерных взрывах.

Электромагнитные помехи, излучаемые различными источ­никами, воздействуют на приборы, линии сигналов или данных, а также на системы электропитания, заземления устройств автоматизации отдельно или комбинированно при случайном наложении во времени. Внутрь прибора они могут попасть совместно с полезными сигналами или с напряжением пита­ния по проводам (и,i), либо полевым путем (Е, Н), а также че­рез антенны.

В дополнение к этим помехам, вызванным внешнимиисточ­никами, могут возникнуть и внутренние помехи, распростра­няющиеся по проводам или в виде поля внутри системы.

Не следует за­бывать, что энергетическая установка, прибор автоматизации могут быть одновременно и чувствительными к помехам, и сами излучать электромагнитные помехи.

4.2. Грозовой разряд как внешний источник электромагнитных помех

Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельно­стью, представляющие собой внешний источник электромагнитных помех, создают помехи радиосвязи, в системах автоматизации и обостряют проблемы элект­ромагнитной совместимости. Энергия канала разряда, составляющая примерно 10⁵ Дж/м, вызывает акустическое (гром), термическое, световое, элект­ромагнитное воздействия на окружающую среду. При этом могут происходить специфические повреждения объектов (разрушения, пожары) при непосредственных ударах в объект. Несмотря на то, что число таких повреждений за счет внедрения соответствующих средств молниезащиты непрерывно снижается, но ущерб, наносимый косвенным воздействием молний на элект­ронные средства в индустрии, сфере обслуживания и других областях, резко возрастает.

С точки зрения возможных воздействий и интенсивности воздействия молнии разли­чают близкие разряды (непосредственные) и удаленные разря­ды, например, как показано на рис. 4.2.

 

Р и с. 4.2. Возможные воздействия молнии:
D – непосредственный удар молнии; F – удаленный разряд; PAS – шина выравнива­ния потенциалов; R_E – сопротивление аземления (0,5 – 10 Ом); S – петля, образованная проводами; W – разряд между лаками; 1 – защищаемый объект; 2 – часть защищаемого устройства; 3 – трансформаторная подстанция; 4 – кабель линии управления, связи; 5 – кабель низкого напряжения; 6 – воздушная линия электропередачи

 

При непосредственных и близких разрядах молния ударяет в молниеприемники защищенных зданий, устройств, соединенных, например, кабелями низкого напряжения, линиями связи и управления. На функционирование средств автоматизации наибольшее воздействие оказывают близкие разряды молнии.

На рис. 4.3 приведена форма импульса тока молнии, а в табл. 4.1 приведены характеристики воздействия молнии на объекты.

 

Р и с. 4.3. Форма импульса тока молнии при разряде с облака на землю

 

При одной молнии могут наблюдаться до 10 максимальных импульсов тока, следующих друг за другом с интервалом от 10 до 100 мс.

Таблица 4.1

Характеристики воздействия молнии на объекты

  С точки зрения электромагнитной совместимости интерес представляет то… В дополнение к этому на рис. 4.4 приведены статистические данные о максимальном значении и крутизне токов молнии.

Приблизительные значения напряженностей магнитного поля промышленной частоты на энергетических и промышленных предприятиях

  Окончание табл. 4.2   Предприятие, устройство Место измерения Напря-женность магнит-ного поля, А/м …

Характерные напряженности электрического поля в промышленных условиях

 

Промышленное предприятие	Максимальное значение напряженности электрического поля, В/м
1-10 кГц	0,01-1,0 МГц	1-100 МГц	0,1-1,0 ГГц
Тепловая электростанция	-	5,7	0,06	-
Котельные высокого давления	14,2	5,3	1,2
Сталеплавильный завод		2,7	0,1
Завод по производству удобрений	-		0,02	-

 

Таблица 4.4

Характерные напряженности электрического поля электротехнических установок

 

Установка	Рабочая частота	Напряженность электрического поля, В/м
Установки индукционного нагрева	450 кГц	37-400
Устройства сварки пластиковых пленок	27,12 МГц	70-80

 

Аварийные (переходные) электромагнитные процессы создают апериодиче­ские, случайно возникающие во времени помехи, как правило, с широким частотным спектром.

Причинами появления таких помех в устройствах высокого напряжения являются:

- коммутации холостых линий, конденсаторных батарей или малонагруженных трансформаторов;

- коммутации участков сборных шин разъединителями;

- подключение, отключение или сброс большой нагрузки;

- возникновение коротких замыканий, замыканий на землю фазы или двух фаз, повторные включения.

При этом в сети высокого напряжения могут возникать за­тухающие колебания с частотой в сотни килогерц и перенапря­жения, во много раз превышающие номинальное напряжение, приводящие к перенапряжениям до 15 кВ на стороне низкого напряжения.

В сетях низкого напряжения причинами появления аперио­дических помех могут быть:

– отключение индуктивностей (трансформаторов, дросселей, катушек коммутационных и исполнительных механизмов), включенных параллельно источнику питания;

– отключение индуктивностей токовых контуров (продольных дросселей, индуктивностей проводов, шин), причем отключе­ние может происходить выключателями как планово, так и аварийно при обрывах проводов или срабатывании защитных устройств;

– включение и отключение люминесцентных ламп;

– процессы зажигания и обрыва дуги сварочных агрегатов;

– работа таких сильноточных электротехнологических уст­ройств, как дуговые печи, контактные, в том числе, сварочные установки встык, устройства сварки оплавлением;

– коммутации ненагруженных кабелей и линий электропередачи, электронагревательных устройств, непрогретых люминесцентных светильников, сопровождающиеся бросками тока и большими скоростями его изменения;

– вибрации механических контактов (возникновение серии импульсов).

К наиболее интенсивным помехам, опасным для дискретных средств автоматики в устройствах низкого напряжения, отно­сятся создаваемые при коммутации индуктивных цепей. Эти помехи тем интенсивнее, чем синхроннее срабатывают контакты устройств, содержащие последовательно соединенные контактные промежутки для ослабления эрозии контактных электродов. В неблагоприятных случаях следует принимать во внимание следующие возможные значения помех:

- перенапряжения в местах их возникновения в электрических сетях напряжением до 10 кВ;

- крутизна перенапряжений до 100 В/нс;

- время нарастания импульса перенапряжения от 1 нс до 1 мс;

- скорость уменьшения напряжения при вибрациях 2 – 5 кВ/нс;

- длительность импульсов при вибрациях от 100 нс до 1 мс;

- помехи в линиях передачи данных, обусловленных перенапряжениями в электрических сетях.

На рис. 4.5 приведены данные о частотных диапазонах периодических и импульсных электромагнитных помехах в электротехнических установках и устройствах.

 

 

Р и с. 4.5. Частотные спектры электромагнитных импульсных (а)
и периодических (б) процессов, вызывающих помехи
в электротехнических установках и устройствах:

1 – коммутационные процессы; 2 – броски нагрузки; 3 – радио и телевизионные
приемники; 4 – компьютерные системы; 5 – сетевые коммутационные устройства;
6 – электротехнические установки; 7 – электроприемники;
8 – центализованное управление; 9 – сеть электропитания

4.5. Электромагнитные помехи в системах автоматики, в линиях связи и передачи данных

Помехи в линиях передачи сигналов управления, измерения и регулирования, а также передачи данных проявляются, как правило, в виде синфазных или противофазных напряжений. Синфазные напряжения измеряются как разность потенциалов между проводами и заземленными корпусом или заземлением устройства. Они вызываются индуктивным влиянием, уравнительными токами в заземлениях, плохими контактами или недостаточным сечением заземляющих проводников и воздействуют на изоляцию входных устройств автоматизации. Напротив, противофазные помехи устраняют, искажают или подменяют полезные сигналы и приводят к неправильному функ­ционированию или повреждению устройств автоматики. На­ложенные на полезные сигналы противофазные помехи возникают вследствие гальванических связей или полевого влияния при несимметрии цепей заземления участков линий передачи сигналов путем преобразования синфазных сигналов или создаются в недостаточно защищенных от помех чувствитель­ных элементах или других подсоединенных к линии устройст­вах.

Процессы отражений при плохом согласовании линий на концах, дребезги в контактах, пьезоэлектрические смещения зарядов в местах сжатия или изгибов изоляции проводов, а также термоэлектрические эффекты в точках соединений сигнальных контуров могут быть причиной появления помех.

Из-за очень широкого спектра параметров линий, внутренних сопротивлений источников, полных сопротивлении подключенных на концах линий датчиков и приемников сигналов, а также многих возможных путей влияния электромагнитного поля на линии передачи сигналов и данных, трудно привести в обобщенном виде диапазон изменения ожидаемых напряжений (напряженностей) помех.

Например, для линий передачи сигналов в промышленных устройствах необходимо учитывать возможные синфазные помехи амплитудой до 600 В при длительности до 12 мкс. На подстанциях высокого напряжения при коммутации могут возникать синфазные переходные напряжения в зависимости от типа и длины сигнального кабеля, его экранирования, удаления от проводов высокого напряжения амплитудой от нескольких вольт до многих десятков киловольт, содержащие частоты от 0,1 до 3 МГц. В распределительных компьютерных системах во вре­мя грозы переходные синфазные помехи в линиях передачи данных могут достигать многих сотен вольт с временем нарастания от 0,1 до 5 мкс и средней частотой переходных колеба­ний 255 кГц. Одновременно возникающие противофазные напряжения имеют порядок несколько десятков вольт.

Вопросы для самоподготовки

1. На какие группы подразделяются источники электромагнитных помех?

2. Какие искусственные источники электромагнитных помех вы знаете?

3. Охарактеризуйте влияние близких ударов молнии на объекты.

4. Чем и для какого оборудования опасны удаленные грозовые разряды?

5. В чем заключается принцип действия двухступенчатой защиты от ударов молний?

6. Назовите причины появления внутренних помех в энергетических установках.

7. Укажите причины появления апериодических помех.

5. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

5.1. Общие положения

Биологическое воздействие на человека электромагнитными полями оказывают все радиотехнические и электрические устройства и установки. Однако, как показывают исследования, наиболее неблагоприятное воздействие на здоровья человека оказывают электроэнергетические установки, устройства СВЧ и, в значительной степени, компьютеры.

В процессе эксплуатации электроэнергетических установок – открытых распределитель­ных устройств (ОРУ) и воздушных линий (ВЛ) электропередачи сверх– и ультравысокого напряжений (330 кВ и выше) было отмечено ухудшение состояния здоровья персонала, обслужива­ющего указанные установки [11].

Специальные наблюдения и исследования, проведенные в России и за рубежом, подтвердили обоснованность этих жалоб и установили, что фактором, влияющим на здоровье обслуживающего персонала, является электромагнитное поле, возникающее в пространстве вокруг токоведущих частей действующих электроустановок.

Интенсивное электромагнитное поле промышленной частоты вызывает у работающих нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой системы, а также периферического кровоснабжения. При этом наблюдается повышенная утомляемость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возникновение болей в сердце, сопровождающихся сердцебиением и аритмией, и т.п.

Эффект воздействия электромагнитного поля на биологический объект принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемойэтим объектом при нахождении его в поле.

Электромагнитное поле можно рассматривать как состоящее из двух полей: электрического и магнитного. Можно также считать, что в электроустановках электрическое поле возникает при наличии напряжения на токоведущих частях, а магнитное при прохождении тока по этим частям.

Допустимо также считать, что при малых частотах, в том числе при промышленной частоте (50 Гц) электрическое и магнитное поля не связаны между собой и поэтому их можно рассматривать раздельно, как и оказываемоеими влияние на биологические объекты.

Напряженность электрического поля, как показали измерения на территории и вблизи воздушных линий электропередачи ВЛ-330 кВ и выше, достигает 25 кВ/м и более. При таких напряженностях резко усиливаются отрицательные воздействия поля на живую ткань. Поэтому действующие нормы, исходя из условий безопасности, ограничивают персоналу продолжительность работы в течение дня при напряженности электрического поля Е_ПДУ = 5 кВ/м.

Исследования также показали, что в любой точке электромагнитного поля, возникающего в электроустановках промышленной частоты, поглощенная телом человека энергия магнитного поля примерно в 50 раз меньше поглощенной им энергии электрического поля. Вместе стем измерени­ями в реальных условиях было установлено, что напряженность магнитного поля в рабочих зонах открытых распределительных устройств (ОРУ) и воздушных линий напряжением 330 кВ и выше не превышает 50 – 60 А/м, в то время как вредное действие магнитною поля на биологические объекты проявляется при на­пряженности во много раз большей. Лишь в отдельных случаях, например, вблизи реакторов, напряженность магнитного поля может достигать 400 – 500 А/м, а при работах под напряжениемна ВЛ 500–750 кВ напряженность магнитного поля на поверхности провода, которого касается работающий, может достигать еще больших значений.

На основании указанных обстоятельств был сделан вывод, что отрицательное действие на организм человека электромаг­нитного поля промышленной частоты обусловлено электрическим полем, магнитное же поле оказывает незначительное биологи­ческое действие и в практических условиях, например, в электроэнергетических установках, им можно пренебречь.

Поскольку механизм биологического действия электрического поля на организм человека изучен недостаточно, то предполагается, что нарушение регуляции физиологических функций организма обусловлено воздействием поля на различные отделы нервной системы. При этом повышение возбудимости центральной нервной системы происходит вследствие рефлекторного действия поля, и тормозной эффект это результат прямого воздействия поля на структуры головного и спинного мозга. Считается, что кора головного мозга, а также промежуточный мозг, особенно чувствительны к воздействию электрического поля. Предполагается также, что основным материальным факто­ром, вызывающим указанные изменения в организме, является индуцируемый в теле ток, а влияние самого электрического поля значительно меньше.

В высокочастотных установках или в сфере их излучателей все элементы установок, по которым протекают токи, являются источниками излучения электромагнитных полей, неблагоприятно воздействующих на обслуживающий персонал. В зависимости от размеров излучателя, рабочей частоты и от места нахождения оператора относительно источника поля работающий может подвергаться воздействию электрической или магнитной составляющей поля или их сочетанию, а в случае пребывания в волновой зоне – воздействию сформированной электромагнитной волны.

Воздействие электрического, магнитного, электромагнитного полей может быть изолированным (от одного источника), суммарным (от двух и более источников одного частотного диапазона), смешанным (от двух и более источников различных частотных диапазонов) и комбинированным (в случае одновременного действия какого-либо другого неблагоприятного фактора).

Человек подвергается тепловому и нетепловому воздействию электромагнитного поля. Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей человека за счёт появления токов проводимости в тканях, характеризуемых ионной проводимостью [12], и за счет переменной поляризации диэлектрика тела [13] (хрящи, сухожилия и т.п.).

Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузыри). Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте) и потере зрения. Это характерно для волновой зоны и СВЧ – облучения при плотности потока энергии более 10 мВт/см.

Длительное хроническое действие радиоволн умеренной интенсивности, не дающее явного теплового эффекта, может вызвать функциональные изменения в центральной нервной системе, сердечно-сосудистой системе, а также гормональные сдвиги и нарушение обменных процессов [13, 17–20]. В связи с этим могут появиться головные боли, быстрая утомляемость, ухудшение самочувствия, понижение или повышение артериального давления, нервно-психические расстройства. Возможны трофические расстройства: похудение, выпадение волос, ломкость ногтей, изменения в составе периферической крови. На ранней стадии эти явления носят обратимый характер, более выраженные изменения могут привести к стойкому снижению работоспособности. При длительном воздействии электромагнитного поля происходит либо физиологическая адаптация, либо ослабление иммунологических реакций.

Следует отметить, что электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Например, в районе действия электрического поля линий электропередачи у насекомых проявляются изменения в поведении: так у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем поля. У растений распространены аномалии развития – часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей и т.д.

5.2. Биологическое влияние электромагнитного поля линий электропередачи

На энергетических объектах, в зоне влияния линий электропередачи (ЛЭП), воз­действию электромагнитных полей [15, 16] подвергается следующая категории лиц: оперативный персонал; ремонтный персонал; население.

Каждая из этих групп в силу своих профессиональных обязанностей имеет доступ к различным объектам и поэтому может находиться в разных ситуациях, связанных с электромагнитными полями.

Оперативный персонал основное рабочее время проводит за пультом управления, однако по разным причинам он обязан выходить на тер­риторию открытого распределительного устройства (ОРУ) для осмотра и ревизии оборудования, произведение переключений, допуска бригад для работы на территории ОРУ и т.п. Следова­тельно, оперативный персонал может подвергаться воздействию элект­ромагнитных полей, образующихся у земли на территории ОРУ система­ми шин, подходящими к ОРУ линиями, спусками от аппаратов и т.д. Надо отметить, что эти поля могут быть интенсивнее образующихся под проводами воздушных линий из-за небольших расстояний до источника полей.

В наибольшей степени подвержен влиянию электромагнитных полей ремонтный персонал. Это вызвано тем, что ремонтные работы могут производиться в самых различных условиях: на территории ОРУ на земле или вблизи нее, а также и с подъемом на высоту. В последнем случае, например, при ремонте выключателя, соседние ячейки могут находиться под напряжением. Поэтому, в месте ремонта напряженность (например, электрического поля) может оказаться существенно больше, чем у поверхности земли. Для ее снижения в некоторых случаях воз­никает необходимость установки специальных экранов между ячейками ОРУ.

Расчеты и измерения, проведенные на ОРУ разных классов напряжен­ия, показывают, что напряженность электрического поля у поверхнос­ти земли может достигать 20 – 30 кВ/м (в отдельных случаях и боль­ше), а магнитного поля 80 – 100 А/м. Такие напряженности электро­магнитных полей требуют применения защитных мер и устройств при Е_НОРМ = 25 кВ/м.

При ремонтных работах как вблизи, так и на самой ВЛ перечень случаев, в которых ремонтный персонал подвергается воздействию электромагнитных полей, еще шире. Ремонтные работы могут выпол­няться на отключенной линии при наличии идущих рядом линий, нахо­дящихся под напряжением; на опорах линий как отключенных, так и на­ходящихся под напряжением; на линиях, находящихся под напряжением (этот вид работ называется «ремонт под напряжением"). В нем учас­твует бригада, состоящая из шести – семи человек. Члены бригады на­ходятся как на земле у опоры, так и на самой опоре, и непосредственно на проводах или, как говорят, «на потенциале провода", как показано на рис. 5.1.

Наибольший объем работ под напряжением на ВЛ-330 – ВЛ-750 кВ свя­зан с ремонтом гирлянд изоляторов (выемка гирлянд целиком, от­дельных дефектных изоляторов, ремонт арматуры и т.д.) и заменой распорок на расщепленных проводах. В отдельных энергосистемах объ­ем работ под напряжением (имеются в виду только члены бригады, непосредственно работающие «на потенциале провода") достигает десят­ков тысяч чел./ч.

Р и с. 5.1. Расположение людей около проводов
линий электропередачи

 

Воздействию наиболее интенсивных электромагнитных полей подвер­гаются, естественно, те люди. которые работают в непосредственной близости от проводов. Максимальные значения напряженности электри­ческого поля могут достигать 2000 – 2500 кВ/м, а магнитного – бо­лее 1000 А/м. Большие напряженности электрического и магнитного полей могут также воздействовать на членов бригады, находящихся на опоре.

Важной и самой массовой категорией лиц, подвергающихся воздействию электро­магнитных полей – население.

По данным Международного комитета по большим электрическим сетям (СИГРЭ) протяженность ВЛ с номинальным напряжением 300 кВ и выше в развитых промышленных странах состав­ляет тысячи и десятки тысяч километров: в Австралии, ФРГ, Япо­нии – около 10000 км; Бразилии, Южной Африке – около 15000 км; Ка­наде – около 28000 км; США и России – около 80000 км. Ни в одной стране не принимается никаких мер, препятствующих нахождении людей под проводами воздушных линий. Если приближенно принять ширину санитарной зоны вблизи воздушных линий, т.е. зоны, в которой напряженность выше нормируемой для населения, около 50 м, то ее площадь для России составит около 4000 кв. км. Это примерно в четыре раза больше территории г. Москвы в границах кольцевой автодороги. Приведенный пример показывает, что воздействию электромагнитных полей воздушных линий может подвергаться достаточ­но большое количество людей.

В последние годы в России стихийно сложилась практика строительства дачных домов вблизи воздушных линий, а иногда прямо под проводами линий, включая линии ВЛ-500 кВ. При этом в зоне влияния электромагнитных полей оказываются дети и больные люди, т.е. лица наиболее подверженные вредным воздействиям. С учетом этих обстоятельств следует признать проблему воздействия электро­магнитных полей весьма серьезной.

Кроме непосредственного влияния электромагнитного поля на людей следует обратить внимание еще на один эффект, связанный с потен­циальной опасностью. Он состоит в том, что автомобили, автобусы и другие механизмы на резиновых колесах приобретают в электрическом поле воздушных линий некоторый потенциал относительно земли. В случае прикосно­вения человека, имеющего хороший контакт с землей, к машине по телу человека будет протекать ток. Как правило, этот ток не превышает нескольких миллиампер и сам по себе для жизни не представляет пря­мой опасности. Однако, он может быть выше порога чувствительности. Неожиданное прикосновение, связанное с протеканием тока может выз­вать непроизвольные движения. По этой причине возможны травмы, па­дения и т.п.

Таким образом, об этом явлении следует иметь четкое представление и знать, как избежать различных неприятных последс­твий.

Рассмотрим механизм воздействия электромагнитного поля промышленной частоты на организм человека.

Следует отметить, что организм человека электрически активен. Это значит, что выпол­нение его нормальных жизненных функции связано с протеканием электрических токов. При этом, плотность тока по нервным волокнам, мышечным тканям, тканям мозга не превышает 0,1 мкА/см².

Оценивая воздействие на человека приложенного к нему напряже­ния или электромагнитного поля современные ученые считают, что ис­точник или причина появления тока в организме не имеет значения. Определяющим является только значение плотности тока. При этом, плотность тока в теле человека от головы к ногам уменьшается.

Известны следующие эффекты. При плотности тока j = 1 мкА/см² доказана реакция мозговых тканей, а плотность тока j = 10…50 мкА/см² является пороговой для стимуляции сенсорных рецепторов нервных и мышечных клеток. Эти значения плотности тока хорошо согласуются с известны­ми значениями, так называемых, пороговых ощутимых токов при промыш­ленной частоте [11]. Среднее значение порогового ощутимого тока составляет около 900 мкА.

Если принять, что сечение мышц руки сос­тавляет около 20…30 см², то плотность порогового неотпускающего то­ка составит 45…30 мкА/см², что лежит внутри приведенного выше диа­пазона 10…50 мкА/см².

Существенное отличие минимального значения плотности тока j = 10 мкА/см² может быть вызвано как различной чувс­твительностью разных тканей, так и способом регистрации.

Очевидно, что реакция может быть не только болевой, но и выражаться в других эффектах, которые могут проявляться при меньших значениях плотнос­ти тока. Считается, что длительное протекание в жизненно важных тканях (например, в сердце) тока, плотность которого превышает j = 1 мкА/см² , сопряжено с возможными отрицательными последствиями.

Та­ким образом, что длительное протекание по орга­низму токов примерно на порядок меньших, чем пороговый ток также может приводить к отрицательным последствиям. Такой же вывод име­ется и в [11, 14-16].

5.3. Биологическое влияние источников электромагнитных полей в жилых помещениях

В настоящее время жилые помещения оснащаются все большим количеством бытовых приборов, создающих не только удобства, но и приводящих к увеличению электромагнитных полей.

Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, являются источниками электромагнитных полей промышленной частоты 50 Гц. При этом уровни как напряженности электрического поля – Е, так и напряженности магнитного поля – В промышленной частоты для ряда бытовых электроприемников могут достигать достаточно больших значений [20], как это показано в таблице 5.1.

Значения электрического поля промышленной частоты практически всех электробытовых приборов не превышают нескольких десятков В/м на расстоянии 0,5 м, что значительно меньше предельно-допустимого уровня (ПДУ) напряженности электрического поля Е = 500 В/м, регламентируемого санитарно-гигиеническими нормами.

Таблица 5.1

Уровни электрических и магнитных полей промышленной частоты 50 Гц от различных электроприборов

Окончание табл. 5.1 Вид электроприбора, тип Мощность, Р, Вт Электрическое поле, Е, В/м Магнитное поле, В,… Примечание: Измерения проводились на расстоянии 50 см. от обследуемого…  

Субъективные жалобы пользователей персонального компьютера и возможные причины их происхождения

  Таким образом, электромагнитные поля на рабочем месте с компьютером оказывают…

Биологическое воздействие сотовой радиотелефонной связи

Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с… Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное… Некоторые технические характеристики основных элементов системы сотовой радиосвязи БС и МТС, действующих в настоящее…

Краткие технические характеристики стандартов системы

Сотовой радиосвязи, действующих в России

 

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, установленных действующими Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)", приведенными, например, в табл.2.6.

Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), являющиеся источниками электромагнитных полей, так и приемные антенны, которые не являются источниками электромагнитных полей.

Передающие (приемопередающие) антенны БС могут быть двух типов: с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (тип «Omni"), как показано на рис. 5.14, так и направленные (секторные), как показано на рис. 5.15.

Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости рассчитана таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком «луче".

Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы.

 

Р и с. 5.14. Диаграмма направленности антенны типа «Omni"	Р и с. 5.15. Диаграмма направленности секторной антенны

 

Базовые станции являются видом передающих радиотехнических объектов, мощность излучения которых (загрузка) не является постоянной 24 часа в сутки. Загрузка определяется наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и их желанием воспользоваться телефоном для разговора, что, в свою очередь, коренным образом зависит от времени суток, места расположения БС, дня недели и др. В ночные часы загрузка БС практически равна нулю, т. е. станции в основном «молчат".

Исследования электромагнитной обстановки на территории, прилегающей к базовым станциям, были проведены специалистами разных стран, в том числе Швеции, Венгрии и России. По результатам измерений, проведенных в Москве и Московской области, можно отметить, 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 базовых станций. 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 наиболее экологически и санитарно-гигиенически безопасным системам связи.

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 базовой станции в месте приема, тем меньше мощность излучения мобильного телефона. Максимальная мощность находится в границах 0,125 – 1,0 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.

Многочисленные исследования, проведенные учеными разных стран, включая Россию, на биологических объектах, привели к неоднозначным, иногда противоречащим друг другу, результатам.

Неоспоримым остается лишь тот факт, что организм человека реагирует на наличие излучения сотового телефона. Поэтому владельцам мобильных радиотелефонов рекомендуется соблюдать некоторые меры предосторожности:

- не пользуйтесь сотовым телефоном без необходимости;

- по сотовому телефону разговаривайте непрерывно не боле 3 – 4 минут;

- не допускайте, чтобы МРТ пользовались дети;

- при покупке выбирайте сотовый телефон с меньшей максимальной мощностью излучения;

- в автомобиле используйте МРТ совместно с системой громкоговорящей связи «hands-free» с внешней антенной, которую лучше всего располагать в геометрическом центре крыши.

Для людей, окружающих человека, разговаривающего по мобильному радиотелефону, электромагнитное поле, создаваемое МРТ не представляет никакой опасности.

Вопросы для самоподготовки

1. Какие энергетические и электронные устройства, создающие интенсивные электромагнитные поля, оказывают наиболее неблагоприятное воздействие на здоровье человека?

2. Какие виды нарушения здоровья вызывают интенсивные электромагнитные поля промышленной частоты у персонала, работающего в электроустановках?

3. Какой персонал, обслуживающий электротехнические установки и линии электропередачи, подвергается большему воздействию электромагнитных полей?

4. Чем характеризуется в теле человека воздействие электромагнитных полей?

5. При каких значениях напряженности электрического поля необходимо применение защитных средств обслуживающим персоналом при работе в зоне высоковольтных линий электропередачи и распределительных устройств?

6. Назовите наиболее неблагоприятные источники электромагнитных полей в жилых помещениях.

7. Чем и в чем проявляется неблагоприятное воздействие на здоровье человека работа с компьютерами?

8. Какие меры предосторожности с позиции электромагнитного влияния следует соблюдать при пользовании сотовыми телефонами?

6. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

6.1. Общие положения

Электронные средства автоматизации приих практической работе подвергаются определенным электромаг­нитным воздействиям, описанным ранее. В какой степени эти воздействия приводят к временным нарушениям функциони­рования или к необратимым повреждениям, зависит от помехо­устойчивости и стойкости к повреждению [1]. Помехоустойчивость означает способность противо­стоять воздействиям, вызывающим обратимые нарушения, а стойкость к по­вреждению означает способность противо­стоять воздействиям, вызывающим необратимые нарушения функционирования. Оба понятия можно характеризовать количественно, задаваясь граничными значениями воздействующего фактора (напряжением, напря­женностью поля, энергией, стандартизованным испытатель­ным воздействием), при которых еще сохраняется стабильное функционирование данного устройства.

На рис. 6.1 приведены области значений энергии W (Дж), вызывающей повреждения или помехи силовых или электронных устройств.

Р и с. 6.1. Значения энергии W (Дж), вызы­вающей повреждения
(темные прямоугольники) или помехи (светлые) при импульс­ном
электромагнитном воздействии:

1 – двигатели и силовые трансформа­торы; 2 – выключатели мощности;
3 – пневмоконтакторы; 4 – тиристоры; 5 – Z-диоды и специальные вы­прямители;
6 – реле; 7 – композици­онные резисторы; 8 – мощные тран­зисторы;
9 – сигнальные диоды, выпрямители; 10 – пленочные резисторы; 11 – герконы;
12 – высокочастотные транзисторы; 13 – интегральные схемы

В табл. 6.1 приведены допустимые значения импульсных напряжений пробоя или перекрытия изоляции электротехнических установок и приборов.

Таблица 6.1

Импульсные напряжения пробоя внутренней или перекрытия внешней изоляции электротехнических установок напряжением до 1000 В и электронных приборов

 

Приборы, кабель, линии	Электрическая прочность
Прочность изоляции относи­тельно земли, кор­пуса	Сильноточные	5-8 кВ
Слаботочные	1-3 кВ
Поперечные напряжения между входными выводами электронных при­боров и интегральных схем	Схемы с дискретными элементами (резисторами, конденсаторами и т.д.)	0,5-5 кВ
Интегральные схемы, биполярная техника (ТТL), операционные усилители	50-100 В
Интегральные схемы, МОП устройства	70-100 В
Кабели связи		5-8 кВ
Сигнальные и изме­рительные кабели, линии электроснаб­жения		до 20кВ
Сильноточные ка­бели		до 30кВ

 

В табл. 6.2 показаны границы помехоустойчивости элементов средств автоматизации при воздействии магнитного поля с частотой 50 Гц.

Таблица 6.2

Помехоустойчивость некоторых устройств автоматики и вычислительной техники при воздействии магнитного поля частотой 50 Гц

 

Устройство	Граничное значение, А/м	Превышение граничного значения приводит:
Мониторы	2 – 20	К неприемлемым искажениям и непра­вильной цветопередаче
Персональные компьютеры	500 – 600	К нарушениям функционирования
Коммутационные цепи	до 2000	К нарушениям функционирования
Магнитные запоминающие устройства	до 2000	К необратимым изменениям информа­ции

В табл. 6.3 привены значения напряжений статического электри-чества, приводящих к повреждению полупроводниковых элементов

Таблица 6.3

Значения допустимых напряжений статического электричества, приводящих к повреждению полупроводниковых элементов

6.2. Помехоустойчивость устройств автоматизации Электронные средства автоматизации, такие, как измери­тельные и регулирующие… Каждая из этих помех может вызвать нарушение функционирования. Поэтому принципиально невозможно выразить…

Виды испытательных помех при испытаниях на внешнюю помехоустойчивость

  Пере­ходные помехи, действующие на определенные участки прибора, могут иметь… Необходимо иметь в виду, что SFi часто являет­ся случайной величиной в основном по двум причинам, влияющим на…

Рекомендации по обеспечению помехоустойчивости приборов в зависимости от вида помех и мест установки приборов

Окончание табл. 6.5   Виды воздействующих (испытательных) помех Место… Примечание. В таблице использованы следующие обозначения:

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П. Кужекин; Под ред. Б.К. Максимова. – М.:… 2. Шваб Адольф. Электромагнитная совместимость: Пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А.… 3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества…

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение. 3

1. Общие вопросы электромагнитной совместимости. Основные по-нятия и определения.................................................................................................. 5

1.1. Понятие электромагнитной совместимости............................................. 5

1.2. Электромагнитные влияния, помехоустойчивость, помехоподавление. 7

1.3. Уровни электромагнитных помех. 18

1.4. ЭМС – номограмма. 23

1.5. Учет пути передачи помех или связи между источником и приемни-ком помех 28

1.6. Экономические аспекты электромагнитной совместимости. 28

1.7. Европейский рынок средств электромагнитной совместимости. 30

1.8. Цели и основное содержание работ в области электромагнитной совместимости 31

2. Нормирование электромагнитных полей. 32

2.1. Нормы и рекомендации по электромагнитной совместимости. 32

2.2. Санитарно-гигиеническое нормирование электромагнитных полей. 35

2.3. Допустимые уровни и степени радиопомех. 45

2.4. Классификация электромагнитной обстановки окружающей среды электротехнических и энергетических установок. 50

2.5. Нормы и степени жесткости основных видов испытаний на помехо-устойчивость устройств электростанций и подстанций. 55

2.6. Нормирование кондуктивных помех в виде показателей качества электрической энергии. 62

3. Источники и влияние электромагнитных полей. 70

3.1. Виды источников электромагнитных полей. 70

3.2. Общая классификация источников электромагнитных полей. 72

3.3. Источники и влияние узкополосных электромагнитных полей. 75

3.4. Источники и влияние широкополосных электромагнитных полей. 78

4. Источники электромагнитных помех в электроэнергетике. 84

4.1. Классификация источников электромагнитных помех в энергети-ческих установках и средствах автоматизации. 84

4.2. Грозовой разряд как внешний источник электромагнитных помех. 86

4.3. Внутренние источники электромагнитных помех. 90

4.4. Электротехнические электромагнитные помехи. 91

4.5. Электромагнитные помехи в системах автоматики, в линиях связи и передачи данных. 96

5. Биологическое влияние электромагнитного поля на человека
и окружающую среду. 97

5.1. Общие положения. 97

5.2. Биологическое влияние электромагнитного поля линий электропе-редачи 101

5.3. Биологическое влияние источников электромагнитных полей в жи-лых помещениях. 106

5.4. Источники и характеристики электромагнитных полей на рабочем месте с компьютером и их воздействие на человека. 114

5.5. Биологическое воздействие сотовой радиотелефонной связи. 129

6. Помехоустойчивость чувствительных элементов в устройствах электроэнергетики. 134

6.1. Общие положения. 134

6.2. Помехоустойчивость устройств автоматизации. 136

6.3. Требования к помехоустойчивости. 140

7. Мероприятия по защите от влияния электромагнитных полей
и обеспечение электромагнитной совместимости. 143

7.1. Мероприятия по защите от влияния электромагнитных полей линий электропередачи. 143

7.2. Основные мероприятия по обеспечению электромагнитной совмес-тимости в энергетических установках и устройствах автоматизации. 152

7.3. Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости в системах электропитания. 153

7.5. Повышение электромагнитной совместимости устройств автомати-зации с помощью заземляющих устройств. 160

7.6. Мероприятия по снижению влияния разрядов статического электри-чества 162

7.7. Мероприятия по снижению влияния электромагнитного излучения. 163

7.8. Организационные мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости. 164

Библиографический список......................................................................... 166

 

САЛТЫКОВ Валентин Михайлович,

САЛТЫКОВ Александр Валентинович

САЙДОВА Надежда Валерьевна

Учебное издание

Электромагнитная совместимость

В электроэнергетике

    Редактор В.Ф. Елисеева