автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Экологический мониторинг и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи

СВИРИДОВА ЕВГЕНИЯ ЮРЬЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (на примере города Ногинска)

Специальность: 05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 [.:др Ш

Москва-2012

005014125

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет «МАМИ».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Графкина Марина Владимировна

Суздалева Антонина Львовна, доктор биологических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений», Отдел экологических проблем энергетики, начальник отдела

Жук Пётр Михайлович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)», кафедра Архитектурного материаловедения, доцент

Ведущее предприятие:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Защита диссертации состоится 29 марта 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «МГСУ».

Автореферат разослан ^ *) . С) 0 _ 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов Александр Дмитриевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Интенсивное использование электрической энергии в современном обществе привело к тому, что за последние десятилетия возник и сформировался еще один значимый антропогенный негативный фактор урбанизированных территории -электромагнитное загрязнение окружающей среды.

Всемирная организация здравоохранения на основании анализа результатов Международного проекта по электромагнитным полям пришла к выводу о недостаточности исследований по результатам негативных последствий долгосрочного низкоуровневого воздействия электромагнитных полей (ЭМП) крайне низкой частоты (0-100000 ГЦ) и сформулировала рекомендации, среди которых необходимость продолжения исследовании по определению негативных последствий для здоровья человека и способов снижения уровней воздействия ЭМП при строительстве новых сооружении.

Одним из основных источников электромагнитного загрязнения урбанизированных территорий в названном диапазоне частот являются линии

электропередачи (ЛЭП).

Для защиты населения от ЭМП ЛЭП в строительстве предусмотрен ряд

обязательных мероприятий, а именно:

- экологическое обоснование хозяйственной и иной деятельности в предпроектной и проектной документации в соответствии с СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»;

- проведение экологических изысканий для строительства путем исследования электромагнитного излучения, которые должны осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях, в соответствии с СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства». При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия;

- установка и соблюдение санитарно-защитных зон (СЗЗ) в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий сооружений и иных объектов»;

- использование инженерно-технических методов защиты от ЭМП ЛЭП (чаще всего экранирование) при строительстве и реконструкции объектов.

В то же время анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал что низкочастотные ЭМП оказывают влияние на уровень и динамику заболеваемости взрослого и детского населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередачи. А также, что, несмотря на значительный объем публикаций в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного

электромагнитного загрязнения городской среды.

Актуальность данной диссертации определяется необходимостью

развития мониторинга и способов повышения защищенности окружающей среды и человека на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП различного класса напряжения, что имеет существенное значение для обеспечения устойчивого развития населенных пунктов и защиты человека от негативного воздействия электромагнитного загрязнения городской среды.

Степень разработанности проблемы.

Следует высоко оценить научные работы ряда авторов, посвященные исследованию ЭМП ЛЭП и повышению электромагнитной безопасности строительных объектов: Е.А.Васильева, В.Н.Довбыша, Ю.Д.Думанского, Д.С.Иванова, В.С.Петрунина, В.В.Соловьева, М.Г.Шандалы, Д.НЛЛапиро и др.

В указанных работах раскрывается методика проведения электромагнитного мониторинга и предложены основные методы снижения уровней электрических полей, которые могут применяться при строительстве объектов:

-оптимальное расположение объекта по отношению к ЛЭП (по возможности при подборе земельного участка для размещения объекта должен быть выбран участок максимально удаленный от ЛЭП);

- электромагнитное экранирование.

В.В.Соловьев проводил исследования эффективности экранирования различных строительных материалов, таких как кирпич, дерево, стекло. В результате выявлено, что кирпич обладает лучшими экранирующими свойствами напряженности электрического и магнитного поля, чем дерево, или стекло.

Д.Н.Шапиро проанализировал эффективность применения экранов-сеток. Установлено, что при экранировании ЭМП промышленной частоты с помощью экрана-сетки более эффективны редкие сетки из толстой проволоки, в то время как для более высоких частот - густые сетки из более тонкой проволоки.

Однако анализ современной литературы показал, что в настоящее время проблема электромагнитного мониторинга и повышения электромагнитной безопасности строительных объектов вблизи ЛЭП проработана недостаточно, в т.ч. отсутствуют исследования характеристик ЭМП различного класса напряжения в пределах одного населенного пункта и при повороте трассы ЛЭП, исследования экранирующих характеристик различных кровельных строительных материалов, а также влияния ориентации экрана по отношению к ЛЭП на эффективность электромагнитного экранирования и др.

Цель диссертационной работы: развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП (на примере г. Ногинска).

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ проблемы экологического мониторинга электромагнитного загрязнения застроенных территорий.

2. Исследование, анализ и оценка ЭМП ЛЭП различного класса напряжения на территории г. Ногинска.

3. Теоретическое обоснование и разработка метода расчета распространения ЭМП ЛЭП.

4. Исследование и анализ электромагнитного экранирования

строительных материалов.

5 Разработка научно-практических рекомендаций и апробация мероприятий по повышению Эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП.

Область исследования: развитие мониторинга и методов защиты от электромагнитного загрязнения городской среды вблизи ЛЭП.

Объект исследования: объекты городского хозяйства и их взаимодействие с экологическим фактором электромагнитного загрязнения

застроенных территорий.

Теоретической и методологической базой исследования являются: теория и методы проектирования строительных объектов, теория и метода экологического мониторинга, теория и методы расчета электромагнитных полей, теория эксперимента и обработки экспериментальных данных, теория и

методы защиты окружающей среды и др.

Нормативно-информационную базу исследования составили законодательные и нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, нормативы по регламентации ЭМП, периодические издания, книги, статьи отечественных и зарубежных авторов, диссертации,

материалы научных конференций и др.

Наиболее существенные результаты диссертационнои работы,

имеющие признаки научной новизны:

1 В целях развития мониторинга урбанизированных территории вблизи ЛЭП на основании натурных исследований проведено теоретическое обоснование и разработан расчетный метод определения электромагнитного загрязнения.

2 На основании сплайн-интерполяции экспериментальных данных разработаны модель, алгоритм и программа для ЭВМ «Расчет электромагнитных полей линий электропередачи» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125). Реализация данной программы позволяет определять напряженность электрического и магнитного полей на различных расстояниях от ЛЭП заданного напряжения при линейном расположении трассы, а также в случае ее поворота.

3 В результате экспериментальных лабораторных и натурных исследований определены эффективность электромагнитного экранирования различных кровельных строительных материалов и влияние ориентации электромагнитного экрана на эффективность экранирования.

Практическая значимость и реализация результатов работы. ^

1. Разработан метод инструментального контроля уровней ЭМП урбанизированных территорий вблизи ЛЭП в случае поворота трассы.

2 Проведены натурные исследования и получены данные об электромагнитном загрязнении территорий г. Ногинска. Полученные результаты приняты к сведению администрацией Ногинского муниципального района (Акт внедрения администрации Ногинского муниципального района).

3 Проведена апробация рекомендаций по повышению эффективности

электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП (Акт внедрения «Глуховское строительно-монтажное управление» и Акт внедрения СПБ «Электросетьремонт»).

Основные защищаемые положения.

1. Результаты проведенного инструментального электромагнитного мониторинга территорий г. Ногинска, расположенных вблизи ЛЭП различного класса напряжения.

2. Метод определения уровней ЭМП при повороте трассы ЛЭП.

3. Расчет и определение ЭМП на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП методом сплайн-интерполяции экспериментальных данных на основе разработанных модели, алгоритма и программы для ЭВМ.

4. Результаты исследований по повышению эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП:

-влияние заземления и ориентации экрана на эффективность электромагнитного экранирования;

-эффективность экранирования различных кровельных строительных материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции «Экология, образование и здоровый образ жизни» (Тула, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (Уфа, 2009 г.) Международной научно-технической конференции, посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2010 г.), Международной конференции «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты » (Тула, 2010), Международной телеконференции «Фундаментальные науки и практика» (Томск, 2011) и др.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125 от 11.01.2011.

Объем и структура работы. Диссертация объемом 146 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования, и 2 приложений общим объемом 28 страниц. В ней содержится 32 рисунка и 18 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной работы, дана общая характеристика исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе «Анализ проблемы экологического мониторинга и электромагнитной безопасности урбанизированных территорий» проведен анализ требований, принципов регламентации электромагнитной безопасности

урбанизированных территорий и методов защиты от ЭМП, а также работ по мониторингу ЭМП и их влиянию на здоровье населения.

На основе проведенного анализа выявлено, что, несмотря на значительный объем публикаций, в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного загрязнения городской среды, что свидетельствует об актуальности дальнейшего изучения данного вопроса. Целесообразным является:

- натурные исследования электромагнитного загрязнения территории г. Ногинска, расположенных вблизи ЛЭП различного класса напряжения;

-определение расстояний от проекции проводов ЛЭП, на которых достигается предельно допустимый для населения уровень напряженности

электрического поля;

- исследование ЭМП при повороте трассы ЛЭП;

-исследование эффективности электромагнитного экранирования различных кровельных строительных материалов;

-исследование влияния заземления экрана на эффективность электромагнитного экранирования;

-влияние ориентации экрана на эффективность экранирования.

Во второй главе «Развитие системы экологического мониторинга электромагнитных полей линий электропередачи» урбанизированные территории вблизи ЛЭП рассматривается как объект электромагнитного мониторинга; представлены результаты исследования уровней ЭМП на территории г. Ногинска вблизи ЛЭП различного класса напряжения, при линейном расположении трассы и в случае ее поворота (рис. 1-3); проведено теоретическое обоснование и разработан метода расчета распространения электромагнитных полей ЛЭП.

Напряжённость Е <1/и электрического поля ЛЭП

1

/

■1

II4 1/2 31/4 I

I. • расстояние между двумя опорами ЛЭП

—ЛЭЯ 500 к8

-»-ЛЭП 330 кВ

-й—ЛЭППОиВ

-ПДУ для

населения

Напряжённость магнитного поляЛЭП

У

г \

/

-

Ш

иг зі/4 і

между двумя опера»,« лэп

-*—ЛЭП 500 кв -«—ЛЭП 330 кВ —*—ЛЭП 110 к8

б)

Рисунок 1. Напряженность электрического (а) и магнитного поля (б) вдоль пролёта трассы ЛЭП

а) 6)

Рисунок 2. Напряженность электрического (а) и магнитного поля (б) при линейном расположении трассы ЛЭП

Напряжённость

Напряжённость

Напряжённость

Напряжённость

а) 6)

Рисунок 3. Напряженность электрического (а) и магнитного поля (б) при повороте трассы ЛЭП

Для того чтобы оценить негативное воздействие ЭМП ЛЭП различного класса напряжения на здоровье населения был проведен анализ медицинских сведений кардиологического и неврологического отделения Центральной районной больницы. Наибольший интерес для исследования представляли населенные пункты, имеющие приблизительно одинаковую численность населения. Проведено сравнение заболеваний жителей микрорайона №1 (по территории которого проходит ЛЭП 500 кВ), микрорайона № 2 (по территории которого проходит ЛЭП 330 кВ), микрорайона № 3 (по территории которого проходит ЛЭП 110 кВ) и микрорайонов № 4,5,6 удаленных от ЛЭП на значительные расстояния. Результаты представлены на рис. 4-5.

различных населенных пунктах

Рисунок 4. Исследование заболеваний нервной системы жителей

Количество заболеваний сердечнососудистой системы в различных населенных пунктах (на 1000 жителей)

Рисунок 5. Исследование заболеваний сердечно-сосудистой системы жителей

Анализ результатов показал, что прослеживается корреляция между уровнем заболеваемости населения и классом напряжения и отдаленностью от трассы ЛЭП.

В настоящее время нет утвержденных методик по измерению магнитных полей воздушных ЛЭП и методик по измерению электрических и магнитных

полей в случае поворота трассы ЛЭП.

Измерения магнитного поля осуществлялись по аналогии с методикой измерения электрического поля, а для измерения ЭМП при повороте трассы ЛЭП предложен метод измерения на различных расстояниях от угловой опоры по биссектрисе угла поворота трассы, так как в результате исследований было установлено, что именно по биссектрисе угла поворота трассы зафиксированы наибольшие значения напряженностей электрического и магнитного поля.

Предельно допустимый уровень напряженности электрического поля для населения составляет 0,5 кВ/м, для зоны жилой застройки - 1 кВ/м. По данным проведенных измерений выявлено, что на границе установленных СЗЗ уровень напряженности электрического поля не превышает предельно допустимой величины для зоны жилой застройки, но в тоже время напряженность электрического поля становится ниже допустимой для населения величины на расстоянии 6 м от границы СЗЗ для ЛЭП 330 кВ, 8м - для ЛЭП 500 кВ.

Для выбора способа интерполяции полученных экспериментальных результатов измерения уровней электромагнитных полей были проанализированы полиномиальная интерполяция, рациональная интерполяция (алгоритм Булирша-Штера), интерполяция сплайнами. Каждый из способов имеет свои преимущества и свои недостатки.

Основным достоинствами полиномиальной интерполяции являются: простота реализации; однозначность построения кривой для заданного набора точек. Однако при применении данного способа интерполяции с ростом числа точек у интерполяционной кривой возникают осцилляции на концах графика. Учитывая, что для оценки электромагнитного загрязнения в заданной точке урбанизированной территории важны фактические, даже минимальные значения, применение полиномиальной интерполяции в данном случае нецелесообразно.

Достоинствами рациональной интерполяции являются высокая точность и неподверженность свойственным полиномиальной интерполяции проблемам. Вместе с тем, есть и недостатки: не всегда можно построить интерполирующую рациональную функцию. Также большую проблему представляют полюса, которые имеют тенденцию появляться там, где их никто не ожидает увидеть, поэтому применении данного способа для интерполяции экспериментальных результатов также считаем нецелесообразным.

Основным достоинством сплайн-интерполяции является её устойчивость и высокая точность. Системы линейных уравнений, которые требуется решать для построения сплайнов, очень хорошо обусловлены, что позволяет получать коэффициенты полиномов с высокой точностью. К недостаткам данного способа интерполяции относят трудоемкость вычислений.

На основе проведенного анализа считаем целесообразным для интерполяции экспериментальных результатов измерения электромагнитных полей использовать интерполяцию сплайнами.

В целях развития мониторинга урбанизированных территорий вблизи ЛЭП на основании натурных исследований разработан расчетный метод определения электромагнитного загрязнения. На основании сплайн-

интерполяции экспериментальных данных разработан алгоритм расчета.

Данный алгоритм включает в себя:

- ввод данных (исследуемый параметр (напряженность электрического поля/напряженность магнитного поля), напряжение ЛЭП, положение относительно ЛЭП, расстояние от ЛЭП);

- расчет напряженности поля с помощью интерполяции кубическими сплайнами;

- построение графика зависимости напряженности поля от расстояния;

- вывод значения напряженности поля в заданной точке.

Для расчета ЭМП ЛЭП была написана на языке Delphi программа «Расчет электромагнитных полей линий электропередач» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125 от 11.01.2011), ниже приведены расчетные зависимости.

Е,(х) = ав + Ь„(х - х,) + -х,)г +^-(х-х,Г, (1)

2 о

где Е - значение напряженности электрического поля, кВ/м;

х,х,~ расстояние от ЛЭП заданного напряжения, м;

"Ei'bEi>cs - коэффициенты кубического сплайна.

НМ = аш+Ьш(у-У,) + ^(у-У,Г+^-{у-У1)\ (2)

где Н - значение напряженности электрического поля, А/м;

у,у,-расстояние от ЛЭП заданного напряжения, м;

ат'Ьш'ст <dm-коэффициенты кубического сплайна.

Программа позволяет определять напряженность электрического и напряженность магнитного поля на различных расстояниях от ЛЭП заданного класса напряжения при линейном расположении трассы (рис. 6), а также в случае ее поворота (рис.7).

3

3

Положение ОГИООГвГЬНО ПЭП } Точка лсворога грассы ЛЭП Вывести на раигоякии, и

15---------

Рисунок 7. Расчет напряженности магнитного поля ЛЭП 500 кВ при повороте трассы на расстоянии 19 м от угловой опоры

Результаты, полученные с помощью данной программы, отличаются от значений напряженности электрического и магнитного поля, рассчитанных с помощью аналитических методик, не более чем на 1,4%.

Использование разработанного программного комплекса является целесообразным для проведения предстроительного экологического мониторинга при размещении объектов вблизи ЛЭП, а также для анализа уровня электромагнитного загрязнения урбанизированных территорий.

В третьей главе «Исследование электромагнитного экранирования строительных материалов» приведены теоретический анализ электромагнитного экранирования, анализ экранирующих особенностей строительных материалов, а также результаты исследования эффективности электромагнитного экранирования кровельных материалов.

Важным этапом при строительстве объектов является выбор необходимых строительных материалов, который позволяют обеспечивать не только прочность, надежность, эргономичность зданий и сооружений, но и их безопасность для человека.

Электромагнитными экранирующими свойствами обладают практически все известные на сегодняшний день строительные материалы.

В настоящее время недостаточно исследовательских данных об эффективности экранирования ЭМП кровельными материалами. Для проведения исследования была создана лабораторная установка (рис. 8).

Результаты проведенного эксперимента по исследованию эффективности электромагнитного экранирования кровельных материалов приведены в табл. 12, а также на рис. 9-10.

13

Рисунок 8. Установка для исследования эффективности экранирования

Таблица 1

Эффективность экранирования электрического поля промышленной частоты

Таблица 2

Эффективность экранирования магнитного поля промышленной частоты

Рисунок 9. Эффективность экранирования электрического поля кровельными материалами

кровельными материалами

Материал Напряженность электрического поля без использования экрана, кВ/м Напряженность электрического поля при использовании экрана, кВ/м Эффективность экранирования, дБ

Рубероид 4,34 3,11 2,89

Шифер 4,34 2,57 4,55

Ондулин 4,34 2,01 6,68

Металлочерепица 4,34 1,01 12,66

Листовая сталь 4,34 0,79 15,73

кровельными материалами

Материал Напряженность электрического поля без использования экрана, кВ/м Напряженность электрического поля при использовании экрана, кВ/м Эффективность экранирования, дБ

Рубероид 2,18 1,73 2,01

Шифер 2,18 1,32 4,35

Ондулид 2,18 1,11 5,86

Металлочерепица 2,18 0,49 12,96

Листовая сталь 2,18 0,45 15,30

Рисунок 10. Эффективность экранирования магнитного поля кровельными материалами

В результате, проведенного эксперимента установлено, что в порядке повышения эффективности экранирования ЭМП кровельные материалы можно выстроить следующим образом: рубероид, шифер, ондулин, металлочерепица, листовая сталь.

В четвертой главе «Научно-практические рекомендации по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП» обобщены рекомендации по повышению электромагнитной безопасности и приведены результаты их апробации.

Мероприятия по защите от ЭМП предполагают снижение их интенсивности до уровней, не превышающих предельно допустимые. Защита обеспечивается выбором конкретных методов и средств, с учетом их экономических показателей, простотой и надежностью эксплуатации. Организация этой защиты подразумевает:

- оценку уровней интенсивности излучений и их сопоставление с нормативными документами;

- выбор необходимых мер и средств защиты, обеспечивающих степень защищенности в заданных условиях;

- организацию системы контроля над функционирующей защитой.

В настоящее время наиболее перспективным методом снижения негативного воздействия ЭМП считается замена воздушных ЛЭП на кабельные подземной прокладки высоковольтные линии, которые сокращают излучение электрических полей в 5-6 раз и могут быть спроектированы, так чтобы не излучать магнитные поля, имеют улучшенные характеристики по потери мощности, высокую стойкость при аварийных нагрузках. Основным сдерживающим фактором использования подземных кабелей в настоящее время является их высокая стоимость.

Апробация предложенных научно-практических рекомендаций по повышению электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП включала в себя:

-апробацию в естественных условиях;

-апробацию на существующем строительном объекте.

При проведении натурных экспериментов на расстоянии 10 м от проекции середины крайнего провода ЛЭП 500 кВ на высоте 1,8 м от

поверхности земли были проведены замеры напряженностей электрического и магнитного поля. Затем в той же точке на высоте 2 м от уровня земли поочередно размещались навесы площадью 2,8 м2 и углом между двумя пластинами 50' из шифера, ондулина, металлочерепицы и листовой стали. Каждый навес размещался сначала продольно по отношению к проводам ЛЭП (рис. 11), а затем поперечно (рис. 12).

Результаты эксперимента представлены в табл. 3.

Таблица 3

Экранирование ЭМП кровельными материалами в границах СЗЗ ЛЭП

Строительный материал При расположении навеса продольно по отношению к проводам ЛЭП При расположении навеса поперечно по отношению к проводам ЛЭП

Еь кВ/м Нь А/м Еі, кВ/м На А/м

Шифер 5,60 3,31 5,62 3,32

Ондулин 5,52 3,26 5,56 3,28

Металлочерепица 4,47 3,01 4,50 3,03

Листовая сталь 3,89 2,35 3,91 2,36

Апробация подтвердила лучшую эффективность экранирования ЭМП такими кровельными материалами как листовая сталь и металлочерепица, а также при ориентации экрана-навеса продольно по отношению к проводам ЛЭП.

Для апробации решений по снижению уровней ЭМП ЛЭП на существующем строительном объекте был проведен следующий эксперимент.

На строительном объекте (на расстоянии 25 м от ЛЭП 500 кВ) площадью 20 м2 с крышей из рубероида проведены измерения напряженностей электрического и магнитного полей при различных условиях:

- отсутствие каких-либо мер по снижению электромагнитных полей;

- после покрытия крыши листовой сталью;

- после заземления крыши из листовой стали в одной и двух точках.

Проведенное исследование подтвердило, что экранирование с помощью

установки крыши из листовой стали является эффективным методом снижения уровней ЭМП при строительстве, при чем его эффективность может быть повышены с помощью заземления экрана в нескольких точках.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результатом данной диссертационной работы является развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП. При этом:

1. Анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал, что несмотря на значительный объем публикаций, в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения, и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного за1рязнения городской среды.

2. Проведены натурные исследования и получены данные электромагнитного загрязнения территорий г. Ногинска. Анализ медицинских сведений об уровне заболеваемости населения выявил корреляцию между уровнем заболевания населения и напряженностью электрического и магнитного полей ЛЭП различного класса напряжения.

3. В целях развития экологического мониторинга предложен метод инструментального контроля уровней ЭМП урбанизированных территорий вблизи ЛЭП в случае поворота трассы.

4. На основании натурных исследований проведено теоретическое обоснование и разработан расчетный метод определения электромагнитного загрязнения. С помощью сплайн-интерполяции экспериментальных данных, разработаны модель, алгоритм и программа для ЭВМ «Расчет электромагнитных полей линий электропередачи». Реализация данной программы позволяет определять напряженность электрического и магнитного полей на различных расстояниях от ЛЭП заданного напряжения при линейном расположении трассы, а также в случае ее поворота.

5. В результате экспериментальных лабораторных и натурных исследований определены эффективность электромагнитного экранирования различных кровельных строительных материалов и влияние ориентации электромагнитного экрана на эффективность экранирования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Исследование электромагнитных полей линий электропередач и рекомендации по снижению их негативного воздействия.//Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, №2,2010. - с.1-3.

2. Свиридова Е.Ю. Методы снижения уровней электромагнитных полей линий электропередач при строительстве и реконструкции объектов. //Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, №3,2010. - с.1-3.

3. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Исследование эффективности электромагнитного экранирования кровельных строительных материалов.//Научно-технический журнал «ВестникМГСУ»,№1,т.1- Москва,МГСУ,2011. -с.413-417.

Прочпе:

4. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В., Факеев А.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125 «Расчет электромагнитных полей линий электропередач» от 11.01.2011.

5. Свиридова Е.Ю. Электромагнитные поля линий электропередач и их негативное воздействие на жителей города Ногинска.//Фундаментальные науки и практика: сборник научных работ с материалами трудов 2-ой международной телеконференции. - Томск, 2010. -с. 57.

6. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В.Определение электромагнитных излучений линий электропередач при проектировании зон рекреации.//Инновации и перспективы сервиса: сборник научных статей IV Международной научно-технической конференции. - Уфа, 2009. -с. 39-41.

7. Свиридова Е.Ю. Электромагнитные поля линий электропередач в городе Ногинске и мероприятия по снижению их негативного воздействия7/Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского: материалы международной конференции. - Тамбов, 2010. - с.286-289.

8. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Электромагнитные поля линий электропередач. //Экология, образование и здоровый образ жизни: доклады Всероссийской научно-технической конференции. - Тула, 2009. - с. 30-32.

9. Свиридова Е.Ю. Экранирование электромагнитных полей линий электропередач.//Фундаментальные науки и практика: сборник научных работ с материалами трудов 3-ей международной телеконференции. - Томск, 2010. - с. 24-25.

10. Свиридова Е.Ю. Эффективность электромагнитного экранирования кровельных материалов.//Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: доклады международной научно-практической конференции. - Тула, 2010. - с.З-5.

П.Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Электромагнитное загрязнение окружающей среды. //Материалы Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Автомобиле и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». - Книга 10, Москва, МГТУ «МАМИ», 2010 - с.38-42.

12. Свиридова Е.Ю. Анализ проблемы электромагнитной безопасности вдоль линий электропередач. // Проблемы и перспективы современной науки: сборник научных работ с материалами трудов 4-ой международной телеконференции. - Томск, 2011. - с. 24-25.

13. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Электромагнитный фон вблизи линий электропередачи. //Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень, 2011. - с. 125 -127.

14. Свиридова Е.Ю., Графкина М.В. Воздействие электромагнитных полей линий электропередачи.//Сборник материалов по охране окружающей среды, особо охраняемым природным территориям, объектам животного мира и среды их обитания (в 4-х томах). Том IV. «Экология. Охрана окружающей среды. Социально ответственное природопользование».

- М.: ИП Филимонов М.В. по заказу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2011. - с.84-85.

15. Свиридова Е.Ю., Графхина М.В. Экологический мониторинг и повышение электромагнитной безопасности строительных объектов вблизи линий электропередачи. //Отраслевые аспекты технических наук, № 11. - Москва, 2011. - с.З-б.

СВИРИДОВА Евгения Юрьевна Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ПОВЫШЕНИЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (на примере города Ногинска)»

Подписано в печать 15.02.12 Заказ 36-12. Тираж 100 экз.

Бумага типографская Формат 60x90/16

МГТУ «МАМИ», г. Москва, 107023, Б. Семеновская ул., 38

61 12-5/3420

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет «МАМИ»

На правах рукописи

СВИРИДОВА Евгения Юрьевна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (на примере города Ногинска)

Специальность: 05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и

городского хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Графкина М.В.

Москва -

2012

СОДЕРЖАНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ 5

СОКРАЩЕНИЯ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО 11

МОНИТОРИНГА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

1.1. Принципы регламентации электромагнитной безопасности 11

урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи

1.2. Анализ работ по экологическому мониторингу 22 электромагнитных полей вблизи линий электропередачи

1.3. Анализ последствий воздействия на человека 28

электромагнитных полей промышленной частоты

Выводы по главе 1 33

Глава 2. РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО 34

МОНИТОРИНГА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

2.1. Урбанизированные территории как объект 34 электромагнитного мониторинга

2.2. Развитие системы электромагнитного мониторинга вблизи 38 линий электропередачи

2.2.1. Методика измерения уровней электромагнитных 41 полей линий электропередачи

2.2.2. Контроль электромагнитных полей линий 43 электропередачи и их влияния на здоровье населения

2.3. Теоретическое обоснование и расчет уровней 52 электромагнитных полей вблизи линий электропередачи

2.3.1. Аналитическая методика расчета напряженности 52

электрического и магнитного поля, инициируемого токами в проводах линий электропередачи

2.3.2. Выбор способа интерполяции экспериментальных 58

результатов

2.3.3. Разработка алгоритма расчета электромагнитных 66 полей линий электропередачи с помощью программного комплекса

2.3.4. Проектирование программного комплекса для расчета 67 электромагнитных полей линий электропередачи

Выводы по главе 2 72

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО 74

ЭКРАНИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Теоретические основы электромагнитного экранирования 74

3.2. Анализ экранирующих особенностей строительных материалов

3.3. Исследование эффективности экранирования кровельных строительных материалов

Выводы по главе 3 93

Глава 4. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО 94

ПОВЫШЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

4.1. Обобщение рекомендаций по повышению 94 электромагнитной безопасности урбанизированных территорий

вблизи линий электропередачи

4.2. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий

электропередачи

4.2.1. Апробация научно-практических технических

83

88

100

решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи в естественных условиях

4.2.2. Апробация научно-практических технических 103

решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи на существующем строительном объекте

Выводы по главе 4 Ю7

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 108

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 119

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 123

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВОЗДУШНАЯ ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЛЭП) - устройство для передачи или распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикрепленным при помощи траверс (кронштейнов), изоляторов и арматуры к опорам или инженерным сооружениям [68].

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов [73].

УРБАНИЗИРОВАННЫЕ ТЕРРИТОРИИ - площади городов и поселков городского типа в административных границах [39].

м __

ЖИЗНЕННЫИ ЦИКЛ (ЖЦ) - последовательные или взаимосвязанные стадии продукционной системы от приобретения сырья или разработки природных ресурсов до утилизации продукции [32].

ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМЫЙ УРОВЕНЬ (ПДУ) - уровень воздействия фактора, который не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья в настоящее время или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений [93].

САНИТАРНО-САЩИТНАЯ ЗОНА (СЗЗ) ЛЭП - территория вдоль трассы ЛЭП, в которой напряженность электрического поля превышает 1 кВ/м [82].

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ - комплекс мер по защите человека от пагубного влияния электромагнитных полей [76].

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ (ЭМП) - фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга [71].

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭКРАН - конструкция, предназначенная для ослабления ЭМП, создаваемых источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников [26].

СОКРАЩЕНИЯ

ЖЦ-жизненный цикл ЛЭП - линии электропередачи ПДУ - предельно-допустимый уровень ПТС - природно-техническая система СЗЗ - санитарно-защитная зона ЭМП - электромагнитное поле

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное использование электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что за последние десятилетия возник и сформировался еще один значимый антропогенный негативный фактор - электромагнитное загрязнение окружающей среды.

Факты свидетельствуют, что обычный уровень низкочастотного электромагнитного поля (ЭМП) крупного промышленного города соответствует ситуации природной «магнитной бури» (аномально высокой геомагнитной активности) [103]. Электромагнитное загрязнение в ряде городов России уже превышает природные уровни в тысячу и более раз [11].

Среди зарегистрированных последствий негативного воздействия электромагнитных полей - повреждение основных функций организма, в т.ч. поражение сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы, развитие психических расстройств и др. [21]. Отмечается связь электромагнитного загрязнения с развитием злокачественных опухолей и риском появления врожденных пороков развития. Кроме этого, среди последствий для здоровья человека даже относительно низкого уровня ЭМП специалисты называют нарушение поведения, потерю памяти, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, синдром внезапной смерти у грудных детей. [34]

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) на основании анализа результатов Международного проекта по электромагнитным полям пришла к выводу о недостаточности исследований по результатам негативных последствий долгосрочного низкоуровневого воздействия ЭМП крайне низкой частоты (0-100000 ГЦ) и сформулировала рекомендации, среди которых необходимость продолжения исследований по определению негативных последствий для здоровья человека и способов снижения уровней воздействия ЭМП при строительстве новых сооружений [43].

Одним из основных источников электромагнитного загрязнения урбанизированных территорий в названном диапазоне частот являются линии электропередачи (ЛЭП).

Для защиты населения от ЭМП ЛЭП в строительстве предусмотрен ряд обязательных мероприятий, а именно:

- экологическое обоснование хозяйственной и иной деятельности в предпроектной и проектной документации в соответствии с СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»;

- проведение экологических изысканий для строительства путем исследования электромагнитного излучения, которые должны осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях, в соответствии с СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства». При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия;

- установка и соблюдение санитарно-защитных зон (СЗЗ) в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий сооружений и иных объектов»;

- использование инженерно-технических методов защиты от ЭМП ЛЭП (чаще всего экранирование) при строительстве и реконструкции объектов.

В то же время анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал, что низкочастотные ЭМП оказывают влияние на уровень и динамику заболеваемости взрослого и детского населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередачи. А также, что, несмотря на значительный объем публикаций в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения, и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного загрязнения городской среды.

Актуальность данной диссертации определяется необходимостью развития мониторинга и способов повышения защищенности окружающей среды и человека на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП различного класса напряжения, что имеет существенное значение для обеспечения устойчивого развития населенных пунктов и защиты человека от негативного воздействия электромагнитного загрязнения городской среды.

Цель диссертационной работы: развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП (на примере г. Ногинска).

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ проблемы экологического мониторинга электромагнитного загрязнения застроенных территорий.

2. Исследование, анализ и оценка ЭМП ЛЭП различного класса напряжения на территории г. Ногинска.

3. Теоретическое обоснование и разработка метода расчета распространения ЭМП ЛЭП.

4. Исследование и анализ электромагнитного экранирования строительных материалов.

5. Разработка научно-практических рекомендаций и апробация мероприятий по повышению эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП.

Область исследования: развитие мониторинга и методов защиты от электромагнитного загрязнения городской среды вблизи ЛЭП.

Объект исследования: объекты городского хозяйства и их взаимодействие с экологическим фактором электромагнитного загрязнения

застроенных территорий.

Теоретической и методологической базой исследования являются: теория и методы проектирования строительных объектов, теория и методы экологического мониторинга, теория и методы расчета электромагнитных

полей, теория эксперимента и обработки экспериментальных данных, теория и методы защиты окружающей среды и др.

Нормативно-информационную базу исследования составили законодательные и нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, нормативы по регламентации ЭМП, периодические издания, книги, статьи отечественных и зарубежных авторов, диссертации, материалы научных конференций и др.

и

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

1.1. Принципы регламентации электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи

Считаем необходимым уточнить термин «электромагнитная безопасность

урбанизированных территорий».

Для этого рассмотрим различные варианты толкования определений

«безопасность» и «электромагнитная безопасность».

Безопасность— такое состояние сложной системы, когда действие внешних и внутренних факторов не приводит к ухудшению системы или к невозможности её функционирования и развития [46].

Безопасность — состояние защищённости жизненно-важных интересов личности, общества, организации, предприятия от потенциально и реально существующих угроз, или отсутствие таких угроз [41].

Безопасность человека— такое состояние человека, когда действие внешних и внутренних факторов не приводит к смерти, ухудшению функционирования и развития организма, сознания, психики и человека в целом, и не препятствуют достижению определенных желательных для

человека целей [93].

Электромагнитная безопасность — система знаний, посвящённая

возможному вреду, наносимому человеку ЭМП [42].

Электромагнитная безопасность - это система организационных и технических мероприятий, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электромагнитного поля [28].

В данной работе под термином электромагнитная безопасность строительных объектов будем понимать:

Электромагнитная безопасность урбанизированных территорий - это

состояние защищённости урбанизированных территорий от потенциальной опасности электромагнитного излучения.

Электромагнитная безопасность урбанизированных территорий обеспечивается соблюдением установленных предельно-допустимых уровней (ПДУ) напряженностей электрического и магнитного поля.

Инженерно-экологические изыскания для строительства, в состав которых входит исследование электромагнитных полей, выполняются для оценки современного состояния и прогноза возможных изменений окружающей природной среды под влиянием антропогенной нагрузки с целью предотвращения, минимизации или ликвидации вредных и нежелательных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий и сохранения оптимальных условий жизни населения. В период строительства, эксплуатации и ликвидации строительных объектов инженерно-экологические исследования и изыскания должны быть при необходимости продолжены посредством организации экологического мониторинга за состоянием природно-технических систем, эффективностью защитных и природоохранных мероприятий и динамикой экологической ситуации [88].

Для предварительной оценки электромагнитного воздействия (также как и других вредных физических воздействий) следует использовать материалы территориальных подразделений специально уполномоченных государственных органов в области охраны окружающей среды и центров санитарно-эпидемиологического надзора Минздравсоцразвития России.

Для непосредственной оценки электромагнитного воздействия в составе инженерно-экологических изысканий должны производиться специальные измерения компонент электромагнитного поля в различных диапазонах частот силами самой изыскательской организации (при наличии соответствующих

лицензий и сертифицированных технических средств) или привлекаться специализированные организации, имеющие лицензии на право проведения таких работ и сертификаты на технические средства контроля физических воздействий на окружающую среду и здоровье людей [88].

Оценка воздействия электромагнитного излучения на организм человека включает оценку воздействия электрического и магнитного полей промышленной частоты, создаваемых ЛЭП, а также высоковольтными установками постоянного тока (электростатическое поле) для ЭМП радиочастот, включая метровый и дециметровый диапазоны волн телевизионных станций.

Исследование электромагнитного излучения должно осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях. При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия.

Гигиенические нормативы ЭМП в России разрабатываются, как правило, на основании комплексных гигиенических, клинико-физиологических, эпидемиологических и экспериментальных исследований. Гигиенические исследования ставят своей целью определение интенсивностных и временных параметров ЭМП в реальных условиях; клинико-физиологические исследования направлены на выявление нарушений в состоянии здоровья и физиологических функций людей, подвергающихся такого рода воздействиям; эпидемиологические - на выявление отдаленных последствий воздействия фактора; экспериментальные - на изучение особенностей и характера биологического действия ЭМП [22].

Основной вклад в обоснование гигиенических нормативов ЭМП вносят экспериментальные исследования [59].

Принятая в России методология гигиенического нормирования,

базирующаяся на представлениях о наличии порога вредного действия факторов окружающей среды, была использована и при обосновании ПДУ ЭМП [34].

Порог вредного действия - это такое воздействие ЭМП, при котором в организме возникают изменения, характеризующиеся:

- качественной перестройкой жизненных процессов;

- любыми количественными изменениями жизненных процессов, которые выходят �