Электромагнитные поля промышленной частоты

Электромагнитные поля создаются электрическими зарядами и токами. В зависимости от постановки задачи электрические и магнитные поля могут рассматриваться отдельно или рассматри­вают электромагнитное поле. Последний случай имеет место, ког­да рассматриваются электромагнитные волны, в которых элект­рическое и магнитное поля жестко связаны.

Покоящаяся система электрических зарядов создает электро­статическое поле, которое описывается при помощи распределе­ния потенциала и напряженности.

Потенциал электрического поля равен работе сил поля при пе­ремещении заряда 1 Кл (кулон) из бесконечности в данную точ­ку поля. Потенциал измеряется в вольтах (В) и обозначается бук­вой ф.

Напряженностью электрического поля называется сила, действу­ющая на единичный неподвижный положительный заряд, поме­щенный в данную точку поля. Напряженность измеряется в воль­тах на метр (В/м) и обозначается буквой Е. В поле с напряженно­стью 1 В/м на заряд 1 Кл действует сила 1 Н (ньютон).

Потенциал является скалярной величиной, а напряженность —векторной.

Пусть точечный заряд Q расположен в однородной среде. Тогда потенциал и напряженность поля точечного заряда будут равны соответственно:

где е — произведение относительной диэлектрической проница­емости среды на электрическую постоянную (е = ее 0) , г — рас­стояние от рассматриваемой точки до заряда Q.

Если в однородной среде расположена система зарядов, то поле в произвольной точке находится по принципу суперпозиции с помощью формулы (9.1).

Магнитное поле постоянных токов описывается при помощи таких величин, как напряженность поля и индукция. Обе эти ве­личины являются векторными и обозначаются соответственно буквами Н и В. Напряженность магнитного поля измеряется в ам­перах на метр (А/м), а индукция — в теслах (Т). Связь между напря­женностью магнитного поля и индукцией выражается формулой

Пусть магнитное поле создается прямолинейным бесконечным проводом, по которому течет ток I. Напряженность вокруг прово­да определяется по формуле

где г — расстояние до провода.

Токи, протекающие в проводящей среде (например, в челове­ческом теле), создают в ней кроме магнитного еще и электриче­ское поле. Если источник тока можно представить как точечный, то потенциал и напряженность электрического поля можно вы­числить по формуле (9.1), если заменить в них заряд Q на ток I, а
проницаемость е на проводимость среды а. Кроме того, в любой точке напряженность электрического поля и плотность тока свя­заны между собой выражением j = аЕ.

При рассмотрении проблем влияния электромагнитных полей основное внимание уделяется длительным воздействиям синусо­идально изменяющихся во времени полей. Поэтому вопрос о том,медленно или быстро изменяется во времени поле, можно ре­шать, используя значение круговой частоты w = 2Пf, где f — час­тота, Гц.

Можно ли говорить, что на промышленной частоте магнитные и электрические поля следует рассматривать как статические? При частоте 50 Гц длина волны равна 6000 км. Поэтому поля, например под линиями электропередачи, безусловно, можно рас­сматривать как статические (точнее, квазистатические), посколь­ку напряженность поля «в такт» с источником поля изменяется
синусоидально.

Человечество в своих технических целях научилось использо­вать диапазон частот от единиц герц до частот, соответствующих частотам видимого спектра (названия частот соответствуют при­нятым в гигиенической практике):

Применительно к излучающим устройствам (их нижнюю ча­стоту можно ограничить значением около 10 кГц) различают так называемые ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне, длина которой меньше длины волны, соотношение между напряженно­стями Е и Я зависит от конструктивного исполнения излучателя. В дальней зоне при расстояниях, cущественно превышающих длину
волны, например для плоской волны в воздухе, справедливо ра­венство Е = ZH, где Z — волновое сопротивление среды (для воздуха Z = 377 Ом).

Данное соотношение показывает взаимосвязь электрического и магнитного полей в электродинамике.

Приведем характеристики электрического и магнитного полей Земли. Известно, что Земля обладает избыточным электрическим зарядом, поэтому на ее поверхности существует напряженность электрического поля — величина, слабо переменная во времени с эквивалентной частотой, которая составляет единицы или доли герца. В качестве характерной обычно приводится напряженность поля хорошей погоды, равная 100…200 В/м. При грозовой обла­чности напряженность на поверхности Земли может возрастать до нескольких киловольт на метр. В горах, когда нижняя кромка об­лаков находится вблизи поверхности Земли, отмечаются случаи коронирования выступающих металлических предметов (напри­мер, ледорубов), что указывает на напряженность, равную 10…20 кВ/м.

Магнитное поле Земли также слабо изменяется во времени. При спокойной магнитной обстановке в средних широтах напряжен­ность достигает 40 А/м. Во время магнитных бурь напряженность увеличивается, как минимум, на порядок.

Электрическое и магнитное поля Земли относят к постоянным полям, поскольку во времени они изменяются очень медленно. Они являются обязательными элементами среды обитания, в ко­торой человек  формировался как биологический вид. Поэтому за длительное время он адаптировался к их наличию.

Электромагнитные поля промышленной частоты создаются энергетическими установками, т.е. установками, связанными с процессами производства, распределения и потребления элект­рической энергии. В бытовых приборах используется ток промыш­ленной частоты. Учитывая что число работающих электроприбо­ров огромно, целесообразно говорить о них как об особом классе установок, создающих электромагнитное поле (ЭМП). Персональ­ные компьютеры также являются источниками ЭМП, в том числе и промышленной частоты.

Электромагнитные поля, создаваемые воздушными линиями электропередачи, являются полями промышленной частоты. Для европейских стран она равна 50 Гц, в США — 60 Гц. На промыш­ленной частоте электрическое и магнитное поля можно считать не связанными друг с другом, что позволяет рассматривать их отдельно. Электрические поля создаются зарядами на проводни­ках, а магнитные — токами в проводниках. В силу этого каждое из полей рассчитывается по разным формулам и рассматривается отдельно. Таким образом, объектом нашего анализа будут элект­рические и магнитные поля вблизи ВЛ и на территории открытых распределительных устройств (ОРУ).

Достаточно сильные электрические и магнитные поля промыш­ленной частоты создают условия, нахождение в которых наносит или может нанести вред здоровью человека. Кроме того, они ока­зывают влияние на животных, насекомых и растения. Кто и при каких обстоятельствах может подвергнуться воздействию электро­магнитных полей энергетических объектов? Рассмотрим следующие категории лиц: ремонтный персонал; население.

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

В наибольшей степени подвержен влиянию электромагнитных полей ремонтный персонал. Это вызвано тем, что ремонтные ра­боты могут производиться в самых различных условиях: под про­водами BJ1, а также с подъемом на высоту.

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 ремонтом 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» (рис. 9.1).

Наибольший объем работ под напряжением на ВЛ 330…750 кВ связан с ремонтом гирлянд изоляторов (замена гирлянд целиком, отдельных дефектных изоляторов, ремонт арматуры и т.д.) и за­меной распорок на расщепленных проводах. В отдельных энерго­системах объем работ под напряжением достигает десятков тысяч человекочасов.

Воздействию наиболее интенсивных электромагнитных полей подвергаются, естественно, те люди, которые работают в непос­редственной близости от проводов. Максимальные значения напря­женности электрического поля могут достигать 2 ООО…2 500 кВ/м, а магнитного — более 1ООО А/м. Большие напряженности элект­рического и магнитного полей могут также воздействовать на чле­нов бригады, находящихся на опоре.

Вторая категория лиц, подвергающихся воздействию электро­магнитных полей — население. По данным Международного комитета по большим электрическим сетям (СИГРЭ) протяжен­ность BJI с номинальным напряжением 300 кВ и выше в развитыхпромышленных странах составляет тысячи и десятки тысяч кило­метров: в Австралии, ФРГ, Японии — около 10000 км; Брази­лии, Южной Африке — около 15 000 км; Канаде — около 25 000 км; США и России —около 80 000 км. Ни в одной стране не принима­ется никаких мер, препятствующих нахождению людей под про­водами BJI. Если приближенно принять ширину санитарно-защит­ной зоны вблизи BJI (т.е. зоны, в которой напряженность выше нормируемой для населения) около 50 м, то ее площадь для Рос­сии составит около 4 000 км2. Это примерно в 4 раза больше тер­ритории Москвы в границах кольцевой автодороги. Приведенный пример показывает, что воздействию электромагнитных полей BJI может подвергаться достаточно большое число людей. В последние годы в России стихийно сложилась практика строительства дач­ных домов вблизи BJI, а иногда прямо под проводами линий, включая линии напряжением 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, существует еще одна потенциальная опасность, которая заключается в том, что автомобили, автобусы и другие механиз­мы на резиновых колесах приобретают в электрическом поле BJI 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.д. Таким образом, об этом явлении следует иметь четкие представления и знать, как избежать раз­личных неприятных последствий.

Измерения распределения напряженности электрического и магнитного полей под проводами BJI многократно проводились во многих странах. Кроме измерений проводились также и расче­ты этих полей на расчетных моделях различной степени сложно­сти. Результаты расчета, как правило, довольно хорошо совпада­ют с экспериментальными. Для того чтобы получить представле­ние о влиянии различных факторов, изложим простейший вари­ант расчета.

Наибольшие ЭМП у поверхности земли создаются линиями, имеющими горизонтальное расположение проводов всех фаз. Та­кие линии в России имеют номинальное напряжение 220 кВ и выше. Линии с горизонтальным расположением фаз являются од­ноцепными. В ряде стран (США, Канаде, Германии) BJI, как пра­вило, являются двухцепными, т.е. на одной опоре подвешивают­ся две линии, в результате чего на опоре подвешены шест фазных проводов и один или два молниезащитных троса. В этом случае
ЭМП под линией обычно меньше, чем под одноцепными ВЛ.

Простейшая расчетная модель состоит из трех фазных прово­дов, расположенных горизонтально (т. е. не учитываются ни про­вес проводов в пролете, ни влияние опор). Распределение напря­женности электрического поля у земли имеет характерную трех­горбую форму с максимумами под средним проводом и почти под крайними (рис. 9.2). Заметим, что до высоты 2 м поле практи­чески является равномерным.

Распределение напряженности магнитного поля определяется токами в фазах. Анализ показывает, что в этом случае влиянием сопротивления земли можно пренебречь. Поэтому напряженность магнитного поля в любой точке рассчитывается как сумма напря­женностей, созданных каждым из фазных токов. На практике рас­чет ведется для составляющих напряженности по осям координат. Для прямого провода в прямоугольной системе координат состав­ляющие выражаются формулами:

где хо, >о — координаты рассматриваемой точки; xh _у, — коорди­наты точки, в которой находится провод с током Г, г — расстоя­ние от рассматриваемой точки до провода.

После расчета составляющих от всех проводов производится их арифметическое суммирование и находится модуль напряженно­сти магнитного поля. Этот процесс описывается формулами:

Типичная картина распределения напряженности магнитного поля под проводами BJI приведена на рис. 9.3.

Основными влияющими параметрами являются номинальное напряжение BJI, высота подвеса проводов, расстояние между фазами и ток в линии, который определяется мощностью S, переда­ваемой по ней:

Согласно ПУЭ напряженность электрического поля под прово­дами BJ1 ограничивается 10 кВ/м для населенной местности, 15 кВ/м для ненаселенной и 20 кВ/м для труднодоступной мест­ности. Таким образом, приведенные цифры являются предельны­ми для правильно выполненных BJI. Следует заметить, что, на­пример, ненаселенной является вся территория Московской (и не только Московской) области, где проходят BJ1 напряжением 500 кВ.

Напряженность магнитного поля под BJI до настоящего време­ни не нормируется. Расчеты и измерения показывают, что в зави­симости от класса напряжения максимальные значения напря­женности могут достигать 20… 50 А/м.

Электромагнитные поля под BJI могут оказывать влияние как на работающих под ними, так и на население, которые могут находиться либо очень близко (на расстоянии нескольких мет­ров), либо непосредственно около проводов, находящихся под напряжением. Условия выполнения работ таковы, что напряжен­ность электрического поля в месте нахождения монтера достигает 1000…. 1500 кВ/м, а магнитного — нескольких тысяч ампер на метр.

Неотъемлемой частью электрических систем являются откры­тые распределительные устройства (ОРУ). На их территории уста­навливаются коммутационная аппаратура, измерительные транс­форматоры тока и напряжения, защитные аппараты, силовые трансформаторы. Все эти устройства обеспечивают передачу элек­троэнергии по разным линиям, создавая тем самым возможность изменения схем соединений внутри электрической системы.

Электрические аппараты устанавливаются на ОРУ на мини­мально возможном расстоянии друг от друга. Поэтому ЭМП на территории ОРУ могут быть значительно интенсивнее, чем под ВЛ. Так, напряженность электрического поля согласно проводив­шимся измерениям может достигать у поверхности земли 20 кВ/м, а в отдельных местах — 30 кВ/м. Дело осложняется тем, что опера­тивный и ремонтный персонал может не только находиться на земле, но, например, в процессе ремонта подниматься на обору­дование. При этом аппараты в соседней ячейке могут оставаться под напряжением. Вследствие этого на рабочем месте напряжен­ность электрического поля может превышать 30 кВ/м.

Напряженности магнитных полей ОРУ могут значительно пре­вышать 50 А/м у поверхности земли. Максимальные значения на­пряженности магнитного поля наблюдаются вблизи мощных силовых трансформаторов, к которым может быть подключено не­сколько BJI.

Следует отметить, что ОРУ являются территорией, доступ на которую для населения категорически воспрещен. Работающий там эксплуатационный и ремонтный персонал обязательно проходит соответствующую профессиональную подготовку, и на него рас­пространяются специальные нормы по допустимым значениям напряженности ЭМП.

Электроприборы промышленного и бытового назначения, со­здающие ЭМП промышленной частоты, как правило, работают при сравнительно низких рабочих напряжениях, т.е. при напря­жениях питающей сети. Поэтому их электрические поля невелики и составляют десятки или сотни вольт на метр. К таким электро­приборам относятся, в первую очередь, бытовые электроприбо­ры.

Возрастание единичной мощности электроприборов при низ­ком рабочем напряжении привело к тому, что их рабочие токи стали создавать заметные магнитные поля. Применительно к раз­ным типам электроприборов имеются разноречивые данные. Это вполне объяснимо, поскольку и номенклатура электроприборов постоянно расширяется, и их технические характеристики со вре­менем совершенствуются. Однако характерные значения находят­ся в интервале от десятков до сотен ампер на метр. Так, в качестве прибора, создающего наибольшие поля, обычно называют фен для сушки волос.

Проблема адекватного нормирования напряженности магнит­ного поля промышленной частоты к настоящему времени еще не нашла полного решения. Это обусловлено имеющимися в некото­рых источниках данных о влиянии магнитных полей низкой ин­тенсивности.