CC BY
106
Энергобезопасность и охрана труда ^^ 3 = ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА
УДК 621.396.6
I А V V V
Многослойный электромагнитным экран для защиты среды обитания от электромагнитных воздействий
Ю. Г. Рябов,
кандидат технических наук, почетный радист СССР
И. Б. Гуров,
генеральный директор ЗАО «Специнжпроект»
С. Э. Билецкий,
председатель комитета по электромагнитной безопасности
ООО «Симметрия»
К. В. Ермаков,
заместитель начальника отдела электромагнитной совместимости
ООО «Газпромэнергодиагностика»
Г. В. Ломаев,
доктор технических наук, профессор ИжГТУ
Р. Н. Вахитов,
генеральный директор ООО «(Контроль и безопасность», г. Ижевск
Предлагается новая конструкция многослойного электромагнитного экрана для защиты человека и технических средств от биологически опасных электромагнитных полей промышленной частоты. По результатам модельного эксперимента показаны преимущества такого экрана с разделением слоев. Имеются патенты на изобретение и полезную модель.
Ключевые слова: электробезопасность, электромагнитный экран, сравнительный эксперимент, электромагнитное поле.
Введение
Источниками трехфазных эллиптически поляризованных электромагнитных полей (ЭПП) промышленной частоты (ПЧ) являются встроенные в здания трансформаторные подстанции, домовые вводы силовых кабелей 0,4 кВ, наружные линии электропередачи. В настоящее время установлена опасность воздействия таких полей на здоровье человека. Если несколько десятков лет назад в жилых и офисных помещениях доля трехфазных ЭМП в общей суперпозиции полей промышленной частоты составляла 10-15 %, то сегодня их доля достигает 50-80 % [1-5].
Высокая стоимость городской земли, проложенные коммуникации, строительство высотных сооружений вынуждают встраивать трансформаторные подстанции в здания, что создает угрозу здоровью людей, вызывает ускоренную электрокоррозию металлоконструкций, приводит к растеканию паразитных токов, которые нарушают электромагнитную
совместимость технических средств (например, провоцируют сбои элементов пожарной и охранной сигнализации и т. п.). Поэтому методом защиты жилых и производственных помещений от таких полей является экранирование их источников, в частности, мест размещения встроенных ТП, ГРЩ-0,4 кВ, РУ-10 кВ [6, 7].
Многослойный электромагнитный экран
Электромагнитные экраны (ЭЭ), отвечающие современным требованиям, обеспечивают ослабление электромагнитного поля в некоторой ограниченной области пространства до заданного или требуемого уровня в широком диапазоне частот и затухание сопутствующих физических факторов при наименьшей стоимости материала и монтажа.
Представляемый нами многослойный электромагнитный экран (МЭЭ) используется для защиты технических средств и человека от воздействий магнитных полей промышленной частоты.
наииииин
= 4
Энергобезопасность и энергосбережение
Эффективность МЭЭ подтверждена контрольными проверками Роспотребнадзора на соответствие нормам СанПиН на встроенных ТП в Москве, в Московской области и Самаре. Повышение эффективности защиты от воздействия эллиптически поляризованного магнитного поля (ЭПП МП), индуцируемого электрооборудованием, является техническим результатом изобретения.
Конструкция многослойного электромагнитного экрана представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция многослойного электромагнитного экрана: 1 и 2 — стальной лист; 3 — пример нахлеста боковых и торцевых соединений стальных листов при их монтаже; 4 — направляющие трубыI (и пере мышки между ними);
5 — зазор между экранирующими листами; 6 — непрерывный сварочный шов, соединяющий все боковые и торцевые нахлесты.
Монтаж конструкции МЭЭ легко выполняется из отечественных материалов.
Размещенные снаружи экрана плоские экранирующие слои (1, 2) выполнены из листовой магнитомягкой изотропной стали с относительной начальной магнитной проницаемостью не менее 2x103, а размещенный между ними объемный экранирующий слой (3) выполнен в виде стальной прямоугольной решетки, ячейки которой образованы направляющими (4) и короткими перемычками (5), которые функционируют в качестве запредельных волноводов по отношению к основной гармонике частоты экранируемого поля.
МЭЭ подавляет биологически опасные эллиптически поляризованные ЭМП и обеспечивает затуха-
ние линейно поляризованных ниже допустимого уровня санитарных норм и уровня, определенного требованиями ЭМС для охранных и пожарных устройств, приборов промышленной автоматики [7]. МЭЭ дает возможность применять встроенные трансформаторные подстанции с сухими трансформаторами 1000-2500 кВА, обеспечивает защиту 100-200 м2 площади окружающих помещений и помещений 1, 2 и 3 этажей от перевода их в разряд нежилых, хозяйственных. Подтвержденная двумя организациями эффективность экранирования МП 50 Гц отдельных образцов МЭЭ не менее 100 раз. Подавление уровня акустического шума - 10-12 дБ А. Ослабление ГМП - не менее 40 дБ. Ожидаемое подавление импульсных воздействий - около 60 дБ. ЭЭ обладает нелинейными свойствами по отношению к ЭМП высоких уровней.
В помещениях ТП и ГРЩ-04, которые необходимо экранировать, регистрируют сложную суперпозицию эллиптически поляризованного ЭМП пространственного распределения, вызванного токами в вертикальных и горизонтальных шинах, токами вводных - выводных кабелей, токами рассеивания трансформаторов и др. К тому же суммарный вектор суперпозиции меняет свое направление во времени в зависимости от коммутации нагрузок в фазах и изменения (девиации) их реактивности. Из-за этого вектор ЭПП МП будет воздействовать на первый слой ЭЭ со всех направлений и под разными углами. Значит материал первого слоя должен быть изотропным, т. е. должен ослаблять МП равной интенсивности одинаково во всех направлениях.
Однако в натурных условиях на отдельные места ЭЭ воздействует напряженность геомагнитного поля (ГМП) в направлении магнитного меридиана Земли. Для неферромагнитного материала листа ЭЭ ГМП не оказывает заметных влияний. А тонколистовые магнитомягкие ферромагнитные материалы, применяемые для ЭЭ, или частично насыщаются, или их рабочая точка будет смещена в область более низкой магнитной проницаемости ^ [6]. Влияние ГМП на эффективность экранирования достаточно велика. В рассматриваемом МЭЭ вектор собственной намагниченности I труб решетки второго слоя экрана направлен навстречу вектору ГМП. Это позволяет компенсировать снижение эффективности экрана от воздействия ГМП.
Эффективность тонколистового неферромагнитного материала зависит от его электрической проводимости, квадрата толщины и магнитной проницаемости свободного пространства ^0=4-л-10-7 Гн/м. Для ферромагнитного материала эффективность экрана также зависит и от относительной магнитной проницаемости величина которой для применяемой электротехнической стали составляет ^=1300-2500. При одной и той же толщине £ медного листа эффективность экранирования МП ПЧ стальным листом будет по крайней мере в 10 раз выше.
идииииии
Энергобезопасность и охрана труда ^^ 5 =
Эффективность многослойных электромагнитных экранов
Рассмотрим эффективность двух видов МЭЭ: разделенных зазором d и собранных в пакет из тонколистовой стали, состоящей из п листов, применительно к экранированию больших объемов (500 м3 и более) помещений трансформаторных подстанций.
Ввиду сложной пространственной структуры суперпозиции эллиптически поляризованных и линейно поляризованных магнитных полей в помещениях трансформаторных подстанций, вектор напряженности которых может действовать во всех направлениях, необходимо для ЭЭ использовать изотропную тонколистовую электротехническую магнитомягкую сталь с содержанием кремния (Б1) менее 0,4 %. Такая сталь имеет высокую индукцию насыщения Bs и низкую коэрцитивную силу Нс.
Одним из основных конструктивных показателей электромагнитных экранов является сохранение изотропности для магнитного потока и тока, протекающих по стальному листу во всех направлениях, при монтаже ЭЭ. Анизотропность в любом направлении снижает эффективность экранирования и подавления ЭПП МП в этом направлении.
Анизотропность в соединениях стальных листов для магнитного потока и тока появляется в местах нахлестов при соединении боковых сторон листов и в сварочных швах. Металл сварочного шва, нагретый выше 1044 К (точки Кюри), переходит в парамагнитное состояние и создаёт большее сопротивление для магнитного потока, чем металл стального листа. Воздействие ГМП ортогонально нахлестам повышает магнитное сопротивление металла сварочного шва, а сам металл листа переводит в полунасыщенное состояние, т. к. металл магнитомягкий. В результате в направлении действия вектора ГМП снижается магнитная проницаемость - основной параметр эффективности ЭЭ [6].
Кроме того, воздействие ГМП на стальной лист вызывает поперечную анизотропную проводимость для тока (эффект Холла), в результате чего также снижается магнитная проницаемость стального листа экрана. В рассматриваемом экране предусмотрена компенсация ГМП в стальных листах 1-го и 3-го слоев за счет магнитного поля собственной намагниченности J направляющих труб решетки 2-го слоя МЭЭ, вектор которых направляется навстречу вектору ГМП.
На рис. 2 приведен двухслойный экран, разделенный зазором d. Ток ^ будет протекать по второй стороне 1-го слоя, вызывая ток !2 обратного направления, протекающий по второй стороне 2-го слоя, обусловленный взаимоиндуктивностью магнитных полей 1-го и 2-го слоев.
Если плоскость падающего ЭПП МП на 1-й слой экрана не лежит в плоскости чертежа, то, как ранее было установлено, ортогонально чертежу в 1-м слое будет индуциироваться ЭДС, которая через емкость Сп будет индуктировать ток во 2-й слой, вызывая ток, ортогональный току ^ (на чер-
теже не показан). Эти токи в пространстве 1-го слоя индуцируют суперпозицию эллиптически поляризованных и линейно поляризованных ЭМП.
Рис. 2. Принцип выбора оптимального зазора Ы, минимизирующего передачу энергии Н2 суперпозиции Н0
На рис. 3 изображена кривая характерного изменения Мп и Сп в зависимости от величины (зазора d между параллельными листами) отношения d/D. Из рисунка следует, что сближение листов до d=0 увеличивает взаимоиндуктивность Мп и емкость Сп, вызывающие повышение интенсивности Н2 после 2-го слоя. Небольшое снижение Н2 (около 20 %) для пакета из 2-х листов достигается только за счет эффекта поглощения в материалах 1-го и 2-го слоя ЭЭ. Увеличение зазора d между листами уменьшает Мп и Сп, вызывая существенное снижение интенсивности Н2 (4-40 раз) после 2-го слоя, т. е. повышение эффективности ЭЭ.
Мп ■
Сп
; Выбор а
0
' 0,1
Рис. 3. Зависимость взаимоиндуктивности МП(Гн/м2) и ёмкости СП (Ф/м2) от отношения размера зазора Ы к длине протекания тока индукции по прямой части D слоев экрана 1 и 2 (Ы/))
Если применяют тонкие листы стали, у которых глубина скин-слоя 5 больше толщины t листа, то при сближении листов эффект многократного отражения будет компенсировать эффект поглощения, и эффективность экранирования будет ниже, чем в случае оптимального зазора между листами, например d/D=0,1, как показано на рисунке. В случае длины растекания значимой величины тока по месту экрана D=1 м, оптимальный зазор между листами будет находиться в области d/D>0,1 м.
наймам
= 6
Энергобезопасность и энергосбережение
Методика сравнительных испытаний многослойного экрана и экрана, состоящего из тонких ферромагнитных листов, собранных в один пакет (ПЭЭ)
На столе устанавливаем 5-ваттный адаптер с включенной нагрузкой, используя его как источник МП (см. рис. 4 а) Включаем измерительный прибор -магнитометр ИМП-5/1 и устанавливаем его на расстоянии 150 мм от адаптера. Фиксируем показания Ви в нТл. Затем, устанавливая стальной лист последовательно в точках через 25 мм между адаптером и измерительным прибором, фиксируем показания прибора (см. кривую 1 на рис. 4 б).
Результаты испытаний
На рис. 4 б приведены обобщенные результаты измерений эффективности экранирования одного листа и пакета из 5-ти листов стали толщиной 1 мм (каждый лист (Ээф=Ви/В1 (или В5) в сравнении с эффективностью 2-листового экрана с зазором от 25 до 100 мм.
Оценку Ээф 1-го листа Э1л, пакета из 5-ти листов Э5л и 2-х листов с зазором Эзазор выполняют по
5 Вт В„
50 Гц
ЛПП МП ПЧ
Ад 25 50 75 __ч100_4... ___(12_5_:1______
г 1— г 7 г Р
Нагрузка
Ви
ИП / ИМП-5/1
и'
нТл
1500 —
1000 — 800 —
600-500
Ви=1640 нТл
Без экрана на расстоянии 150 мм от ИП
ч
/(1)
Сборка пакета
(2)
(4)
1 лист 5 листов
2 листа - с зазором
25
50
75
100
125
-Ч—
150
(1) и (3) - на расстоянии от Ад; (4) - зазор между 2-мя листами;
Рис. 4 а. Схема эксперимента.
Рис. 4 б. Оценка эффективности экранирования линейно поляризованных полей одним листом и пакетом из 5-ти листов стали толщиной по 1 мм в сравнении с 2-листовым экраном с зазором ( от 25 до 125 мм
В эксперименте использовались 5 листов размерами А4-А5, толщиной £=1 мм, с начальной магнитной проницаемостью ^=1300 одной и той же изотропной электротехнической марки стали. На расстоянии 25 мм от Ад последовательно собирают 5 листов в один пакет и каждый раз фиксируют показания прибора (2). Затем сжатый пакет листов перемещают через 25 мм по направлению к измерительному прибору, фиксируя его показания (3).
Устанавливают один лист на расстоянии 25 мм от адаптера, а второй лист последовательно передвигают через 25 мм, увеличивая зазор между листами, и каждый раз фиксируют показания прибора (4).
При зазоре между двумя листами d=100 мм на расстоянии 50 мм от каждого листа устанавливают третий лист, фиксируют показания прибора.
Имитируют двухточечное заземление листов, перемыкая листы с разных сторон длинным проводником.
5л и 2-х листов с заз°р°м ^зазор
результатам измерений в точках на отметке 125 мм, когда зазор d=100 мм.
Э1Л=1640/1080=1,5; Э5л=1640/820=2; Эзазор=1640/510=3,28.
Таким образом, 2 листа с зазором 100 мм эффективнее экрана в пакете из 5-ти листов в 3,28/2=1,64 раза.
При установке в середине зазора d=100 мм 2-листового экрана третьего листа на отметке 75 мм эффективность экранирования увеличивается не более чем на 15 %. Чтобы обеспечить равную эффективность пакета и экрана с зазором 100 мм, необходимо пакет увеличить на 3 листа - итого 8 листов, что по массе и стоимости металла не менее чем в 4 раза больше показателей экрана с зазором.
Если для экранирования 4-5 помещений встроенных ТП и ГРЩ необходимо 5-6 т стального листа толщиной 1 мм и шириной 1 м при 2-слойном экране с разделением, то только для одного пакета листов потребуется 32 т, т. е. железнодорожный вагон.
Из рис. 4 б видно (2), что при установке каждого последующего листа в пакет, начиная со второго листа, эффективность экранирования увеличивается только на 15 %.
Специалисты, рекомендующие пакетную сборку листов, также рекомендуют соединять при монтаже встык боковые и торцевые части листа. Щели в стыках листов существенно увеличивают магнитное и омическое сопротивление, что нарушает основные принципы рационального электромагнитного экранирования. Через 1-2 года эксплуатации ухудшается контактирование стыков и эффектиность экрана снижается в результате действия токовой и магнитной стрикций, акустического шума и вибраций. В рекомендациях по конструированию ПЭЭ нет указаний по компенсации ГМП, препятствующих восстановлению изотропной эффективности экрана, преобразованию и подавлению ЭПП и ЛПП полей, а также не приводятся мероприятия по снижению паразитных токов, протекающих по экрану.
В предлагаемом нами многослойном электромагнитном экране нахлесты листов сваривают. Компенсация ГМП осуществляется за счет собственной намагниченности труб I, вектор которых направляют навстречу ГМП. Предохранение от
а
0
б
идииииии
Энергобезопасность и охрана труда ^^ 7 =
паразитных токов обеспечивается путем выполнения одноточечного заземления наружного слоя листов экрана. Размещенный между плоскими экранирующими слоями объемный экранирующий слой в виде стальной прямоугольной решетки, выполненной с возможностью функционирования ее ячеек в качестве запредельных волноводов по отношению к основной гармонике частоты экранируемого поля, подавляет непрерывно вращающийся вектор магнитного поля при тех углах падения
на поверхность экрана, когда пара плоских слоев перестает работать [8, 9, 10].
Таким образом, предлагаемая конструкция многослойного электромагнитного экрана для защиты человека и технических средств от воздействия электромагнитных полей промышленной частоты является более эффективной, чем альтернативные варианты. Это подтверждается контрольными проверками на соответствие требованиям нормативов.
Литература
1. Броудер Поль. Магнитное поле - угроза здоровью // Мир ПК. Вып. 5. 1990.
2. Electromagnetic Fields and Public Health. Extremely Low Freguency Fields and Cancer. Fact Sheet no/ 263 - Geneva: WHO, 2001.
3. Архипов М. Э., Куротченко Л. В., Новиков А. С., Субботина Т. И., Хадарцев А. А., Яшин А. А. Воздействие право- и левовращающихся электромагнитных полей на биообъекты: физические модели и эксперимент/ Под. ред. д.м.н., проф. Т. И. Субботиной и заслуженного деятеля науки РФ, д.б.н., д.т.н., проф. А. А. Яшина. ГУП НИИ новых медицинских технологий. Москва-Тверь-Тула, Триада, 2007. - 200 с.
4. Построение диалога о рисках от электромагнитных полей. Швейцария, Женева: ВОЗ, 2004 (русский). -С. 54-57.
5. Рябов Ю. Г., Энговатов В. И., Билецкий С. Э. Концепция энергетической и электромагнитной безопасности (ЭЭМБ) // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2008 - № 1.
6. Рябов Ю. Г., Бочков Ю. И. Реализация экранирования магнитных полей трансформаторных подстанций, встроенных в здания // Технологии ЭМС. - 2004. - № 2 (9). - C. 45-50.
7. ГОСТ Р 51318.24-99. СТСЭ. Устойчивость оборудования информационной техники к магнитным полям промышленной частоты. Требования и методы контроля.
8. Многослойный электромагнитный экран. Патент на полезную модель № 85267 от 27.07.2009 г. (Ru). Авторы: Рябов Ю. Г., Гуров И. Б.
9. Многослойный электромагнитный экран. Патент на изобретение № 2381601 от 10.02.2010 г. (Ru). Авторы: Рябов Ю. Г., Гуров И. Б. .
10. Способ оценки электромагнитной безопасности. Патент на изобретение № 2398246 от 27.08.2010 г. (Ru). Авторы: Рябов Ю. Г., Гуров И. Б.
Multi-layered electromagnetic screen for habitat protection from electromagnetic influences J. G. Ryabov, I. B. Gurov, S. E. Biletsky, K. V. Ermakov, G. V. Lomaev, R. N. Vakhitov
A new design of multi-layer electromagnetic screen for human and technical means of biohaz-ardous electromagnetic fields of industrial frequency. According to the results of model experiment shows the advantages of such a screen with separation of layers. There are patents for invention and utility model.
Keywords: energy-safety, electromagnetic screen, comparative experiment, electromagnetic field.
наймам
