автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Разработка методов оценки электромагнитных полей на объектах транспорта

На права^рукописи 004604907

ЛЕЛЮХИН Антон Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА

(05.22,01 — Транспортные и транспортно-технолошческие системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с ИЮН 2010

Москва 2010

004604007

Работа выполнена на кафедре «Техносферная безопасность» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Трофименко Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сарбаев Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент Савиных Владимир Витальевич

Ведущая организация: Московский энергетический институт

(технический университет).

Защита состоится « 18 » июня 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.126.06 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, аудитория 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Автореферат разослан «|$> мая 2010 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Телефон для справок (499) 155-93-24.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для снижения негативного воздействия транспортной системы крупных городов все большее распространение приобретает электрический привод транспортных средств (ТС). Например, правительством г. Москвы ведется планомерная работа по широкому использованию пассажирского и грузового электротранспорта на территориях повышенной экологической ответственности, а также транспортной техники, использующей альтернативные источники энергии, в том числе электрические.

Транспортные средства с электроприводом обладают следующими преимуществами:

отсутствие выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации ТС; меньший уровень шума;

• высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты вращения;

• возможность возврата энергии во время рекуперативного торможения. На транспортных средствах и объектах транспортной инфраструктуры

все большее применение находят средства телематики и специальное оборудование, предназначенные для повышения организации и безопасности дорожного движения, транспортного комфорта. В их числе: электронные устройства бортовой диагностики и управления, пассивные и активные средства шумо- и виброзащиты, системы навигации, оперативного доступа к информации и развлечений (интернет, мобильная связь, аудио- и видеоаппаратура), климаторегулирования, очистки воздуха, системы обеспечения безопасности (распознавание образов и использование лобового стекла в качестве дисплея для отображения информации, предотвращение столкновений и принудительное ограничение динамических качеств), защиты от несанкционированного доступа и др.

В этих условиях к обычным факторам негативного воздействия транспортной системы города на окружающую среду добавляется новый -электромагнитные излучения.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка методики экспериментальной оценки параметров электромагнитных полей (ЭМП) на объектах транспорта. Задачи диссертационного исследования

1. Выявить значимость ЭМП техногенного происхождения как фактора вредного воздействия на окружающую среду.

2. Теоретически обосновать принципы оценки ЭМП на городских транспортных средствах и объектах транспортной инфраструктуры.

3. Выявить и описать основные источники ЭМП на городских транспортных средствах.

4. Разработать методику экспериментальной оценки ЭМП на городских транспортных средствах и выявить закономерности изменения ЭМП.

5. Предложить метод снижения негативного воздействия транспортного магнитного поля (МП) на здоровье человека.

Объект исследования - подвижной состав транспортной системы города, а также улично-дорожная сеть (УДС).

Предмет исследований - изучение особенностей ЭМП на транспорте, их источников и распространения в транспортных средствах и на УДС. Научная новизна

• Выявлены и идентифицированы источники ЭМП в ТС.

• Разработана методика измерения параметров ЭМП в троллейбусах, автобусах, электромобилях и на УДС.

• Предложен метод, и оценена эффективность снижения транспортного магнитного поля.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики оценки электромагнитной обстановки на транспортных средствах и возможности применения предложенных рекомендаций по снижению негативного воздействия МП на городском электротранспорте.

Апробация работы. Основные результаты исследований были обсуждены и одобрены на научно-технической конференции «Луканинские чтения. Пути решения энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (г. Москва, 2003 и 2005 гг.), Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (г. Санкт-Петербург 2006 и 2008гг.), VII

международном научно-практическом семинаре «Проблемы электромагнитной экологии в науке, технике и образовании» (г. Ульяновск, 2008 г.), на научно-технической конференции «4-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (г.Москва, 2009г.), на международных научных конференциях по транспорту в Бразилии (г.БапЮз, 2002,2003 гг.).

Реализация результатов работы. Полученные результаты и разработанные методики используются в учебном процессе МАДИ, предложены к использованию ЗАО НПП «Транснавигация».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ, из которых 1 научная статья в рекомендованном ВАК РФ издании.

Структура н объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций и приложений. Текст диссертации изложен на 85 страницах, включая 26 рисунков, 12 таблиц и 19 приложений. Список литературы включает 57 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования «Разработка методов оценки электромагнитных полей на объектах транспорта», а также описаны предмет, объект, цели и задачи исследования.

В главе 1 диссертационной работы описаны основные параметры, характеризующие электромагнитное поле, приведены источники естественного и искусственного происхождения. Рассмотрены биологические эффекты воздействия ЭМП, описаны действующие нормативы на неионизирующие излучения различных частотных диапазонов. Приведены результаты экспериментальных исследований ЭМП на различных ТС - электромобилях, вагонах метро, электролокомотивах и вагонах поездов, троллейбусах, известных из литературных источников.

Глава 2 посвящена теоретическим основам разработки методики оценки электромагнитных полей на объектах транспорта.

Закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции позволяют рассчитать индукцию магнитного поля, создаваемого произвольной системой

Закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции позволяют рассчитать индукцию магнитного поля, создаваемого произвольной системой электрических токов, в произвольной точке пространства. Для этого необходимо разделить все токи на бесконечно малые участки, записать выражения для векторов индукции поля, создаваемых этими элементами (пользуясь законом Био-Савара-Лапласа), и просуммировать полученные выражения (что позволяет принцип суперпозиции) для всех участков тока.

Используем данные теоретические предпосылки для расчета индукции магнитного поля в точке, соответствующей голове водителя троллейбуса на его рабочем месте. При длине токоведущего кабеля, проходящего за спиной водителя равного высоте кабины (Н=2 м), эта точка расположена на высоте (Ь=1м). Расстояние от провода до головы (Ь) составляет примерно 0,2м, aL2 -углы, под которыми видны окончания проводника из расчетной точки. Тогда индукция магнитного поля составит

а=- cos«, + coscr-0 =-1 —,—,~r , —=). U)

Подставив значения геометрических размеров для выражения в скобках формулы (1), получим:

И~Н - 1 —=1.96. (2)

Ч-(Н-А)2+Ь2 V 1+0.04 ^-1+0.04

В случае бесконечно длинного проводника углы а\2 = 0 и данное выражение будет равно 2. Таким образом, различие составляет около 2%, что вполне допустимо в данных условиях и проводник можно считать бесконечно длинным.

Рассчитаем индукцию МП для двух бесконечных проводников с токами силой 1=200 А, текущими в противоположных направлениях.

Рис. 1. Расчет индукции МП для двух проводников Расстояние между проводами обозначим й, а до реципиента - Ь (рис. 2). Тогда индукция МП может быть определена из выражений:

<3>

о ,„ . ио 2]*-га

4тт п . а-

2 (4)

Во3щ = 10-7-^г (Тл). (5)

)

Рассмотрим несколько вариантов расположения проводов относительно реципиента и друг друга (табл.1).

Таблица 1. - Расчет индукции МП для двух проводников

Ь см/ (1 см 1 2 3 4 5 6 п 1 8 9 10

10 39,9 79,2 117 154 188 220 248 276 299 333

15 17,8 35,4 52,8 69,9 86,5 103 118 133 147 160

20 10 20 30 39,6 49,2 58,6 68 76,9 85,7 94

25 6.4 13 1 19 25,4 31,7 37,9 43,9 49,9 55,8 61,5

30 4.4 9 13 17,7 22 26,4 30,7 34,9 39,1 43,2

Видно, что индукция МП значительно изменяется в зависимости от этих параметров. Как правило, токоведущие кабели в кабине водителя не имеют четкого расположения - весь жгут проводов закрыт единым пластиковым кожухом, и провода в нем расположены произвольно. Водитель так же не является стационарным объектом. Таким образом, теоретически достоверно рассчитать уровни индукции МП в кабине водителя троллейбуса, т.е. в ближнем поле не представляется возможным. Для оценки параметров

ЭМП данных, а также других ТС необходимо использовать экспериментальные методы, на основании которых впоследствии может быть сформирована соответствующая расчетно-экспериментальная методика.

Глава 3 посвящена проведенным экспериментальным исследованиям электромагнитных полей на объектах транспорта - участке УДС, автобусах, оснащенных средствами телематики, электромобилях и троллейбусах. Были выявлены источники электромагнитных излучений на следующих объектах транспорта:

• на участке улично-дорожной сети - базовые станции сотовой связи, беспроводные компьютерные сети стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi), системы управления движением, линии электропередачи;

• в городских автобусах, оборудованных средствами телематики -комплекс телематических устройств на базе радиостанции «Гранит Р-24АЦ»;

• в грузовых электромобилях - токоведущие кабели, тяговый электродвигатель;

• в троллейбусах - бортовое электрооборудование высокого напряжения: токоведущие кабели, тяговый электродвигатель, элементы системы управления, печи для обогрева пассажирского салона и кабины водителя.

На участке УДС, исходя из характеристик основных источников, были подобраны частотные диапазоны и измерительное оборудование. Измерения проводились в диапазонах 50 Гц, 5 Гц-2 кГц и 900 МГц.

Согласно действующему нормативу ГН 2.1.8./2.2.4.2262-07 измерения индукции магнитного поля промышленной частоты проводились на трех высотах от уровня земли: 0,5, 1,5 и 1,8 м. Для измерений в остальных частотных диапазонах была выбрана высота 1,5 м. В частотных диапазонах 50 Гц и 5...2000 Гц фиксировались действующие значения магнитной индукции, для частоты 900 МГц средние значения плотности потока энергии (ППЭ) за 6 мин. Измерения были проведены на участке Ленинградского проспекта (протяженностью 360 м) от станции метро «Аэропорт» до пересечения с улицей Лизы Чайкиной (20 полос движения, в том числе 2 полосы движения троллейбусов) через каждые 20 м. Результаты измерений представлены на рис 2.

Рис.2. Измерения ЭМП на участке УДС

На горизонтальной оси отложены точки измерений, пронумерованные от выхода из метро до перекрестка с улицей Лизы Чайкиной. Установлено, что измеренные характеристики МП значительно меньше действующих нормативов. Это свидетельствует об относительно благополучной ЭМ-обстановке на данном участке УДС.

Также определен уровень ЭМП в автобусах, оснащенных средствами телематики s включая комплекс устройств на базе радиостанции «Гранит Р-24АЦ» номинальной мощностью 10 Вт и рабочим диапазоном частот 300...350 МГц. К базовому блоку станции (приемопередатчику) подключены: микротелефонная гарнитура, выносное звуковое устройство, антенно-фидерное устройство, антенна приемника GPS. Радиостанция оснащена антенной АС-4, представляющей собой широкодиапазонный четвертьволновый вибратор с вертикальной поляризацией. Во время работы базовой станции и разговора водителя с диспетчером были зарегистрированы значения ППЭ (мкВт/см2) с точностью 2 дБ, табл. 2.

Таблица 2. - Плотность потока энергии (мкВт/'см2) электромагнитного излучения в кабине водителя автобуса при работе радиостанции «Гранит Р-

24АЦ»

Точки измерений Марка и парковый номер автобуса

Мерседес 0325 №¡12192 учебный Мерседес 0325 №12394 ЛИАЗ 5256 №12251 Икарус 41 i №12232

Вблизи приемопередатчика 6.03 - - -

Около выхода антенны 13,53 6,5 1,91 7,86

0,3 м от выхода антенны 3,34 - - -

На уровне головы водителя 1,31 3,53 14,34 5,72

На уровне грудной клетки водителя 2,03 3,85 10,31 4,93

Измерения электромагнитного поля на рабочем месте водителя автобуса, оснащенного системой навигации на базе радиостанции «Гранит Р-24АЦ», проведены на четырех автобусах различных марок при работе радиостанции в трех режимах. В режиме приема радиостанции значения ППЭ не превышали нижний предел измерений прибора во всех точках измерений. В автобусах Мерседес и Икарус плотность потока энергии на рабочем месте водителя не превышала допустимого для населения уровня 10 мкВт/см2. В автобусе ЛИАЗ на уровне головы и грудной клетки водителя значения ППЭ соответственно равны 14,34 и 10,31 мкВт/см", что не превышает ПДУ для работающих - 25 мкВт/см2.

В современных электромобилях в качестве источников питания, как правило, используют низковольтные аккумуляторы. Именно такие (напряжением 4,1 В) установлены на электромобиле Micro-Vett Electric 35q (Италия), созданном на шасси автомобиля Isuzu NKR55. Данный автомобиль обладает следующими техническими характеристиками:

• грузоподъемность -1 т;

максимальная мощность двигателя -105 кВт; максимальная скорость - 110 км/ч;

• пробег без подзарядки аккумуляторов - 90 км;

• время зарядки аккумуляторов -8 ч.

Рабочий ток на электродвигателе составляет 149 А, напряжение 54 В.

В качестве средств измерений использовались приборы ПЗ-50 (для индукции МП ПЧ) и ВЕ-метр-АТ002 для диапазона 5.. .2000 Гц.

■ И, mk7,i [SO Гц) а N. миТл ¡5 Гц-4«Г^

ST1 _п

1 2 3 4 5 6 7 8

Рис. 3. Результаты измерений МП на электромобилях

1.6 1.4 1,2 1

0,8

\ О.б

)

На рис.3 обозначены результаты измерений МП б следующих точках и на следующих режимах:

1) свободное пространство в боксе;

2) в кабине на уровне головы водителя (без мотора);

3) возле разъема зарядного кабеля на высоте 1,5 м;

4) возле разъема зарядного кабеля на высоте 0,7 м;

5) возле зарядного щита два кабеля на высоте 1,5 м от пола, 0,4 м от

разъема;

6) в кабине на уровне головы водителя (мотор включен);

7) в кабине на уровне головы пассажира (мотор включен);

8) в движении по боксу и двору в кабине водителя.

Значения магнитной индукции в электромобиле, возле него, в боксе и во время зарядки аккумуляторов значительно меньше ПДУ. Это можно объяснить тем, что в конструкции грузового электромобиля используются в основном низкие токи. Рабочий ток 149 А протекает лишь по короткому участку кабеля от преобразователя до тягового двигателя. При этом он значительно удален от обитаемого помещения.

Рис.4. Точки измерения ЭМП в троллейбусе

Питание силовой цепи троллейбуса ЗиУ-682Б производится от контактных проводов с номинальным напряжением 550 В. Рабочие токи составляют 180...200 А, максимальный может достигать 450 А. Исходя из расположения высоковольтного оборудования в пассажирском салоне и кабине водителя троллейбуса, были выбраны точки измерений (рис. 4).

Было проведено две серии экспериментов по измерению МП в троллейбусах. В первой серии в качестве прибора для измерения МП в троллейбусе использовался квантовый магнитометр ММ-60, применяемый в магниторазведке.

Во второй серии измерений использовалась трехкомпонентная магнитометрическая система МВС-3. Эта система специально приспособлена для измерений на транспортных средствах, она устойчива к вибрациям. В составе системы - портативный компьютер. МВС-3 принадлежит к классу торсионных магнитометрических инструментов, которые традиционно применялись для измерений естественного МП в магнитных обсерваториях. Данная магнитометрическая система модернизирована на основе современных технологий и позволяет проводить непрерывные измерения, а также характеризацию профиля МП по времени и частоте в трех компонентах.

Измерения проведены в г. Москве при движении троллейбуса по маршруту №12 (протяженностью 6 км): от конечной остановки «Больница МПС» по Волоколамскому шоссе до Сокола, далее по Новопесчаной улице до разворота на Песчаной площади и обратно по Новопесчаной, Ленинградскому проспекту до троллейбусного парка №1.

В табл.3 приведены некоторые результаты двух серий экспериментов. Самые большие значения Вср=93±45 мкТл зафиксированы в кабине троллейбуса за головой водителя в 20 см от проводов, по которым текут рабочие токи до 200 А от токоприемников к контакторной панели и тяговому электродвигателю. В этой точке самый большой размах колебаний: ¿В=Вмакс-Вмин=204-36=168 мкТл. Наибольший размах зарегистрирован в горизонтальных компонентах: лВх=141 мкТл, ¿Ву=172 мкТл. Тогда как вертикальная компонента имеет меньший, но тоже значительный размах: ¿Bz=50 мкТл.

Таблица 3. - Измерения магнитной индукции в троллейбусах.

Точки измерений Втах,мкТл; Вер ^ВщМкТл А, м

Кабина За головой водителя 93±45 1,2

Справа от водителя 48±8 42±7 1,4

92±24 1,0

55±15 0,5

Салон На переднем сиденье за кабиной 30±15 28±4 1,4

21±4 1,0

37±4 0,5

Над двигателем 35±20 29±10 0,5

38±5 1,0

34±4 1,7

Над компрессором 40±6 1,4

На задней площадке во время движения троллейбуса 20±2 0,5

22±3 36±8 1,0

36±7 1,7

Там же на остановке 18,8±0,8 1,0

В троллейбусном парке 78±17 0

На Волоколамском шоссе 60,2±0,2 1,0

Серия измерений 1 2

На рис.5 представлены вариации трех компонент индукции магнитного поля в троллейбусе ЗиУ-682 (верхняя часть) в течение 3 мин. Магнитные датчики расположены за головой водителя в 1,2 м от пола. Динамические спектры мощности вариаций в диапазоне 0...50 Гц представлены в нижней части рисунка. Черно-серая шкала показана справа; черный цвет соответствует 0 дБ (максимальная амплитуда).

Видно, что магнитные поля характеризуются большой сложностью, наличием резких скачков, достигая максимума в У-компоненте в 100...200 мкТл. Причем скачки наблюдаются в широком диапазоне частот. Однако 90% мощности приходится на частоты менее 10... 15 Гц (УНЧ), что видно из шкалы, где амплитуды, обозначенные черным, в 1600 раз больше, чем амплитуды, обозначенные светло-серым цветом.

£

1

-50- 1-1 ! 1 1 1 1 1 !

£ о--50 — \firf\jnj т

р. 200 — р 15С - гг] > 0 -

о-ооос овсэо ошоо 00130 оогсо ооггзо осз-м Время (чч:мы:сс)

0:00:00 0:00:30 0:01:00 0:01:30 0:02.00 0:02:30 0:03:00 Время (чч:мм:сс)

-64 дБ '"^ОдБ Рис.5. Магнитное поле за головой водителя

По полученным в двух циклах измерений данным можно сделать следующие выводы.

1. Среднее значение индукции магнитного поля в троллейбусе меньше величины индукции магнитного поля Земли (52 мкТл). Сравнивая величину геомагнитного поля со средним значением МП Вср=18,8±0,8 мкТл, полученным при измерении на задней площадке троллейбуса во время его остановки перед светофором, когда двигатель работал в режиме холостого хода, можно отметить ослабление геомагнитного поля внутри троллейбуса более чем в 3 раза. Тогда как временный допустимый коэффициент ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах персонала в помещениях (объектах, технических средствах) в течение смены не должен превышать 2.

2. Величина индукции магнитного поля в троллейбусе резко меняет свое значение, причем наибольшие поля и их скачки наблюдаются в кабине водителя рядом с его головой. В пассажирском салоне величины индукции магнитного поля и их скачки меньше. Для всех точек измерений основной вклад в спектр вариаций вносит УНЧ-диапазон.

3. Значение индукции МП в кабине не только резко меняется со зременем, но и имеет пространственный градиент порядка 100 мкТл/м. 4. Характерно увеличение диапазона колебаний индукции МП при неравномерном движении машины с частыми разгонами и торможениями.

В главе 4 обсуждаются возможные способы снижения скачков магнитной индукции.

Для снижения возможного негативного воздействия вариации индукции МП возможно использование следующих способов:

• конструктивные методы; » компенсация;

• экранирование.

Линии магнитной индукции прямого тока представляют собой систему концентрических окружностей, охватывающих провод. Если два проводника с токами, текущими в одном направлении расположены рядом, то создаваемое ими внешнее МП усиливается. И наоборот, если токи текут в противоположных направлениях, МП ослабляется (рис.6).

Рис.6. Направление линий магнитной индукции для проводников с током.

Конструктивные методы предполагают на стадии изготовления ТС компоновку кабелей проводки в жгуты с учетом принципа суперпозиции полей.

Компенсация предполагает создание МП с вектором индукции равным по значению и противоположно направленным относительно вариаций МП, создаваемых электрооборудованием троллейбуса. Для этих целей можно использовать, например, катушки индуктивности. Так, для компенсации изменения МП в пределах ±35 мкТл необходима установка, как минимум, двух дипольных катушек диаметром 240 мм и массой около 6 кг. В условиях ограниченного пространства в кабине водителя троллейбуса это затруднительно. Кроме того, необходимо подключение компенсационного устройства к бортовой сети троллейбуса, которое следует согласовывать с

заводом-изготовителем. В связи с возникающими сложностями применение устройства для компенсации вариаций МП в троллейбусе проблематично.

Экранирование как способ снижения амплитуды изменений МП более перспективно. Физический принцип экранирования локального источника МП заключается в замыкании линий магнитной индукции. Таким образом, исключается проникновение МП наружу или внутрь замкнутого объема

Электромагнитные экраны - конструкции, предназначенные для снижения электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников. Традиционно для защиты от электромагнитных излучений использовались материалы на основе кристаллических сплавов - листовых (сталь) и плитных (пермаллой). Толщина стального листа, обеспечивающего необходимую эффективность экранирования, составляет обычно более 3 мм. Из-за неработоспособности экранов из обычных проводящих материалов при частотах менее 10 кГц необходимо их изготавливать из магнитомягких сплавов. Конструкция швов экрана из стальных листов должна обеспечивать надежный электрический контакт с низким переходным сопротивлением высокочастотным токам по периметру соединяемых деталей экрана. Для обеспечения этого требования соединение листов экрана производится герметичным швом электродуговой сварки в среде защитного газа. Данная технология, например, для оборудования экранированного помещения делает довольно сложным изготовление входов в помещение, вентиляции и вводов коммуникаций. Кроме этого, эффективность экранирования таких материалов значительно снижается вследствие механического воздействия -вибрации и деформации. Например, магнитные свойства пермаллоя марки 79НМ после деформации 10% снижаются почти в 18 раз.

(рис.7).

Рис.7. Физический принцип экранирования

В качестве материалов для электромагнитной защиты объектов транспорта наибольший интерес представляют быстрозакаленные металлические сплавы - аморфные и нанокристаллические. Такие материалы обладают хорошими магнитными, электрическими, прочностными, коррозионными свойствами. Магнитные аморфные сплавы наряду с высокой механической прочностью характеризуются исключительной «мягкостью» магнитных свойств (низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость) - они могут легко намагничиваться и размагничиваться в слабых полях. В сочетании с высоким электрическим сопротивлением это приводит к низким значениям как магнитных, так и электрических потерь.

Другим требованием, предъявляемым к экрану, является сохранение высоких магнитных свойств при наличии механических напряжений, неизбежно возникающих в материале при создании и эксплуатации защитной конструкции. Аморфные магнитомягкие сплавы полностью удовлетворяют этим требованиям.

В главе 5 описан лабораторный эксперимент по снижению транспортного МП с помощью магнитного экрана из аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и кобальта.

Экспериментальные исследования проводились с использованием магнитного экрана на основе сплава Со-Ре-№-81-Сг-В (73% Со), представленного ФГУП ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ". Экран выполнен в виде полос аморфной ленты, помещенных между слоями полимерной основы (рис. 8).

Рис.8. Структура магнитного экрана Характеристики экрана:

• ширина аморфной ленты - 2 см;

• толщина аморфной ленты - 20 мкм; е толщина экрана - 80 мкм;

• ширина экрана - 50 см;

• удельная масса экрана - 250 г/м2.

Начальная магнитная проницаемость экрана составляет ц >20000, коэффициент экранирования в диапазоне частот 50... 1000 Гц находится в

пределах от 10 до 500. Однако для целей экранирования магнитных полей в транспортных средствах представляет интерес диапазон частот 0,01...1 Гц, так как именно в этом диапазоне концентрируется самая большая мощность полей, генерированных электротранспортом.

В научно-исследовательской лаборатории С-Пб ФИЗМИРАН были проведены исследования снижения смоделированного транспортного МП. Моделировалось типичное для ускорений и торможений электротранспорта поле в виде импульсов прямоугольной формы различной длительности и с амплитудой 50...250 мкТл. Транспортное МП создавалось с помощью колец Гельмгольца. Измерения проводились магнитометром 01-МТ8-1.

На рис.9 представлены результаты измерения импульсов МП в Ъ-компоненте (246870 нТл) внутри трехслойного экрана, толщина каждого слоя ОД мм (толщина сплава 25 мкм).

20000 —

Время, с

к-

Рис.9. Результаты измерения импульсов МП

В табл. 4 можно видеть подавление МП внутри экрана при импульсах различной амплитуды и продолжительности.

Исследования показали, что транспортное МП в зависимости от его интенсивности снижается, как минимум, вдвое. Причем для наиболее сильных полей снижение составляет 5... 10 раз.

По нашему мнению, такого снижения техногенной составляющей МП должно быть достаточно для создания комфортной электромагнитной обстановки в кабине водителя троллейбуса. Кроме того, применение магнитных экранов возможно на машинах, находящихся в эксплуатации,

поскольку их установка требует лишь частичной разборки коробов с токоведухцими кабелями.

Таблица 4. - Подавление МП внутри экрана

Импульс в кольцах Гельмгольца Трехслойный экран

Z (нТл) Длительность (с) Подавление внутри экрана (раз)

-50000 10 3,84

+50000 3 2,24

+50000 2 2,27

-50000 6 2,27

-246879 8 4,84

+246879 4 6,67

+246879 4 8,23

+246879 2 7,96

Основные выводы и результаты работы

1. На основании выполненных исследований решена научно-практическая задача по разработке методики оценки ЭМП на городских ТС й объектах транспортной инфраструктуры.

2. Электромагнитные поля техногенного происхождения на урбанизированных территориях, связанные с транспортной деятельностью, являются значимым фактором негативного воздействия на окружающую среду, и в перспективе их значимость будет постоянно расти. Однако исследования в этой области находятся в начальной стадии.

3. В настоящее время нормируется уровень электромагнитного воздействия (электрической и магнитной составляющей) на население токонесущих объектов промышленной частоты, объектов сотовой связи и компьютеров. Методы оценки и нормативные значения ЭМП, создаваемые пассажирскими и грузовыми транспортными средствами в разных точках обитаемого помещения в процессе движения и на объектах транспортной инфраструктуры, не разработаны и не установлены.

4. Определены основные источники ЭМП на транспорте. Описаны их характеристики: частотный диапазон, интенсивность. Например, для троллейбуса наиболее значимыми являются токоведущие кабели высокого

напряжения и тяговый электродвигатель. Интенсивность излучения составляет до 200 мкТл в частотном диапазоне 0... 10 Гц.

5. Впервые выявлена зависимость изменения параметров ЭМП при движении троллейбуса по городскому маршруту. Установлено, что при изменении направления движения изменяется величина и направление вектора магнитной индукции.

6. Плотность потока энергии в кабине автобусов, оборудованных средствами телематики, значительно изменяется для разных моделей автобусов и в некоторых превышает ПДУ для населения. Например, для автобуса ЛИАЗ-5256 №12251 на уровне головы и грудной клетки водителя составляет 14 мкВт/см2 при ПДУ=10 мкВт/см2'

7. Уровень ЭМП на УДС очень мал и составляет величины на границе нижнего предела измерений используемых приборов. Например, индукция магнитного поля промышленной частоты на высоте 0,5 м составляет

0.005...0.57 мкТл.

Основные положения работы отражены в следующих публикациях

В изданиях по перечню ВАК (по транспорту)

1. Лелюхин, A.M. Исследование низкочастотного магнитного поля в кабине и пассажирском салоне троллейбуса /И.А. Авенариус [и др.] //Вестник МАДИ (ГТУ). - 2007. - Вып. 3(10). - С. 107-114.

В прочих изданиях

1. Leliukhin, A.M. Campo Eletromagnético em Transporte Elétrico e Saúde de Homem /I.A. Avenarius, G.I. Tichonova, A.M. Leliukhin //CBPAS - Santos, Brasil, 2003.

2. Leliukhin, A.M. Campos eitromagneticos nos onibus equipados com meios de telemática /I.A. Avenarius, V.G. Zakharov, A.M. Leliukhin //CBPAS - Santos, Brasil, 2004.

3. «Электромагнитное поле в электротранспорте и здоровье человека» науч.-техн. конф. (2003; Москва) /А.М. Лелюхин [и др.]. Материалы научно-технической конференции "Луканинские чтения" 2003 г. /МАДИ (ГТУ) - М., 2003. - С. 152-154.

4. Лелюхин, A.M. Магнитные поля в электротранспорте / A.M. Лелюхин [и др.]. Электромагнитные поля и население. Современное состояние проблемы - М.: Издательство РУДН, 2003. - С. 94 - 100.

5. Лелюхин, A.M. Нормирование ЭМП и исследования их влияния на здоровье. /И.А. Авенариус, A.M. Лелюхин. Материалы научно-технической конференции «Луканинские чтения». - М.,2005.

6. Лелюхин, A.M. Электромагнитная безопасность городского транспорта: параметры магнитных полей в трамвае, метро и троллейбусе Петербурга и Москвы /A.M. Лелюхин [и др.].// Сборник докладов Девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2006. - Санкт-Петербург. - С. 575-578.

7. Лелюхин, A.M. Возможности экранирования магнитных полей от электротранспорта. / A.M. Лелюхин [и др.].// Сборник докладов VII международного научно-практического семинара «Проблемы электромагнитной экологии в науке, технике и образовании», Ульяновск, 2008.

8. Лелюхин, A.M. Характеристики низкочастотного магнитного поля в кабине водителя и пассажирском салоне троллейбуса / A.M. Лелюхин [и др.].// V съезд по радиационным исследованиям. Тезисы докладов. - т. 3 - М. -2006.- С. 122.

9. Лелюхин, A.M. Электромагнитная безопасность городского транспорта: параметры магнитных полей в трамвае, метро и троллейбусе Петербурга и Москвы / А.М. Лелюхин [и др.].// Сборник докладов Девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2006. - Санкт-Петербург. - С. 575-578.

10. Лелюхин, A.M. Магнитное поле от электротранспорта как самая существенная компонента электромагнитной загрязненности и перспективы экранирования / A.M. Лелюхин [и др.].// Сборник докладов Девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности ЭМС-2006. - Санкт-Петербург. - С. 575-578.

Автор выражает искреннюю благодарность к.ф.-м.н., доц. И.А. Авенариус за помощь в подготовке работы.

Подписано в печать 13 мая 2010 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 19

"Техполиграфцентр" Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел.:8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71

Условные обозначения и сокращения.

1. Литературный обзор.

1.1 Электромагнитное загрязнение. Общие определения.

1.2 Естественное МП. Основные параметры.

1.2.1 Вариации естественного МП.

1.3 Техногенное МП. Основные источники.

1.3.1 Частотные диапазоны ЭМП.

1.3.2 Воздействие ЭМП на организм человека.

1.3.3 Нормирование ЭМП.

1.4 Магнитное поле, создаваемое транспортными средствами. Основные характеристики.

1.4.1 Измерения МП на транспорте.;

1.5 Задачи диссертационного исследования.

2. Теоретические основы для разработки методики оценки электромагнитных полей в городских транспортных средствах.

2.1 Основные физические величины.

2.2 Расчет индукции магнитного поля.

2.2 Методы измерений.

2.3 Приборное обеспечение.

2.4 Выводы по главе 2.

3. Экспериментальная оценка ЭМП в транспортной системе города.

3.1 Измерения на УДС.

3.2 Измерения в автобусах, оборудованных средствами телематики.

3.3 Измерения в электромобилях.

3.4 Измерения в троллейбусах.

3.5 Методика оценки электромагнитных полей, как фактора потенциального негативного воздействия на окружающую среду на объектах транспорта.

3.6 Выводы по главе 3.

4 Снижение возможного негативного воздействия МП на здоровье человека.

4.1 Способы снижения воздействия МП.

4.1.1 Конструктивные.

4.1.2 Компенсация.

4.1.3 Экранирование.

4.2 Лабораторный эксперимент по снижению транспортного МП с помощью магнитного экрана из аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и кобальта.

4.3 Выводы по главе 4.

Актуальность работы. Для снижения негативного воздействия транспортной системы крупных городов все больше используется электрический привод транспортных средств (ТС). Например, правительством г. Москвы ведется планомерная работа по широкому применению пассажирского и грузового электротранспорта на территориях повышенной экологической ответственности, а также транспортной техники, использующей альтернативные источники энергии, в том числе электрические.

Транспортные средства с электроприводом обладают следующими преимуществами:

• отсутствие выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации

ТС;

• меньший уровень шума;

• высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты вращения двигателя;

• возможность возврата энергии во время рекуперативного торможения.

На транспортных средствах и объектах транспортной инфраструктуры все большее применение находят средства телематики и специальное оборудование, предназначенные для повышения организации и безопасности дорожного движения, транспортного комфорта. В их числе: электронные устройства бортовой диагностики и управления, пассивные и активные средства шумо- и виброзащиты, системы навигации, оперативного доступа к информации и развлечения (интернет, мобильная связь, аудио- и видеоаппаратура), устройства климаторегулирования, очистки воздуха, системы обеспечения безопасности (распознавание образов и использование лобового стекла в качестве дисплея для отображения информации, предотвращение столкновений и принудительное ограничение динамических качеств), средства защиты от несанкционированного доступа и др.

В этих условиях к обычным факторам негативного воздействия транспортной системы города на окружающую среду добавляется новый — электромагнитное загрязнение.

Целью работы является разработка методики экспериментальной оценки параметров электромагнитных полей (ЭМП) на объектах транспорта.

Задачи диссертационного исследования

1. Выявить значимость ЭМП техногенного происхождения как фактора вредного воздействия на окружающую среду.

2. Выявить и описать основные источники ЭМП на городских транспортных средствах.

3. Разработать методику экспериментальной оценки ЭМП на городских транспортных средствах и выявить закономерности изменения ЭМП.

4. Предложить метод снижения негативного воздействия транспортного магнитного поля (МП) на здоровье человека.

Объект исследования — подвижной состав транспортной системы города, а так же улично-дорожная сеть.

Предмет исследований -Характеристики ЭМП на транспорте, их источников и особенностей распространения в транспортных средствах и на УДС, как фактора потенциального вредного воздействия на окружающую среду.

Научная новизна:

• Выявлены и идентифицированы источники электромагнитных полей, фактора потенциально вредного воздействия на окружающую среду, в автобусах, троллейбусах и электромобилях.

• Определены величины электромагнитных полей внутри салона автобусов, троллейбусов и электромобилей и на УДС.

• Разработана методика измерения параметров ЭМП в троллейбусах, автобусах, электромобилях и на УДС.

• Предложен метод, и оценена эффективность снижения 6 транспортного магнитного поля.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики оценки электромагнитной обстановки на транспортных средствах и возможности применения предложенных рекомендаций по снижению негативного воздействия МП на городском электротранспорте.

Апробация работы. Результаты исследования были изложены на Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», Ст. Петербург 2006 и 2008гг., на VII международном научно-практическом семинаре «Проблемы электромагнитной экологии в науке, технике и образовании», Ульяновск, 2008, на научно-технической конференции «4-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем а автотранспортном комплексе», Москва, 2009, на международных научных конференциях по проблемам окружающей среды и здоровья в Бразилии (r.Santos, 2002, 2003гг.).

Реализация результатов работы. Полученные результаты и разработанные методики используются в учебном процессе МАДИ, предложены к использованию

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ, из которых 1 научная статья в рекомендованном ВАК РФ издании.

Основные выводы и рекомендации

1. На основании выполненных исследований решена научно-практическая задача по разработке методики оценки ЭМП на городских ТС. Электромагнитные поля техногенного происхождения на урбанизированных территориях являются значимым фактором негативного воздействия на окружающую среду. Причем на состояние здоровья людей отрицательно могут влиять ЭМП как низко- так и высокочастотные, как малой, так и значительной интенсивности. Создаются такие поля и городским пассажирским транспортом, в том числе, электрическим и оснащенным средствами телематики. Однако исследования в этой области находятся в начальной стадии.

2. В настоящее время нормируется, в основном, уровень электромагнитного воздействия (электрической и магнитной составляющей) на население токонесущих объектов промышленной частоты, а также объектов сотовой связи и компьютеров. Методы оценки и нормативные значения ЭМП, создаваемые пассажирскими транспортными средствами (автобусами, троллейбусами, трамваями) в разных точках обитаемого помещения в процессе движения пока не разработаны и не установлены.

3. Определены основные источники ЭМП на транспорте. Описаны их характеристики: частотный диапазон, интенсивность. Например, для троллейбуса наиболее значимыми являются токоведущие кабели высокого напряжения и тяговый электродвигатель. Интенсивность излучения составляет до 200 мкТл в частотном диапазоне 0.10 Гц. В автобусах, оснащенных средствами телематики, основным источником излучений является антенна радиостанции, работающая на частоте 300. 350 МГц. Плотность потока энергии электромагнитного излучения в режиме передачи в разных машинах составили 1,31. 14,34 мкВт/см2.

4. Выявлена зависимость изменения параметров ЭМП при движении троллейбуса по городскому маршруту. Установлено, что при изменении режимов движения изменяется величина и направление вектора магнитной индукции.

5. Плотность потока энергии ЭМП в кабине автобусов, оборудованных средствами телематики, значительно изменяется от места установки антенны и конструктивных особенностей каждой модели, но не превышает ПДУ для работающих. Например, для автобуса ЛИАЗ-5256 №12251 на уровне головы и грудной клетки водителя составляет 14 мкВт/см при ПДУ 25мкВт/см .

6. Уровень электромагнитных полей промышленной частоты и радиочастотного диапазона на УДС очень мал и составляет величины на границе нижнего предела измерений используемых приборов. Например, индукция магнитного поля промышленной частоты на высоте 0,5 м составляет 0,005.0,57 мкТл.

7. Электромагнитная обстановка в кабине водителя троллейбуса является неблагоприятной и может оказывать негативное воздействие на здоровье человека. Отмечено ослабление геомагнитного поля внутри троллейбуса более чем в три раза. В кабине водителя индукция магнитного поля во время движения резко меняет значение в диапазоне 36.204 мкТл.

8. Проведенные исследования показали высокую эффективность экранов из аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и кобальта для снижения амплитуды колебаний МП в троллейбусе. Для импульса магнитного поля продолжительностью 4 с и величиной 247 мкТл снижение составило 8,3 раза.

1. Avenarius, I.A. Campo Eletromagrtetico em Transporte Etetrico e Saude de Homem /I.A. Avenarius, G.I. Tichonova, A.M. Leliukhin //CBPAS -Santos, Brasil, 2003.

2. Baris, D. A mortality study of electrical utility workers in Quebec / D. Baris, B. Armstrong, J. Deadman //Occup. Environ. Med. 53, 25 (1996).

3. Electromagnetic fields and public health. Exposure to extremely low frequency fields: Fact sheet no. 322: June 2007/WHC). Geneva: Programmes and projects, 2007.

4. Muc, A.M. Electromagnetic Fields Associated with Transportation Systems / A.M. Muc, Ph.D. //Radiation Health and Safety Consulting Toronto, 2001.

5. Ptitsyna, N.G. Possible effect of geomagnetic disturbances on the incidence of traffic accidents (St. Petersburg 1987-1989) /N.G. Ptitsyna G. and other //Physica Medica. Vol. XI, N.3, July-September 1995.

6. Ptitsyna, N.G. Waveform Magnetic Field Survey in Russian DC and Swiss AC Powered Trains: A Basis for Biologically Relevant Exposure Assessment /N.G. Ptitsyna and other //Bioelectromagnetics. 2003. - 24: 546-556.

7. Schwendimann, M. H-field Measurements in the 1С / M. Schwendimann // EMF Report: Edition 1. 2000.

8. Villoresy, G. Health effect among engine drivers: possible association with occupational exposure to magnetic field from DC electrified transport /G.

9. Villoresy and other // Kluwer Academic /Plenum Publishers, 1999. — P. 777780.

10. Анализ заболеваемости работников ж/д транспорта в связи с уровнем магнитных полей от тяговых двигателей / В.А. Кудрин и др. //Гигиена и санитария. 1995. - №3. - С. 13-16.

11. Веклич В.Ф. Диагностирование технического состояния троллейбусов /В.Ф. Веклич. М.: Транспорт, 1990 г.

12. Гинкин, Г.Г. Справочник по радиотехнике /Г.Г. Гинкин. М.: Государственное энергетическое издательство, 1948 г.

13. Горский, А.Н. Электромагнитные излучения и защита от них: учебное пособие /А.Н. Горский, Л.К. Васильева; Петербургский государственный университет путей сообщения. СПб., 2000. - 101 с.

14. Григорьев, Ю.Г. К совершенствованию методологии нормирования ЭМП радиочастот /Ю.Г. Григорьев, А.В. Шафиркин, А.Л. Васин //Ежегодник РНКЗНИ М., 2004. - С. 108-150.

15. Исследования в области магнитных измерений /В.В. Григорьев-Голубев и др. //Расчет магнитного поля системы дипольных катушек. Ленинград, 1974 г. - выпуск 152(212).

16. Ицков, В.Я. О практике государственного санитарно-эпидемиологического надзора за базовыми станциями и абонентскими терминалами сотовой связи /В.Я. Ицков //Сотовая связь и здоровье: медико-биологические и социальные аспекты. М., 2004. - С. 180-183.

17. Климченко, Л.Н. Безопасность труда при эксплуатации и ремонте подвижного состава в условиях магнитных полей: дис. . канд. техн. наук /Лев Николаевич Климченко; МИИТ. М., 1984.

18. Копытенко, Ю.А. Магнитные поля, генерериванные электротранспортом: измерения, оценка параметров воздействия и риска для здоровья /Ю.А. Копытенко и др. //Сборник докладов шестой российской научно-технической конференции. СПб.: ЭМС, 2000.-С. 481-484.

19. Лебедева, Н.Н. О чувствительности человека к электромагнитным полям /Н.Н. Лебедева, А.Б. Вехов, С.И. Баженова //Проблемы электромагнитной нейробиологии. М.: Наука, 1988. - С. 85.

20. Лелюхин, A.M. Исследование низкочастотного магнитного поля в кабине и пассажирском салоне троллейбуса /И.А. Авенариус и др. //Вестник МАДИ (ГТУ). 2007. - вып. 3(10). - С. 107-114.

21. Лелюхин, A.M. Магнитные поля в электротранспорте /И.А. Авенариус и др. // Электромагнитные поля и население. Современное состояние проблемы. М.: Издательство РУДН, 2003. - С. 94 - 100.

22. Москалев, Б.А. Как воздействуют электрические и магнитные поля на человека /Б.А. Москалев, В.Б. Попов //Электрическая и тепловозная тяга. 1998. - №8. - С. 32-33.

23. Никитина, В.Н. Исследование антропогенных электромагнитных полей в электропоездах и технологических зонах метрополитена /В.Н. Никитина, Г.Г. Ляшко, Ю.А. Копытенко //Медицина труда и промышленная экология. 2001. - №10. - С. 25-27.

24. Никитина, В.Н. Разработка и внедрение комплексной системы и лечебно-профилактических мер защиты персонала метрополитена от воздествия магнитных полей и др. неблагоприятных факторов / В.Н. Никитина, В.М. Гагарина. СПб., 1999.

25. Реутов, Ю.Я. Магнитные поля, действующие на человека, и другие биологические объекты в условиях современного города /Ю.Я. Реутов, А.А. Литвиненко //Экология. 1987. - №1. - С. 66-73.

26. Савельев, И.В. Курс общей физики /И.В. Савельев. М.: Наука, 1979. -т. 3.

27. Савельев, И.В. Курс общей физики /И.В. Савельев. М.: Наука, 1988. -т. 2.

28. СанПиН 2.1.2.1002-00. Утвержден 2000-12-15. - М.: ФЦГСЭН Минздрава России, 2001. - 23 с.

29. СанПиН 2.2.4.1191-03. Электромагнитные поля в производственных условиях. Введен 2003-05-01. - М.: ФЦГСЭН Минздрава России, 2003.

30. Свидовый, В.И. Электромагнитные поля человек - окружающая среда / В.И. Свидовый, В.Н. Никитина. - СПб.: Изд-во ООО АБЕВЕГА, 2001.-45 с.

31. Смертность от инфарктов среди работников швейцарской федеральной железной дороги: возможный вклад КНЧ магнитных полей /Д. Пфлюгер и др. //V съезд по радиационным исследованиям: тезисы докладов т. 3 -М., 2006.- С. 101.

32. Тимохова, Г.Н. Характеристика электромагнитной обстановки в подпалубных пространствах судов /Т.Н. Тимохова и др.//Сборник докладов 6 научно-технической конференции «ЭМ совместимость технических средств и биологических объектов». СПб., 2000.

33. Тройкин, М.Ф Электрокары и погрузчики /М.Ф. Тройкин, Н.С. Ушаков. Ленинград: Машиностроение, 1967.

34. Характеристики низкочастотного магнитного поля в кабине водителя и пассажирском салоне троллейбуса /Н.Г. Птицына и др. //V съезд по радиационным исследованиям: тезисы докладов М., 2006. - С. 122.

35. Электромагнитные поля и здоровье человека /под редакцией Ю.Г. Григорьева. М.: изд-во РУДН, 2002. - 177 с.

36. Электромагнитные поля промышленной частоты и обеспечение безопасности их воздействия на население /Н.Б. Рубцова и др. //Ежегодник РНКЗНИ. М., 2004. - С. 73-81.