CC BY
272
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
УДК 621.311
К.П.Кадомская, С.А.Кандаков, Ю.А.Лавров, И.М.Степанов, С.С.Шевченко ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С БИОСФЕРОЙ
Аннотация
Приведены результаты исследований влияния электромагнитных полей каналов передачи электроэнергии различного конструктивного исполнения на биосферу. Сформулированы рекомендации для специалистов проектных организаций и эксплуатирующего персонала по снижению антропогенного влияния электрических и магнитных полей на биосферу.
Ключевые слова:
электромагнитная совместимость, воздушные и кабельные линии электропередачи, электромагнитное поле, напряженность магнитного и электрического полей, ихтиофауна, биосфера.
K.P.Kadomskaya, S.A.Kandakov, Yu.A.Lavrov, I.M.Stepanov, S.S.Shevchenko
POWER TRANSMISSION CHANNELS ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY WITH BIOSPHERE
Abstract
The papers states the results of investigations how electromagnetic fields in power transmission channels of different configurations influence on biosphere. The ways to reduce man-made electric and magnetic fields influence on biosphere are recommended for engineers and operating staff.
Keywords:
electromagnetic compatibility, air and cable power transmission lines, electromagnetic field, magnetic and electric field intensity, ichthyofauna, biosphere.
Введение. В течение ряда последних лет в Новосибирском государственном техническом университете ведутся исследования по влиянию электромагнитных полей, инициируемых воздушными и кабельными линиями (ВЛ и КЛ) электропередачи высокого напряжения (ВН), на биосферу. При этом рассматриваются вопросы влияния этих полей как на ихтиофауну пересекаемых водоемов, так и на жизнедеятельность человека, проводящего длительное время в области влияния этих полей, в том числе и при осмотре и ремонте ВЛ и КЛ. Некоторые из этих вопросов отражены в ряде публикаций авторов настоящей статьи, в том числе в монографиях [1; 2]. В настоящей статье обобщаются основные результаты этих исследований.
Влияние электромагнитного поля на ихтиофауну. На интенсивность электромагнитного поля в водной среде по трассе подводной кабельной линии влияет целый ряд факторов. К основным из них можно отнести:
• плотность продольного тока в водной среде;
• конструкцию кабелей;
• способ прокладки КЛ - бестраншейный, в траншее, вырытой в дне водоёма, в металлической (пластмассовой) трубе, проложенной по дну водоёма.
Высокая электропроводность воды, различия в диэлектрических свойствах многих водных объектов и, наконец, способность рыб генерировать биоэлектрические токовые поля послужили предпосылкой появления у рыб высокой электрической чувствительности. Многие виды рыб оказались единственными особями, обладающими способностью воспринимать и анализировать окружающий мир с помощью электрических токовых полей. По степени развития электрического чувства рыб можно разбить на 2 группы: на имеющих и на не имеющих морфологически выраженные рецепторы. Однако, по сравнению с другими позвоночными особями, все рыбы обладают высокой электрочувствительностью.
Опасным воздействием на ихтиофауну следует считать не только гибель ее представителей, но и разрушение сложившихся внутри- и межвидовых взаимоотношений. Особенно опасным может оказаться нарушение нерестового цикла. Например, рыбы семейства осетровых способны метать икру только в том месте, где они родились. Достаточно один раз не "пустить" рыбу в нерестовый водоём, чтобы он перестал быть нерестовым. Подобный эффект был обнаружен, например, на Волге после сооружения плотин Волжских ГЭС и воздушных переходов ВЛ 500 кВ через Волгу [3]. Этот "барьер" антропогенного происхождения на время приостановил миграцию волжского осетра.
Рыбы гораздо легче переносят импульсные, или кратковременные, воздействия электрического поля, чем длительно экспонированное поле частотой 50 Гц. Необходимо также учитывать дозы электрических воздействий, вызывающих гибель эмбрионов. В поле переменного тока не наблюдается анодной реакции, но существенно более ярко выражена реакция возбуждения. После снятия электрического воздействия в виде поля постоянного тока рыба "приходит в себя" в течение нескольких секунд, при аналогичном снятии поля промышленной частоты - в течение нескольких минут. Следует отметить, что в электрическом поле (ЭП) промышленной частоты рыбы, находящиеся в стадии возбуждения (или оборонительной реакции), не травмируются, однако при увеличении напряженности ЭП их дальнейшая судьба зависит от времени пребывания в зоне действия электромагнитного поля (ЭМП).
Характерные зоны влияния на ихтиофауну неоднородного ЭП переменного тока приведены на рис.1. Если градиент плотности тока в зоне градиентной ориентации рыбы (область гі...г2) превышает определенное значение, то возникает реакция отпугивания и рыба движется в область более слабого электромагнитного поля. Если же градиент плотности тока невелик, то рыба продолжает двигаться к источнику поля и попадает в зону иммобилизации (между источником и границей г2), в которой наступает гибель особи в результате электрошока (электронаркоза), сопровождающегося параличом дыхания и мышц.
Пороговые значения характеристик электромагнитного поля для некоторых видов рыб приведены в табл.1, из которой следует, что пороговые значения продольной плотности тока в водной среде лежат в диапазонах: 5возб = 0.01... 0.15 А/м2, 5иммоб = 0.05.0.25 А/м2 и зависят как от вида и размера рыб, так и от таких характеристик водоёма, как проводимость водной среды и ее температура.
При проектировании подводных КЛ и надводных ВЛ следует ориентироваться на условие 5расч < 5возб.
Рис.1. Зоны характерного поведения рыб в неоднородном электромагнитном поле: 1 - зона градиентной ориентации; 2 - зона иммобилизации
Таблица 1
Пороговые значения характеристик электромагнитного поля в водной среде
Вид рыбы Длина рыбы, см уВ*103 1/Ом-м ІВ 0С 5, А/м2
реакция возбуждения реакция иммобилизации
Гольян - - 0.97 1.25
Карп Г-- 30.3 15.16 0.11 0.95.1,26
Плотва 12.6 24.5 15.18 0.12 0.55
Окунь 12 19.5 9.10 0.11 0.41
Форель Г-- 30.3 6 5 0.08.0,11 0.86.0.96
Скорпена 17,1 24.6 16.17 0.13 0.59
Чавыча О 00 2 6 25.1 7 - 0.19.0.25
Щука 32 70.7 - 0.09 0.56
Кета - 6 2 7 0.01.0.04 0.06.0.11
Влияние способов прокладки подводных КЛ на ихтиофауну водоёмов. В настоящее время разрабатываются подводные каналы передачи электроэнергии на основе кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). При прокладке трех фаз СПЭ-кабелей одножильного исполнения (ОИ) непосредственно на дне водоёма целесообразно их укладывать в специально вырытых в дне водоема траншеях, располагая центры фаз в вершинах правильного треугольника (рис.2, г).
Однако в ряде случаев, например при прокладке подводных КЛ в северных реках, зачастую возникают затруднения, связанные с ограниченным временем возможности организации траншейной прокладки. Краткий возможный период подготовки траншей для кабелей нередко совпадает с периодом нереста рыб в этих реках, что приводит к их "отпугиванию" и, соответственно, к потере промыслового водоёма на длительное время. Альтернативой использования кабелей одножильного исполнения для подводной прокладки могут служить кабели трехжильного исполнения (ТИ). На рис.3 приведен эскиз такого кабеля фирмы КЕХА№.
Рис.2. Возможные способы прокладки фаз СПЭ-кабелей на дне водоема
Анализ экологической совместимости СПЭ-кабелей ТИ с ихтиофауной пересекаемого водоема произведен на примере КЛ (рис.3), осуществляющей передачу электроэнергии с береговой части материка озера Байкал на остров Ольхон. Номинальное напряжение кабеля - 35 кВ; сечение медной уплотненной жилы - 70 мм2; сечение медного экрана - 25 мм2; наибольший рабочий ток - 245 А. Основные расчетные геометрические размеры кабеля: радиус жилы - 4.95 мм; внутренний радиус экрана - 14.55 мм; внешний радиус экрана - 14.82 мм; внутренний радиус брони - 39.75 мм; внешний радиус брони - 43.72 мм; внешний радиус полиэтиленовой оболочки - 47.72 мм. На рис.4 приведены распределения продольной плотности тока в направлении, перпендикулярном оси кабельной системы, для двух способов прокладки кабелей одножильного исполнения (рис.2, а и б) и для случая прокладки кабеля трехфазного исполнения (рис.3).
Рис. 3. Конструкция подводного кабеля трехжильного исполнения фирмы ЫЕХА^Б:
1 - многопроволочная медная жила; 2 - полупроводящий слой по жиле; 3 - изоляция из сшитого полиэтилена; 4 - полупроводящий слой по изоляции; 5 - экран из медной проволоки и медной ленты;
7 - водонабухающий блокирующий слой; 8 - полиэтиленовая оболочка;
9 - три фазных изолированных провода с пропиленовыми лентами;
10 - оплетка, выполненная из пластиковых лент; 11 - подушка брони из
полипропиленовых жгутов; 12 - броня из стальных проволок;
13 - защитная оболочка
Рис.4. Распределения плотности продольного тока в водной среде при различных конструкциях кабелей и способах их прокладки
Расчеты производились численным методом, при этом учитывались токи, протекающие по всем металлическим элементам кабельных систем. Методика численных расчетов изложена в [4]. В случае трехжильной конструкции подводного кабеля (рис.3) наблюдается почти полная компенсация магнитных полей, инициируемых токами во всех металлических элементах этой конструкции (в жилах и металлических оболочках отдельных фаз и в общей металлической оболочке конструкции).
Следует, однако, отметить, что при прокладке кабелей однофазной конструкции целесообразно для повышения надежности питания энергообъектов прокладывать дополнительно и резервную фазу. Прокладка резервного кабеля трехфазной конструкции зачастую оказывается экономически неоправданной. Поэтому вопрос о конструкции подводного кабеля и способе его прокладки должен решаться индивидуально при учете типа водоёма (река, озеро, море), особенностей его ихтиофауны и промысловых характеристик, возможности прокладки в траншее, вырытой в дне водоёма.
Влияние воздушных линий электропередачи на ихтиофауну пересекаемых водоёмов. Плотность продольного тока в водоёме, пересекаемом ВЛ, может быть определена на основе численного решения уравнений Максвелла, записанных для проводящей среды :
гоЖ = 5, ^5 = Ча/иуН, Е = 5 / уср, (1)
где Н - вектор напряженности магнитного поля; Е - вектор напряженности продольного электрического поля; 5 - вектор плотности продольного тока; и и уср - магнитная проницаемость и активная проводимость водной среды.
Аналитическая методика решения уравнений (1) может быть построена на основе модели Карсона [5]. Эта модель справедлива при следующих допущениях:
• глубина водоема принимается бесконечной, так как проникновение поля в водную среду, как правило, существенно меньше глубины водоема;
• не учитываются поперечные токи проводимости и смещения в водной среде, так как последние существенно меньше продольных токов проводимости;
• плотность продольного тока определяется на поверхности водоема, так как из-за небольшого градиента уменьшения интенсивности продольного поля в направлении, перпендикулярном зеркалу водоема, поле на глубине миграции рыб несущественно отличается от поля на его поверхности.
Поле в воздухе в системе провод - водная среда (рис.5), согласно принципу наложения, может быть найдено как :
Е(0) = Ет
(0)
(0)
(2)
(0)
где Е Ср1и; и Е ПР - напряженности электрического поля в воздухе от токов, протекающих в водной среде и проводе, соответственно.
(0)
0\
к у
пр
Ур У
Рис. 5. К определению плотности продольного тока на поверхности водоема
Напряженности в воздушной среде, инициируемые током в проводе, содержат две составляющие - продольную по оси х (вдоль трассы ВЛ) и поперечную по оси г (перпендикулярно к поверхности водоема):
1 ё1 д
Е1пр = К' / 4®Є0 ) 1Н0 (т0Г) , Е1р =
0
гпр
4®є0 ёх дг
(3)
где т0 = 2а280и0, Н0 - функция Ханкеля (Бесселя) нулевого порядка.
Продольные составляющие поля в среде и в воздухе, инициируемые током в среде, находятся из уравнения:
ё
2 Л
ёу ёг2
(4)
Для проводящей среды к1р = -]ю^.уср, для воздушной - к2 = а>2/и080,
уср - удельная проводимость водной среды.
Для определения продольной составляющей поля уравнения (3) и (4) должны быть дополнены граничными условиями в месте сопряжения двух сред - воздушной и водной:
Е0 = Ес: /г = 0 , №у = Ис/ /г = 0. (5)
Составляющие магнитного поля можно выразить через составляющие электрического поля. Тогда второе условие (5) перепишется в виде:
¿Е(0) ЛЕ(0) ЛЕ (ср)
=о^/г = о. (6)
Лг Лс Лг
При принятом допущении о пренебрежении поперечными полями и
“ Е (0)
токами в водной среде поле Егпп - потенциальное и определяется зарядами на поверхности земли. Поскольку Е°0 = 0, то
Е1р = Е1р / г=0 и Ег = 2Е1р / г=0 . (7)
Решая систему уравнений (3) и (4) при приведенных граничных условиях, получим в точке Р (рис.5) на поверхности водоема плотность продольного тока, инициируемого током I, текущим в фазном проводе ВЛ:
е ( ) ]®М0Уср т ^) .„ч
(у) =----г—-1 •Е (у^ (8)
2ж
ОТ 1
где ^ (у) =2 [-===—]—= ехр(^У2 _ к02 • К) • С08(у(у _ у ))4V (9)
Ц V2 _ к2 +^2 _ кСр
- интеграл Карсона.
При Гкср <0 .25.0.35 интеграл (9) для к-го провода может быть представлен в виде:
ж 42 -• кср Пк _ 1 -----
2 3
г • к /2"
^ (у) - _0.0772 _ 1п+ ^ • ксрПк _ 1 ■
-• к ср Пк
4 3 ср к
(10)
Плотность продольного тока в водной среде под системой из «-проводов в нормальном эксплуатационном режиме определится как:
X ( ) 1®>^0уср т^| 1фк ^ ( ) (11Л
(у) =------ -----е Ек (y), (11)
2ж к=1
где I - эффективное значение тока в проводах ВЛ, фк - фаза напряжения на к-м проводе.
При горизонтальной подвеске трех фаз (П \=П 2=П3=П) и расстоянии между соседними фазами й выражение (11) может быть упрощено:
Ы2^3- + 0.751п2 г3 , (12)
Г1
' лМ2 + (у ~1)2 1 л/^2 + (у +1)2 п 1 /^ ' /а
где г = ——, —, г3 = -—, —, 1 = п / а , у = у / а .
1 ТТ^У7 л/г^у7
Из выражения (12) видно, что коэффициент Зс (У) • 2^
да = ■
1п2£ + 0.751п2 г3 (13)
^оГСр 1
зависит лишь от геометрических габаритов опоры и от расстояния до точки наблюдения поля у и не зависит от «фазировки» напряжений на проводах ВЛ. Зависимость максимума коэффициента т в диапазоне 1/0>1 может быть аппроксимирована в следующем простейшем виде:
0.75
^тах * — • (14)
п / а
Из выражения (12) следует достаточно очевидное обстоятельство, что плотность тока в водной среде под ВЛ при заданных габаритах ВЛ прямо пропорциональна току в фазах ВЛ и удельной проводимости водоема, т.е. в соленых водоемах плотность продольного тока выше, чем в пресных. Поэтому при расчетах поля в водоемах, в которых удельная проводимость воды не является постоянной (например, в устьях рек, впадающих в соленые моря), в качестве расчетной следует принимать наибольшую удельную проводимость водоема или проводимость, отвечающую периоду нереста рыб в рассматриваемом устье реки.
Плотность продольного тока в водной среде, пересекаемой двухцепными ВЛ, зависит не только от приведенных выше факторов, но и от "фазировки" проводов на опорах. На рис.6 приведены распределения плотности продольного тока в направлении, перпендикулярном трассе ВЛ напряжением 500 кВ при различной "фазировке" проводов. Высоты подвеса проводов - 36, 25 и 14 м, расстояния проводов цепей от оси опоры - 6.8, 11.1 и 6.8 м соответственно.
Рис. 6. Влияние фазировки проводов цепей на интенсивность магнитного поля в водной среде:
1 - АВС-авс, 2 - ВАС-сва, 3 - САВ-вса
Из приведенного рисунка следует, что рациональная "фазировка" проводов двухцепных ВЛ приводит к уменьшению плотности продольного тока в водной среде в 2-3 раза.
Плотность продольного тока в водоеме при любой конфигурации ВЛ, пересекающей водоем, и любой "фазировке" проводов ВЛ может быть определена с помощью любого численного метода решения приведенных выше уравнений в частных производных, в частности, при использовании метода конечных элементов.
Приведенная выше методика так же, как и другие аналитические методики, опирается на те или иные допущения. Сама природа численных расчетов также не свободна от погрешностей, обусловленных заменой непрерывной среды на конечные элементы. Поэтому проведение натурных экспериментов позволяет оценить правомочность тех или иных допущений, заложенных в основу как аналитических, так и численных методов расчета. Очевидно, что результаты натурных экспериментов также не свободны от погрешностей, связанных с неминуемой погрешностью измерений. Поэтому ожидать полного согласия расчетных и экспериментальных данных было бы неправильно. Следует ориентироваться на достаточную близость результатов экспериментов с результатами, полученными по тем расчетным методикам, которые обладают меньшими погрешностями. Ибо конечной целью расчетов электромагнитных полей по трассам ВЛ ВН является проектирование таких конструкций ВЛ, которые бы обладали наименьшим антропогенным влиянием на биосферу и, в частности, на ихтиофауну пересекаемых водоемов по их трассе.
Летом 2002 г. сотрудниками ГОУ ВПО "НГТУ" при участии одного из авторов настоящей статьи был проведен ряд экспериментов по измерению характеристик электромагнитного поля в водоеме. Измерения проводились как в продольном, так и в поперечном направлении по отношению к трассе ВЛ. Измерения вдоль трассы ВЛ проводились на некотором расстоянии от линии, в местах максимальных значений плотности тока. Измерялось также удельное сопротивление водоёма. Высота подвеса проводов определялась лазерным дальномером. Измерения характеристик электромагнитного поля были проведены в акватории реки Чулым Алтайского края, пересекаемой одноцепной ВЛ 500 кВ с горизонтальным расположением фазных проводов и двухцепной ВЛ 220 кВ с вертикальным расположением фаз .
Расстояние между крайними проводами ВЛ 220 и 500 кВ составляло 200 м, что позволяет не учитывать взаимного влияния этих ВЛ друг на друга. Высота подвеса проводов ВЛ над зеркалом водоема составляла примерно 15 м, глубина реки в месте её пересечения ВЛ - около 1 м. В средней части реки находился небольшой остров. Эскиз объекта исследования в плане приведен на рис.7.
Измерения напряженности магнитного поля в поперечном направлении относительно трасс ВЛ проводились на расстоянии 20 м от правого берега для трех случаев: 1 - на воздухе на расстоянии 1 м от зеркала водоема; 2 - на поверхности раздела сред воздух - вода; 3 - на глубине 1 м (следует отметить, что это условие не всегда выполнялось, так как глубина водоема местами была менее метра). На рис.8 приведены зависимости расчетной плотности продольного тока от координаты у (в направлении, перпендикулярном трассе ВЛ 500 кВ). Из-за погрешностей при экспериментальном определении высоты подвеса проводов, сопротивления водной среды и плотности тока расчетные
кривые даны в возможных диапазонах этих параметров. На этом же рисунке крестиками нанесены экспериментальные точки. При проведении расчетов эффективное значение тока в ВЛ 500 кВ составляло 280 А, провода расщеплены на три составляющих (3хАС 400/51).
Рис. 7. Эскиз объекта натурного эксперимента
Рис. 8. Плотность тока в водной среде под ВЛ 500 кВ; 1 и 2 - верхняя и нижняя границы возможных расчетных значений; 3 - экспериментально полученные значения
Приемлемое согласие результатов эксперимента с результатами расчетов позволяет оценить экологическую совместимость ВЛ 500 кВ с ихтиофауной пересекаемых водоемов. При проведении эксперимента передача была не нагружена: активная мощность, передаваемая по ВЛ, не превышала 190-220 МВт. Следовательно, и интенсивность электромагнитного поля оказалась небольшой. Поэтому с помощью численного метода было рассчитано поле при более "жестких" условиях: эффективное значение тока в ВЛ было принято равным 800 А, проводимость водной среды - 1.0 1/Ом м, высота подвеса проводов над
водоемом - 10 м. Результаты расчета приведены на рис.9. На этом же рисунке нанесены значения продольной плотности тока, отвечающие диапазону пороговых значений реакции возбуждения достаточно широкого класса рыб. Как видно из рисунка, значения плотности продольного тока могут достигать величин, опасных для ихтиофауны водоемов. В связи с этим при пересечении водоемов ВЛ напряжением 500 кВ и выше, в которых обитают, нерестятся или мигрируют представители ихтиофауны, необходимо принимать меры по снижению интенсивности электромагнитного поля. Так, например, простейшей мерой снижения интенсивности поля в водоеме может служить выбор места его пересечения, характеризуемого наиболее высокими берегами.
Для локального снижения электромагнитного поля под ВЛ можно предложить локальное уменьшение междуфазного расстояния путем установки жестких изолирующих распорок в середине пролета (рис.10), где наблюдается максимальный провис проводов, и, следовательно, максимальные напряженности электрического и магнитного полей. Длины распорок для ВЛ 500 кВ в зависимости от трассы её прохождения могут быть приняты равными от 4 до 6 м (4 м отвечает условию неперекрытия воздушного промежутка при грозовых поражениях ВЛ, 6 м - соответствует практике сооружения компактных ВЛ 500 кВ).
Рис.9. Распределение плотности продольного тока в водной среде под ВЛ 500 кВ при передаче мощности, близкой к натуральной, уср =1/Ом-м;
1 - результаты численного расчета; 2 - порог реакции возбуждения некоторых видов рыб
В рассмотренной выше ВЛ 500 кВ применение таких распорок позволило уменьшить плотность продольного тока в водной среде на 40.60%.
Снижение интенсивности электромагнитного поля в водоемах, пересекаемых ВЛ ВН, можно осуществить с помощью прокладки дополнительных проводников в месте пересечения водоема ВЛ, параллельно её трассе. Проводники можно располагать как в водной, так и в воздушной средах в сечениях, отвечающих максимуму плотности продольного тока. Окончательный выбор трассировки
дополнительных проводников следует осуществлять с учетом местных условий (судоходства, высоты ВЛ, глубины водоема и т.д.).
Для эксплуатируемых ВЛ, пересекающих водоем, можно также рекомендовать снижать нагрузку ВЛ в ответственные периоды жизнедеятельности рыб: при их нерестах или миграции.
Рис.10. Эскиз установки изолирующих распорок в середине пролета ВЛ
Влияние магнитных полей, инициируемых ВЛ и другим электрооборудованием ВН, на человека. Потенциальная опасность здоровью населения, проживающего вблизи электроустановок высокого напряжения и эксплуатационного персонала, находящегося в непосредственной близости от них, является темой, периодически обсуждаемой в средствах массовой информации. Как в России, так и за рубежом проводилось достаточно большое количество исследований по влиянию магнитных полей промышленной частоты на повышение риска онкологических заболеваний у эксплуатационного персонала или у населения, находящегося в течение достаточно продолжительного времени вблизи от ВЛ ВН или от распределительных устройств высокого напряжения (РУ ВН). Эти исследования продолжаются и до настоящего времени. Единого мнения о предельных значениях напряженности магнитного поля или токов, индуктированных в теле человека вследствие воздействия электромагнитного поля, не существует. Более того, приводимые в документах разных стран значения пороговых напряженностей существенно различаются между собой.
В работе [5] изложены результаты различных медико-биологических исследований. Согласно исследованиям, проведенным в лаборатории Л. Берклея, уже при воздействии магнитного поля напряженностью порядка 1 А/м здоровье человека подвергается риску. В одном из последних исследований, проведенных авторами [6], отмечается, что максимальное значение напряженности магнитного поля, которое не оказывает сколь-нибудь опасного влияния на организм человека, составляет 5 А/м.
Согласно действующим в Европе нормативам и принятым в России в 2003 г. «Санитарным правилам и нормативам» [7], максимальное значение напряженности магнитного поля при воздействии в течение рабочего дня
составляет 80 А/м. Также согласно источнику [7], максимальное значение напряженности электрического поля при воздействии в течение рабочего дня составляет 5 кВ/м, при неограниченном времени воздействия - 1 кВ/м. Причем, в отличие от магнитного поля, механизм воздействия электрического поля на организм человека изучен более полно и нормативы являются вполне обоснованными. В связи с этим в предыдущие годы при проектировании и эксплуатации электроустановок высокого напряжения, в частности ВЛ ВН, основное внимание уделялось анализу электрического поля. Значение напряженности магнитного поля при этом считалось существенно меньшим нормируемого и при проектировании не учитывалось.
Кроме того, о том, что нормативы по напряженности магнитного поля слишком завышены говорит и тенденция к постепенному снижению допустимых напряженностей магнитного поля. Так, до 2003 г., воздействие магнитного поля промышленной частоты регулировалось СанПиН предыдущего издания, согласно которому допускалось общее воздействие магнитного поля частотой 50 Гц напряженностью 3200 А/м в течение рабочего дня. В настоящий же момент этот норматив снижен до 80 А/м. Кроме того, согласно документу [7], допустимые нормативы по воздействию вредных факторов вне промышленной зоны, должны быть снижены до 10% от нормы внутри этой зоны. В качестве одного из наиболее вероятных механизмов воздействия магнитного поля промышленной частоты на организм человека в настоящее время признаются индуктированные (вихревые) токи в теле человека, значение плотности которых зависит от следующих параметров: частоты магнитного поля, проводимости его органов и тканей, направления вектора магнитной индукции. Существенно также на какой из органов тела человека преимущественно воздействует магнитное поле. Поэтому при анализе влияния магнитного поля на человека (в том числе и при ремонте ВЛ под напряжением) на кафедре "Техника и электрофизика высоких напряжений" ГОУ ВПО "НГТУ" была разработана более полная модель тела человека, учитывающая различные проводимости его основных органов: сердца, мозга, печени и почек.
Рассматривалось также влияние на индуктированные токи в теле человека направления вектора индукции магнитного поля по отношению к расположению человека относительно токоведущих частей электроустановки. Решение поставленной задачи, т.е решение уравнений, позволяющих определить индуктированные токи в теле человека при воздействии магнитного поля, производилось при помощи численного векторного метода конечных элементов (ВМКЭ). При этом средний рост человека принимался равным 180 см. Геометрические размеры тела человека и принятые в разработанной методике координаты показаны на рис.11, а.
Как видно из рис.11, модель тела человека составлена из отдельных эллипсоидов и цилиндров. Причем полуоси всех частей тела кроме туловища в координатах X и У одинаковы: голова - 8 см, шея -5 см, верхняя часть руки -
4.5 см, нижняя часть руки - 3 см, верхняя часть ноги - 6 см, нижняя часть ноги -
3.5 см. Размеры полуосей туловища: 17.5 см вдоль оси X и 12.5 см вдоль оси У. При выбранных пропорциях различных частей тела человека было разработано две модели. В первой модели тело человека моделировалось лишь средней проводимостью, которая составляет 0.04 См/м. Эта проводимость близка к проводимости соленой воды. Так как тело человека на 80% состоит из воды, то
моделирование тела в качестве проводящей среды с такой проводимостью достаточно справедливо. С помощью этой модели рассмотрено влияние направления воздействующего вектора магнитной индукции на величины индуктированных токов в теле человека. Вторая модель тела человека была более подробной (рис.11, б), так как кроме средней проводимости тканей человека в ней учтены также проводимости его отдельных органов.
Средние проводимости отдельных органов человека, См/м мозг, сердце - 0.7 печень, почки -0.1.
Рис.11. Геометрические размеры тела человека и направления осей координат (а), расчетное расположение его внутренних органов (б)
Расчет индуктированных токов производился при помощи численного решения двух фундаментальных уравнений Максвелла: rot H = J - закон
- дВ
полного тока, rot E =-------- уравнение электромагнитной индукции.
dt
В качестве границы расчетной области выбрана сфера диаметром 4 м, который более чем в два раза превышает максимальные размеры тела человека.
Это непрерывное пространство разбивалось на конечное число тетраэдров. Причем наименьший размер тетраэдра задавался внутри модели тела человека. Пример сетки разбиения всего расчетного пространства на конечные элементы показан на рис.12. Графики распределения плотности индуктированного тока по высоте человека при трех направлениях вектора магнитной индукции воздействия показаны на рис.13. Как видно из этого рисунка, при различных углах воздействия вектора напряженности магнитного поля, плотность тока, индуктированного в различных частях тела человека, также различна, причем её максимум наблюдается при вертикальном воздействии этого вектора по отношению к телу человека.
Рис.12. Примерная сетка разбиения расчетного пространства
При анализе второй модели тела человека, т.е. с учетом различных проводимостей его внутренних органов (рис.11, б), самым тяжелым вариантом воздействия является, как и для первой модели, вертикальное направление вектора магнитной индукции. Максимальные значения рассчитанных плотностей индуктированных токов в различных органах человека в этой модели приведены в табл.2.
Рис.13. Распределение максимальной плотности тока, индуктированного в теле человека, при различных направлениях воздействия вектора магнитной индукции
Таблица 2
Максимальные значения плотностей индуктированных токов в органах человека при воздействии поля с магнитной индукцией 100 мкТл
Орган Мозг Сердце Печень Почки
Максимальная плотность тока, мкА/м2 605 720 131 130
Из табл.2 следует, что наибольшие плотности индуктированных токов наблюдаются в наиболее жизненно важных органах человека - его сердце и мозге.
Наиболее опасному воздействию электромагнитного поля подвергается персонал, проводящий ремонты на линиях электропередачи без снятия напряжения. Во время таких ремонтов человек находится в непосредственной близости от токоведущих проводов. Никаких ограничений на режим работы ВЛ, например, на ограничение нагрузки с целью уменьшения рабочих токов во время ремонта линии, как правило, не применяется. Следовательно, человек, проводящий ремонт под напряжением, подвержен воздействию электрических и электромагнитных полей, инициируемых ВЛ при нормальном режиме её эксплуатации.
Для защиты персонала от воздействия электрических полей применяются специальные экранирующие костюмы. Внутрь костюмов может быть либо вшита металлическая сетка, либо сам костюм выполнен из высокопроводящей ткани. При принятии этих мер, значение напряженностей электрических полей, воздействующих на человека, не превышает нормируемых значений. В качестве одного из способов уменьшения опасности от воздействия магнитного поля при ремонте ВЛ ВН без снятия напряжения может быть
предложена такая мера, как расположение человека относительно токоведущих проводов таким образом, чтобы плотности индуктированных в его теле токов были бы минимальны. Расчеты для ВЛ 500 кВ с горизонтальным расположением фаз при ремонте средней фазы показали, что в случае расположения человека перпендикулярно проводу максимальная плотность индуктированного в его теле тока оказывается в 1.8 раза меньше, чем при воздействии магнитного поля с нормированной в настоящее время напряженностью 80 А/м. В случае же расположения человека параллельно проводам максимальная плотность токов в его теле примерно в 1.8 раза больше, чем при воздействии нормированного магнитного поля. При расположении человека внутри расщепленной фазы ВЛ 750 кВ максимальная плотность продольного тока в его теле превышает плотность при нормированном поле 80 А/м примерно в 6 раз. Эти расчеты позволяют при ремонте ВЛ под напряжением рекомендовать использование таких приспособлений, которые позволяли бы человеку находиться перпендикулярно проводам ВЛ в течение максимального времени, и минимизировать по времени работы, при которых человек расположен либо параллельно проводам, либо внутри фаз. Нельзя забывать и о такой радикальной мере, как снижение токовой нагрузки ВЛ при её ремонте под напряжением.
В случаях, если какие-либо производственные помещения располагаются вблизи ЛЭП ВН, для снижения интенсивности электромагнитного поля около или внутри этих помещений могут применяться специальные пассивные и активные экраны, в замкнутых контурах которых под действием внешнего поля возникают токи, частично компенсирующие внешнее электромагнитное поле [8].
Электромагнитные поля вблизи ошиновок и спусков на ОРУ ВН. Типовые решения подстанций различных классов напряжения позволяли совмещать здания закрытых распределительных устройств (ЗРУ) напряжением 6-10 кВ и общеподстанционный пункт управления (ОПУ), в котором находится помещение оперативного персонала. При этом рабочие токи сборных шин ЗРУ зачастую превышают килоамперы, а значение напряженности магнитного поля на рабочих местах в некоторых помещениях превышает нормируемое в настоящее время, по всей видимости завышенное значение (80 А/м). В настоящее время проведение численных расчетов электрических и магнитных полей промышленной частоты позволяет учесть практически все конструктивные особенности распределительных устройств. Типовые решения практически всех ОРУ предусматривают горизонтальное расположение фаз. С точки зрения компенсации электрических и магнитных полей в нормальном эксплуатационном режиме этот случай является наихудшим. Однако такое расположение фазных проводов обусловлено удобством монтажа РУ. Габарит ошиновок до земли также в настоящее время является типовым (табл.3).
Значения рабочих токов ошиновок напряжением 35-220 кВ обычно ограничиваются 2000 А, шинных мостов 6-10 кВ - 5000 А. Максимальные значения напряженности магнитного поля в диэлектрике, каким является воздушная среда, линейно зависят от тока: Нтах = к1 .
Проведенные расчеты электромагнитных полей для типовых ошиновок напряжением 6-220 кВ позволили предложить следующие значения коэффициентов к для типовых ошиновок разных классов напряжения: £=0.010,
0.011, 0.023 и 0.089 для ошиновок 220, 110, 35 и 6-10 кВ соответственно. В отличие от конструкции ошиновок ОРУ, конструкция аппаратных спусков не является унифицированной. Это обусловлено тем, что высота аппаратов, подключаемых к ошиновкам распределительных устройств, различна. Различно и исполнение аппаратов с точки зрения путей замыкания магнитного потока. Магнитные поля, инициируемые токами в спусках, следует рассчитывать в трехмерной постановке задачи при использовании численных методов, например ВМКЭ. Расчеты, произведенные для конкретного ОРУ 220 кВ, показали, что напряженность магнитного поля вблизи спусков к аппаратам существенно превышает напряженность магнитного поля вблизи ошиновки. Это позволяет говорить о том, что при проектировании подстанций необходимо рассчитывать интенсивности электромагнитного поля вблизи эксплуатируемого электрооборудования с целью ограничения времени пребывания обслуживающего персонала в этой зоне.
Таблица 3
Габариты ошиновок типовых подстанций 6-220 кВ
Класс напряжения, кВ 220 110 35 6-10 (шинный мост)
Расстояние до земли, м 13.6 11.5 6.75 3.4
Междуфазное расстояние, м 4 3 1.6 0.7
Заключение. Проведенные исследования позволяют выдвинуть комплекс рекомендательных мер для проектировщиков и персонала, эксплуатирующего ВЛ, КЛ и ОРУ ВН.
1. Рекомендации для проектных организаций:
• при проектировании ВЛ, КЛ и ОРУ ВН необходимо учитывать интенсивности не только электрических, но и магнитных полей в средах, окружающих эти конструкции, и по возможности предлагать конструктивные решения, обеспечивающие сниженную интенсивность электромагнитного поля в окружающей среде. Для решения этой задачи можно применить как аналитические, так и численные методики расчетов интенсивности магнитных полей, инициируемых токами в токоведущих частях электрооборудования. В качестве критерия при анализе влияния ВЛ и КЛ на ихтиофауну пересекаемых водоемов следует принимать допустимую для рыб плотность продольного тока в водной среде, отвечающую реакции их возбуждения. При анализе влияния электромагнитного поля, инициируемого токопроводящими элементами ВЛ и РУ ВН, на человека следует ориентироваться на допустимую плотность индуктированных токов в теле человека;
• при проектировании ВЛ ВН преимущественно использовать конструкции опор и способы подвески проводов, обеспечивающие пониженный уровень электромагнитного поля по их трассам: в одноцепных ВЛ -конструкции опор с расположением фазных проводов треугольником, в двухцепных - применять соответствующую фазировку проводов цепей;
• при проектировании КЛ подводного исполнения в рыбных водоёмах применять либо траншейную прокладку фаз КЛ одножильного исполнения при их расположении треугольником, либо использовать кабели трехжильного исполнения, проложенные в металлической трубе с защитной оболочкой;
• в случае необходимости расположения каких-либо служебных помещений вблизи ВЛ ВН предусматривать вблизи этих зданий сооружение активных или пассивных экранов, уменьшающих интенсивность электромагнитного поля в зоне длительного пребывания эксплуатационного персонала в этих помещениях;
• целесообразно в соответствующую проектную документацию включать раздел, содержащий карту интенсивности электромагнитных полей по трассам ВЛ и КЛ и на ОРУ ВН.
2. Рекомендации эксплуатирующему персоналу:
• при проведении ремонтов линий электропередачи без снятия напряжения необходимо минимизировать время пребывания персонала вблизи токоведущих проводов и, по возможности, располагаться перпендикулярно им. Производить необходимые работы следует при сниженной мощности, передаваемой по ВЛ, ремонтируемой без снятия напряжения;
• необходимо измерять значения напряженностей электрических и магнитных полей на действующих подстанциях для определения мест с наибольшей напряженностью, чтобы минимизировать время пребывания персонала в этих местах.
Литература
1. Электромагнитная совместимость воздушных, подземных и подводных линий электропередач высокого напряжения с биосферой и окружающей средой / К.П.Кадомская, С.А.Кандаков, Ю.А.Лавров, С.С.Шевченко. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 119 с. (Монографии НГТУ).
2. Электрооборудование высокого напряжения нового поколения. Основные характеристики и электромагнитные процессы / К.П.Кадомская, Ю.А.Лавров, О.И.Лаптев. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. 343 с. (Монографии НГТУ).
3. Поддубный А.Г. Экологическая топография популяций рыб в водохранилищах. М.: Наука. 1971. 312 с.
4. Кандаков С.А. Исследование и разработка математических моделей силового электрооборудования, повышающих достоверность анализа его эксплуатационной надежности и электромагнитной совместимости с биосферой: дисс. ... канд. техн. наук: 05.14.12. Новосибирск, НГТУ. 2007. 182 с.
5. Электромагнитная обстановка и оценка ее влияния на человека / А.Ф. Дьяков, И.И.Левченко, О.А.Никитин, О.А.Аношин, И.П.Кужекин, Б.К.Максимов // Электричество. 1997. № 7.
6. Biological effects of power frequency magnetic fields: a holistic approach / R.Rajendra. R.B.Sashidhar, C.Subramaniam; Department of biochemistry, University college of science, Osmania university, India // Proc. of the 14th Intern. symposium of high voltage engeneering, Tsinghua university, Beijing, China. 2005. A-33. Р. 1-6.
7. СанПиН 2.2.4.1191-03. Гл. 3.4: Предельно допустимые уровни
электромагнитного поля частотой 50 Гц. М., 2003.
8. Методы расчета магнитных полей по трассам воздушных линий высокого напряжения при учете петлевых экранов / К.П.Кадомская, И.М.Степанов // Докл. Академии высшей школы России. 2008. № 2 (11). С. 120-127.
Кадомская Кира Пантелеймоновна,
профессор кафедры "Техника и электрофизика высоких напряжений" (ТЭВН) ГОУ ВПО "Новосибирский государственный технический университет"
(ГОУ ВПО "НГТУ"), д.т.н.
Россия, 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, д.20 эл. почта: [email protected]
Кандаков Семен Александрович,
директор Филиала ОАО "НТЦ электроэнергетики" - СибНИИЭ, к.т.н.
Россия, 630126, Новосибирск, ул. Кленовая, 10/1 эл. почта: [email protected]
Лавров Юрий Анатольевич,
заведующий кафедрой ТЭВН НГТУ, к.т.н.
Россия, 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, д.20 эл. почта: [email protected]
Степанов Илья Михайлович,
ассистент кафедры ТЭВН НГТУ, к.т.н.
Россия, 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, д.20 эл. почта: st [email protected]
Шевченко Станислав Сергеевич,
ассистент кафедры ТЭВН НГТУ
Россия, 630092, г.Новосибирск, пр. К.Маркса, д.20
эл. почта: [email protected]
УДК 621.311
А.С.Карпов, Ю.М.Невретдинов, Г.П.Фастий
РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К УСТРОЙСТВАМ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ПРОВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
ОТ ОПАСНЫХ ВЛИЯНИЙ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ В ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СЕТИ* Аннотация
Определено направление совершенствования защиты кабельных коммуникаций с помощью включения токоограничивающих элементов, которые обеспечивают изменение перераспределения напряжения на изоляции по всей трассе кабеля до безопасного уровня. Определены критерии для выбора характеристик токоограничивающих элементов.
Ключевые слова:
электрическое поле, электромагнитная совместимость
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-08-00276).
