автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение безопасности электротехнологий АПК на основе интегрированного контроля электромагнитных излучений

005051899

На правах рукописи

Титов Евгений Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ АПК НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

1 - ; .013

Барнаул - 2013

005051899

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сошников Александр Андреевич

Официальные оппоненты: Худоногов Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электроподвижной состав», профессор;

Меновщиков Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный

аграрный университет»

Защита состоится « 20 » марта 2013 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, проспект Ленина, 46.

http://www.altstu.ru; ntsc@desert.secna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 4 » февраля 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета п^Р л

д.т.н., профессор п/гМ/^Уг- Куликова Лидия Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное использование электромагнитной энергии в современном обществе привело к формированию нового фактора загрязнения окружающей среды - электромагнитного. Источники электромагнитных полей (ЭМП) получают все более широкое распространение, как в производственных, так и в бытовых условиях, создавая все большую опасность для здоровья людей. Поэтому возникает необходимость принятия защитных мер для обеспечения безопасности жизнедеятельности.

В настоящее время рядом нормативных документов установлены предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитного излучения (ЭМИ), воздействующего на рабочий персонал и людей, профессионально связанных и не связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ.

Как показывает анализ, значения ПДУ электромагнитных полей, возникающих при реализации некоторых электротехнологических процессов в АПК, могут быть существенно превышены.

Для обоснования мероприятий по обеспечению безопасности необходимо контролировать электромагнитную обстановку на объектах с источниками ЭМИ.

Известные способы контроля электромагнитной обстановки имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдельных составляющих ЭМП. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасности контролируемого пространства, так как для этого необходимо производить измерения во всех его точках для всех составляющих поля и возможных частот излучения.

Целью работы является повышение электромагнитной безопасности электротехнологий, используемых на объектах АПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- анализ известных способов контроля электромагнитной обстановки;

- выбор информативного критерия оценки опасности ЭМИ от нескольких источников и обоснование перспективного способа контроля состояния электромагнитной обстановки;

- разработка методики оценки опасности электромагнитной обстановки в различных зонах исследуемого пространства;

- обоснование требований к условиям практической реализации способа интегрированного контроля электромагнитных излучений;

- выбор мероприятий для обеспечения электромагнитной безопасности по результатам интегрированного контроля ЭМИ.

Объект исследования. Электромагнитная обстановка электротехнологических процессов АПК.

Предмет исследования. Контроль параметров электромагнитных излучений для обоснования мероприятий по повышению электромагнитной безопасности.

Методы исследования. Теория электромагнитного поля, математическое, физическое и имитационное моделирование.

Научную новизну представляют:

- новая концепция исследования электромагнитной обстановки на объектах АПК;

- метод определения наиболее опасной составляющей электромагнитного поля по результатам оценки допустимого времени пребывания человека в контролируемой зоне;

- методика компьютерного моделирования ЭМП для формирования пространственной картины опасности электромагнитных излучений;

- способ интегрированного контроля электромагнитных излучений.

Практическую ценность работы представляют:

- методика определения допустимого времени пребывания человека в различных зонах объекта с источниками ЭМИ;

- метод оценки состояния электромагнитной обстановки с помощью пространственной картины опасности ЭМИ;

- рекомендации по обоснованию мероприятий для повышения электромагнитной безопасности электротехнологических процессов АПК.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года (МСХ РФ, приказ от 25 июня 2007 года № 342) и аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2010-2012 годы).

Реализация п внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при выполнении проекта Министерства образования и науки РФ № 3453 «Создание комплексной системы техногенной безопасности образовательных учреждений» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)».

Научные положения, выводы и рекомендации использованы при разработке методических и практических рекомендаций «Обеспечение электромагнитной безопасности электротехнологических процессов на объектах АПК», принятых Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края.

Результаты диссертационной работы представлены в монографии «Электромагнитная безопасность технологических процессов АПК», учебном пособии «Обеспечение безопасности технологических процессов с источниками электромагнитного излучения» для аспирантов специальности 05.20.02, а также включены в Образовательный стандарт учебной дисциплины

«Электромагнитная безопасность» по направлению подготовки: 140400 «Электроэнергетика и электротехника» в АлтГТУ.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); XI Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2011 г.); XI Международной научно-технической конференции «Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих» (Донецк, 2011 г.); Всероссийской студенческой конференции «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи» (Челябинск, 2011 г.); Международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2010, 2011, 2012 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Повышение безопасности электротехнологических процессов АПК возможно на основе интегрированного контроля электромагнитных излучений.

2. В качестве критерия оценки опасности ЭМИ можно использовать наименьшее допустимое время пребывания человека в контролируемой зоне пространства, соответствующее наиболее опасной составляющей ЭМП.

3. Состояние электромагнитной обстановки на контролируемом объекте оценивается пространственной картиной электромагнитной опасности, представляющей собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, получаемую в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и последующего компьютерного моделирования электромагнитного поля.

4. Эффективность разработанного способа интегрированного контроля ЭМИ обусловлена упорядочением процесса оценки состояния электромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная пространственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе, 6 - в изданиях по перечню ВАК, а также получено Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности (РОСПАТЕНТ) о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 33 таблицы, 5 приложений. Список литературы включает 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены сведения об апробации основных результатов работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ электромагнитной обстановки на объектах АПК и обоснованы цель и задачи исследования.

Повышенное внимание к проблеме электромагнитного загрязнения окружающей среды вызвано его масштабностью: энерговооруженность в последней трети XX века возросла в тысячи раз.

При длительном пребывании людей в зонах с повышенной интенсивностью различных излучений появляются такие симптомы заболеваний, как головная боль; слабость; потеря работоспособности; плохой, поверхностный сон; снижение потенции; нестабильность температуры тела; аллергические реакции; нарушение логики мышления и речи; нарушение функционирования ослабленных органов, переходящее в постоянное болезненное состояние; функциональные нарушения центральной и вегетативной нервной систем; склонность к потению; легкое дрожание пальцев; вегетонические нарушения сердечнососудистой системы; нестабильность пульса; нестабильность артериального давления; помутнение хрусталика глаза; нарушение работы механизмов адаптации организма к изменениям условий внешней среды; нарушение обмена веществ; онкологические заболевания; болезни Паркинсона и Альцгеймера; при увеличении энергии электромагнитных излучений - нагревание тканей, ожоги.

Энергетической причиной нарушения здоровья людей в зонах с повышенной интенсивностью ЭМИ признано устойчивое изменение характеристик энергетических полей организма (биополей) под воздействием различных электромагнитных излучений. Под воздействием таких энергетических сгустков органы человека изменяют свои природные параметры функционирования. И только после выхода из опасной зоны защитные механизмы здорового организма в состоянии частично или полностью устранить образовавшиеся изменения биополя или молекулярной структуры организма.

Для оценки опасности технологий АПК проведена классификация основных технологических процессов с использованием электромагнитных полей. Выделены электротехнологии с использованием электростатического поля и поля коронного разряда, электрического поля частой 50 Гц, магнитных полей, а также электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты.

Определена группа технологических процессов с источниками ЭМИ, создающими ЭМП с возможным превышением предельно допустимых уровней, в том числе:

- предпосевная обработка семян в электростатическом и в электромагнитном полях сверхвысокой частоты;

- электроискровая обработка травы;

- искусственная аэроионизация воздуха;

- обработка кормов;

- обеззараживание сельскохозяйственных сред;

- стерилизация питательных растворов;

- омагничивание воды аппаратами с постоянными магнитами и электромагнитами;

- борьба с сорняками СВЧ-полем.

Автоматизация и компьютеризация сельскохозяйственных процессов, а также внедрение в АПК современных электротехнических изделий способствуют повышению уровня опасного электромагнитного излучения от таких источников ЭМИ, как компьютерная техника, силовая и осветительная электропроводка, электрические распределительные щиты, электрические лампы.

В результате анализа нормативных требований к допустимым параметрам ЭМП, установлено, что электротехнологические процессы сельскохозяйственного производства с использованием различных источников ЭМИ могут представлять высокую опасность из-за превышения ПДУ составляющих электромагнитного поля.

Для повышения электромагнитной безопасности на объектах АПК необходимо обеспечить контроль состояния электромагнитной обстановки и применять обоснованные защитные мероприятия.

На основании изложенного определены цель проводимых исследований и задачи, подлежащие решению.

Во второй главе с учетом анализа наиболее известных способов контроля электромагнитной обстановки предложен новый способ интегрированного контроля ЭМИ.

В результате проведенного анализа установлено, что известные способы имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдельных составляющих электромагнитного поля. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасности контролируемого пространства, так как для этого необходимо производить измерения во всех его точках для всех составляющих поля и возможных частот излучения.

Учитывая, что весьма информативным и удобным для восприятия параметром является допустимое время пребывания человека в различных зонах помещений с источниками ЭМИ, для оценки состояния электромагнитной обстановки предложена новая концепция исследования.

В рамках этой концепции состояние электромагнитной обстановки на контролируемом объекте оценивается пространственной картиной электромагнитной опасности, представляющей собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, получаемую в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и последующего компьютерного моделирования электромагнитного поля.

Опасные составляющие электромагнитных излучений соответствуют наименьшему допустимому значению времени пребывания человека в точках измерения напряженностей электрических, магнитных полей и плотности потока энергии (ППЭ) электромагнитных полей вблизи источников излучения на частотах, регламентированных действующими нормативными документами.

В основу реализации концепции положен следующий алгоритм:

- проводятся экспериментальные исследования уровней статических электрических полей, переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей в диапазоне частот и на расстоянии от центра каждой внешней поверхности каждого источника излучения, соответствующих требованиям санитарно-эпидемиологических правил и нормативов; при этом учитывают только наибольшие значения напряженностей электрического, магнитного полей и плотности потока энергии;

- определяется наименьшее допустимое время пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ в измеренных статических электрических полях и частотных диапазонах переменных электрических, магнитных и электромагнитных полей;

- измеренные значения напряженностей электрических, магнитных полей и ППЭ, соответствующие наименьшему допустимому времени пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ, используют для компьютерного моделирования пространственной картины электромагнитных излучений, а также сочетания различных видов излучений в исследуемом помещении;

- на основе результатов компьютерного моделирования получают картины уровней электрического, магнитного и электромагнитного полей во всех точках исследуемых объектов;

- с помощью полученной пространственной картины электромагнитных полей определяют области исследуемого пространства, характеризуемые превышением предельно допустимых уровней исследуемых полей;

- о состоянии электромагнитной обстановки судят по полученной пространственной картине опасности электромагнитного излучения, преобразуя узловые значения шкалы напряженности электрического или магнитного полей или плотности потока энергии в узловые значения допустимого времени пребывания, формируя шкалу допустимого времени и заменяя шкалу поля на шкалу допустимого времени пребывания в опасных зонах объекта;

- полученную пространственную картину опасности ЭМИ используют в качестве карты допустимого времени пребывания людей в различных зонах исследуемого помещения, а также для проведения организационно-технических мероприятий по снижению степени влияния электромагнитных излучений на людей, находящихся в рассматриваемом помещении.

Измерение напряженностей электрического, магнитного полей и плотности потока энергии электромагнитного поля осуществляется в соответствии с действующей системой санитарно-гигиенического нормирования.

Компьютерное моделирование в процессе решения проблемы электромагнитной безопасности используется для получения информации об электромагнитном поле в помещении в любой точке пространства, а также для определения превышений ПДУ во всем исследуемом помещении.

Кроме того, моделирование электромагнитных полей позволяет решать задачи определения мероприятий по нормализации электромагнитной обстановки в помещениях с источниками ЭМИ, в том числе:

- выбора способов организации рабочих мест;

- выбора мер защиты от электромагнитного излучения;

- обоснования целесообразности замены оборудования.

Представленная концепция положена в основу нового способа интегрированного контроля электромагнитных излучений.

Для реализации способа на объектах с источниками ЭМИ производятся измерения нормируемых параметров электростатического, переменных электрического, магнитного и электромагнитного полей на частотах: 0 Гц, 50 Гц, 30 кГц, 3 МГц, 30 МГц, 50 МГц, 300 МГц и при необходимости на более высоких частотах (до 300 ГГц) на расстоянии 0,1 м (0,5 м) от центра внешних поверхностей каждого источника излучения. В точках измерения определяется допустимое время пребывания людей по следующей методике.

Известны расчетные выражения для определения допустимого времени пребывания в зоне действия электромагнитного поля людей, профессионально связанных и не связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ.

В частности, предельно допустимый уровень напряженности электростатического поля (ЭСП) при воздействии менее 1 часа за смену составляет 60 кВ/м. Допустимое время пребывания персонала в этом электростатическом поле (час) без средств защиты определяется по формуле

Тдоп (ЭСП) :

60 р

факт у

(О

где Ефакг- значение напряженности электростатического поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 0 Гц, кВ/м.

При воздействии этого поля более 1 часа за смену величина ПДУ напряженности электростатического поля определяется по формуле

Е -— (2)

ПДУ ^Д '

где I — время воздействия, ч.

Вычисленное по формуле (2) ПДУ напряженности электростатического поля для людей, профессионально связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ, при воздействии в течение 8 часов составляет 21 кВ/м.

Аналогично можно определить допустимое время пребывания людей в зонах действия источников ЭМИ на объектах АПК, например, с персональными электронно-вычислительными машинами (ПЭВМ).

При определении допустимого времени пребывания людей в электрическом поле (ЭП) промышленной частоты руководствуются следующим.

ПДУ напряженности электрического поля промышленной частоты для людей, профессионально связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМП при воздействии в течение всей смены (8 часов) составляет 5 кВ/м. Допустимое время пребывания людей (час) в этом поле рассчитывается по формуле

Т

доп (ЭП 50)

50

¥2

'■факт у

"2, (3)

где Е2факг — значение напряженности электрического поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ и бытовой техники, на промышленной частоте 50 Гц, кВ/м.

Нормированное значение ПДУ напряженности электрического поля промышленной частоты, создаваемого ПЭВМ на рабочих местах, составляет 0,025 кВ/м для 8-часового рабочего дня. Используя формулу (3), можно получить формулу для определения допустимого времени пребывания человека в электрическом поле 50 Гц, создаваемом ПЭВМ (час)

т

доп (ЭП 50) ПЭВМ

0,25

^ЕЗф^ у

"2, (4)

где ЕЗфа1а— значение напряженности электрического поля, создаваемого ПЭВМ, на частоте 50 Гц, кВ/м.

Допустимое время пребывания людей в магнитном поле (МП), создаваемом источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 50 Гц можно определить, используя таблично заданные в СанПиН нормированные значения этих показателей для производственных условий, по формуле

доп (МП 50) и1 ' ^^

факт

где Н1фшс1 — значение напряженности магнитного поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ, на частоте 50 Гц, А/м.

Аналогично определяется допустимое время пребывания людей в зонах действия магнитного поля других частот.

При облучении в течение 8 часов от нескольких источников, работающих в радиочастотном диапазоне, для которых установлены разные предельно допустимые уровни, допустимое время пребывания человека определяется по формуле

Тяолрмп РЧ) = "П- > (6)

К-Т

где Кт - поправочный временной коэффициент, задаваемый, например, для электрического поля частотой до 300 МГц и магнитного поля частотой до 50 МГц, следующим образом

К — | ЭЭЕ2 | ЭЭЕ, ^ ЭЭЕ4 ^ ЭЭН1 ^ ЭЭН2 ^уу

ЭЭЕПдУ2 ЭЭе.ццуз ПЛУ) •)')„ 11ду1 ЭЭНПду2

Здесь ЭЭЕ1, ЭЭЕ2, ЭЭЕЗ и ЭЭЕ4 - энергетические экспозиции по напряженности электрического поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц, 3-30 МГц, 30 - 50 МГц и 50 - 300 МГц соответственно, определяемые по формуле

ЭЭа=Е^-Т,(В/м)2ч, (8)

где Еп - напряженность электрического поля в контролируемом диапазоне частот в исследуемой зоне, В/м, Т - время воздействия, ч;

ЭЭН1 и ЭЭШ - энергетические экспозиции по напряженности магнитного поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц и 30 - 50 МГц соответственно, определяемые по формуле

ЭЭ№=Н'-Т,(А/м)2ч, (9)

где Н„ - напряженность магнитного поля в контролируемом диапазоне частот в исследуемой зоне, А/м;

ээе.пду1> ЭЭЕОДУ2, ЭЭЕПДУЗ и ЭЭЕПДУ4 - ПДУ энергетических экспозиций по напряженности электрического поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц, 3 -30 МГц, 30 - 50 МГц и 50 - 300 МГц соответственно, определяемые по формуле

ЭЭЕ ОДУ = Е^щу • Т, (В/м)2 ч, (10)

где Ецду — ПДУ напряженности электрического поля, В/м;

ЭЭНПДУ1 и ЭЭНЛЦУ2 — ПДУ энергетических экспозиций по напряженности магнитного поля в диапазонах частот 30 кГц - 3 МГц и 30 - 50 МГц соответственно, определяемые по формуле

ЭЭнпду = Н^,1у.Т,(ЛУм)2-ч) (11)

где Ндду - ПДУ напряженности магнитного поля, А/м.

Наименьшее допустимое время пребывания в точках измерений определяется путем сопоставления допустимого времени пребывания человека в электростатическом поле Тдоп(ЭСП)> в электрическом поле промышленной частоты

ТДоп(эп50)> в магнитном поле промышленной частоты Тдоп(МП50) и в электромаг-

Н1ГГНОМ поле радиочастотного диапазона (10 кГц - 300 ГГц) Тзоп (Эк1П .

Измеренные значения напряженностей электрических или магнитных полей или ППЭ, соответствующие наименьшему допустимому значению времени пребывания в точках измерений, используются для формирования простран-

ственной картины электромагнитных полей в зависимости от характеристики выбранного поля в исследуемом объекте с помощью компьютерного моделирования, которое проводится, например, в среде СОМБОЬ МиШрЫвгсв (РЕМ1аЬ).

Об уровне электромагнитной безопасности судят по полученной пространственной картине опасности электромагнитного излучения.

В третьей главе представлено аппаратурное и программное обеспечение способа интегрированного контроля электромагнитных излучений и рассмотрена методика его практической реализации.

Для измерения параметров электромагнитных полей может быть использована совокупность следующих измерительных приборов:

- универсальный измеритель уровней электростатических полей СТ-01;

- измеритель напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50;

- измеритель электромагнитных полей ПЗ-41.

Методика практической реализации предложенного способа предусматривает 3 этапа:

1) сбор исходных данных;

2) компьютерное моделирование электромагнитного поля;

3) формирование пространственной картины опасности электромагнитного излучения путем преобразования узловых значений шкалы напряженности электрического или магнитного полей в узловые значения допустимого времени пребывания в рассматриваемом помещении.

Для сбора исходных данных:

- составляется план помещения с указанием его размеров и геометрической формы;

- на составленном плане изображаются источники ЭМИ;

- измеряются параметры электромагнитных полей возле каждой поверхности всех источников ЭМИ.

Измеренные значения напряженностей электрического поля, соответствующие наименьшему допустимому значению времени пребывания в точках измерений, используются для моделирования электромагнитных излучений.

В соответствии с полученной моделью выполняется численный расчет электромагнитной обстановки в исследуемом помещении. В итоге формируется пространственная картина опасности электромагнитного излучения.

Для примера на рисунке 1 представлена трехмерная модель исследуемого помещения с источниками ЭМИ.

По результатам измерений и оценки допустимого времени установлено, что наиболее опасной составляющей является электрическое поле промышленной частоты 50 Гц.

1 - прибор приемно-контрольный охранно-пожарный «КВАРЦ»; 2 - МФУ сканер-принтер-копир «Xerox Phaser 7700»; 3, 8 - аудио колонка «microlab M-400II»; 4 - принтер «HP Laser Jet 1320»; 5 - сабвуфер «microlab M-400II»; 6, 18, 23 - системный блок ПЭВМ «MAKS line»; 7 - жидкокристаллический монитор (ЖК) «Samsung Sync Master»; 9 - блок бесперебойного питания «Power Com 800 ВА»; 10, 22 - электрический обогреватель мощностью 1 кВт; 11 - блок бесперебойного питания «UPS 800 ВА»; 12 - принтер «HP Laser Jet 4200»; 13, 16 -сабвуфер «Swen SPS820»; 14 - жидкокристаллический монитор «Samsung Sync Master 710N»; 15, 17, 34 - аудио колонка «Swen SPS820»; 19 - жидкокристаллический монитор «View Sonic Vg700»; 20, 24 - сканер «HP»; 21 -фильтр-удлинитель «Power Cube SPG В» с 5 гнездами; 25 - мультифункциональное устройство «Eco Sys FS-6950DN»; 26, 29 - радиотелефон «Panasonic»; 27 - сетевой коммутатор (switch) «3Com» (40 портов); 28 - жидкокристаллический монитор «NEC 17»; 30 - системный блок ПЭВМ «GLX» (сервер); 31 - факс «Panasonic»; 32 - блок питания зарядного устройства телефона «Fly»; 33 - электрический чайник «Scarlett Laura»; 35 - источник бесперебойного питания «АРС 800 В А»; 36 - источник бесперебойного питания «АРС 1000 ВА»

Рисунок 1 - Трехмерная модель исследуемого помещения

Трехмерная картина распределения напряженности электрического поля показана на рисунке 2.

Далее формируется пространственная картина опасности электромагнитного излучения путем преобразования узловых значений шкалы напряженности электрического поля в узловые значения допустимого времени пребывания в рассматриваемом помещении. Для этого значения напряженностей электрического поля на шкале картины, по формулам, приведенным во второй главе, переводятся в значения допустимого времени пребывания человека.

Полученная картина опасности электромагнитного излучения в исследуемом помещении представлена на рисунке 3. Здесь показаны области допустимого

Рисунок 2 - Трехмерная картина распределения напряженности электрического поля в исследуемом помещении

Рисунок 3 - Картина опасности электромагнитного излучения в исследуемом помещении (проекция развернута на 90°)

времени пребывания людей в различных зонах исследуемого помещения в виде изоповерхностей, окрашенных в различные цвета. Справа от картины указана шкала допустимого времени, с помощью которой можно визуально определить потенциально опасные зоны в зависимости от цветового оттенка изображения в исследуемом пространстве. Отдельно указано допустимое время пребывания в зонах долговременного нахождения операторов ПЭВМ (на рабочих местах), а также - в местах наибольшего уровня ЭМИ.

Картина опасности электромагнитного излучения может быть использована для выбора защитных мер, обеспечивающих безопасность персонала. С этой целью рассмотрены организационные и технические мероприятия по обеспечению электромагнитной безопасности.

В четвертой главе представлены результаты оценки опасности электромагнитных излучений на примере процесса обработки семян в СВЧ-поле, выбраны мероприятия по обеспечению электромагнитной безопасности и определена экономическая и социальная эффективность способа интегрированного контроля электромагнитных излучений.

Для определения эффективности рассмотренной методики в АлтГТУ на базе микроволновой печи «Dialog» мощностью 900 Вт (инвертер частотой 2450 МГц) создан аналог разработанной в Красноярском государственном аграрном университете лабораторной установки конвейерного типа для исследования влияния режимных параметров СВЧ-поля на качественные показатели семян гречихи и произведена оценка степени опасности электромагнитных излучений в процессе предпосевной обработки семян.

На рисунке 4 представлен план исследуемого помещения с СВЧ-установкой.

Измерения уровней напряженности электрического, магнитного полей и плотности потока энергии производились на расстояниях от 0,5 м до 2 м от передней стенки СВЧ-камеры на частотах: 50 Гц, 30 кГц, 3 МГц, 30 МГц, 50 МГц, 300 МГц и 2450 МГц с помощью приборов ПЗ-50, ПЗ-41. Результаты измерений напряженности электрического поля и плотности потока энергии приведены в таблице 1 (выделены значения, превышающие ПДУ).

По результатам исследований уровень напряженности электрического поля на расстоянии 0,5 м превышает ПДУ электрического поля на частотах: 50 Гц, 0,03 МГц, 3 МГц, 30 МГц и 50 МГц, соответственно: в 36, 42, 33, 35 и 46 раз. Уровень ППЭ электромагнитного СВЧ-поля на расстоянии 0,5 м превышает ПДУ на частотах: 300 МГц, 2450 МГц, соответственно: в 46 и 48 раз. Безопасные уровни переменного электрического и сверхвысокочастотного электромагнитного полей достигаются на расстоянии более 2 м.

1 - транспортерная лента с ячейками; 2 - бункер; 3 - барабан; 4 - стол; 5 — СВЧ-камера; 6 - электродвигатель

Рисунок 4 - План исследуемого помещения с СВЧ-установкой

Таблица 1 - Результаты измерений напряженности электрического поля и плотности потока энергии на расстояниях от 0,5 м до 2 м от передней стенки СВЧ-камеры _

Расстояние между измерительным преобразователем и передней стенкой СВЧ-камеры, м Напряженность электрического поля, В/м Плотность потока энергии, мкВт/см2

Измеріпельньїе приборы / измерительные преобразователи

ПЗ-50/ АП ЕЗ-50 ПЗ-41/ АП-3 ПЗ-41/ АП-3 ПЗ-41/ АП-3 ПЗ-41/ АП-3 ПЗ-41/ АП-1 ПЗ-41/ АП-1

Контролируемая частота

50 Гц 0,03 МГц 3 МГц 30 МГц 50 МГц 300 МГц 2450 МГц

0,5 более 180000 1054,24 более 500 349,22 138,41 464,21 483,61

1,0 177000 723,45 388,07 339,09 116,24 205,34 343,82

1,5 17510 645,51 337,15 232,75 80,55 86,42 73,58

2,0 15340 599,02 310,83 212,80 73,89 54,32 52,81

Максимальное фоновое значение на расстоянии 0,1 м от установки

38 5,07 2,68 1,92 1,90 0 0

Предельно допустимый уровень

5000 25 15 10 3 10 10

Уровень напряженности магнитного поля на расстоянии 0,5 м превышает ПДУ на частотах 50 Гц и 50 МГц более чем в 3 и в 2 раза соответственно. При отсутствии средств защиты безопасные уровни магнитного поля достигаются на расстоянии более 1 м.

По результатам сопоставления допустимого времени пребывания человека в электрическом и магнитном полях промышленной частоты, в электромагнитном поле РЧ-диапазона наиболее опасным по уровню ЭМИ является электромагнитное поле частотой 2450 МГц.

Измеренные значения плотности потока энергии электромагнитного поля частотой 2450 МГц использовались для компьютерного моделирования электромагнитных излучений, которое проводилось в среде СОМБОЬ МиШрЫвюв.

На рисунке 5 представлен результат преобразования модели распределения ППЭ электромагнитного СВЧ-поля в картину опасности электромагнитного излучения по критерию допустимого времени. На этой картине показаны зоны допустимого времени пребывания людей при работе СВЧ-установки в виде изоповерхностей, окрашенных в различные цвета в зависимости от числового значения допустимого времени.

Допустимое время пребывания

[і 0 сек 0 сек

0 сек

8 мин

20 мин

8ч

Рисунок 5 - Картина опасности электромагнитного излучения

В качестве основного защитного мероприятия выбран вариант экранирования с использованием латунной сетки из проволоки диаметром 0,1 мм с шагом ячеек 1 мм, соединенной с контуром заземления. Сетка устанавливается на расстоянии 0,1 м от элементов установки, таким образом, чтобы не был нарушен технологический процесс.

В таблице 2 приведены результаты измерений уровней переменных электрического и электромагнитного полей в условиях экранирования.

На расстоянии более 0,5 м уровни переменного электрического и электромагнитного полей не превышают ПДУ. На расстоянии 0,5 м ПДУ напряженности электрического поля на частотах 0,03 МГц, 30 МГц и 50 МГц превышен соответственно в 1,1, 1,6 и 1,7 раза, а ППЭ электромагнитного поля на частотах: 300 МГц, 2450 МГц в 1,7 раза.

Уровни напряженности магнитного поля на расстоянии 0,5 м не превышают установленные нормативы на всем исследуемом частотном диапазоне.

На рисунке 6 приведена картина опасности ЭМИ в условиях экранирования.

Рисунок 6 - Картина опасности электромагнитного излучения в условиях экранирования

В соответствии с картиной опасности время пребывания человека в зоне от 0,5 м до 2,5 м от установки допускается до 10 ч, а на расстоянии более 2,5 м -в течение 24 ч.

В условиях экранирования безопасное время пребывания человека в зоне 1,5 м увеличено в 75 раз, в зоне от 1,5 м до 2,5 м - в 30 раз.

При необходимости могут быть использованы дополнительные мероприятия, позволяющие увеличить допустимое время пребывания возле установки.

Таким образом, пространственная картина опасности электромагнитных излучений, полученная в результате использования предложенного способа интегрированного контроля электромагнитной обстановки, позволяет обоснованно выбирать эффективные мероприятия по обеспечению безопасного пребывания на рабочих местах, улучшению и оздоровлению условий труда.

Экономическая эффективность предложенного способа оценивалась по затратам на его реализацию в сравнении с известными способами контроля.

Среднее значение удельных затрат на исследование одного объекта с помощью предлагаемого способа контроля составляют около 740 руб., аналогичный показатель при использовании известных способов измерения параметров электромагнитных полей - более 2200 руб.

Меньшие затраты предложенного способа обусловлены существенным уменьшением времени исследования электромагнитной обстановки экспертом-экологом. При этом, более чем в 2 раза, увеличивается число исследуемых объектов в течение года.

В то же время в качестве основного результата проведенных исследований необходимо рассматривать не экономический, а социальный эффект, обусловленный, прежде всего упорядочением процесса оценки состояния электромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная пространственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Электротехнологические процессы сельскохозяйственного производства с использованием различных источников электромагнитных излучений могут представлять высокую опасность из-за превышения ПДУ составляющих электромагнитного поля. Для повышения электромагнитной безопасности на объектах АПК необходимо обеспечить контроль состояния электромагнитной обстановки и применять обоснованные защитные мероприятия.

2. Известные способы контроля электромагнитной обстановки имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдельных составляющих электромагнитного поля. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасности контролируемого пространства.

3.В качестве критерия оценки опасности ЭМИ от нескольких источников целесообразно использование минимально допустимого времени пребывания человека в различных зонах помещения, соответствующего наиболее опасным составляющим электромагнитного поля.

4. Совершенствование механизма контроля электромагнитных излучений возможно на основе разработанной концепции комплексных исследований электромагнитной обстановки, предусматривающей получение пространственной картины электромагнитной опасности, которая представляет собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах пространства.

5. Практическую реализацию разработанной концепции обеспечивают новый способ и методика интегрированного контроля электромагнитных излучений, позволяющие получить карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах пространства в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и компьютерного моделирования электромагнитных полей.

6. Применение предложенной методики при исследовании электромагнитной обстановки позволяет не только выявить наиболее опасные составляющие электромагнитных излучений, но и оценить эффективность защитных мероприятий. В частности, для технологического процесса предпосевной обработки семян в СВЧ-поле предложенное защитное экранирование увеличивает безопасное время пребывания человека в зоне от 0,5 м до 2,5 м от СВЧ-камеры до 10 ч, а на расстоянии более 2,5 м - до 24 ч. Без экранирования допустимое время пребывания в зоне от 0,5 м до 1,5 м составляло 8 мин, а в зоне от 1,5 м до 2,5 м -20 мин.

7. Экономическая эффективность предложенного способа определяется уменьшением удельных затрат на обследование электромагнитной обстановки до 3 раз и увеличением, более чем в 2 раза, числа исследуемых объектов в течение года.

8. Социальный эффект обусловлен упорядочением процесса оценки состояния электромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная пространственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.

Список основных публикаций по теме диссертационной работы

В изданиях по перечню ВАК

1. Сошников, A.A. Развитие методов инструментального контроля состояния электромагнитной безопасности [Текст] / A.A. Сошников, Е.В. Титов // Международный научный журнал. - Москва, 2010. - № 4. - С.97 - 99.

2. Воробьев, Н.П. Использование компьютерного моделирования для оценки электромагнитных загрязнений [Текст] / Н.П. Воробьев, A.A. Сошников, Е.В. Титов // Ползуновский вестник. - Барнаул, 2009. - № 4. - С.31 - 33.

3. Сошников, A.A. Современные технологии в системах техногенной безопасности образовательных учреждений [Текст] / A.A. Сошников, Н.П. Воробьев, Б.С. Компанеец, Е.В. Титов // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012. -№6.-С. 184- 189.

4. Титов, Е.В. Методика контроля электромагнитной обстановки на объектах АПК [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2012. - № 7. - С. 136 - 138.

5. Воробьев, Н.П. Оценка состояния электромагнитной обстановки в помещениях [Текст] / Н.П. Воробьев, Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Вестник КрасГАУ. - Красноярск, 2013. -№ 1. - С. 134 - 138.

6. Титов, Е.В. Анализ опасности электромагнитных излучений в помещениях [Текст] / Е.В. Титов // Вестник АГАУ. - Барнаул, 2012. - № 12 (98). -С. 94 - 97.

В других изданиях

7. Воробьев, Н.П. К обеспечению электромагнитной безопасности рабочих мест с использованием ПЭВМ в образовательных учреждениях [Текст] / Н.П. Воробьев, A.A. Сошников, Е.В. Титов // Энерго- и ресурсосбережение -XXI век: Сборник материалов VIII-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С. Степанова. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2010.-С.8- 10.

8. Сошников, A.A. Совершенствование механизма контроля состояния электромагнитной безопасности [Текст] / A.A. Сошников, Е.В. Титов // Энерго-и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов VIII-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С. Степанова. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2010. - С.10 - 12.

9. Титов, Е.В. Исследование параметров и моделирование пространственной картины электромагнитных излучений [Текст] / Е.В. Титов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды всероссийской конференции / Воронежский государственный технический университет. - Воронеж, 2011. - С. 196 - 197.

Ю.Титов, Е.В. Формирование пространственной картины опасности электромагнитных излучений [Текст] / Е.В. Титов // Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих: Збірник наукових праць XI науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 17-20 травня 2011 р. / ДонНТУ. - Донецьк, 2011. - С.243 - 245.

П.Титов, Е.В. Исследование электромагнитной безопасности мониторов персональных компьютеров [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мигалев, Клепиков A.C. // Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи: Сборник материалов

II-ой всероссийской студенческой конференции (с международным участием). - Челябинск, 2011. - С.267 - 268.

12.Титов, Е.В. Исследование электромагнитных излучений многофункциональных устройств [Текст] / Е.В. Титов // Электробезопасность: Ежеквартальный теоретический и научно-практический журнал. - Челябинск, 2011 -С.40 - 42.

13.Титов, Е.В. Исследование электромагнитного излучения, создаваемого компактными люминесцентными лампами [Текст] / Е.В. Титов, И.Е. Мига-лев// Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов Х-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С. Степанова. -Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. - С.181-183.

14. Воробьев, Н.П. Оценка состояний электромагнитных излучений в помещениях [Текст] / Н.П. Воробьев, Е.В. Титов, И.Е. Мигалев // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов Х-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С. Степанова. - Орел: Госуниверси-тет-УНПК, 2012. - С.183-188.

15. Титов, Е.В. Методика исследования электромагнитных излучений на объектах АПК [Текст] / Е.В. Титов // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век.: Сборник материалов Х-ой международной научно-практической конференции / Под редакцией д.т.н., проф. В.А. Голенкова, д.т.н., проф. А.Н. Качанова, д.т.н., проф. Ю.С. Степанова. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. - С.188-191.

16. Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности (15.06.2012 г.) о выдаче патента на изобретение МПК7 G 01 R 29/08. «Способ контроля электромагнитной безопасности» по заявке № 2011113569/28(020098) / Н.П. Воробьев, O.K. Никольский, A.A. Сошников, Е.В. Титов. Патентообладатель: ФГБОУ ВПО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова.

Подписано в печать 14.01.2013. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,39. Тираж 120 экз. Заказ 2013-34

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

На правах рукописи

Титов Евгений Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ АПК НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.А. Сошников

Барнаул - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОБЪЕКТАХ АПК И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ....... 9

1.1 Проблема обеспечения электромагнитной безопасности.................. 9

1.2 Классификация источников опасного электромагнитного

излучения на объектах АПК.................................................................. 17

1.3 Анализ нормативных требований к электромагнитной обстановке и перспективные направления обеспечения электромагнитной безопасности............................................................................................ 30

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ КОНТРОЛЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ..........................................................................................44

2.1 Анализ способов контроля электромагнитной обстановки..............................44

2.2 Новая концепция исследования электромагнитной обстановки..............49

2.3 Разработка способа интегрированного контроля электромагнитных излучений....................................................................................................................................................................................................51

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................................................................59

ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ИНТЕГРИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ................................................................................................. 60

3.1 Аппаратурное и программное обеспечение способа интегрированного контроля электромагнитных излучений............... 60

3.2 Методика практической реализации способа интегрированного контроля электромагнитных излучений................................................ 64

3.3 Выбор мероприятий по обеспечению электромагнитной безопасности............................................................................................ 72

ВЫВОДЫ...................................................................................................... 77

ГЛАВА 4 ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ............................................................................................. 78

4.1 Оценка опасности электромагнитных излучений на примере процесса обработки семян в СВЧ-поле................................................. 78

4.2 Выбор мероприятий по обеспечению электромагнитной безопасности процесса СВЧ-обработки семян..................................... 85

4.3 Экономическая и социальная эффективность способа интегрированного контроля электромагнитных излучений.............. 90

ВЫВОДЫ...................................................................................................... 91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 92

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................... 94

Приложение А. Титульный лист методических и практических рекомендаций «Обеспечение электромагнитной безопасности

электротехнологических процессов на объектах АПК»............................. 110

Приложение Б. Технические характеристики измерителей параметров

электромагнитного поля................................................................................. 111

Приложение В. Результаты измерения напряженности электрического поля в производственном помещении.......................................................... 116

Приложение Г. Результаты измерения напряженности магнитного поля

в производственном помещении................................................................... 121

Приложение Д. Расчет удельных затрат на реализацию способа

контроля электромагнитных излучений........................................................ 124

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное использование электромагнитной энергии в современном обществе привело к формированию нового фактора загрязнения окружающей среды - электромагнитного [1].

Все составляющие электромагнитного поля являются сильным фактором влияния на состояние биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Поэтому возникает необходимость принятия обязательных мер для обеспечения безопасности жизнедеятельности человека [2].

В настоящее время рядом нормативных документов [3-20] установлены предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитного излучения (ЭМИ), воздействующего на рабочий персонал и людей, профессионально не связанных с эксплуатацией и обслуживанием источников ЭМИ.

В агропромышленном комплексе России используется группа технологических процессов с источниками ЭМИ, создающих электромагнитные излучения с возможным превышением ПДУ [3-20], в том числе:

- обработка кормов электрическим током;

- электрическая очистка и сортирование семян в электрическом поле высокой напряженности;

- обеззараживание сельскохозяйственных сред и оборудования в электрическом поле;

- борьба с сорняками токами промышленной частоты и сверхвысокой частоты (СВЧ);

- разрушение, дробление и измельчение материалов в электрогидравлической установке;

- предпосевная обработка семян в электростатическом поле и в электромагнитном СВЧ-поле;

- электроискровая обработка травы;

- электрические ионизаторы воздуха (двухзонные электрофильтры и аэроионизаторы Болотова - люстра Чижевского);

- стерилизация питательных растворов в магнитном поле;

- активация воды омагничиванием, в том числе, аппараты с постоянными магнитами и с электромагнитами;

- комплексная очистка и обеззараживание воды магнитным полем.

Для обеспечения безопасности людей необходимо контролировать

электромагнитную обстановку на объектах с источниками ЭМИ.

Известные способы контроля электромагнитной обстановки имеют узкую область применения и реализуют измерение только отдельных составляющих электромагнитного поля. При этом отсутствует возможность получения полной картины опасности контролируемого пространства.

Целью работы является повышение электромагнитной безопасности электротехнологий, используемых на объектах АПК.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- анализ известных способов контроля электромагнитной обстановки;

- выбор информативного критерия оценки опасности ЭМИ от нескольких источников и обоснование перспективного способа контроля состояния электромагнитной обстановки;

- разработка методики оценки опасности электромагнитной обстановки в различных зонах исследуемого пространства;

- обоснование требований к условиям практической реализации способа интегрированного контроля электромагнитных излучений;

- выбор мероприятий для обеспечения электромагнитной безопасности по результатам интегрированного контроля ЭМИ.

Объект исследования. Электромагнитная обстановка электротехнологических процессов АПК.

Предмет исследования. Контроль параметров электромагнитных излучений для обоснования мероприятий по повышению электромагнитной безопасности.

Методы исследования. Теория электромагнитного поля, математическое, физическое и имитационное моделирование.

Научную новизну представляют:

- новая концепция исследования электромагнитной обстановки на объектах АПК;

- метод определения наиболее опасной составляющей электромагнитного поля по результатам оценки допустимого времени пребывания человека в контролируемой зоне;

- методика компьютерного моделирования ЭМП для формирования пространственной картины опасности электромагнитных излучений;

- способ интегрированного контроля электромагнитных излучений.

Практическую ценность работы представляют:

- методика определения допустимого времени пребывания человека в различных зонах объекта с источниками ЭМИ;

- метод оценки состояния электромагнитной обстановки с помощью пространственной картины опасности ЭМИ;

- рекомендации по обоснованию мероприятий для повышения электромагнитной безопасности электротехнологических процессов АПК.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года (МСХ РФ, приказ от 25 июня 2007 года № 342) и аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2010-2012 годы).

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при выполнении проекта Министерства образования и науки РФ № 3453 «Создание комплексной системы техногенной безопасности образовательных учреждений» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)».

Научные положения, выводы и рекомендации использованы при разработке методических и практических рекомендаций «Обеспечение электромаг-

нитной безопасности электротехнологических процессов на объектах АПК», принятых Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края (Приложение А).

Результаты диссертационной работы представлены в монографии «Электромагнитная безопасность технологических процессов АПК», учебном пособии «Обеспечение безопасности технологических процессов с источниками электромагнитного излучения» для аспирантов специальности 05.20.02, а также включены в Образовательный стандарт учебной дисциплины «Электромагнитная безопасность» по направлению подготовки: 140400 «Электроэнергетика и электротехника» в АлтГТУ.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы представлялись и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (Барнаул, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); XI Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2011 г.); XI Международной научно-технической конференции «Автоматизащя технолопчних об'екпв та процеав. Пошук молодих» (Донецк, 2011 г.); Всероссийской студенческой конференции «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи» (Челябинск, 2011 г.); Международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2010, 2011, 2012 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Повышение безопасности электротехнологических процессов АПК возможно на основе интегрированного контроля электромагнитных излучений.

2. В качестве критерия оценки опасности ЭМИ можно использовать наименьшее допустимое время пребывания человека в контролируемой зоне пространства, соответствующее наиболее опасной составляющей ЭМП.

3. Состояние электромагнитной обстановки на контролируемом объекте оценивается пространственной картиной электромагнитной опасности, представляющей собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, получаемую в результате выявления наиболее опасных составляющих электромагнитного излучения от различных источников в диапазоне исследуемых частот и последующего компьютерного моделирования электромагнитного поля.

4. Эффективность разработанного способа интегрированного контроля ЭМИ обусловлена упорядочением процесса оценки состояния электромагнитной обстановки. При этом не только снижается трудоемкость, но и повышается достоверность результатов контроля, а полученная пространственная картина опасности электромагнитных излучений позволяет обоснованно выбирать защитные мероприятия в условиях экономических и технических ограничений.

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова в 2010 - 2012 годах.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА

ОБЪЕКТАХ АПК И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

1.1 Проблема обеспечения электромагнитной безопасности

Интенсивное использование электромагнитной энергии в современном обществе в последней трети XX века привело к формированию нового фактора загрязнения окружающей среды - электромагнитного [1]. В настоящее время механизм взаимодействия электромагнитных излучений (ЭМИ) с человеческим организмом до конца не изучен [2], но биологами отмечаются отрицательные последствия при облучении биологических объектов электромагнитными полями (ЭМП) [21].

Повышенное внимание к проблеме электромагнитного загрязнения окружающей среды вызвано его масштабностью: энерговооруженность в последней трети XX века возросла в тысячи раз [22].

Варианты воздействия ЭМП на биоэкосистемы, включая человека, разнообразны: непрерывное и эпизодическое, общее и местное, комбинированное от нескольких источников и сочетанное с другими неблагоприятными факторами среды и т.д. [23].

На биологическую реакцию влияют следующие параметры электромагнитного поля [24, 25]:

- интенсивность ЭМП (величина);

- частота излучения;

- продолжительность облучения;

- модуляция волнового излучения;

- сочетание частот ЭМП;

- периодичность действия;

- внешние условия;

- функциональное состояние организма;

- устойчивость организма к воздействию ЭМИ, возможность адаптации.

Биологический организм имеет ряд защитных механизмов, позволяющих ему адаптироваться и выживать в различных экологических условиях. Кожный покров человека в общем случае выполняет функции экрана, защищающего человеческий организм от внешних воздействий. Однако этот экран не является сплошным, поэтому через кожу биологический организм одновременно осуществляет согласование работы внутренних органов с геофизическими процессами внешней среды. Кожа поглощает различные излучения, кванты которых, соединяясь с внутренней энергией обмена в организме, определяют всю его энергетическую базу. Таким образом, у кожного покрова нет возможности самостоятельно справиться с оказывающим влияние на организм потоком ЭМИ [26].

До некоторых значений интенсивности воздействующего ЭМП в организме действуют пассивные механизмы защиты - реакции приспособления, адаптация, обусловленная быстро реагирующей периферической нервной системой. Адаптационные возможности ограничены, и для их развития требуется длительный эволюционный период [27]. При систематическом действии на организм человека уровней электромагнитной энергии (ЭМЭ), превышающих предельно допустимый уровень (ПДУ), возникают компенсаторно-приспособительные реакции, являющиеся общими неспецифическими реакциями организма [26]. Однако, эти возможности также не беспредельны, они ограничиваются истощением защитных резервов организма [28]. Затем, при продолжении облучения, могут развиваться патологические изменения. Если облучение продолжалось в течение многих лет, возникают необратимые изменения со стороны нервной, сердечнососудистой и эндокринной систем [29]. Не имея возможности защититься или адаптироваться к активным волновым воздействиям, организм реагирует неправильно - он дает команду на саморазрушение и смертельные заболевания [30].

При взаимодействии электромагнитных излучений с биологическими объектами лишь часть энергии поглощается. Эта часть и вызывает изменения в веществе. Отраженная или проходящая энергия не оказывает никакого дей-

ствия [31]. Глубина проникновения ЭМП радиочастотного диапазона в различные ткани указана в таблице 1.1 [32].

Таблица 1.1- Глубина проникновения ЭМП в различные ткани

Ткань организма Частота, МГц

100 200 400 1000 3000 10000

Глубина проникновения ЭМП, см

Костный мозг 22,9 20,66 18,37 11,90 9,92 0,34

Головной мозг 3,55 4ДЗ 2,07 1,93 0,47 0,16

Хрусталик глаза 9,42 4,39 4,23 2,91 0,50 0,17

Кровь 2,86 2,15 1,79 1,40 0,78 0,14

Мышцы 3,45 2,32 1,84 1,46 - 0,31

Кожа 3,76 2,78 2,18 1,64 0,64 0,18

Анализ [31-37] показывает, что среди всего спектра электромагнитных излучений наибольшей биологической значимостью и выраженностью симптоматики выделяются ЭМИ радиочастотного (от 10 кГц до 300 МГц) и сверхвысокочастотного (от 3 до 30 ГГц) диапазонов (далее - РЧ и СВЧ).

По данным [31-37], у людей, связанных с работой источников ЭМИ РЧ и особенно высокочастотных (ВЧ) (от 3 до 30 МГц) и СВЧ-диапазонов, выявляется разнообразная неврологическая симптоматика как субъективного, так и объективного характера. Представленные данные клинико-эпидемиологических исследований о влиянии ЭМИ РЧ на организм человека [31, 36-39] свидетельствуют, что выраженность наблюдаемых изменений зависит от интенсивности и времени воздействия.

Специалисты отмечают ускорение роста раковых клеток у людей, много работающих с персональными компьютерами, патологических реакций, обусловленных, скорее всего, воздействием электромагнитных излучений крайне низкой частоты (КНЧ). К ним относятся электромагнитные излучения с частотами от 30 до 300 Гц. КНЧ-поля не способны изменять или разрушать связи в клетках на молекулярном уровне, но они инициируют электрические изменения, происходящие в жи�