CC BY
258
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ВНУТРИ ЗДАНИЯ
И ВБЛИЗИ НЕГО
Соколов С.А.,
профессор, МТУСИ, [email protected]
Ключевые слова:
напряжённость, индукция, электрическое поле, магнитное поле, молния, магнитное поле Земли, источники полей.
АННОТАЦИЯ
Современное пространство, в котором мы живём и действуем, пронизано многочисленными электрическими и магнитными полями разной интенсивности и частоты от различных источников естественного (например, молнии или магнитное поле Земли) и искусственного происхождения (электрические устройства, ядерные взрывы и т.д.). Когда в здании устанавливается оборудование, важно знать, какие внешние электромагнитные воздействия возможны при его работе. В статье рассматриваются наиболее распространённые источники электрических и магнитных полей, их форма или частота и амплитуда в здании и вблизи него. Рассмотрены возможные поля в стационарных условиях и при близком ударе молнии. Кратко рассмотрено также влияние экранированной камеры на величину полей внутри. Приводится список литературы, использованной при составлении данного обзора.
Введение
Иногда бывает важно знать величину и частоту электрических и магнитных полей, возможных в здании, где устанавливается то или иное оборудование, или вблизи него. Источниками полей могут быть как естественные, так и искусственные источники, например, грозовые разряды, взрывы, всевозможные электротехнические аппараты и т.п. Величина поля может зависеть от мощности источника, его конструкции или объёма, расположения, расстояния до него, наличия экранирования, условий заземления и т.д. Наиболее мощные поля возникают при ударах молнии и высотных ядерных взрывах, поля от которых могут ощущаться на расстоянии в сотни километров.
1. Электрические поля
Если исключить ситуации военных действий, то наиболее мощным источником электрических полей в обы-
денной жизни являются грозовые разряды. К сожалению, как в результатах измерений электромагнитных полей молниевых разрядов, так и в теоретических расчётах существует очень большой разброс в величинах оценки полей. Даже в условиях хорошей погоды при отсутствии всякой грозы в атмосфере существует так называемое «поле ясной погоды» между ионизованным слоем в верхней части атмосферы и землёй. Это поле оценивается величиной порядка 25 В/м на высоте 0.05 - 3 км над поверхностью земли, а в некоторых точках может достигать 130 В/м. Обычно это поле не ощущается, но играет важную роль в возникновении гроз. Напряжённость поля в облаке при возникновении грозового разряда может составлять несколько сот кВ/м (500-750), а у поверхности земли во время грозового разряда 250-300 кВ/м. Если говорить о частоте, то это наиболее выясненная часть характеристики молний. При прямом ударе молнии частотный
TECHNOLOGIES
спектр главного разряда, который представляет собой биэкспоненциальный импульс с фронтом порядка 3 мкс и длительностью полуспада порядка 50 мкс, лежит главным образом в диапазоне 10-20 кГц. На низкочастотные составляющие могут быть наложены высокочастотные компоненты до нескольких МГц значительно меньшей амплитуды. В то же время при межоблачных и особенно при внутриоблачных разрядах наблюдаются частоты до 300 МГц (по данным Ракова [1]) с амплитудой поля порядка 10 В/м на расстоянии в 100 км от разряда и 1,5 - 2 кВ/м вблизи. Электрические характеристики атмосферы и величина электрического поля сильно изменяются во время грозового разряда вблизи облака, у поверхности земли и на значительном расстоянии от места разряда и зависят от длины канала, разветвлённости удара, амплитуды тока. Для величин напряжённости электрического поля при ударе молнии со средней амплитудой тока в 30 кА (вероятность которой равна примерно 50%) авторы [2] дают значения, приведённые в таблице 1.
В то же время [3] при амплитуде тока 10 кА (вероятность превышения такой амплитуды составляет примерно 87 %) даёт величину вертикальной составляющей электрического поля в 5 кВ/м вблизи точки разряда и 0.5 кВ/м на расстоянии 400 м от него, а для горизонтальной составляющей соответственно 3.5кВ/м и 100 В/м. Магнитное поле соответственно равно 10 А/м и 3 А/м. Если разряд ветвистый, то величина поля на расстоянии возрастает. Как видим различие большое, особенно для магнитного поля.
Л. [4] даёт ещё большие величины (при токе 100 кА): от нескольких сотен вольт до десятков киловольт на метр на расстоянии в 10 км от точки удара. Даже на расстоянии в 100 км от грозового разряда электрическое поле может составлять величину порядка 500 В/м. Индукция тангенциального магнитного поля при этом равна соответственно В10 = 0.175 дТ и В100 = 0.0108 дТ. Стефанов [5] для напряжённости электрического поля у поверхности земли во время грозового разряда даёт величины до 30 кВ/см, а вблизи облака до 1000 кВ/м. Спектральная плотность сигналов зависит от формы антенны и может достигать максимума при частоте в 7 МГц [6].
Резюмируя, заключаем, что при прямом ударе молнии электрическое поле вблизи точки удара может заключаться в пределах от нескольких сот вольт до не-
скольких десятков киловольт на метр. Форма поля вблизи точки удара молнии похожа на форму тока и представляет импульс с длительностью фронта от 1 до 10 мкс и длительностью полуспада около 50 мкс. На значительном расстоянии от канала молнии форма поля сильно деформируется и может представлять колебательный разряд с положительной и отрицательной частью. Следует также заметить, что удары молнии обычно бывают многократными, то есть по одному каналу могут распространяться несколько повторных разрядов от неразрядившихся частей облака, причём конечные точки соприкосновения с землёй могут не совпадать. Эти разряды также вносят свой вклад в общую картину поля. На основной импульс поля могут быть наложены колебания малой амплитуды с частотой до нескольких МГц. Кроме электромагнитных полей при ударах молнии генерируются рентгеновское и гамма-излучение. Многолетние наблюдения за гро-зопоражаемостью высотных объектов показали, что с увеличением высоты молниеотвода резко снижается его эффективность защиты от прямых ударов нисходящих молний. Появляются восходящие разряды, которые часто сопровождаются рентгеновским и гамма-излучением. Наибольшее количество квантов большой энергии (до нескольких десятков МэВ) возникает при развитии разряда от земли к облаку, что наблюдается в горах и от высоких предметов (мачт, небоскрёбов). Плотность квантов на уровне земли невысока - несколько квантов на см2 поверхности. Эта плотность сильно возрастает с высотой над поверхностью земли и представляет большую опасность для людей и оптических кабелей.
При мощных взрывах различного происхождения газодинамические и термодинамические процессы сопровождаются генерацией электромагнитного излучения в широком спектре частот, в том числе вспышек излучения миллиметрового диапазона, рентгеновского и гамма-излучений, а также нейтронного излучения. Генерация излучения взрывами обусловлена асимметрией конфигурации взрыва. Длительность излучения обычно порядка 10-7 с, максимальная спектральная мощность 2.6 -10Т(-37ЖТ2 Вт/Гц, где Ы-число гамма-квантов [7]. К загрязняющим объектам относятся также радио и телестанции, радары ГИБДД, РРЛ, все виды связи, в том числе мобильной (на частотах 900, 1800, 2100 мГц и др.). Переносные радиостанции создают электрическое поле до
Расстояние от Вертикальная Е Горизонтальная Е Н Н
точки удара, км В/м В/м А/м А/м
10 100 50 0.20 0.16
50 12 12 0.035 0.033
100 6 6 0.016 0.016
Таблица 1
Величины напряжённости электрического и магнитного полей на различном расстоянии от молниевого разряда в землю при амплитуде тока 30 кА.
30 В/м. Необходимо отметить, что тело человека, представляющее анизотропную проводящую структуру, при приближении к источнику полей, например, трансформатору, искажает картину поля. Напряжённость электрического поля от бытовых электронных средств на расстоянии 0.5-2 м составляет 60-70 мкВ/м [8]. Сложную разветвлённую структуру в здании представляют кабели СКС, которые являются одними из наиболее опасных переносчиков электромагнитных помех. Уровень напряжённости электрического поля от неэкранированной витой пары 5-й категории длиной 1 м может достигать величины 70 В/м на частотах 0.5-2 ГГц [9].
Уровни электрических полей на верхних палубах объектов морской инфраструктуры в диапазоне высоких частот могу достигать 100 В/м [12]. Наводимые напряжения на металлоконструкциях также достигают 100 В.
В помещениях может существовать ещё один источник наводимых напряжений - это электростатические разряды. Например, человек при движении в сухом помещении может приобретать электростатический потенциал до 300 В. При волочении кабеля по полу потенциал кабеля также может достигать нескольких сот вольт.
В случае высотных ядерных взрывов, к которым относятся ядерные взрывы на высоте от 60 до 150 км, на поверхности земли может возникать электрическое поле с напряжённостью до 50 кВ/м. При этом площадь воздействия равна площади целого континента или значительной его части, например, площади Западной Европы, Европейской части России, Индостана и т.п. Поскольку облучение поверхности земли комптоновскими электронами зависит от синуса угла между напряжённостью магнитного поля Земли и направлением движения электронов, то максимальное воздействие будет наблюдаться южнее эпицентра взрыва, где этот угол близок к 90 градусам, а минимальное воздействие севернее эпицентра, где движение электронов параллельно линиям магнитного поля Земли. Линии магнитного поля в Северном полушарии наклонены к поверхности примерно на 70 градусов. Величина поля слабо зависит от мощности взрыва (эта зависимость логарифмическая). Форма импульса похожа на импульс молнии, но короче: длительность порядка 10-7 с.
Ионосфера также создаёт низкочастотные излучения на частотах 140, 450, 800, 4650 Гц.
ионизованныи слои
' I '
поле ясной погоды I , } Е= 120 В/м I ! I
} ' I
^ ^ \у
поверхность земли
2. Магнитное поле
Прежде всего, следует сказать о магнитном поле земли, которое постоянно присутствует в каждой точке земной поверхности. В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле шара, однородно намагниченного по магнитной оси. Параметры магнитного поля не остаются неизменными. Магнитная ось прецессирует относительно оси вращения земли со скоростью приблизительно 0.05° в год. Величина напряжённости магнитного поля Земли на территории России имеет величину 30-50 А/м, при этом вектор поля наклонён к поверхности земли примерно на 70°, так что поле имеет вертикальную составляющую до 50 А/м и горизонтальную составляющую 9-20 А/м (при этом индукция В = 11-25 мкТ), направленную на север с небольшим западным склонением на большей части территории России. Кроме того на поверхности Земли имеется несколько крупных аномалий. Наиболее интенсивной из них является Восточно-Азиатская магнитная аномалия, которая охватывает всю Азию и часть Европы. Значение вертикальной составляющей в эпицентре аномалии (45°с.ш. и 100° в.д.) превышает на 30% нормальную величину. В среднем же интенсивность аномалий не превышает 10% от нормального поля. Однако иногда в отдельных точках аномальное поле по своей интенсивности значительно превышает нормальное. Например, напряжённость поля Курской магнитной аномалии достигает 140 А/м на протяжении сотни км, тогда как интенсивность нормального поля в этом месте составляет примерно 37 А/м.
При ударе молнии с током до 100 кА на расстоянии в 10 км от точки удара тангенциальная составляющая магнитной индукции В имеет величину порядка 0.1750.2 мкТ, а вертикальная до 40 мкТ [4]. На расстоянии в 100 км индукция имеет порядок от 0.02 мкТ до 12 мкТ. В то же время внутри здания собственное поле от электропроводки может составлять на частоте 50 Гц величину 8-9 мкТ. Внутри самого здания при ударе в него молнии вертикальная составляющая напряжённости магнитного поля может иметь величину до 70 А/м , а горизонтальная до 550 А/м.
Магнитные поля при подземных взрывах достигают величин порядка В = 20-70 пТ с частотой до 20 кГц.
3. Потенциалы и поле при прямом ударе
молнии в здание
Почти все современные здания имеют в своём каркасе сетку из стальной арматуры, и при ударе молнии ток растекается по горизонтальным и вертикальным стержням сетки. В [10] рассматривается анализ потенциалов арматуры трёхэтажного железобетонного здания кубической формы при ударе молнии в крышу. Если удар молнии происходит при этом в угол здания, то максимальный потенциал имеют точки арматуры на потолке третьего этажа вблизи непосредственной точки удара молнии. При токе 10 кА потенциал угловой колонки (вертикальной арматуры) по мере снижения по этажам уменьшается в таком порядке: 15 кВ (потолок третьего этажа) - 9 кВ (потолок второго этажа) - 6 кВ (потолок
TECHNOLOGIES
первого этажа) - 1 кВ (пол первого этажа). Растекание тока происходит и по горизонтали, соответственно снижаются потенциалы горизонтальных покрытий. При ударе в центр здания картина потенциалов становится более равномерной. Результирующее поле определяется суммой переотражённых и дифрагированных волн.
Наличие здания между точкой удара молнии и точкой, в которой измеряется поле, может играть положительную экранирующую роль в уменьшении величины поля на поверхности земли за зданием. Согласно расчётам, в случае удара молнии непосредственно перед трёхэтажным зданием с железобетонным каркасом за зданием вертикальная компонента уменьшается в 2-2.5 раза, а радиальная компонента меняет знак и растягивается по фронту. Если электрическое поле в нескольких сотнях метров от точки удара молнии составляет 20-25 кВ/м, то при наличии здания высотой 15 м между точкой удара и точкой измерения поле уменьшается до 10-15 кВ/м. Внутри здания (при внешнем поле 100 кВ/м) внутри корпуса экранированной аппаратуры поле может достигать величин от 3 мкВ/м до 300 мВ/м [11].
Индукционные нагреватели создают магнитные поля с напряжённостью Н = 80-400 А/м. Магнитное поле на корабле при действии его механизмов во время маневрирования меняется от В = 75 до В = 100 мкТ в диапазоне частот до 25 Гц. В то же время во время стоянки в порту это поле снижается до 1.4 - 10.5 мкТ.
Предельно допустимый уровень индукции магнитного поля в жилых помещениях не должен превышать В = 5мкТ.
4. Электромагнитное поле внутри
экранированной камеры.
Кабина поезда, корабля, самолёта и другие металлические камеры являются комнатами, имеющими металлические стены с окнами. Внутри находится чувствительное к помехам оборудование. Внешние поля проникают в камеру через окна. В [13] рассмотрены поля в камере при близком ударе молнии. Если ток молнии имеет величину 200 кА и форму 3/65 , то при окне из стекла электрическое поле внутри камеры может иметь величину до 3 кВ/м вблизи окна и до 5 В/м в глубине камеры. Напряжённость магнитного поля вблизи окна может достигать 500 А/м. а в глубине камеры порядка 0.5 А/м. Можно найти внутри камеры точки с величиной электрического поля менее 0.1 В/м и магнитного менее 0.004 А/м. Проникающая энергия быстро затухает при удалении внутрь камеры от окна. Если оконное стекло сделано из проводящего материала с проводимостью с = 0.001 Сим/м, то эффективность экранирования возрастает более чем на 50 дБ. Электрическое поле уменьшается более, чем в 10 раз даже в точках, близких к окну, и не превышает 1 В/м. Если проводимость стекла возрастает до 0.01 Сим/м, то экранирование возрастает до 3050 дБ, так что электрическое поле не превышает сотых долей В/м.
Комплексные средства защиты разрабатываются в рамках зоновой концепсии защиты, изложенной в стандартах МЭК серии 62305.
Литература
1. Nag A., Rakov V.A., Talikis D. New experimental data on lightning events producing intense VHT radiation bursts. EOS trans. AGU vol,89, №53.
2. Chen Yazhou et al. The character of approximation between the waveform of LEMP in remote area and channel-base current. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM'2003. Hangzhou, Chine, Proceedings, pp. 213-216.
3. Zhi-dong Jiang et al. A MRTD Model for calculating Lightning return stroke electromagnetic fields. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM'2012 Nov.6-9. 2012 Shanghai. Chine. Proceedings, pp. 242-245.
4. Ming Xia Zhang et al. Research on the Influence of Several Parameters on Lightning Radiation Field. 2007 4-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility Proceeding October, 2007 Qingdao, Chine. pp. 409-412.
5. Стефанов К.С. Техника высоких напряжений. Энергия. Ленинградское отделение. 1967. 496 с.
6. Темников А.Г. и др. Исследования возможного спектра электромагнитных помех в радионавигационном оборудовании, находящемся внутри самолёта. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 г. Санкт-Петербург. 2011. С.432-435.
7. Котов Ю.Б. и др. Радиояркостная температура мощных взрывов. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011г. Санкт-Петербург. 2011. С.509-512.
8. Малышев Ю.А. и др. Прогнозирование электромагнитного излучения от электронных средств численными методами и методами искусственного интеллекта. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 г. Санкт-Петербург. 2011. С.312-314.
9. Хухарева А.А. Разработка методики прогнозирования электромагнитного излучения структурированных кабельных систем интеллектуальных зданий. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 г. Санкт-Петербург. 2011. С.472-474.
10. Wang Pan et al. FDTD Analysis of the Potential Distribution in reinforced Steel Frames of a Building under direct Lightning Stroke. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics. CEEM'2009. Sept.16-20 Xi'an, China. pp.382-385.
11. Гизатуллин З.М. и др. Прогнозирование помехоустойчивости электронных средств внутри зданий при внешних электромагнитных воздействиях. 9-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии. Труды симпозиума. 13-16 сентября 2011 г. Санкт-Петербург. 2011. С.441-444.
12. Лазарев Д.В. Технология обеспечения комплексной электромагнитной безопасности на сложных техниче-
ских объектах морской инфраструктуры. Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости. Техно ЭМС 2013». Труды конференции. Москва, 19-23 ноября 2013. С.28-31.
13. Zhenhua Shi et al. Coupling characteristics into windows of the metal cavity under lightning current. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM'2012 Nov.6-9. 2012 Shanghai. Chine. Proceedings, pp. 255-258.
THE ELECTROMAGNETIC FIELDS WOULD BE OBSERVED IN THE BUILDING AND NEAR OUT
Sokolov S., professor, MTUCI, [email protected]
Abstrart
We are living and operating in modern space that is penetrated by plural electrical and magnetic fields with different values and frequencies. These fields are produced by different natural and artificial sources (e.g. lightning, the Earth's magnetic field, electric devices, nuclear explosions etc). When some equipment is installing in the building, it is important to know what external electromagnetic influence are enable during its operation. This report considers the most widespread electrical and magnetic fields sources, fields forms, amplitudes and frequency in the building and near out of it. It is examined the shielded chamber action upon fields values inside briefly. Used citation is putting. Keywords: electric fields strength, magnetic field strength, induction, lightning, Earth's magnetic field, field source.
References
1. Nag A., Rakov V.A., Talikis D. New experimental data on lightning events producing intense VHT radiation bursts. EOS trans. AGU vol, 89, No. 53.
2. Chen Yazhou et al. The character of approximation between the waveform of LEMP in remote area and channel-base current. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM '2003. Hangzhou, Chine, Proceedings, pp. 213-216.
3. Zhi-dong Jiang et al. A MRTD Model for calculating Lightning return stroke electromagnetic fields. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM' 2012 Nov.6-9. 2012 Shanghai. Chine. Proceedings, pp. 242-245.
4. Ming Xia Zhang et al. Research on the Influence of Several Parameters on Lightning Radiation Field. 2007 4-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility Proceeding October, 2007 Qingdao, Chine. pp. 409-412.
5. Stefanov K. S. Technique of high tension. Energy. Leningrad separation. 1967. p. 496.
6. Temnikov A.G., etc. Researches of a possible range of electromagnetic interferences in the radio navigational
equipment which is in the airplane. 9th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology. Works of a symposium. On September 13-16, 2011 St. Petersburg. 2011. pp. 432-435.
7. Kotov Yu.B. , etc. Radio brightness temperature of powerful explosions. 9th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology. Works of a symposium. On September 13-16, 2011 St. Petersburg. 2011. pp. 509-512.
8. Malyshev Yu.A., etc. Prediction of an electromagnetic radiation from electronic means numerical methods and by methods of artificial intelligence. 9th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology. Works of a symposium. On September 13-16, 2011 St.Petersburg. 2011. pp. 312-314.
9. Hukhareva A.A. Development of a technique of prediction of an electromagnetic radiation of structured cabling systems of intellectual buildings. 9th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology. Works of a symposium. On September 13-16, 2011 St. Petersburg. 2011. pp. 472-474.
10. Wang Pan et al. FDTD Analysis of the Potential Distribution in reinforced Steel Frames of a Building under direct Lightning Stroke. Proceedings. Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics. CEEM'2009. Sept.16-20 Xi'an, China. pp. 382-385.
11. Gizatullin Z.M. and other. Prediction of noise immunity of electronic means in buildings in case of external electromagnetic influences. 9th international symposium on electromagnetic compatibility and electromagnetic ecology. Works of a symposium. On September 13-16, 2011 St. Petersburg. 2011. pp. 441-444.
12. Lazarev D.V. Tekhnologiya of support of complex electromagnetic safety on difficult technical objects of sea infrastructure. The All-Russian scientific and technical conference "Technologies, measurements and tests in the field of electromagnetic compatibility. Techno EMS 2013". Conference works. Moscow, on November 19-23, 2013. pp. 28-31.
13. Zhenhua Shi et al. Coupling characteristics into windows of the metal cavity under lightning current. Asia-Pacific Conference on Environment Electromagnetics CEEM'2012 Nov.6-9. 2012 Shanghai. Chine. Proceedings, pp. 255-258.
