автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Электромагнитные поля высоковольтных источников в помещениях и разработка мероприятий по защите от их воздействия

На правах рукописи

Коробенков Андрей Дмитриевич

Электромагнитные поля высоковольтных источников в помещениях и разработка мероприятий по защите от их воздействия

Специальность 05.26.01 - охрана труда (электроэнергетика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005542980

Челябинск-2013

005542980

Работа выполнена на кафедре «Безопасность труда» ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет».

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

Коробейников Сергей Миронович - заведующий кафедрой «Безопасность труда» ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Кузнецов Константин Борисович - профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения», г. Екатеринбург; кандидат технических наук, доцент Тряпицын Александр Борисович - доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск.

ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС - СибНИИЭ», г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 16 часов в аудитории 1001 главного учебного корпуса на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ).

Автореферат разослан 2%. /-/ 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 76, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: (351) 267-91-23, E-mail: lilia.if@mail.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ю.С.Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время наблюдается все возрастающий дефицит площадей для размещения высоковольтного и сильноточного электрооборудования с точки зрения его отдаления от мест постоянного и непостоянного пребывания человека. Для функционирования электроэнергетических систем все чаще применяются подстанции высокого напряжения в закрытом исполнении, кабельные тоннели кабельных линий электропередачи, происходит насыщение оборудованием открытых распределительных устройств. Это приводит к концентрации на небольших площадях высоковольтного электрооборудования, которое может служить сильным источником электромагнитных полей (ЭМП). Электротехнический персонал, обслуживающий такое оборудование, подвержен большему влиянию ЭМП в связи с уменьшением расстояний в помещениях и близким расположением разных видов электрооборудования между собой. В связи с этим происходит увеличение количества зон, в которых наблюдаются уровни полей, превышающие предельно допустимые. При этом строительные конструкции могут оказывать влияние на распределение ЭМП в помещениях.

Результаты научных исследований по воздействию ЭМП разных частот и интенсивностей на человека показывают, что организм реагирует на такое воздействие, причем чаще имеют место вредные для здоровья последствия. На основе доказанных биологических эффектов установлены предельно допустимые уровни (ПДУ), воздействие которых считается допустимым.

В случае превышения ПДУ должен быть реализован комплекс мероприятий по защите человека от вредного воздействия ЭМП. При этом если инженерно-технические мероприятия не могут обеспечить снижение уровней полей на рабочих местах, время пребывания персонала в зонах с повышенным уровнем ЭМП ограничивается.

Область исследования соответствует п. 3 «Разработка методов контроля, оценки и нормирования опасных и вредных факторов производства, способов и средств защиты от них» и п. 7 «Научное обоснование, конструирование, установление области рационального применения и оптимизация параметров способов, систем и средств коллективной и индивидуальной защиты работников от воздействия вредных и опасных факторов» паспорта научной специальности 05.26.01 - «Охрана труда (электроэнергетика)».

Целью работы является исследование электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях и разработка мероприятий по защите от их воздействия.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи. 1. Проанализировать существующие данные для выявления наиболее сильных высоковольтных источников электромагнитных полей в помещениях, нормативные документы по ограничению воздействия ЭМП и существующие методы по снижению их техногенной опасности.

2. Выполнить экспериментальное исследование и анализ ЭМП в помещениях закрытой высоковольтной подстанции и разработать предложения по обеспечению безопасности персонала.

3. Разработать рекомендации по повышению безопасности обслуживания промышленного микроволнового оборудования в помещении цеха подготовки сырья.

4. Провести теоретический анализ и экспериментально оценить влияние особенностей строительных материалов на распределение электромагнитных полей в помещениях.

5. Разработать предложения по защите от магнитных полей высоковольтных источников в помещениях.

Объект исследования. Высоковольтные источники электромагнитных полей.

Предмет исследования. Электромагнитные поля высоковольтных источников в помещениях..

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретического и экспериментального методов исследования.

Теоретический метод включает: анализ существующих данных по ЭМП высоковольтных источников в помещениях и методам защиты от них, анализ нормативных документов по ограничению воздействия ЭМП, математическое моделирование распределения ЭМП высоковольтных источников в помещениях, анализ влияния особенностей строительных материалов на распределение полей в помещениях, анализ конструкций устройств активной защиты от ЭМП.

Экспериментальный метод включает: проведение инструментальных измерений напряженности ЭМП высоковольтных источников в помещениях, разработку экспериментальных установок, моделирующих источники электрического и магнитного поля промышленной частоты, проведение инструментальных измерений напряженности ЭМП для оценки влияния особенностей строительных материалов на распределение полей в помещениях.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена сочетанием теоретических исследований с проведением экспериментов, использованием адекватного исследуемым процессам математического аппарата. Результаты теоретических расчетов качественно согласуются с экспериментальными данными.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретически и экспериментально проведен анализ электромагнитных полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции, позволивший выявить проблемы и разработать обоснованные предложения по обеспечению безопасности персонала.

2. Впервые проведен анализ конструктивного устройства и экспериментальное исследование электромагнитных полей промышленного микроволнового оборудования зарубежного производства, разработаны

технические и организационные мероприятия по защите обслуживающего персонала от электромагнитного излучения.

3. Экспериментально установлено наличие экранирующей электрическое поле способности у таких широко распространенных строительных материалов как бетон, кирпич, гипсокартон и ее отсутствие у листов ДВП. Данные измерений подтверждены результатами математического моделирования.

4. Предложен метод активной защиты персонала, основанный на компенсации внешнего магнитного поля промышленной частоты, причем датчиком поля являются сами индуктивные катушки, компенсирующие внешнее магнитное поле.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты работы позволят повысить эффективность защиты персонала от ЭМП высоковольтных источников в помещениях, путем:

- применения полученных данных по экранированию бетоном, кирпичом, гипсокартоном электрического поля промышленной частоты в проектировании и строительстве, что обеспечит снижение экономических затрат на экранирование;

- использования предложенного метода активной защиты персонала от магнитного поля промышленной частоты для его разработки и применения.

Результаты проведенных исследований использованы при строительстве и эксплуатации высоковольтной подстанции «Олимпийская», а также при разработке мероприятий по обеспечению безопасности обслуживающего промышленное микроволновое оборудование персонала ЗАО «Компания «Проксима».

Получен патент на полезную модель по предложенному методу активной защиты от магнитного поля промышленной частоты.

Личный вклад. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Постановка цели работы и задач исследования выполнены совместно с научным руководителем С.М. Коробейниковым. Экспериментальные исследования ЭМП в помещениях высоковольтной подстанции, влияния особенностей строительных материалов на распределение ЭМП в помещениях в лабораторных условиях выполнены автором. Анализ конструктивного устройства, экспериментальное исследование ЭМП промышленного микроволнового оборудования проводились автором единолично, а разработка мероприятий по защите работников от электромагнитного излучения совместно с В.М. Поповым. Математическое моделирование эксперимента по оценке влияния особенностей строительных материалов на распределение ЭМП в помещениях проводилось совместно с Ю.Г. Соловейчиком и Д.В. Вагиным. Сравнительный анализ экспериментальных данных и теоретических расчетов выполнен автором. Автором был выполнен анализ предлагаемых конструкций устройств активного экранирования поля, в результате чего совместно с С.М. Коробейниковым предложен метод активной защиты персонала от магнитного поля

промышленной частоты. Формулировка основных выводов и результатов работы выполнена автором.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на пятнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г. Томск 2009 год; XI Всероссийской научно-технической конференции «НПО-2010», г. Новосибирск 2010 год; Международной научно-технической конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы», г. Екатеринбург 2010 год; семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва 2011 год; П-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», г. Челябинск 2011 год; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2011), г. Новосибирск 2011 год; XIII Всероссийской научно-технической конференции «НПО-2012», г. Новосибирск 2012 год; V Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии», г. Челябинск 2012 год.

Публикации. По результатам работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 научных статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук, 1 статья в сборнике научных трудов, 9 статей в материалах международных и всероссийских научных конференций, 1 патент на полезную модель.

Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 99 наименований и приложения. Работа изложена на 186 страницах основного текста, включает 51 рисунок и 29 таблиц.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, отражена научная новизна работы, её практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ проблемы электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях. Хотя в проведенных исследованиях доказана сильная восприимчивость организма человека к воздействию ЭМП, часть вредных для здоровья последствий такого влияния еще изучена недостаточно, что предопределяет необходимость исследований источников полей и разработки мероприятий по защите от воздействия ЭМП. При этом многочисленные нормативные документы России по защите от электромагнитных полей не позволяют выявить конкретные источники. Исследователи выделяют следующие наиболее сильные высоковольтные источники ЭМП в помещениях: фазные провода воздушных и кабельных линий

электропередачи, шины, токоограничивающие реакторы, разъединители, шинные опоры и мосты подстанций, а также микроволновые печи.

Из существующих способов защиты человека от воздействия ЭМП высоковольтных источников разработаны, изготовлены и широко применяются выполняемые из металла экранирующие устройства и комплекты для защиты от электрического поля промышленной частоты (ЭП) и высокочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ), практически также используется изменение конструкции и другие доступные способы.

При этом ограничение магнитного поля промышленной частоты (МП) сейчас осуществляется лишь путем усовершенствования конструкции оборудования, либо использованием ферромагнитных экранов с высокой магнитной проницаемостью. Однако, реализация защиты данными способами сопряжена со значительными технологическими трудностями и финансовыми затратами, а для уже находящихся в эксплуатации источников до сих пор не предложено выполнимых решений, кроме ограничения времени нахождения персонала в создаваемом ими магнитном поле.

Анализ нормативных документов по ограничению воздействия ЭМП показал наличие существенных различий такого нормирования за рубежом и в России. При этом в сопоставимых величинах установленные Россией предельно допустимые уровни (ПДУ) полей промышленной частоты (ПЧ) и диапазона СВЧ более жесткие, чем в других странах. Однако, для случая выполнения работ под напряжением на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) 220 - 1150 кВ СП 5060-89 установлены ориентировочные безопасные уровни воздействия МП, не зависящие от времени пребывания в нем и значительно превышающие допустимые уровни по СанПиН 2.2.4.1191-03.

Во второй главе описаны теоретические оценки и представлены результаты проведенного экспериментального исследования ЭМП высоковольтных источников в помещениях. В ходе теоретического изучения полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции «Олимпийская» при ее строительстве прежде всего необходимо было оценить уровни ЭМП ПЧ, создаваемые в помещении диспетчерской подстанции, которое расположено над помещением закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 110 кВ. Три фазных провода одной цепи ВЛ через высоковольтные вводы присоединяются к шинам в ЗРУ 110 кВ, которые проходят непосредственно под полом помещения диспетчерской на расстоянии 1,1 м от него.

Решение задачи расчета создаваемых шинами трехмерных электрических и магнитных полей в помещениях подстанции проводилось путём компьютерного моделирования с помощью пакета прикладных программ «ТЕЬМА». В расчетах пренебрегалось диэлектрической проницаемостью плит перекрытия и стен, так как это практически не изменит значения напряженности полей в помещении. Также в целях гарантированного обеспечения снижения уровня электрического поля в помещениях

пренебрегалось электропроводностью этих материалов (за исключением экранов и решетки плит перекрытия).

Расчеты показали, что напряженность МП в помещении диспетчерской не превысит 10 А/м (в случае неэкранированного помещения напряженность поля, даже на уровне пола, не превышает 50 А/м).

В случае неэкранированных помещений уровни ЭП могут значительно превысить 5 кВ/м. В случае экранированных помещений в зависимости от взаимного расположения шин и плит перекрытия моделировалось несколько наиболее опасных случаев. Например, на рисунке 1 представлено потенциально опасное место, связанное с наличием двери (напряженность ЭП до 6 кВ/м на высоте 0,5 м от пола).

3 9 10 V

Рисунок 1 - Распределение силовых линий ЭП возле двери диспетчерской в параллельном шине вертикальном сечении, проходящем через центр провода.

По результатам моделирования были предложены рекомендации по устранению ЭП в строящихся помещениях третьего этажа здания подстанции. Стены и пол, непосредственно граничащие с токоведущими частями, были экранированы с помощью заземленной металлической сетки с размером ячейки 100x100 мм, диаметром 4 мм. В помещениях диспетчерской и кабинете руководителя окна со стороны ввода фазных проводов ВЛ в ЗРУ 110 кВ также были экранированы с помощью металлической сетки.

При пуске закрытой подстанции в эксплуатацию лабораторией предприятия были проведены измерения уровней ЭМП 50 Гц только в помещении ЗРУ 110 кВ, где на высоте 1,8 м от пола зафиксированы максимальные значения напряженности ЭП - 4,9 кВ/м (вблизи трехполюсного разъединителя), МП - 17 А/м (вблизи шинной опоры). Так как эти значения ниже ПДУ, было сделано заключение о соответствии условий труда работников подстанции нормативным требованиям.

После нескольких лет эксплуатации нами проведено экспериментальное исследование ЭМП в помещениях подстанции. На рисунке 2 представлен эскиз помещения диспетчерской с указанием точек измерений напряженности ЭМП.

Рисунок 2 - Помещение диспетчерской подстанции: 1 — 13 — точки измерений напряженности ЭП и МП 50 Гц; А, В, С - фазные провода (шины), проходящие под полом помещения; Р - трехполюсный разъединитель 110 кВ; РМ - рабочее

место диспетчера.

Путем непосредственных измерений установлено, что максимальный уровень напряженности МП в диспетчерской составляет 1,3 А/м вблизи пола у входа в помещение, на рабочих местах диспетчеров - 0,2 А/м, в оконных проемах над фазными проводами ВЛ - 0,74 А/м.

Об эффективности экранирования помещения диспетчерской говорит увеличение напряженности ЭП в более удаленном от токоведущих частей неэкранированном оконном проеме (точка №3 на рисунке 2). Значение напряженности ЭП в данном проеме оказалось максимальным для всего помещения - 0,04 кВ/м, тогда как в экранированных оконных проемах над фазными проводами ВЛ - не более 0,02 кВ/м. На рабочих местах диспетчеров и вблизи пола у входа в помещение напряженность ЭП не превысила 2 В/м.

В диспетчерской, других помещениях с постоянным пребыванием персонала уровни ЭМП оказались значительно ниже значений ПДУ для пребывания производственного персонала в течение 8 часов. При пересчете на номинальный рабочий ток силовых трансформаторов уровень МП в них не превысит 56 А/м. Превышение ПДУ было зафиксировано в помещении ЗРУ 10 кВ (см. рисунок 3).

обнаружено, что МП в помещении ЗРУ 10 кВ превышает допустимое значение вблизи токоограничивающих реакторов и шинного моста и может превысить в проходах между ячейками. Традиционные способы защиты (защита временем и/или расстоянием) сложно реализовать на практике, что приводит к затруднениям в эксплуатации электрооборудования в ЗРУ, необходимо рассмотреть иные выполнимые решения по обеспечению безопасности.

В ходе исследования ЭМП промышленного микроволнового оборудования в помещении цеха подготовки сырья ЗАО «Компания «Проксима» выявлено, что оборудование иностранного производства представляет собой 10 микроволновых печей размером 1,2x1,2x0,75 м, соединенных в поточную линию. Источниками излучения электромагнитных волн частотой 2450 МГц в печи являются 9 магнетронов, расположенных в электрошкафу, энергия которых поступает в термошкаф печи с помощью полых волноводов. Сам корпус печей представляет собой негерметичную конструкцию из нержавеющей стали. Кроме больших стеклянных проемов в дверцах термошкафов печей, закрытых тонкой перфорированной металлической сеткой, наличие отверстий и щелей в местах соединения крышек с корпусом, по периметру вентиляционной трубы и дверей термошкафов, отверстий для охлаждения в нижней части корпуса и в местах прикручивания печей друг к другу приводит к проникновению ЭМИ за корпус печей и превышению допустимого уровня плотности потока энергии.

По результатам анализа конструктивного устройства и приближенной оценки плотности потока энергии предложены рекомендации по электрогерметизации корпуса печей (с помощью алюминиевой фольги, электропроводных клеев, герметиков и пенополиуретана), а также рекомендации по экранирующему ограждению микроволнового оборудования.

При проведении инструментальных измерений ЭМП промышленного микроволнового оборудования были определены рабочие зоны обслуживающего линию персонала и время нахождения в каждой из них. Рассчитанные суммы энергетических экспозиций за рабочую смену операторов линии превысили ПДУ - 200 (мкВт/см2)-ч.

Для гарантированного ограничения воздействия на работников ЭМИ была очерчена прилегающая к печам «зона влияния», в которой уровень плотности потока энергии превышает 10 мкВт/см2. При работе оборудования на максимальной мощности уровень ЭМИ на границе «зоны влияния» не превысит 20 мкВт/см и вне ее пределов допустимо длительное нахождение персонала (до 10 часов). Предложены соответствующие меры по ограничению пребывания в этой зоне, а также допуску к работе и медицинским осмотрам.

Также выполнен обзор материалов и проведен эксперимент, в результате чего предложено провести экранирование оборудования с помощью легкодоступной, недорогой тонировочной металлизированной пленки, которое позволит в достаточной степени снизить уровень излучения без реализации предложенных ранее рекомендаций по экранированию.

различной диэлектрической проницаемостью. Стационарное электрическое поле можно найти из решения дифференциального уравнения

- сИу(е grad(v)) = р, (1)

где V - это скалярный электрический потенциал такой, что Е = - %гас1 (у), причем вектор Е - это вектор напряженности электрического поля; е -диэлектрическая проницаемость материала, ар- это скалярная функция, описывающая распределение заряда в пространстве.

Численное моделирование выполнялось с помощью метода конечных элементов. Проводящий экранирующий лист моделировался как материал с высокой диэлектрической проницаемостью. Вид части расчетной области с построенной сеткой и изолиниями потенциала приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Вид расчетной области с изолиниями потенциала для случая экранирования ЭП экранирующим листом.

провод

симметрии

0.2

заземленный лист

В таблице 1 представлены результаты измерений напряженности ЭП.

Таблица 1 - Результаты измерений напряженности ЭП при размещении экранирующих листов под проводом__

№ точки измерения Напряженность электрического поля, кВ/м

Точка измерения на высоте от крышки стола

а б в

Лист ГКЛ Лист ДВП Лист железа Лист ГКЛ Лист ДВП Лист железа Лист ГКЛ Лист ДВП Лист железа

1 6,7 7,3 6,2 5,5 4,6 4,9 5,8 4,1 5,2

2 6,3 7,6 5,6 5,6 5,1 5,0 5,9 4,2 5,1

3 6,2 7,6 5,6 5,5 5,1 4,9 5,8 4,2 5,0

4 6,2 7,5 5,7 5,6 5,2 4,9 5,7 4,2 4,9

5 6,5 7,5 5,7 5,7 5,1 4,7 5,7 4,1 4,7

заземленного листа оцинкованного железа была сложена бетонная стенка размерами 120x30x6 см из восьми тротуарных плиток, изготовленных из бетона марки не выше М 150; кирпичная стенка размерами 120x36x6,4 см состояла из из пятнадцати кирпичей керамических полнотелых марки М 150.

•;•;•;• экранирующая •:•:•:• стенка •;•:•:• #-провод х 8 х 6 х 4 х 2 s'X'X'XvX'X'X'X'X'X'X'X'X'XvXv!

- заземленный лист '

стол

а) б)

Рисунок 7 - Принципиальная схема проведения экспериментов по экранированию ЭП стенкой из тротуарных бетонных плиток: а) вид спереди; б)

вид слева.

Аналогично эксперименту с экранирующими листами было проведено численное моделирование рассматриваемой схемы. Вид части расчетной области с построенной сеткой и изолиниями потенциала в случае проводящей экранирующей стенки приведен на рисунке 8.

Рисунок 8 - Вид расчетной области с изолиниями потенциала для случая экранирования ЭП экранирующей стенкой.

Результаты моделирования и измерений напряженности в эксперименте по экранированию ЭП бетонной стенкой приведены в таблице 2.

катушек друг на друга, громоздкость конструкции), которые не позволяют применить их для защиты головы человека от МП.

Как показал расчет по приведенной ниже формуле, система всего из трех проводящих контуров с одним витком в каждом позволяет внутри витков получить достаточно однородное поле с магнитной индукцией не более 5 мкТл:

в= I Я2

2-{я2 +х2у/2' (2)

где |Ло - магнитная постоянная, N - число витков, I - ток в витке, Я -радиус витка, х - расстояние от центра витка по его оси.

Предварительно рассматривался вариант устройства активной защиты головы человека от МП, включающий датчики-анализаторы, электронный блок управления, источник электропитания, усилитель тока, собственно экранирующие витки (катушки). В конечном итоге, после анализа начального и других вариантов был предложен оригинальный метод, позволяющий сократить количество элементов, обеспечить компактность и удобство в применении устройства активной защиты.

На рисунке 9 приведена концептуальная схема устройства на основе предложенного метода. Оно содержит цепи (1, 2, 3), каждая из которых состоит из индуктивной катушки (4), параллельно соединенной с устройством поддержания нуля (5), которое параллельно соединено с генератором (6). А три индуктивные катушки (4) расположены как показано на рисунке 10.

1 1 л. ¡2 1 1 ■М 1

4 5 б 4 5 6 4

т т т т т т т

Рисунок 9 - Концептуальная схема устройства активной защиты от МП.

Рисунок 10 - Схематическое изображение расположения индуктивных катушек.

Принцип работы такого устройства основан на следующем. В индуктивных катушках (4) при внесении во внешнее переменное магнитное поле промышленной частоты наводятся переменные напряжения, пропорциональные трем ортогональным составляющим вектора магнитной

индукции внешнего поля. Напряжение на каждой индуктивной катушке (4) фиксируется на входе устройства поддержания нуля (5), задачей которого является управление подачей переменного тока от генератора (6) таким образом, чтобы на входе оказалось нулевое напряжение. Поскольку индуктивная катушка (4) имеет индуктивность и некоторое активное сопротивление, то при протекании по ней тока от генератора (6) напряжение на входе устройства поддержания нуля (5) будет изменяться. Управляя как амплитудой, так и фазой подаваемого тока, устройство поддержания нуля (5) будет контролировать соблюдение нулевого напряжения. Так как индуктивные катушки расположены одна в другой во взаимно перпендикулярных плоскостях вокруг головы человека, то в независимых друг от друга цепях (1, 2, 3) будет обеспечиваться компенсация соответствующей компоненты вектора магнитной индукции внешнего поля, при этом взаимовлияние полей каждой из катушек на остальные будет исключено. Причем устройство поддержания нуля (5) обеспечивает совмещение в одной индуктивной катушке функции датчика переменного МП и экранирующей обмотки - создателя компенсирующего поля.

Таким образом, в предложенном методе активной защиты от МП за счет расположения трех индуктивных катушек одна в другой вокруг головы человека и введения устройства поддержания нуля достигается удобство в применении устройства активной защиты и обеспечивается компенсация по трем ортогональным компонентам вектора магнитной индукции поля в зоне нахождения головы как в случае стационарного пребывания, так и перемещения человека в пространстве относительно источника МП. Оригинальность данного метода подтверждена патентом на полезную модель № 130124.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы по исследованию электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях и разработке мероприятий по защите от их воздействия получены следующие основные результаты.

1. Проанализированы существующие данные по сильным высоковольтным источникам ЭМП в помещениях, нормативные документы по ограничению воздействия электромагнитных полей и способы защиты от них.

2. Теоретически и экспериментально проведено исследование электромагнитных полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции, что позволило выявить проблемы и разработать обоснованные предложения по обеспечению безопасности персонала.

3.На основе анализа конструктивного устройства и экспериментального исследования электромагнитных полей промышленного микроволнового оборудования зарубежного производства разработаны технические и организационные мероприятия по защите работников от электромагнитного излучения.

4. Экспериментально установлено наличие экранирующей электрическое поле способности у таких широко распространенных строительных материалов как бетон, кирпич, гипсокартон и ее отсутствие у листов ДВП. Данные измерений подтверждены результатами математического моделирования.

5. Предложен метод активной защиты персонала от магнитного поля промышленной частоты, обеспечивающий компенсацию трех ортогональных компонентов вектора магнитной индукции внешнего поля в зоне нахождения головы как в случае стационарного пребывания, так и перемещения человека в пространстве относительно источника внешнего поля.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1) В изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук:

1. Башкирцев Г.П. Пути гармонизации российских требований к безопасности источников неионизирующих излучений с международными нормами / Г.П. Башкирцев, АД. Коробенков, В.М. Попов // Промышленная энергетика. - 2009. — № 8.— С. 32 — 37.

2. Коробейников С.М. Исследование электромагнитных полей в помещениях закрытой электрической подстанции / С.М. Коробейников, Ю.Г. Соловейчик, А.Д. Коробенков II Безопасность в техносфере. - 2011. - № 1. - С. 37-43.

3. Коробенков А.Д. Оценка экранирования строительными материалами электромагнитных полей промышленной частоты / АД Коробенков, С.М. Коробейников // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2011.-№ 2.-С. 268-271.

2) Зарегистрированные результаты интеллектуальной деятельности:

4. Патент - 130124 РФ, МПК С12В 17/02. Устройство активной защиты от магнитного поля промышленной частоты/ С.М. Коробейников, А.Г. Тарасов, А.Н. Шмыков, АД. Коробенков; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» — № 2013110094/28; Заяв. 06.03.2013; Опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19.

3) Прочие публикации:

5. Коробенков АД. Особенности длительного воздействия электромагнитных полей на человека в помещениях вблизи высоковольтного электроэнергетического оборудования / АД. Коробенков // Сборник научных трудов НГТУ. - 2009. - № 2(56). - С. 135 - 140.

6. Коробейников С.М., Коробенков АД. Исследование электромагнитных полей в помещениях закрытой подстанции 110/10 кВ // Материалы пятнадцатой

Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - С. 13 - 16.

7. АД. Коробенков Исследование электромагнитных полей промышленного микроволнового оборудования / АД. Коробенков II Труды XI Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». -Новосибирск: НГТУ, 2010. - С. 300 - 302.

8. АД. Коробенков Исследование магнитного поля токоограничивающих реакторов в помещении закрытого распределительного устройства / АД. Коробенков II Труды XI Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: НГТУ. 2010. - С. 303 -304.

9. Коробенков А.Д., Коробейников С.М., Персова М.Г. Расчет и измерения электромагнитных полей в помещениях закрытой подстанции 110/10 кВ // Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы: материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию Виктора Соколова / под ред. А.Г. Овсянникова, В.Н. Осотова. - Екатеринбург: Издательский дом «Автограф», 2010. - С. 208 - 217.

10. Коробенков А.Д. Влияние особенностей строительных конструкций на распределение электромагнитных полей в помещениях закрытой подстанции // «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», XVII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - Москва, 2011. - С. 445-446.

11. Коробенков А.Д. Применение искусственных и естественных экранов для ослабления электрического поля в помещении вблизи высоковольтных источников // Материалы П-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи». - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011.-С. 190- 192.

12. Коробенков А.Д. Исследование экранирования строительными материалами электромагнитных полей 50 Гц // Материалы всероссийской научной студенческой конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2011). - Новосибирск: НГТУ, 2011. - С. 323 - 324.

13. Коробенков А.Д. О научных данных по активным экранирующим устройствам для защиты от магнитного поля / А.Д. Коробенков, B.C. Литвинов // Труды XIII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: НГТУ, 2012. - С. 300 - 302.

14. Коробенков А.Д., Коробейников С.М. Исследование экранирования электрического поля промышленной частоты строительными материалами // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сборник материалов V-ой Международной научно-практической конференции: в 2 т. / под ред. А.И. Сидорова - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. - Т. 1. - С. 323 - 325.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 х 84/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 90 экз. Заказ 1503. Подписано в печать 20.11.2013 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

На правах рукописи

КОРОБЕНКОВ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТ ИХ

ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.26.01 - Охрана труда (электроэнергетика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д-р физ.-мат. наук, профессор

Коробейников Сергей Миронович

Новосибирск -2013

Оглавление

Введение....................................................................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ..................... 12

1.1 Анализ сведений по действию электромагнитных полей на человека....................................................................................... 12

1.2 Существующие данные по высоковольтным источникам электромагнитных полей в помещениях................................................. 19

1.2.1 Анализ научно-технической литературы по высоковольтным источникам электромагнитных полей в помещениях.......................................... 19

1.2.2 Анализ сведений нормативных документов по высоковольтным источникам электромагнитных полей в помещениях................................ 25

1.3 Существующие методы защиты от электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях.......................................... 28

1.4 Анализ нормативных документов по ограничению воздействия электромагнитных полей..................................................................... 48

1.4.1 Анализ принципов нормирования электромагнитных полей промышленной частоты и радиочастот за рубежом и в России...................... 48

1.4.2 Сравнительный анализ директив Европейского Союза, стандартов других стран и нормативных документов Российской Федерации............... 61

1.4.3 Выводы по результатам анализа нормативных документов по ограничению воздействия электромагнитных полей................................. 67

1.5 Выводы по первой главе и постановка задач исследования.................... 68

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В

ПОМЕЩЕНИЯХ............................................................................. 70

2.1 Моделирование электромагнитных полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции............................................................... 70

2.1.1 Моделирование распределения магнитных полей............................. 72

2.1.2 Моделирование распределения электрических полей........................ 76

2.2 Инструментальные измерения электромагнитных полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции.................................................. 85

2.3 Исследование электромагнитных полей промышленного микроволнового оборудования.............................................................................. 95

2.4 Выводы по второй главе................................................................. 114

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ В ПОМЕЩЕНИЯХ.................................... 116

3.1 Оценка влияния листовых строительных материалов на распределение электрического поля в помещениях.............................................................. 118

3.2 Оценка влияния строительных материалов несущих и ограждающих конструкций на распределение электрического поля в помещениях............... 127

3.3 Оценка влияния строительных материалов на распределение магнитного поля в помещениях......................................................................... 140

3.4 Выводы по третьей главе............................................................... 141

ГЛАВА 4. АКТИВНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ......................................................... 142

4.1 Существующие данные по активному экранированию магнитного поля............................................................................................. 146

4.2 Устройство активной защиты головы человека от магнитного поля промышленной частоты.................................................................... 154

4.3 Предварительная оценка отрицательных эффектов применения устройства активной защиты от магнитного поля.................................... 161

4.4 Выводы по четвертой главе............................................................ 167

Заключение.................................................................................... 169

Список сокращений........................................................................... 170

Список использованных источников Приложение. Акты внедрения

Введение

В настоящее время наблюдается все возрастающий дефицит площадей для размещения высоковольтного и сильноточного электрооборудования с точки зрения его отдаления от мест постоянного и непостоянного пребывания человека. Для функционирования электроэнергетических систем все чаще применяются подстанции высокого напряжения в закрытом исполнении, кабельные тоннели кабельных линий электропередачи, происходит насыщение оборудованием открытых распределительных устройств. Это приводит к концентрации на небольших площадях высоковольтного электрооборудования, которое может служить сильным источником электромагнитных полей (ЭМП). Электротехнический персонал, обслуживающий такое оборудование, подвержен большему влиянию ЭМП в связи с уменьшением расстояний в помещениях и близким расположением разных видов электрооборудования между собой. В связи с этим происходит увеличение количества зон, в которых наблюдаются уровни полей, превышающие предельно допустимые. При этом строительные конструкции могут оказывать влияние на распределение ЭМП в помещениях.

Результаты научных исследований по воздействию ЭМП разных частот и интенсивностей на человека показывают, что организм реагирует на такое воздействие, причем чаще имеют место вредные для здоровья последствия. На основе доказанных биологических эффектов установлены предельно допустимые уровни (ПДУ), воздействие которых считается допустимым.

В случае превышения ПДУ должен быть реализован комплекс мероприятий по защите человека от вредного воздействия ЭМП. При этом если инженерно-технические мероприятия не могут обеспечить снижение уровней полей на рабочих местах, время пребывания персонала в зонах с повышенным уровнем ЭМП ограничивается.

Таким образом, исследование электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях является актуальной задачей, решение которой позволит разработать мероприятия по защите персонала от их воздействия.

Цель работы

Целью работы является исследование электромагнитных полей высоковольтных источников в помещениях и разработка мероприятий по защите от их воздействия.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

- проанализировать существующие данные для выявления наиболее сильных высоковольтных источников электромагнитных полей в помещениях, нормативные документы по ограничению воздействия ЭМП и существующие методы по снижению их техногенной опасности;

- выполнить экспериментальное исследование и анализ ЭМП в помещениях закрытой высоковольтной подстанции и разработать предложения по обеспечению безопасности персонала;

- разработать рекомендации по повышению безопасности обслуживания промышленного микроволнового оборудования в помещении цеха подготовки сырья;

- провести теоретический анализ и экспериментально оценить влияние особенностей строительных материалов на распределение электромагнитных полей в помещениях;

- разработать предложения по защите от магнитных полей высоковольтных источников в помещениях.

Объект исследования

Объектом исследования являются высоковольтные источники электромагнитных полей.

Предмет исследования

Электромагнитные поля высоковольтных источников в помещениях.

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретического и экспериментального методов исследования.

Теоретический метод включает: анализ существующих данных по ЭМП высоковольтных источников в помещениях и методам защиты от них, анализ нормативных документов по ограничению воздействия ЭМП, математическое моделирование распределения ЭМП высоковольтных источников в помещениях, анализ влияния особенностей строительных материалов на распределение полей в помещениях, анализ конструкций устройств активной защиты от ЭМП.

Экспериментальный метод включает: проведение инструментальных измерений напряженности ЭМП высоковольтных источников в помещениях, разработку экспериментальных установок, моделирующих источники электрического и магнитного поля промышленной частоты, проведение инструментальных измерений напряженности ЭМП для оценки влияния особенностей строительных материалов на распределение полей в помещениях.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена сочетанием теоретических исследований с проведением экспериментов, использованием адекватного исследуемым процессам математического аппарата. Результаты теоретических расчетов качественно согласуются с экспериментальными данными.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту

- Теоретически и экспериментально проведен анализ электромагнитных полей в помещениях закрытой высоковольтной подстанции, позволивший выявить проблемы и разработать обоснованные предложения по обеспечению безопасности персонала.

- Впервые проведен анализ конструктивного устройства и экспериментальное исследование электромагнитных полей промышленного микроволнового оборудования зарубежного производства, разработаны технические и организационные мероприятия по защите обслуживающего персонала от электромагнитного излучения.

- Экспериментально установлено наличие экранирующей электрическое поле способности у таких широко распространенных строительных материалов как бетон, кирпич, гипсокартон и ее отсутствие у листов ДВП. Данные измерений подтверждены результатами математического моделирования.

- Предложен метод активной защиты персонала, основанный на компенсации внешнего магнитного поля промышленной частоты, причем датчиком поля являются сами индуктивные катушки, компенсирующие внешнее магнитное поле.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Результаты работы позволят повысить эффективность защиты персонала от ЭМП высоковольтных источников в помещениях, путем:

- применения полученных данных по экранированию бетоном, кирпичом, гипсокартоном электрического поля промышленной частоты в проектировании и строительстве, что обеспечит снижение экономических затрат на экранирование;

- использования предложенного метода активной защиты персонала от магнитного поля промышленной частоты для его разработки и применения.

Результаты проведенных исследований использованы при строительстве и эксплуатации высоковольтной подстанции «Олимпийская», а также при разработке мероприятий по обеспечению безопасности обслуживающего промышленное микроволновое оборудование персонала ЗАО «Компания «Проксима» (см. приложение А).

Получен патент на полезную модель по предложенному методу активной защиты от магнитного поля промышленной частоты.

Личный вклад

Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Постановка цели работы и задач исследования выполнены совместно с научным руководителем С.М. Коробейниковым. Экспериментальные исследования ЭМП в помещениях высоковольтной подстанции, влияния особенностей строительных материалов на распределение ЭМП в помещениях в лабораторных условиях выполнены автором. Анализ конструктивного устройства, экспериментальное

исследование ЭМП промышленного микроволнового оборудования проводились автором единолично, а разработка мероприятий по защите работников от электромагнитного излучения совместно с В.М. Поповым. Математическое моделирование эксперимента по оценке влияния особенностей строительных материалов на распределение ЭМП в помещениях проводилось совместно с Ю.Г. Соловейчиком и Д.В. Вагиным. Сравнительный анализ экспериментальных данных и теоретических расчетов выполнен автором. Автором был выполнен анализ предлагаемых конструкций устройств активного экранирования поля, в результате чего совместно с С.М. Коробейниковым предложен метод активной защиты персонала от магнитного поля промышленной частоты. Формулировка основных выводов и результатов работы выполнена автором.

Апробация работы

Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на пятнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г. Томск 2009 год; XI Всероссийской научно-технической конференции «НПО-2010», г. Новосибирск 2010 год; Международной научно-технической конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы», г. Екатеринбург 2010 год; семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва 2011 год; П-ой Всероссийской студенческой конференции (с международным участием) «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», г. Челябинск 2011 год; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2011), г. Новосибирск 2011 год; XIII Всероссийской научно-технической конференции «НПО-2012», г. Новосибирск 2012 год; V Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии», г. Челябинск 2012 год.

Публикации

По результатам работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 научных статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук, 1 статья в сборнике научных трудов, 9 статей в материалах международных и всероссийских научных конференций, 1 патент на полезную модель.

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 99 наименований и приложения. Работа изложена на 186 страницах основного текста, включает 51 рисунок и 29 таблиц.

Краткое содержание работы

В первой главе приводится литературный обзор по вопросам, которые будут рассматриваться в последующих главах и постановка задач исследования. Проведен анализ существующих данных по воздействию ЭМП промышленной частоты и полей высоких частот на человека, сильным высоковольтным источникам ЭМП в помещениях и существующим методам защиты от них, нормированию уровней ЭМП.

Во второй главе описаны результаты теоретического и экспериментального исследования ЭМП в помещениях закрытой высоковольтной подстанции, приведены разработанные предложения по обеспечению безопасности персонала. Также рассмотрено конструктивное устройство промышленного микроволнового оборудования зарубежного производства, описаны результаты экспериментального исследования электромагнитных полей, приведены предложенные технические и организационные мероприятия по защите работников от электромагнитного излучения.

Третья глава посвящена анализу влияния особенностей строительных материалов на распределение электромагнитных полей промышленной частоты в помещениях. Описаны экспериментальные исследования по оценке такого

влияния, приведены результаты их сравнительного анализа с данными выполненного математического моделирования и полученные выводы.

В четвертой главе рассмотрен метод активного экранирования магнитного поля промышленной частоты. Приведены результаты поиска и анализа научной и патентной документации по активному экранированию магнитного поля, описан предложенный оригинальный метод активной защиты головы человека от магнитного поля промышленной частоты.

В заключении резюмируются основные выводы по результатам работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ

1.1 Анализ сведений по действию электромагнитных полей на человека

Научные исследования воздействия ЭМП на человека в России и за рубежом начали проводиться с середины двадцатого века в связи с масштабным строительством линий электропередачи высокого (110 - 220 кВ) и, особенно, сверхвысокого (330 - 750 кВ) напряжений [1]. За это время произошла значительная эволюция представлений о воздействии ЭМП на человека, например, долгое время считалось, что магнитная составляющая ЭМП промышленной частоты оказывает незначительное биологическое действие на организм. Допустимые уровни полей неуклонно снижались, но при этом ЭМП с определенными характеристиками стали использоваться в медицине для лечения самых различных заболеваний. В настоящее время из-за широкого применения разных источников ЭМП и разработки множества новых, представления о воздействии ЭМП на человека постоянно корректируются, и во многих случаях, требуются длительные научные исследования для установления возможных вредных эффектов и ур�