Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблемы экологического мониторинга и электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи 11
1.1. Принципы регламентации электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи 11
1.2. Анализ работ по экологическому мониторингу электромагнитных полей вблизи линий электропередачи 22
1.3. Анализ последствий воздействия на человека электромагнитных полей промышленной частоты 28
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Развитие системы экологического мониторинга электромагнитных полей линий электропередачи 34
2.1. Урбанизированные территории как объект электромагнитного мониторинга 34
2.2. Развитие системы электромагнитного мониторинга вблизи линий электропередачи 38
2.2.1. Методика измерения уровней электромагнитных полей линий электропередачи 41
2.2.2. Контроль электромагнитных полей линий электропередачи и их влияния на здоровье населения 43
2.3. Теоретическое обоснование и расчет уровней электромагнитных полей вблизи линий электропередачи 52
2.3.1. Аналитическая методика расчета напряженности электрического и магнитного поля, инициируемого токами в проводах линий электропередачи 52
2.3.2. Выбор способа интерполяции экспериментальных результатов 58
2.3.3. Разработка алгоритма расчета электромагнитных полей линий электропередачи с помощью программного комплекса 66
2.3.4. Проектирование программного комплекса для расчета электромагнитных полей линий электропередачи 67
Выводы по главе 2 72
Глава 3. Исследование электромагнитного экранирования строительных материалов 74
3.1. Теоретические основы электромагнитного экранирования 74
3.2. Анализ экранирующих особенностей строительных материалов 83
3.3. Исследование эффективности экранирования кровельных строительных материалов 88
Выводы по главе 3 93
Глава 4. Научно-практические рекомендации по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи 94
4.1. Обобщение рекомендаций по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи 94
4.2. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи 100
4.2.1. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи в естественных условиях 100
4.2.2. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи на существующем строительном объекте 103
Выводы по главе 4 107
Основные результаты и выводы 108
Список использованной литературы 109
Приложение 1 119
Приложение 2 123
- Принципы регламентации электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи
- Выбор способа интерполяции экспериментальных результатов
- Теоретические основы электромагнитного экранирования
- Обобщение рекомендаций по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Интенсивное использование электрической энергии в современном обществе привело к тому, что за последние десятилетия возник и сформировался еще один значимый антропогенный негативный фактор урбанизированных территорий – электромагнитное загрязнение окружающей среды.
Всемирная организация здравоохранения на основании анализа результатов Международного проекта по электромагнитным полям пришла к выводу о недостаточности исследований по результатам негативных последствий долгосрочного низкоуровневого воздействия электромагнитных полей (ЭМП) крайне низкой частоты (0-100000 ГЦ) и сформулировала рекомендации, среди которых необходимость продолжения исследований по определению негативных последствий для здоровья человека и способов снижения уровней воздействия ЭМП при строительстве новых сооружений.
Одним из основных источников электромагнитного загрязнения урбанизированных территорий в названном диапазоне частот являются линии электропередачи (ЛЭП).
Для защиты населения от ЭМП ЛЭП в строительстве предусмотрен ряд обязательных мероприятий, а именно:
- экологическое обоснование хозяйственной и иной деятельности в предпроектной и проектной документации в соответствии с СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»;
- проведение экологических изысканий для строительства путем исследования электромагнитного излучения, которые должны осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях, в соответствии с СП 11-102-97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства». При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия;
- установка и соблюдение санитарно-защитных зон (СЗЗ) в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий сооружений и иных объектов»;
- использование инженерно-технических методов защиты от ЭМП ЛЭП (чаще всего экранирование) при строительстве и реконструкции объектов.
В то же время анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал, что низкочастотные ЭМП оказывают влияние на уровень и динамику заболеваемости взрослого и детского населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередачи. А также, что, несмотря на значительный объем публикаций в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного загрязнения городской среды.
Актуальность данной диссертации определяется необходимостью развития мониторинга и способов повышения защищенности окружающей среды и человека на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП различного класса напряжения, что имеет существенное значение для обеспечения устойчивого развития населенных пунктов и защиты человека от негативного воздействия электромагнитного загрязнения городской среды.
Степень разработанности проблемы.
Следует высоко оценить научные работы ряда авторов, посвященные исследованию ЭМП ЛЭП и повышению электромагнитной безопасности строительных объектов: Е.А.Васильева, В.Н.Довбыша, Ю.Д.Думанского, Д.С.Иванова, В.С.Петрунина, В.В.Соловьева, М.Г.Шандалы, Д.Н.Шапиро и др.
В указанных работах раскрывается методика проведения электромагнитного мониторинга и предложены основные методы снижения уровней электрических полей, которые могут применяться при строительстве объектов:
-оптимальное расположение объекта по отношению к ЛЭП (по возможности при подборе земельного участка для размещения объекта должен быть выбран участок максимально удаленный от ЛЭП);
- электромагнитное экранирование.
В.В.Соловьев проводил исследования эффективности экранирования различных строительных материалов, таких как кирпич, дерево, стекло. В результате выявлено, что кирпич обладает лучшими экранирующими свойствами напряженности электрического и магнитного поля, чем дерево, или стекло.
Д.Н.Шапиро проанализировал эффективность применения экранов-сеток. Установлено, что при экранировании ЭМП промышленной частоты с помощью экрана-сетки более эффективны редкие сетки из толстой проволоки, в то время как для более высоких частот – густые сетки из более тонкой проволоки.
Однако анализ современной литературы показал, что в настоящее время проблема электромагнитного мониторинга и повышения электромагнитной безопасности строительных объектов вблизи ЛЭП проработана недостаточно, в т.ч. отсутствуют исследования характеристик ЭМП различного класса напряжения в пределах одного населенного пункта и при повороте трассы ЛЭП, исследования экранирующих характеристик различных кровельных строительных материалов, а также влияния ориентации экрана по отношению к ЛЭП на эффективность электромагнитного экранирования и др.
Цель диссертационной работы: развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП (на примере г. Ногинска).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Анализ проблемы экологического мониторинга электромагнитного загрязнения застроенных территорий.
-
Исследование, анализ и оценка ЭМП ЛЭП различного класса напряжения на территории г. Ногинска.
-
Теоретическое обоснование и разработка метода расчета распространения ЭМП ЛЭП.
-
Исследование и анализ электромагнитного экранирования строительных материалов.
-
Разработка научно-практических рекомендаций и апробация мероприятий по повышению эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП.
Область исследования: развитие мониторинга и методов защиты от электромагнитного загрязнения городской среды вблизи ЛЭП.
Объект исследования: объекты городского хозяйства и их взаимодействие с экологическим фактором электромагнитного загрязнения застроенных территорий.
Теоретической и методологической базой исследования являются: теория и методы проектирования строительных объектов, теория и методы экологического мониторинга, теория и методы расчета электромагнитных полей, теория эксперимента и обработки экспериментальных данных, теория и методы защиты окружающей среды и др.
Нормативно-информационную базу исследования составили законодательные и нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, нормативы по регламентации ЭМП, периодические издания, книги, статьи отечественных и зарубежных авторов, диссертации, материалы научных конференций и др.
Наиболее существенные результаты диссертационной работы, имеющие признаки научной новизны:
1. В целях развития мониторинга урбанизированных территорий вблизи ЛЭП на основании натурных исследований проведено теоретическое обоснование и разработан расчетный метод определения электромагнитного загрязнения.
2. На основании сплайн-интерполяции экспериментальных данных разработаны модель, алгоритм и программа для ЭВМ «Расчет электромагнитных полей линий электропередачи» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125). Реализация данной программы позволяет определять напряженность электрического и магнитного полей на различных расстояниях от ЛЭП заданного напряжения при линейном расположении трассы, а также в случае ее поворота.
3. В результате экспериментальных лабораторных и натурных исследований определены эффективность электромагнитного экранирования различных кровельных строительных материалов и влияние ориентации электромагнитного экрана на эффективность экранирования.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Разработан метод инструментального контроля уровней ЭМП урбанизированных территорий вблизи ЛЭП в случае поворота трассы.
2. Проведены натурные исследования и получены данные об электромагнитном загрязнении территорий г. Ногинска. Полученные результаты приняты к сведению администрацией Ногинского муниципального района (Акт внедрения администрации Ногинского муниципального района).
3. Проведена апробация рекомендаций по повышению эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП (Акт внедрения «Глуховское строительно-монтажное управление» и Акт внедрения СПБ «Электросетьремонт»).
Основные защищаемые положения.
-
Результаты проведенного инструментального электромагнитного мониторинга территорий г. Ногинска, расположенных вблизи ЛЭП различного класса напряжения.
-
Метод определения уровней ЭМП при повороте трассы ЛЭП.
3. Расчет и определение ЭМП на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП методом сплайн-интерполяции экспериментальных данных на основе разработанных модели, алгоритма и программы для ЭВМ.
4. Результаты исследований по повышению электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП:
-влияние заземления и ориентации экрана на эффективность электромагнитного экранирования;
-эффективность экранирования различных кровельных строительных материалов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции «Экология, образование и здоровый образ жизни» (Тула, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (Уфа, 2009 г.) Международной научно-технической конференции, посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2010 г.), Международной конференции «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты » (Тула, 2010), Международной телеконференции «Фундаментальные науки и практика» (Томск, 2011) и др.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610125 от 11.01.2011.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 146 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования, и 2 приложений общим объемом 28 страниц. В ней содержится 32 рисунка и 18 таблиц.
Принципы регламентации электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи
Считаем необходимым уточнить термин «электромагнитная безопасность урбанизированных территорий».
Для этого рассмотрим различные варианты толкования определений «безопасность» и «электромагнитная безопасность».
Безопасность— такое состояние сложной системы, когда действие внешних и внутренних факторов не приводит к ухудшению системы или к невозможности её функционирования и развития [46].
Безопасность — состояние защищённости жизненно-важных интересов личности, общества, организации, предприятия от потенциально и реально существующих угроз, или отсутствие таких угроз [41].
Безопасность человека— такое состояние человека, когда действие внешних и внутренних факторов не приводит к смерти, ухудшению функционирования и развития организма, сознания, психики и человека в целом, и не препятствуют достижению определенных желательных для человека целей [93].
Электромагнитная безопасность— система знаний, посвящённая возможному вреду, наносимому человеку ЭМП [42].
Электромагнитная безопасность - это система организационных и технических мероприятий, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электромагнитного поля [28]. В данной работе под термином электромагнитная безопасность строительных объектов будем понимать;
Электромагнитная безопасность урбанизированных территорий - это состояние защищённости урбанизированных территорий от потенциальной опасности электромагнитного излучения.
Электромагнитная безопасность урбанизированных территорий обеспечивается соблюдением установленных предельно-допустимых уровней (ПДУ) напряженностей электрического и магнитного поля.
Инженерно-экологические изыскания для строительства, в состав которых входит исследование электромагнитных полей, выполняются для оценки современного состояния и прогноза возможных изменений окружающей природной среды под влиянием антропогенной нагрузки с целью предотвращения, минимизации или ликвидации вредных и нежелательных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий и сохранения оптимальных условий жизни населения. В период строительства, эксплуатации и ликвидации строительных объектов инженерно-экологические исследования и изыскания должны быть при необходимости продолжены посредством организации экологического мониторинга за состоянием природно-технических систем, эффективностью защитных и природоохранных мероприятий и динамикой экологической ситуации [88].
Для предварительной оценки электромагнитного воздействия (также как и других вредных физических воздействий) следует использовать материалы территориальных подразделений специально уполномоченных государственных органов в области охраны окружающей среды и центров санитарно-эпидемиологического надзора Минздравсоцразвития России.
Для непосредственной оценки электромагнитного воздействия в составе инженерно-экологических изысканий должны производиться специальные измерения компонент электромагнитного поля в различных диапазонах частот силами самой изыскательской организации (при наличии соответствующих лицензий и сертифицированных технических средств) или привлекаться специализированные организации, имеющие лицензии на право проведения таких работ и сертификаты на технические средства контроля физических воздействий на окружающую среду и здоровье людей [88].
Оценка воздействия электромагнитного излучения на организм человека включает оценку воздействия электрического и магнитного полей промышленной частоты, создаваемых ЛЭП, а также высоковольтными установками постоянного тока (электростатическое поле) для ЭМП радиочастот, включая метровый и дециметровый диапазоны волн телевизионных станций.
Исследование электромагнитного излучения должно осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях. При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия.
Гигиенические нормативы ЭМП в России разрабатываются, как правило, на основании комплексных гигиенических, клинико-физиологических, эпидемиологических и экспериментальных исследований. Гигиенические исследования ставят своей целью определение интенсивностных и временных параметров ЭМП в реальных условиях; клинико-физиологические исследования направлены на выявление нарушений в состоянии здоровья и физиологических функций людей, подвергающихся такого рода воздействиям; эпидемиологические - на выявление отдаленных последствий воздействия фактора; экспериментальные - на изучение особенностей и характера биологического действия ЭМП [22].
Основной вклад в обоснование гигиенических нормативов ЭМП вносят экспериментальные исследования [59].
Принятая в России методология гигиенического нормирования. базирующаяся на представлениях о наличии порога вредного действия факторов окружающей среды, была использована и при обосновании ПДУ ЭМП [34].
Порог вредного действия - это такое воздействие ЭМП, при котором в организме возникают изменения, характеризующиеся:
- качественной перестройкой жизненных процессов;
- любыми количественными изменениями жизненных процессов, которые выходят за пределы физиологической нормы, соответствующей конкретным условиям жизнедеятельности, и обусловливают снижение способности организма к осуществлению нормальных компенсаторных возможностей по уравновещиванию неблагоприятного действия других факторов окружающей среды или необычных психофизиологических состояний;
- развитием явлений суммирования предшествующих эффектов воздействия, имеющих характер кумулятивных и приводящих при продолжительном воздействии к развитию изменений жизненных процессов, выходящих за пределы допустимых отклонений [1].
Порог вредного действия ЭМП лежит на границе, разделяющей зоны активной адаптации и патологичееких нарушений [47]. Однако на практике, в процессе проведения экспериментальных исследований, установление порога вредного действия встречает ряд трудноразрешимых задач, зависящих от адекватности и чувствительности используемых методов, от вида и размера тела лабораторных животных, от качества метрологического обеспечения, от квалификации экспериментатора и множества других обстоятельств.
Большую сложность представляет собой экстраполяция результатов эксперимента с животных на человека, что обусловлено в значительной мере различиями в размерах тела и связанными с этим различиями в максимумах поглощения энергии ЭМП [2].
Необходимо отметить, что между нормированием ЭМП в Российской Федерации и в зарубежных странах имеются различия: - В РФ, как уже говорилось раннее, основным критерием определения уровня электромагнитного воздействия является установление ПДУ (воздействие ограничивается таким образом, что оно не должно вызывать у человека даже временного нарушения гомеостаза ни в ближайшем, ни в отдаленном периоде). Это означает, что в качестве ПДУ принимается дробная величина от минимального уровня ЭМП, способная вызвать соматическую реакцию;
- за рубежом при определении безопасного уровня ЭМП исходят из значения напряженности ЭМП, при превышении уровня которой возникают опасные доказуемые последствия. ПДУ определяют, уменьшая этот уровень на коэффициент надежности, который различен для профессионалов и населения [37].
Выбор способа интерполяции экспериментальных результатов
При проведении расчетов различного характера наиболее широко используются следующие способы интерполяции:
- полиномиальная интерполяция;
- интерполяция сплайнами;
- рациональная интерполяция [5].
В результате использования любого из вышеназванных способов могут быть получены графики интерполирующих функций в прямоугольных (Декартовых), полулогарифмических и логарифмических координатах. Однако наиболее наглядное изображение распространения уровней электромагнитных полей ЛЭП, необходимое для проведения анализа электромагнитной безопасности в заданной точке для строительства объектов, на наш взгляд обеспечивают прямоугольные координаты. В связи с чем, в данной работе нами будет рассматриваться построение графиков интерполирующих функций только в Декартовых координатах.
1. Полиномиальная интерполяция
Одним из простейших подходов восстановления функции f(x) на отрезке [a,b] по п различным точкам экспериментальной кривой является - построение полинома Р(х) степени меньше или равной п, принимающего в узлах интерполяции х0,ху.хп значения /(дс,)[78].
Данный многочлен имеет вид:
Для нахождения коэффициентов составим систему уравнений, подставляя известные значения xt и/( ,). Полученная система линейных уравнений п -ого порядка с неизвестными коэффициентами а,, имеет вид:
Для разрешимости этой системы необходимо, чтобы определитель матрицы системы был не равен 0. Рассмотрим данную матрицу. Она имеет вид: x = x0 1 x,
Обратная матрица существует, так как при данных условиях определитель матрицы Вандермонда отличен от нуля.
Основным достоинствами полиномиальной интерполяции являются
- простота реализации;
- для заданного набора точек кривая строится однозначно
- кривая имеет непрерывные производные любого порядка [33].
Однако при применении данного способа интерполяции с ростом числа точек у интерполяционной кривой возникают осцилляции на концах графика (рисунок 2.12.).
На основании массовых эпидемиологических обследований населения, проживающего в условиях облучения магнитными полями ЛЭП как безопасный или "нормальный" уровень для условий продолжительного облучения, не приводящий к онкологическим заболеваниям, независимо друг от друга шведскими и американскими специалистами рекомендована величина плотности потока магнитной индукции 0,2-0,3 мкТл (напряженность магнитного поля - 0,16-0,24 А/м). В связи с чем, особое внимание при исследовании ЭМП ЛЭП должно быть уделено минимальным уровням напряженности магнитного поля, оценить которые в случае возникновения осцилляций в конечных точках графика не представляется возможным.
Кроме этого, что для объективной оценки электромагнитной безопасности урбанизированных территории в заданной точке целесообразным является анализ наглядно изображенных графиков распространения напряженности электрического и магнитного поля ЛЭП, что также неосуществимо при осцилляциях на графике интерполирующей функции.
Учитывая вышеизложенное можно придти к выводу, что применение полиномиальной интерполяции экспериментальных результатов уровней напряженности электрического и магнитного поля ЛЭП не является рациональным.
2. Рациональная интерполяция
Рациональная интерполяция, т.е. интерполяция рациональными функциями, заключается в представлении интерполируемой функции f(x) в виде отношения двух полиномов:
Рациональная интерполяция является одним из сложнейших методов интерполяции. Её достоинствами являются высокая точность и неподверженность свойственным полиномиальной интерполяции проблемам. Вместе с тем, есть и недостатки: например, для любого набора точек существует интерполирующий полином, но не всегда можно построить интерполирующую рациональную функцию. Также большую проблему представляют полюса, которые имеют тенденцию появляться там, где их никто не ожидает увидеть. Спецификой рациональной интерполяции является то, что даже если интерполируемая функция не имеет полюсов, интерполирующая функция может иметь неизвестное количество полюсов в неизвестных нам точках.
Одним из первых способов построения рационального интерполянта было решение системы уравнений относительно коэффициентов полиномов р(х) и q(x). Однако если число точек слишком велико, то полученная система линейных уравнений будет плохо обусловленной и полученные коэффициенты будут вычислены с ошибкой. Вообще, ошибка при вычислении коэффициентов будет присутствовать всегда, даже если система хорошо обусловлена, и даже самой небольшой погрешности в коэффициентах достаточно, чтобы рациональный интерполянт не проходил через требуемые точки. По этой причине вышеприведенный алгоритм не применяется на практике [5].
Наиболее распространенным алгоритмом рациональной интерполяции является алгоритм Булирша-Штера, который строит рациональную функцию со степенями числителя и знаменателя, равными N/2 [55].
Однако данный алгоритм имеет определенные недостатки. Во-первых, для некоторых наборов точек в принципе невозможно построить интерполянт того вида, который строится этим алгоритмом, причем алгоритм не в состоянии обнаружить подобные случаи и сообщить об ошибке. Вторым недостатком является отсутствие механизма для обнаружения полюсов [33].
На рисунке 2.13 представлен пример, демонстрирующий оба недостатка алгоритма Булирша-Штера.
Пять точек на графике соответствуют пяти точкам: х = [-2, -1, 0, 1, 2], у = [1, 2, -1, о, 1]. На основе этих точек построен рациональный интерполянт со степенями числителя и знаменателя, равными 2. Можно видеть, что он имеет полюс в точке х = -0.5 - хотя, глядя на пять исходных точек, нельзя сказать, что эта функция имеет полюса. Также можно видеть, что интерполирующая функция не проходит через одну из предписанных точек - просто потому что не существует такой функции со степенями числителя и знаменателя, равными 2, которая могла бы пройти через эти точки. Ни одна из этих проблем не может быть автоматически выявлена при интерполяции алгоритмом Булирша-Штера.
В связи с чем, применение данного способа для интерполяции экспериментальных результатов исследования уровней электромагнитных полей ЛЭП также считаем нецелесообразным.
3. Интерполяция сплайнами
В основе сплайн-интерполяции лежит следующий принцип; интервал интерполяции разбивается на небольшие отрезки, на каждом из которых функция задается полиномом невысокой степени. Сплайном называется кусочно-полиномиальная функция, определенная на данном отрезке и имеющая на этом отрезке некоторое число непрерывных производных. В данной работе будем рассматривать частный, но распространенный в вычислительной практике случай, когда сплайн определяется с помощью многочленов третьей степени [10].
Кроме этого, для однозначного задания сплайна перечисленных условий недостаточно, для построения сплайна необходимо наложить дополнительные требования.
Теоретические основы электромагнитного экранирования
Электромагнитным экраном называют конструкцию, предназначенную для ослабления ЭМП, создаваемых источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников [26].
Экраны используются как для создания производственных и лабораторных помещений, в которых осуществляются работы по наладке и испытаниям высокочувствительных приемных устройств различного назначения, так и при строительстве непроизводственных зданий и сооружений с целью обеспечения электромагнитной безопасности населения
Принцип действия электромагнитного экрана состоит в том, что, отражая и направляя поток электромагнитной энергии, создаваемой источниками поля, экран отводит его от защищаемой области пространства [96].
Для защиты от ЭМП обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале. Однако во многих случаях экономически выгодно применять другие материалы, например:
- проволочные сетки и сотовые решетки;
- фольговые материалы, в их сортамент входят в основном диамагнитные материалы - алюминий, латунь, цинк;
- токопроводящие краски, их создают на основе пленкообразующего материла с добавлением проводящих составляющих, пластификатора, отвердителя;
- многослойные материалы, экраны из них обычно состоят из последовательно чередующихся немагнитных или магнитных слоев, на границе которых осуществляется многократное отражение волн;
- перфорированные материалы [3].
Действие электромагнитного экрана как линейной системы определяется несколькими характеристиками, основной из которых является эффективность экранирования:
Э=Е/ЕЭ, Э=Н/НЭ, 3=S/S3, (3.1)
где Еэ - напряженность электрического поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана, В/м;
Нэ - напряженность магнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана, А/м;
S3 - плотность потока энергии в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана, Вт/м2;
Е - напряженность электрического поля в какой-либо точке экранированного пространства при отсутствии экрана, В/м;
Н - напряженность магнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при отсутствии экрана, А/м;
S3 - плотность потока энергии в какой-либо точке экранированного пространства при отсутствии экрана, Вт/м 7].
Часто эффективность экранирования выражают в децибелах:
3dE=20lg3 (3.2)
В общем случае экран не только ослабляет, но и искажает в большей или меньшей степени поле источника в защищаемой области пространства. Поэтому его эффективность, определенная согласно формулам 3.1 и 3.2, оказывается различной для магнитной и электрической составляющей и существенно зависит от координат точки измерения.
Только в простейших случаях эффективность экрана определяется однозначно. К таким случаям относятся: экранирование полупространства от плоской электромагнитной волны бесконечным плоским однородным экраном; экранирование однородным шаровым экраном точечного источника, расположенного в его центре; экранирование однородным бесконечно протяженным цилиндрическим экраном линейного источника, лежащего на его оси.
Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля.
Разнообразие возможных источников бесконечно; однако, любой реальный источник может быть с необходимой степенью точности представлен в виде совокупности электрических диполей и витков (рамок) с током (магнитных диполей). В основе различия поведения экрана по отношению к разным источникам излучения лежит различие в его поведении по отношению к электрическому и магнитному диполям. Последнее различие является следствием разной структуры полей этих двух источников [8].
Эффективность экранирования электрического поля возрастает с увеличением проводимости экрана и увеличением толщины, уменьшается с ростом частоты поля. При этом эффективность экранирования не зависит от магнитной проницаемости экрана. Магнитные материалы хуже экранируют электрическое поле.
Эффективность экранирования магнитного поля немагнитным экраном увеличивается с увеличением проводимости, толщины экрана и ростом частоты поля. Эффективность экранирования магнитного поля магнитным экраном возрастает с увеличением магнитной проницаемости, толщины экрана, не зависит от проводимости материала и частоты поля [12].
При нормальном падении плоской электромагнитной волны на однородный плоский бесконечный экран, изготовленный из металла, эффективность экранирования: где 2д - модуль полного сопротивления воздушного диэлектрика, Ом, определяемый из таблицы 1 (г - расстояние от источника до исследуемой точки, м);
Модули полного сопротивления воздушного диэлектрика представлены в таблице 3.1.
При расчете эффективности экранирования экранов сферической и цилиндрической форм, расположенных в дальней и ближних зонах, пользуются приведенными соотнощениями, модули полных сопротивлений Ък воздущного диэлектрика представлены в таблице 3.3 [26].
Обобщение рекомендаций по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи
Мероприятия по защите от ЭМП предполагают снижение их интенсивности до уровней, не превышающих предельно допустимые. Защита обеспечивается выбором конкретных методов и средств, с учетом их экономических показателей, простотой и надежностью эксплуатации. Организация этой защиты подразумевает:
- оценку уровней интенсивности излучений и их сопоставление с нормативными документами;
- выбор необходимых мер и средств защиты, обеспечивающих степень защищенности в заданных условиях;
- организацию системы контроля над функционирующей защитой.
Методы защиты человека и окружающей среды от воздействия ЭМП, создаваемого ЛЭП, делятся на два направления: пассивная защита и активная защита [44].
Методы пассивной защиты разработаны достаточно подробно. К ним следует отнести предельно допустимые энергетические нагрузки, создание санитарно-защитных зон и экранирование.
Методы активной защиты (создание «экологически чистых» ЛЭП) изучаются все больше и больше. В этом направлении проводятся исследовательские работы [49], на основе которых будут разработаны соответствующие способы снижения воздействия ЭМП. Необходимо отметить, что мероприятия по защите от ЭМД создаваемого ЛЭП, подразделяют на:
- организационные;
- инженерно-технические;
- медицинско-профилактические и лечебные [26].
Организационные методы направлены на обеспечение оптимальных вариантов расположения ЛЭП и объектов, оказывающихся в зоне воздействия, предупреждение возможности попадания населения в зоны, превышающие ПДУ, планирование времени труда и отдыха персонала. Внедрение в практику этих защитных мер начинается в период предупредительного и уточняется в период текущего санитарного надзора.
К основным организационным мероприятиям относят:
- выбор рациональных режимов работы ЛЭП;
- нормирование параметров электромагнитных воздействий;
- периодический контроль облучаемости;
- соблюдение правил безопасной эксплуатации ЛЭП;
- ограничение времени пребывания в ЭМП;
- предупредительные знаки и надписи;
- организация специальных проходов для людей, транспортной техники под ЛЭП.
Медицинско-профилактические и лечебные мероприятия проводятся в целях предупреждения и раннего обнаружения изменений состояния здоровья. Все работающие, профессионально связанные с обслуживанием и эксплуатацией источников ЭМП, в т.ч. ЛЭП, должны проходить предварительный при поступлении и периодические профилактические медосмотры в соответствии с действующим законодательством [16].
К основным инженерно-техническим мероприятиям относятся уменьшение мощности излучения непосредственно в источнике, электромагнитное экранирование и средства индивидуальной защиты. Как показали проведенные нами исследования, ориентация экрана по отношению к проводам ЛЭП оказывает влияние на эффективность электромагнитного экранирования. В случае расположения экрана-навеса или листы продольно по отношению к проводам может быть достигнута большая эффективность экранирования, чем в случае его поперечного размещения.
Кроме этого установлено, что наилучшим, с точки зрения обеспечения электромагнитной безопасности, из существующих кровельных материалов является листовая сталь и металлочерепица. На стадии проектирования, строительства и реконструкции объектов приоритет должен уделяться данным материалам, поскольку их использование позволит снизить уровни ЭМП внутри зданий и сооружений.
Необходимо отметить, что эффективность электромагнитного экранирования может быть увеличены с помощью заземления экрана [18]. Заземляющее устройство состоит из заземлителя, представляющего собой металлический проводник (один или несколько), находящийся в земле, и проводника соединяющего заземляемые элементы с заземлителем, который может быть естественным или искусственным.
В качестве заземлителей могут быть использованы:
- металлические стержни, трубы, полосы или проволока;
- металлические плиты, пластины;
- фундаментные заземлители;
- стальная арматура из железобетона [56].
При заземлении металлической крыши, с целью снижения уровней электромагнитных полей, сопротивление заземления не нормируется.
При заземлении, уровни электромагнитных полей внутри помещения становятся ниже в связи с тем, что часть поля поглощается заземленным корпусом, где образуется заряд, который «перетекает» на землю. Заземление металлической крыши на этапе строительства или реконструкции объектов позволит повысить их электромагнитную безопасность.
Эффективному снижению ЭМП промышленной частоты с помощью зеленых насаждений препятствует явление дифракции. Защитный эффект от лесонасаждений наиболее выражен, когда они находятся в непосредственной близости от защищаемого объекта.
Коллективная защита по сравнению с индивидуальной предпочтительнее вследствие простоты обслуживания и проведения контроля над эффективностью защиты. Однако ее внедрение часто осложняется высокой стоимостью. Нецелесообразно, например, ее использование при проведении кратковременных ремонтных работ ЛЭП.
Индивидуальные средства защиты изготавливают из металлизированной (или любой другой ткани с высокой электропроводностью). Защитная одежда включает в себя: комбинезон или полукомбинезон, куртку с капюшоном, халат с капюшоном, фартук, средство защиты для лица, рукавицы (или перчатки), обувь. Все части защитной одежды должны иметь между собой электрический контакт.
В настоящее время перспективным методом снижения негативного воздействия ЭМП не только на человека, но и на окружающую среду является замена воздушных ЛЭП на кабельные подземной прокладки высоковольтные линии. Подземные кабели обладают уникальными свойствами по передаче энергии - они невидимы на поверхности земли и не требуют глубокого закапывания, сокращают излучение электрических полей в 5-6 раз и могут быть спроектированы, так чтобы не излучать магнитные поля, имеют улучшенные характеристики по потери мощности, высокую стойкость при аварийных нагрузках. В результате подземные кабели можно использовать в местах плотной застройки, реках и сложных геологических условиях, местах, где требуется сохранения окружающей среды, ландшафтов, значимых строений. памятников искусства, местах зарезервированных для будущего строительства и т.п. Кабели прокладываются в земле, в траншеях на глубине 0,8-1,0 м, в кабельных каналах, блоках или тоннелях. Наиболее экономична подземная прокладка кабелей — до 6 кабелей в одной траншее при расстоянии между кабелями 0,2-0,3 м. В одном тоннеле допускается прокладка не менее 20 кабелей. Современные кабельные сети используют поперечно сшитый полиэтилен (XLPE) в качестве основного изоляционного материала, который уже 20 лет подтверждает свою высокую надежность.
Отличительными возможностями высоковольтных кабельных линий являются:
- гибкость при проектировании систем энергоснабжения;
- высокая рентабельность;
- повышенная надежность;
- снижение потерь мощности (энергосбережение); -современные технологи монтажа; -возможность мониторинга состояния кабеля.
Необходимо подчеркнуть, что подземные кабельные сети не только снижают воздействие ЭМП, но и значительно сокращают стоимость обслуживания по сравнению с воздушными линиями. Они так же менее восприимчивы к тяжелым погодным условиям таким как: штормы, землетрясения. Подземные кабели содержат большое количество меди, наиболее токопроводящего металла, в результате чего на 30% снижаются потери при высоких нагрузках по сравнению с воздушными линиями электропередач, а, следовательно, повышается рентабельность всей энергосистемы. Подземные высоковольтные кабели используют в качестве проводника более эффективные медные сплавы, которые работают при более низких температурах.
