УДК 621.396.6:621.311.426
Рябов Ю.Г., Ломаев Г.В., Гуров И.Б., Ермаков К.В.
ООО «НПО перспективных технологий»
Многослойный экран
встроенных трансформаторных подстанций
Приводятся причины
несовместимости санитарных норм и натурных электромагнитных условий.
Рассматриваются новые подходы и принципы создания многослойного электромагнитного
экрана (МЭЭ) большого объема, адаптированного для защиты среды обитания от
воздействий вращающихся магнитных полей, индуктируемых трехфазным оборудованием
трансформаторных подстанций (ТП), и защиты оборудования самой ТП от воздействий
мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ). Показаны особенности механизмов экранирования
магнитных полей, от однофазных и трехфазных источников. Приведена защищённая
патентами конструкция МЭЭ, применяемая на практике 14-ть лет.
Причины несовместимости норм
и требований электромагнитной безопасности с натурными условиями среды обитания.
В настоящее время [1,2,3] установлена биологическая опасность
индукций эллиптически поляризованных (ЭПП) (санитарная терминология)
вращающихся электромагнитных полей (ВЭМП)(электротехническая терминология) –
магнитной (ВМП) и электрической (ВЭП) составляющих от трехфазных источников не
только промышленной частоты (ПЧ) 50Гц, но и излучений вращающихся полей СВЧ
[2]. Если 30 лет назад в жилых
и офисных помещениях доля индукций ВЭМП от трехфазных цепей в общей
суперпозиции полей ПЧ составляла 10–15%, то сегодня их доля достигает 50–80%.
На объектах и рабочих местах энергетиков и многих промышленных цехов
практически все интенсивные поля ПЧ (90%) индуктированы трехфазными сетями и
оборудованием.
Некоторые клинические и
экспериментальные факты и результаты поражающего воздействия вращающихся МП на
организм человека и животных, нами были опубликованы и доложены на
международных конференциях и семинарах [2,3,5]. Характерные примеры:
1999 г. В семье космонавта
Лавейкина А. И. три человека скончались от раковых заболеваний, двое стали
инвалидами. Причина – квартира находилась на 2-м этаже дома (г. Москва), на 1-м
этаже которого была расположена встроенная трансформаторная подстанция (ТП)
(2×650)кВА. В месте размещения спальных мест зарегистрировано ВЭМП
напряженностью 1,5–2 А/м и сниженное геомагнитное поле (ГМП) в 1,5 раза.
2000 г. Дежурная часть центра
связи пожарной охраны «01» г. Москвы. Трое военнослужащих (женщины) в возрасте
30–36 лет скончались от онкологических заболеваний. Причина – под полом их
рабочего места проходили кабели раскладок 3-х фаз с большим током.
Зарегистрированная напряженность ВЭМП составила 0,8–1,0 А/м и 100–150 В/м,
снижение геомагнитного поля (ГМП) в 1,5–2 раза за счет стальных фартуков
пультов рабочих мест (сталь толщиной 2 мм).
Во всех трагических случаях
санитарные службы (и ведомственные и центральная СЭС
г. Москвы) не «находили» источника опасности. Все было в соответствии с нормами
СанПиН, разработанных НИИ медицины труда РАМН и утвержденных Главным санитарным
врачом РФ.
Медицинскими исследованиями
установлено, что в среде пребывания людей, животных и растений особенно опасен
(недопустим) фон ВЭМП левосторонних направлений [2,3,5].
|
а) Опыт Контроль |
б) |
||||||
|
Рис.1. Результаты проращивания семян овса в условиях индукции
вращающегося магнитного поля 50Гц ~(3-4)А/м в катушке Гельмгольца. (ИжГТУ-проф. Ломаев Г.В.): |
|||||||
Но в СанПиН [4] и др.
отсутствуют методы контроля биологически опасных (по сравнению с ЛПП ЭМП ПЧ)
воздействий на человека суперпозиций ВЭМП, левосторонних направлений ВЭМП и
воздействий фона индукций гармоник 500(2000)Гц тока в современных электросетях.
Рис.2. Типичная
форма тока в сети жилого здания.
Ось Y-Амперы. Ось
X-номер гармоники 50Гц.
(Осциллограммы
представлены Г.Н.Яковлевым).
Такая ситуация характерна на
многих рабочих местах, в помещениях квартир, коттеджах и т.п. В России до сих
пор нет государственных санитарных норм и требований электромагнитной
совместимости (ЭМС) на ВЭМП. Нормы электромагнитной безопасности (ЭМБ) и
требования ЭМС регламентируют только линейно поляризованные поля (ЛПП) –
индуктируемые элементами однофазного электроснабжения. Но ЛПП является частным
случаем ЭПП, а ЭПП-частным случаем суперпозиции ВЭМП [5-8 ].
Токи гармоник, действующие в
современных электросетях здания, вызывают перегрев силовых трансформаторов,
электродвигателей, линий передачи, устройств коммутации, ускоряют процессы
коррозии элементов металлоконструкций. В результате чего снижается
электропрочность изоляции, снижается энергоэффективность, нарушаются условия
пожарной безопасности, уменьшается их остаточный ресурс и т.п. Токи гармоник в
высоковольтной изоляции вызывают возрастание интенсивности коронных и искровых
«частичных разрядов» (ЧР), сопровождаемые излучением электромагнитных импульсов
(ЭМИ), ускоряющие процесс старения изоляции [9-10].
Концентрированными источниками санитарной
и техногенной электромагнитной опасности в среде обитания являются встроенные в
здания и пристроенные неэкранированные трансформаторные подстанции (ТП). Только
в Московском регионе таких ТП около 1000, в С.Петербурге более 500, а во всей
России – более 36-ти тысяч. Высокая стоимость городской земли (для отдельно
стоящих ТП приходится отчуждать 1400-1800кв. м земли), проблемы с прокладкой
трасс кабельных коммуникаций, высотные сооружения и здания принуждают
разработчиков встраивать ТП в здания даже на 30-х-40-ых этажах. Повышается
мощность ТП (раньше было -250–650кВА, сейчас -1600–2500кВА). Во встроенных и
пристроенных ТП применяются только сухие трансформаторы с литой изоляцией,
уровень индукций МП которых в горизонтальном направлении в 2-3 раза, а в
вертикальном в 1,3-1,5 раза выше, чем от масляных трансформаторов одинаковой
мощности.
Источником повышенной индукции МП вверх
являются не сами трансформаторы, а раскладки кабелей или шин, отводящих большие
токи 0,4кВ, особенно когда эти раскладки проходят под потолком помещений ТП:
ГРЩ-0,4кВ, РУ-10кВ и др. Во многих случаях в 1,2-1,5 раза снижается стоимость
электромагнитного экрана встроенной в здание ТП, если трасса раскладок кабелей
или шин 0,4кВ от трансформатора проходит внизу под помещениями ТП. Вариант
«раскладки через низ ТП» обеспечивает при прочих равных условиях уменьшение в
1,5-2,5 раза индукций МП на 2-ом и выше этажах здания и снижение границы зоны
опасных для живых организмов среды фона вращающихся магнитных полей.
Рекомендуемые ВОЗ нормы –
индукции МП ПЧ≤ 0,2мкТл при максимальных нагрузках неэкранированных ТП,
обеспечиваются на расстояниях до 10-15 метров от ТП. В этом пространстве
фиксируют наличие вращающихся магнитных полей (ВМП). Условия усугубляются, если
используется система электроснабжения типа TN (по ПУЭ), которая создает дополнительные
угрозы здоровью людей, коррозионной надежности металлоконструкций, нарушает ЭМС
технических средств (например, в устройствах пожарной и охранной сигнализации и
т.п.), провоцирует утечку энергии.
По статистике МЧС каждый 3-й
пожар, взрыв с человеческими жертвами в общественных и в жилых зданиях
происходит из-за нарушений в устройствах системы электроснабжения типа.TN. От пожаров и электротравм (в условиях системы
TN) только в ЖКХ РФ ежегодно, не считая пострадавших, погибает от 20-ти до
30-ти тысяч человек (до 5-ти тысяч – пожары, 15 – 25 тысяч - электропоражения).
Одной из причин роста числа сердечнососудистых, онкологических и гормональных заболеваний людей
многие исследователи связывают именно с высоким уровнем фона электрических
полей (ЭП) неосязаемых человеком индукций
50Гц в помещениях ЖКХ и на рабочих местах от электросетей системы TN. Сегодня около 80% городских и
урбанизированных сельских жилых помещений, выполненных по отечественным
правилам и нормам безопасности: СанПиН, ПУЭ и СНиП дискомфортны и не безопасны.
Интенсивность «электромагнитных загрязнений»
в помещениях ЖКХ, выполненных по технологиям РФ, более 10 раз выше, чем в
построенных зарубежными строителями зданиях, где используют систему
электроснабжения типа IT с
изолированной нейтралью.
Причиной применения не рациональной, не совместимой с живыми
организмами системой электроснабжения, особенно в помещениях ЖКХ и общественных
зданиях в России, являются опасные допустимые нормы фона ЭМП ПЧ санитарной
безопасности СанПиН (от РАМН)- 500В/м и 8(4)А/м для населения и 5000В/м и 80А/м
для профессионалов. Ведь это не нормы комфортных условий в жилых и офисных
помещениях, а дискомфортные нормы условий безопасности, включенные во все
энергетические и строительные стандарты РФ. Зарубежные строители в жилых и в
общественных помещениях создают для людей именно комфортные («зеленые»)
условия, обеспечивая фон ЭП и ВМП ПЧ до 10В/м и до 0,12А/м {стандарт ТСО 91(99)
– Швеция} – т.е. до уровней, когда организм человека на такие воздействия не
реагирует [1,5,7-9].
Поэтому, во многих случаях эффективным
безальтернативным методом защиты жилых и производственных помещений от опасного
фона ВМП ПЧ является экранирование источников этих полей. В частности,
помещений размещения оборудования встроенных, пристроенных и отдельных ТП:
трансформаторов, ГРЩ-0,4кВ, РУ-10(20)кВ и раскладок питающих кабелей (РПК)
электроснабжения внутри и/или снаружи здания [6,10 -14]. Если встроенные и
пристроенные ТП не экранировать, то при вводе оборудования ТП в эксплуатацию
100–200кв.м арендуемых помещений, смежных с ТП, приходится переводить в
безлюдные помещения, стоимость аренды которых в несколько раза ниже, чем для
офисных и жилых помещений.
Сегодня,
грамотный арендатор, чтобы сохранить работоспособность и здоровье своих
работников, должен выбирать помещения,
фон ЭМП ПЧ в которых соответствует нормам стандарта ТСО 91(99) или рекомендации
ВОЗ, на воздействия которых организм человека не реагирует. Арендатор должен
независимо от регламентаций СанПиН инструментально проверить результаты
контроля электромагнитной безопасности (ЭМБ), декларированных
«лицензированными» санитарными надзорными службами в помещениях, смежных с
силовым оборудованием здания, оборудованием ТП, раскладками питающих кабелей,
шинопроводами.
Кроме
того, сегодня должно быть предусмотрено, чтобы энергетическое оборудование ТП и
система электроснабжения здания были надежно защищены от поражающих внешних
воздействующих факторов (ВВФ). В случаях воздействий на здания молниевых
разрядов (МР), полей электромагнитных импульсов (ЭМИ), электронного оружия,
преднамеренных силовых электромагнитных воздействий (ПС ЭМВ по ГОСТ Р 52863-07)
энергия поражающих помех в сетях IT(ТТ), например,
выполненных по ГОСТ Р 50571.28 – 2006 (МЭК 60364-7-710: 2002, будет более чем в
10-ть раз меньше, чем в сетях TN. Поэтому
защита встроенного, пристроенного и отдельно расположенного оборудования ТП и
модернизация системы электроснабжения должна стать обязательной частью системы
обеспечения защиты зданий от ожидаемых угроз взрывов ,пожаров, воздействий МР и
ЭМИ, соответствовать комплексу требований электромагнитной совместимости (ЭМС)
и искровой защиты [5,6,9,14 ].
Последствия
стремительного насыщения источниками промышленной энергий среды обитания человека
вызывает тревогу даже у энергетиков: «Уже сейчас скрытые социальные затраты на
компенсацию вредного воздействия объектов электроэнергетики, систем
электроснабжения, электростанций (болезни, уменьшение продолжительности жизни и
др.) распределены на все общество и составляют 50–80% цены на энергии».
(«Электро-инфо», февраль 2008 г., стр.54).
Многослойный электромагнитный экран (МЭЭ) для
встроенных и пристроенных ТП.
Далее
рассматривается конструкция МЭЭ, принципы экранирования, технология
проектирования и монтажа которой отработаны в течении 14-ти лет на четырех
десятках разнообразных объектов ТП: в Москве, Московской области, Самаре и др.
Эффективность МЭЭ подтверждена результатами контроля компетентными
организациями и Роспотребнадзора. МЭЭ используется для защиты человека и технических средств от
воздействий ВЭМП ПЧ и ЛПП ЭМП, индуктируемых смежным оборудованием ТП и
сильными токами (до 3500А) линейных раскладок питающих кабелей (РПК) и
шинопроводов 0,4кВ.
Рис.3. Конструкция многослойного электромагнитного экрана (МЭЭ).
1 и 2. Стальной лист.
3. Пример нахлеста боковых и торцевых соединений
стальных листов при их монтаже.
4. Направляющие трубы (и перемычки между ними).
5.Зазор между листами.
6. Непрерывный сварочный шов (соединяет все боковые и
торцевые нахлесты).
Подобные МЭЭ были испытаны на воздействие
ЭМИ большой длительности с фронтом нарастания до 7нс. МЭЭ (дополнительно к
акустической защите) ослабляет уровень акустического шума, генерируемого силовыми
трансформаторами, в пределах 8–12дБА. Рассматриваемая конструкция МЭЭ
преобразует и подавляет ВМП ПЧ в отличии от однослойных ЭЭ или многослойного
пакетного ЭЭ (ПЭЭ), ещё применяемых в практике. Нелинейные свойства слоев МЭЭ
обеспечивают приемлемую стабилизацию уровня фона МП в защищаемых помещениях при
повышении интенсивности индукций от ТП (например, при перегрузке
трансформатора). Применение листов ЭЭ с защитным покрытием и уменьшение частоты
перехода металла листов через «точку росы», в результате его нагрева МП ПЧ,
обеспечивают снижение скорости электрохимических и биологических коррозионных
процессов, за счет чего ожидаемый эксплуатационный ресурс МЭЭ составляет не
менее 25-ти лет [8,13,14].
Рис.4. Монтаж и
контроль МЭЭ встроенной ТП в здание на Долгоруковской улице г. Москва.
Базовая конструкция МЭЭ (рис.3) состоит из
трех экранирующих слоев. Первый и третий слои выполнены из листов изотропной
электротехнической стали (динамной, а не трансформаторной) толщиной 1 мм. Между
листами расположена решетка (2-ой слой), выполненная, например, из
металлической прямоугольной трубы 80×40 мм (толщина стенки 2 мм), ячейки
которой выполняют роль запредельного волновода. Ячейки решетки подавляют
вертикальные составляющие МП, прошедшие от 1-го слоя ВМП. Таким образом, в
пространстве «решетка – 3-ий слой МЭЭ», реализуя механизм запредельного
волновода, ожидается наличие только составляющей линейно поляризованного (ЛП)
МП, ослабленного решеткой. 3-ий слой должен подавить это ЛП МП до заданного
заказчиком безопасного уровня в защищаемых помещениях.
Падающее ВМП на 1-ый от источника МЭЭ
стальной лист вызывает в нем ортогонально плоскости ВМП большой ток,
возникающий от воздействий индуцированных ВМП ЭДС, подобно процессам, происходящим
в роторе заторможенного асинхронного двигателя, когда его коэффициент
скольжения S=1.
Если сопротивление листа току в этом направлении будет большим, то возникающее
падение напряжения на этом листе вызовет емкостные токи и токи проводимости к
решетке, снижая, таким образом, общую эффективность экранирования МЭЭ. Если
сопротивление листа току в направлении к решетке будет небольшим, то в листе
будут преобладать так называемые «размагничивающие» токи, индуктирующие в
пространстве «источник – экран» показатели МП такой фазы и мгновенного
направления вектора, которые противодействуют мгновенным показателям МП
источника. Во многих литературных источников по экранам на это обстоятельство
не обращалось внимания.
В свою очередь, ферромагнитный металл
листов электротехнической стали и труб решетки в результате действия вихревого
эффекта и гистерезисного перемагничивания поглощает энергию экранируемого МП
ПЧ, нагревает элементы экрана, повышая эффективность экранирования МЭЭ. Потери
энергия перемагничивания пропорциональны площади петли гистерезиса МП ПЧ
металла элементов экрана. Потери энергии экранируемой индукции МП ПЧ от
вихревых эффектов зависит от электрической проводимости и относительной
магнитной проницаемости металла элементов экрана. Чем выше электрическая
проводимость и магнитная проницаемость металла – тем больше потери на вихревые
токи. Поглощение энергии гармоник металлом экрана увеличивается пропорционально
номеру гармоники МП ПЧ [10 -14].
Эффективность экранирования зависит также
от вида заземления слоев МЭЭ и формы конструкции экрана. Классические формы
сплошных тонкостенных экранов без щелей: куб, цилиндр, шар по степени их эффективности
экранирования внутреннего источника МП ПЧ можно оценить как 1:2:3 [10 -11].
Эффективность экранирования ЛП МП ПЧ двухслойного с зазором ЭЭ,
выполненного из стальных листов, почти в 4 раза выше, чем эффективность
двухслойного экрана без зазора, и в 4 раза меньше по массе металла, при одном и
том же значении эффективности Эф. При непосредственном соединении второго слоя
к первому их эффективность увеличивается только ~ на 20%, последующих - ~ на
15%. При оптимальном зазоре, разделяющем слои ЭЭ, их эффективности умножаются.
Результаты модельных экспериментов МЭЭ (с зазором) и ПЭЭ (без зазора) образцов
стальных листов толщиной t=1мм приведены в [13] (См. интернет).
Технология монтажа МЭЭ приведена в [6]. Методика раздельной оценки
уровней ЛПП и ВМП, действующих в суперпозиции ВМП ПЧ, разработана в патенте на
изобретение [8]. Описание конструкции, оценка эффективности, характеристики и
свойства МЭЭ приведены в [6,12,13].
Механизмы экранирования
магнитного поля ПЧ стальным листом.
Механизмы экранирования МП низкой частоты тонколистовыми
однослойными ферромагнитными экранами приведены во многих работах [10,11,14].
Известно, что эффективность экранирования ЭМП ПЧ однослойным стальным листом в
общем случае можно представить как сумму потерь на поглощение Sпогл., потерь на отражение Sотр. и корректирующего коэффициента Sм.отр., учитывающего многократное отражение в тонких листах,
т.е. когда глубина проникновения δ больше толщины t листа δ>t. Если все составляющие выразить в
децибелах, то эффективность электромагнитного экрана (ЭЭ) можно представить
выражением Щелкунова [10]. Sэф(дБ)=Sпогл+Sотр - Sм.отр
Отражение падающего на первую поверхность экрана низкоимпедансного
МП ПЧ происходит в основном от второй поверхности стального листа. Нормальный к
поверхности листа вектор индукция ЛП МП беспрепятственно (без отражения)
проходит через первую поверхность листа, отражаясь от второй поверхности листа,
вызывая в ней ток. Если направление падения вектора индукции МП на лист не
совпадает с нормалью к поверхности, отражения от внешней поверхности и между
поверхностями внутри листа увеличиваются. При отражении МП его фаза изменяется
на 180°. Поэтому напряженности прошедшего в лист МП и отраженной волны
фактически будут суммироваться до удвоенного значения напряженности. Такая большая
величина поля в листе усиливает влияние составляющей Км.отр.
многократного отражения, что снижает эффективность экранирования [10].
В ближнем поле потери на
отражение для МП ПЧ малы, вследствие многократных отражений в тонком листе
(δ>t).
Эффект многократных отражений снижает эффективность экранирования более резко,
чем снижение затухания за счет механизма вихревых токов (скин-эффекта) при
уменьшении отношения t/δ.
Корректирующий коэффициент Sм.отр. многократного отражения для МП имеет отрицательное значение
и вычисляется согласно выражения [10] 
; 
( мм);
где µ – относительная магнитная
проницаемость стали;
Gотн – относительная удельная проводимость листа ЭЭ относительно
меди (для стали Gотн=0,1);
f=50Гц – частота МП ПЧ.
В ближнем поле основные потери для ЛП МП ПЧ составляют потери на
поглощение [10]
|
|
, (дБ). Рассчитаем показатели δ, Sпогл. и Sм.отр. для
2-х листов толщиной 1 и 0,5 мм изотропной листовой стали µ=1300; σотн=0,1; f=50Гц. Вычисляя по вышеприведенным
выражениям, получаем:
|
Сталь t=1 мм |
Сталь t=0,5 мм |
|
δ=0,82 мм; t > δ; Sпогл
1(дБ)=10,56дБ Sм.отр 1(дБ)=
- 0,79дБ Sэф
1=10,56 – 0,79 = 9,77дБ |
δ=0,82 мм; t < δ; Sпогл
0,5(дБ)=5,28дБ Sм.отр 0,5(дБ)=
- 3,04дБ Sэф
0,5=5,28–3,04=2,24дБ |
Таким образом, эффективность экранирования ЛП МП ПЧ стальным
листом толщиной t=1
мм выше, чем эффективность листа из той же стали толщиной t=0,5 мм на 9,77–2,24=7,53дБ – в 2,38 раза.
К тому же, стоимость более тонкого листа всегда выше из-за большего количества
металлургического проката и передела.
В экранированных помещениях
ТП: трансформаторных боксах, ГРЩ-04кВ и РУ-10(20)кВ наблюдают сложную
суперпозицию ВМП пространственного распределения. Такое состояние вызвано
токами в вертикальных и горизонтальных шинах, токами вводных – выводных
кабелей, токами рассеивания трансформаторов и др. В пространстве между
источником поля и замкнутым экраном интенсивность МП ПЧ может возрастать до
2-х-4-х раз за счет сложения с индукцией МП, вызванной размагничивающим
индуцированным током в металле экрана. К тому же суммарный вектор суперпозиции
МП меняет свое направление во времени (качается) в зависимости от коммутации
нагрузок в фазах и изменения (девиации) их реактивности. Из-за этого вектор ВМП
может воздействовать на стальные слои ЭЭ со всех направлений и под разными
углами. Значит, материал слоев ЭЭ должен быть изотропным, т.е. должен ослаблять
МП равной интенсивности одинаково во всех направлениях.
Однако, в натурных условиях
магнитные свойства внешнего слоя МЭЭ могут искажаться от воздействий
напряженности ГМП или от магнитного поля, индуктируемого протекающим по листу
паразитным током, вызванным уравниванием потенциалов, системой заземлений и
т.п.[6]. Для неферромагнитного материала листа ГМП не оказывает заметных
влияний. А изотропный магнитомягкий стальной лист может стать анизотропным в
направлении действия вектора напряженности ГМП из-за смещения рабочей точки на нелинейной
характеристике зависимости µ=f(В/Н) [6].
Эффективность экранирования ЛП
МП ПЧ тонколистовым неферромагнитным металлом зависит от его электрической
проводимости, квадрата толщины и магнитной проницаемости свободного
пространства 
Гн/м. Для ферромагнитного материала эффективность ЭЭ также
зависит от относительной магнитной проницаемости µ, величина которой для
применяемой электротехнической стали составляет µ=1200–2500. При одной и той же
толщине t медного
листа эффективность экранирования стальным листом МП ПЧ по крайней мере в 10
раз больше, несмотря на то, что проводимость меди в 10 раз выше.
При выборе листового ферромагнитного материала в процессе
разработки ЭЭ учитывают следующие параметры: индукцию насыщения Bs; коэрцитивную силу Нс; начальную
магнитную проницаемость µ; электрическую проводимость σ; удельные (или
ваттные) потери Рп; изотропность. Чем больше Bs, тем больше µ. Большей Нс соответствует
большей уровень насыщения листа МП и гистерезисных потерь (в отличии от
требований к анизотропной трансформаторной стали). Чем больше µ, σ, Нс и
Рп, тем выше эффективность листового ЭЭ.
Основными механизмами
экранирования ферромагнитными материалами ЛП МП ПЧ являются: шунтирование, вихревое
затухание тока в толще защитного металла (вещества) и гистерезисное поглощение[10,11,14].
Но ЛП МП является частным случаем ВМП. Поэтому, кроме механизмов затухания ЛП
МП, при воздействии ВМП на металлический лист необходимо учитывать действие
вихревой ЭДС, направленной ортогонально плоскости ВМП, как в заторможенной
клетке ротора линейного асинхронного двигателя, когда скольжение S=1. Эта ЭДС, в зависимости от напряженности падающего на
поверхность экрана ВМП, вызывает большой поперечный ток в листе и вращающий
момент в элементах ЭЭ. Поэтому, при проектировании МЭЭ должны быть
предусмотрены решения, чтобы снизить плотность тока на второй поверхности 1-го
от источника ВМП слоя ЭЭ.
Однослойные листы ЭЭ не
подавляют и не преобразуют ВМП ПЧ, а только вносят затухание. Прошедшее через
лист ЭЭ ВМП искажается, меняет форму и направление плоскости поляризации, но
представляет так же суперпозицию полей ВМП и ЛПП. Таким образом, однослойные
листы ЭЭ не обеспечивают главную цель экранирования – преобразовать ВМП в ЛПП -
подавить ВМП.
Некорректными являются рекомендации в
рекламных материалах, приводимых в интернете, по применению пермаллоя, аморфных
и других композиционных материалов, для экранирования оборудования ТП и силовых
кабелей. Несмотря на высокие значения начальной магнитной проницаемости у
пермаллоя (µ>100000), она снижается в 10 и более раз при механических,
температурных воздействиях и действий сильных токов. Материал с течением
времени насыщается и его необходимо периодически подвергать специальному
отжигу, иногда в водородной среде, что практически не всегда возможно.
Новыми, и пока мало изученными,
магнитномягкими материалами являются аморфные и нанокристаллические сплавы
переходных металлов с металлоидами [14]. Эти материалы, обладая магнитной проницаемостью
и коэрцитивной силой, сравнимыми с лучшими видами пермаллоя, допускают
значительные механические напряжения и пластические деформации в готовой
конструкции без ухудшения этих характеристик. Однако из-за малой толщины
материала (0,05 – 0,2мм), низкой проводимости материала (до 5 раз меньше
стали), небольшой ширины ленты (несколько сантиметров), производимой в РФ,
реализуемая эффективность экранирования МП ПЧ однослойного ЭЭ не на много
превышает эффективность листа электротехнической стали[6,14]. Эти материалы
сохраняют свои уникальные магнитные свойства только в узком температурном
диапазоне. При нагревании выше 1200С они могут необратимо
деградировать. Их применение для экранирования ВЭМП ПЧ не эффективно из-за
низкой проводимости составных лент. По указанным причинам использовать эти
материалы рекомендуется для экранов небольших размеров и с большой
осторожностью, обращая внимание на результаты испытаний на циклическое
старение.
Во встроенных и пристроенных ТП
приходиться экранировать от 400 до 1000 кв.м поверхности помещений. Стоимость
1кв.м листа холоднокатанной изотропной электротехнической стали толщиной 1мм
сегодня составляет ~250-300 рублей. А стоимость 1кв.м пермаллоя и рекламируемых
новых материалов для экранирования – от70-ти до 400$ (США)[6] (См. интернет).
Очевидна экономическая эффективность заявленного в статье МЭЭ.
Подходы
к созданию эффективной конструкции МЭЭ.
Ввиду сложной пространственной
структуры суперпозиции ВМП и ЛПП ПЧ в помещениях ТП, вектор напряженности
которых может действовать во всех направлениях, необходимо для внутреннего слоя
МЭЭ использовать изотропную тонколистовую электротехническую магнитомягкую
сталь с содержанием кремния (Si) менее 0,4%. Такая сталь имеет высокую индукцию насыщения Bs и низкую коэрцетивную силу Нс.
Эффективность замкнутой оболочки ЭЭ из магнитопроводящего материала в основном
определяется величиной магнитной проницаемости в диапазоне изменения
напряженности экранируемого МП, проводимостью, удельными потерями, формой
конструкции, видом заземления и способом блокирования геомагнитного поля (ГМП).
Поэтому одной из основных технологических
задач при создании ЭЭ является сохранение изотропности для магнитного потока и
тока, протекающих по стальному листу во всех направлениях ЭЭ. Анизотропность в
любом направлении снижает эффективность экранирования и эффект подавления ВМП в
этом направлении. Анизотропность в стальных
листах ЭЭ для магнитного потока проявляется: в сварочных швах в местах
нахлестов при соединении боковых сторон листов, в щелях, расположенных поперек
магнитного потока или тока, в технологических проемах и т.п.
Металл сварочного шва,
нагретый выше точки Кюри, переходит в парамагнитное состояние, насыщается ГМП,
из-за чего снижается его магнитная проницаемость. Увеличивается сопротивление
листа магнитному потоку в направлении поперек шва, по сравнению с металлом в
направлении вдоль сварочного шва. Из-за повышения сопротивления магнитному полю
уменьшаются потери на вихревые токи и гистерезис, что вызывает снижение
эффективности экранирования слоя ЭЭ. В рассматриваемой конструкции МЭЭ, рис.3, в стальных листах
внешнего (3-го) слоя предусмотрена частичная компенсация воздействия ГМП за
счет магнитного поля собственной намагниченности J направляющих труб решетки 2-го слоя МЭЭ.
Направляющие трубы размещают таким образом, чтобы вектор намагниченности J был направлен навстречу вектору ГМП [6,13,14].
Из рис.3 следует, что при сближении
экранирующих слоев увеличивается их взаимная индуктивность и емкость между
ними, вызывая снижение эффективности МЭЭ. При увеличении зазора между слоями
уменьшается их взаимная индуктивность и емкость между ними, вызывая повышение
эффективности МЭЭ. Оптимизация эффекта «разделения» слоев является важным
механизмом эффективности экранирования МЭЭ: одним из основных способов
эффективной защиты: от воздействий низкочастотных МП, индуцированных токами
нескольких тысяч ампер; от воздействий ВМП путем их преобразования в ЛП МП и
подавления ЛП МП; защиты от излучений мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ).
При длине растекания индуцированного тока по листу экрана на расстоянии ~1 метр
оптимальный зазор между слоями будет находиться в области ≥0,1м [13].
Если применять тонкие листы
стали, у которых (δ>t) глубина скин-слоя δ больше толщины t листа, то при сближении листов эффект
многократного отражения будет компенсировать эффект поглощения и эффективность
экранирования будет еще ниже, чем в случае δ<t.
Функциональные особенности решетки – 2-го
слоя МЭЭ.
Прямоугольные направляющие
трубы и перемычки между ними, образуют ячейки решетки (рис.3 и 4), подобно как
в запредельных волноводных фильтрах СВЧ [11-14].
Основные функциональные задачи
экранирующей решетки:
- преобразование прошедшего
через 1-ый слой ВМП в ЛП МП. Процесс преобразования происходит путем ослабления
в ячейках вертикальных составляющих ВМП. Горизонтальные составляющие ВМП
затухают в основном за счет эффектов вихревых токов и гистерезиса;
- регулирование величины
затухания в МЭЭ МП путем изменения площади ячеек решетки;
- компенсация воздействия
внешнего ГМП на смежные стальные листы путем размещения направляющих труб таким
образом, чтобы вектор собственной намагниченности J (А/м) (по прокату или принудительной) был
направлен навстречу вектору ГМП. Такое расположение направляющих труб
обеспечивает смещение рабочей точки материала листа в область большого значения
µ, снижая анизотропность внешнего слоя МЭЭ [6];
- подавление в полостях между
1-м и 3-м слоями поперечных электромагнитных резонансных явлений, возникающих
при коммутациях нагрузок в электросети, коротких замыканий, молниевых разрядов,
воздействий внешних ЭМИ.
Когда напряженность Ни
падающего МП ПЧ на 1-ый слой (рис.3) не насыщает его, то решетка вносит
расчетное значение затухания в общий баланс эффективности МЭЭ. Если
напряженность Ни источника насыщает 1-ый слой МЭЭ, то в спектре МП,
проникающего к решетке, появляются гармоники, которые затухают с большей
эффективностью согласно механизмам вихревых токов и гистерезиса. Затухания МП
для ячейки квадратной формы определяем из выражения 
для низкочастотного
МП [11]. Например, если b=200мм – ширина ячейки, а ℓ =80 мм – глубина ячейки, то
Эя=3,5раза.
Металлическая
решетка служит конструктивным элементом, разделяющим слои 1 и 2 МЭЭ и определяющим
зазор d между слоями листов. Такую решетку иногда применяют в
качестве несущего каркаса стены (например, вместо кирпичной стены), отделяющей
ТП и ГРЩ от защищаемого помещения. Иногда разделение слоев листов ЭЭ
обеспечивает решетка, выполненная из диэлектрического материала, например, из поперечно
соединенных досок с взаимными разрезами. Необходимо только всегда соблюдать
условия максимальной эффективности ЭЭ: размер зазора должен быть много больше
толщины слоя ЭЭ, d>>t, тогда эффективности
экранирования их слоев умножаются [13,14].
Среди
оборудования ТП трансформаторы являются наиболее интенсивным источником
акустического шума и вибраций, вызванных магнитной и токовой стрикциями.
Максимальные уровни шума в полосе частот 20Гц – 16кГц современных сухих трансформаторов
(1000 – 2500) кВА составляют (68-74) дБА, а допустимый уровень звука, например,
для ТП, встроенной в жилое здание, составляет не более (50 – 55) дБА [4].
Поэтому, в трансформаторных помещениях ТП поверх электромагнитного экрана (ЭЭ)
монтируют акустический экран (АЭ), поглощающий звук не менее (12 – 16)дБА и
снижающий риски возникновения механических резонансных явлений в слоях ЭЭ,
частях оборудования систем охлаждения, вентиляции и т.п. Воздействие вибраций
от трансформаторов снижают за счет установки его на фундамент через поглощающие
демпферы, собственная резонансная частота которых составляет (1-4)Гц. В особых
случаях трансформатор устанавливают на «развязанной фундамент», масса которого
должна быть не менее 10-ти раз больше массы трансформатора.
Заключение.
1. Необходимость экранирования ТП вызвана нарастающими
проблемами повышения их мощности, поражающими воздействиями индукций ВЭМП на
человека и ТС, стремительным развитием инфраструктуры зданий, защиты самого
оборудования от внешних воздействующих факторов и дезорганизующими консервативными
санитарными нормами РАМН [5,9] (Рис.1 и 2).
2. Определены требования к выбору материала стальных листов слоев
МЭЭ.
3. В дополнении к механизмам экранирования индукций ЛП МП ПЧ
учтены особенности экранирования ВМП от возникающих вихревых ЭДС, вызывающих
большие токи в материале МЭЭ, путем применения запредельной волноводной
решетки, методов снижения анизотропности ЭЭ, разделения слоев ЭЭ и т.п.
4. Показаны новые подходы к преобразованию ВМП ПЧ в ЛПП ПЧ и методы
их эффективного подавления на примере 3-х слойного МЭЭ – “лист – решетка –
лист” (рис.3).
5. Определены преимущества МЭЭ перед однослойными, пакетными ЭЭ, а
также экранами, выполненными из неферромагнитного и аморфного материалов, из
пермаллоя и т.п.
6.Защищенная патентами конструкция МЭЭ (рис.3 и 4) является
эффективной по критериям эффективность/металлоемкость/стоимость/ресурс по
сравнению с альтернативными вариантами.
Источники информации
1.Electromagnetic Fields and Public Health. Extremely Low Frequency
Fields and Cancer. Fact Sheet no/ 263 – Geneva: WHO, 2001. 14с.
2.Архипов М.Э., Куротченко Л.В., Новиков А.С., Субботина Т.И., Хадарцев А.А., Яшин А.А.
«Воздействие право- и левовращающихся электромагнитных полей на
биообъекты: физические модели и эксперимент». Под. ред. д.м.н., проф. Т.И.
Субботиной и заслуженного деятеля науки РФ, д.б.н., д.т.н., проф. А.А. Яшина.
ГУП НИИ новых медицинских технологий. Москва–Тверь–Тула. ООО «Изд. «Триада».
2007. 200 с.
3. Белкин А.Д. « Структурно-функциональные
изменения в организме при действии техногенных вращающихся переменных полей и
механизм их возникновения». Диссертация на соискание учёной степени доктора
биологических наук. Новосибирский медицинский институт, 1999г.
4. СанПиН 2.1.2.2645-10
«Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях
и помещениях» (с изменениями от 27 декабря 2010г.).
5. Рябов Ю.Г., Энговатов В.И.,
Билецкий С.Э. «Концепция энергетической и электромагнитной безопасности
(ЭЭМБ)». «Энергобезопасность и энергосбережение», №1, 2008 (июль-август)
с.8-13.
6. Рябов Ю.Г., Бочков Ю.И.
«Реализация экранирования магнитных полей трансформаторных подстанций, встроенных
в здания. «Технологии ЭМС», №2(9) 2004, стр. 45–50.
7. ГОСТ Р 51318.24–99 «СТСЭ.
Устойчивость оборудования информационной техники к магнитным полям промышленной
частоты. Требования и методы контроля».
8. «Способ оценки магнитной
безопасности». Патент на изобретение №2398246 от 27.08.2010г.(RU). Авторы : Рябов Ю.Г., Гуров И.Б.
9. Рябов Ю.Г., Яковлев Г.Н., Ломаев Г.В., Яшин А.А.,
Билецкий С.Э. «Погода в доме». «Охрана труда и социальное обеспечение», №4,
2014, с.60-70.
10. Г.Отт, «Методы подавления шумов и
помех в электроустановках и системах». Изд. «Мир», М.: 1979, 317 с.
11. Шапиро Д.Н. «Основы теории
электромагнитного экранирования». Л. «Энергия», 1975, 112 с.
12. Многослойный
электромагнитный экран. Патенты: № 2381601 от 10.02.2010г.на изобретение;
№852627 от 27.07.2009г. на полезную модель. Авторы: Рябов Ю.Г., Гуров И.Б.
13. Рябов Ю.Г., Гуров И.Б., Ломаев Г.В.,
Билецкий С.Э. и др. «Многослойный электромагнитный экран для защиты среды
обитания от электромагнитных воздействий» «Энергобезопасность и
энергосбережение».№1,2011г.,стр.3-7.
14. Кечиев Л.Н., Акбашев Б.Б., Степанов П.В.
«Экранирование технических средств и экранирующие системы» - 2010г. – 470с.;
ил. - (Библиотека ЭМС).