Качественная картина влияния блуждающих токов на подземные сооружения

 

Анализ закономерностей гальванического влияния сильно усложняется неоднородностью структуры земли, поэтому далее представлены лишь самые общие закономерности гальванического влияния на подземную коммуникацию, расположенную параллельно оси железной дороги. Качественная картина влияния рассмотрена на простейшей схеме рис. 1.1а, где представлены тяговая подстанция постоянного тока и один электровоз. Буквой Р обозначены рельсы, К - коммуникация (кабель или трубопровод), стрелками показаны пути протекания тока, расстояние между подстанцией и нагрузкой - l. Попробуем проследить процессы в этой системе с точки зрения возможной электрокоррозии.

В системе есть некоторое падение напряжения на контактной сети и в рельсах (вместе с землей), а в основном напряжение подстанции падает на электровозе. Из-за протекания тока в рельсах и в земле нулевой потенциал (соответствующий потенциалу удаленной земли) находится где-то посередине между подстанцией и электровозом, в точке заземления подстанции потенциал отрицателен, а у электровоза - положителен. На рис. 18б показано распределение потенциала по координате, отсчитываемой от тяговой подстанции, для рельса φ_р и для земли под рельсом φ_з. За счет разности этих потенциалов ток с рельсов стекает в землю, убывая при уменьшении расстояния от подстанции до точки наблюдения вплоть до середины участка, а затем снова подрастая за счет подтекающего из земли тока (рис. 1.1в). Направление тока в рельсах вне участка подстанция - электровоз меняется на противоположное, в отличие от тока через поперечное сечение земли, который течет все время в одну сторону и увеличивается при уменьшении тока в рельсах (рис. 1.1г). Подтекающий к подстанции из рельсов с двух сторон ток (или стекающий в рельсы от электровоза) равен току в контактной сети I, а ток в земле равен разности токов контактной сети и рельса, I_з = I - I_р .

Картина распределения потенциалов подземной коммуникации и земли вблизи нее (рис. 1.1д) повторяет в сглаженном виде распределение потенциала рельсов (причем с углублением в землю потенциалы уменьшаются), а разность потенциалов земля – коммуникация обусловливает втекающий в коммуникацию ток. На рис. 1.1е показано распределение тока утечки с подземной коммуникации, причем I_1ут - это ток, стекающий с 1 км длины коммуникации в землю. Соответственно по поперечному сечению коммуникации течет ток, распределение которого показано на рис. 1.1ж.

 

Рисунок 1.1 - Качественная картина влияния блуждающих токов на ПС

 

Рис. 18е разбивает подземную коммуникацию на две зоны. Первая из них - зона входа тока в коммуникацию (ток утечки отрицателен). Она называется катодной зоной, поскольку потенциал коммуникации относительно окружающей земли здесь отрицателен; лежит эта зона вблизи электровоза. Вторая зона, называемая анодной зоной – это зона выхода тока из коммуникации, она лежит вблизи подстанции. Как видно, наибольшая плотность токов утечки наблюдается в точке наибольшего по модулю потенциала рельсов, и анодные зоны подземных сооружений расположены напротив катодных зон рельсового пути и наоборот.

Почва, в которой прокладываются коммуникации, с электрической точки зрения представляет собою электролит, в котором переносчиками электрического заряда при протекании тока служат ионы. В электролите металлический анод подвергается интенсивной электрокоррозии, причем убыль металла согласно первому закону электролиза Фарадея пропорциональна величине стекающего с анода тока. При больших токах происходит разрушение и в катодных зонах. Эти зоны на железной дороге из-за перемещения электровозов постоянно перемещаются, поэтому выбор мероприятий по защите от электрокоррозии производится на основе выполненных на линии измерений.

При выводе законов распределения потенциалов и токов в рель­сах было принято сопротивление земли равным нулю, что позво­лило, не внося в решение задачи заметной погрешности, значи­тельно упростить ее выкладки и полученные формулы. Но при переходе к рассмотрению распределения потенциалов и токов в подземных сооружениях это допущение вообще исключает воз­можность решения задачи.

Действительно, если считать, что сопротивление земли равно нулю, а сопротивление подземного сооружения и сопротивление переходного слоя от земли к подземному сооружению имеет ко­нечное значение, то ток по подземному сооружению не потечет, и никакой разницы потенциалов не будет.

Поэтому обычно для упрощения рассматриваемую задачу ре­шают в два приема: распределение потенциалов и тока в рельсах устанавливают, исходя из принятой предпосылки, что сопротив­ление земли равно нулю, а затем, исходя из полученной, как бы заданной, картины распределения потенциалов и тока в рельсах, определяют распределение потенциалов и токов в земле и подзем­ных сооружениях. При решении задачи принимают, что сопро­тивление земли имеет конечное значение, а полученные выше зна­чения потенциалов считают относящимися к бесконечно удален­ной точке земли. Эта задача рядом авторов решена аналити­чески. Здесь же ограничимся рассмотрением только физической картины распределения потенциалов и токов в земле и подземных сооружениях. Некоторым оправданием этого является то, что при достаточной сложности выкладок конечные решения не могут дать исчерпывающей точности, так как зависят от ряда исходных дан­ных (переходных сопротивлений, сопротивления земли и т. п.), которые в свою очередь изменяются по времени (в зависимости от температуры, влажности) и по длине (в зависимости от профиля местности, состава грунта и т. п.).

В условиях эксплуатации при рассмотрении вопросов распре­деления токов и напряжений в сооружениях необходимо иметь ясное физическое представление, позволяющее правильно поставить ряд контрольных измере­ний, по существу и решающих вопрос о защитах, какие надле­жит принять в том или ином случае для обеспечения нор­мальной работы подземных со­оружений.

Рассмотрим характер распре­деления потенциалов и тока в подземном сооружении для двух схем, на основе которых можно делать заключения и для различных случаев. Первая схе­ма, когда на участке неограни­ченной длины расположена одна тяговая подстанция и одна нагрузка (рисунок 1.2), и вторая, когда на участке также неогра­ниченной длины подстанции расположены на равных рассто­яниях, и вся линия загружена равномерно распределенной нагрузкой (рисунок 1.3). В обоих случаях будем считать, что контактная сеть имеет положительную полярность, рельсы — отрицательную; вдоль линии железной дороги лежит подземное сооружение (трубопровод или кабель, один или несколько, см. рисунок 1.2). Для первого случая (см. рисунок 1.2, а) потенциал рель­сов и ток в рельсах показаны на рисунке 1.2, б и 1.2, в. Ток в земле 1_ЗХ может быть получен как разность между током нагрузки и током в рельсах (рисунок 1.2, г). Если вычесть из потенциала рель­сов падение напряжения в переходном сопротивлении "рельсы— земля" то получим диаграмму потенциала верхнего слоя земли относительно бесконечно удаленной точки земли (штриховая линия на рисунке 1.2, б); в точке расположения подстанции и нагрузки линия этого потенциала не имеет излома, так как здесь нет сосредоточенной нагрузки, как на рельсах.

На рисунке 1.2, д штриховой линией показан характер изменения потенциалов земли в ее поперечных сечениях, проходящих через подстанцию и нагрузку .На глубине , где расположен кабель (или трубопровод), этот потенциал получает значения и , и распределение потенциала земли на этом расстоянии имеет вид, показанный сплошной линией. Если из ординат этой кривой вычесть потери напряжения в переходном слое "зем­ля — кабель" , то получим диаграмму распределения потен­циалов оболочки кабеля (относительно бесконечно удаленной зем­ли) по длине кабеля (рисунок 1.2, д). Обратная величина ,т.е. разность потенциалов между оболочкой кабеля и прилегаю­щим слоем земли ,показана на рисунке 1.2, ,соответ­ствующая диаграмма тока в подземном сооружении приведена на рисунке 1.2, ж (она же является и диаграммой плотности утечки тока в своем масштабе). Из рисунков видно, что зона входа тока в оболочку кабеля (катодная зона) лежит около нагрузки, а зона выхода тока из оболочки кабеля (анодная зона) — около под­станции. Как и во всех других случаях, диаграмма распределения потенциала или разности потенциалов одновременно в другом мас­штабе является и диаграммой плотности утечки тока.

Для второй схемы с равномерно распределенной нагрузкой (рисунок 1.3, а) диаграмма распределения потенциалов рельсов и верхнего слоя земли дана на рисунке 1.3, б; диаграмма рас­пределения потенциала земли и кабеля на глубине дана на рисунке 1.3, в. Диаграмма разности потенциалов кабеля земли дана на рисунке 1.3, г, она же, как и на предыдущем рисунке 1.2, в другом масштабе показывает изменение тока утечки с поверхно­сти кабеля. На рисунке 1.3, д показана, диаграмма изменения тока по длине кабеля.

Рисунок 1.2 - Кривые распределения потенциалов и токов в рельсах, земле и подземных сооружениях при одной подстанции и одной нагрузке

Рисунок 1.3 - Кривые распределения потенциалов и токов в рельсах, земле и подземных сооружениях при равномерно распределенной нагрузке

Дороги постоянного тока могут работать и при обратной по­лярности проводов и рельсов (минус в контактной сети). В началь­ный период электрификации в РФ были линии той и иной поляр­ности, но в последующем была повсеместно принята полярность, показанная на рисунке 1.1, 1.2. Наибольшее удельное значение от­ветвляющихся или возвращающихся токов (плотность токов утеч­ки) будет в точках максимального потенциала рельсов или под­земных сооружений. Эти значения будут меньше для точек, распо­ложенных ближе к нулевой точке, в которой они будут равны нулю. Максимальное значение блуждающих токов или токов в подзем­ных сооружениях будет в сечении, проходящем через точку с ну­левым потенциалом, и оно будет постепенно уменьшаться при переходе к точкам, которые расположены ближе к концам участка. Анодные зоны подземных сооружений расположены против ка­тодных зон рельсового пути и наоборот.

Для выявления коррозионных повреждений сооружений необ­ходимо знать зоны входа и выхода блуждающих токов, как уже выше отмечено, называемые соответственно катодными и анодными зонами. В результате непосредственного действия блуждающих токов коррозия происходит в анодных зонах, т.е. в местах выхода из сооружения. Однако при защите подземных сооружений от блуждающих токов приходится считаться и с катодными зонами, в которых при щелочных грунтах под влиянием блуждающих то­ков концентрируются едкие щелочи, разрушающие сооружения в результате химических процессов. В зонах нулевого потенциала (которые являются нейтральными в отношении утечки тока) токи, протекающие по самому сооружению, достигают наибольшего значения и могут представлять опасность по своему тепловому действию и вызывать коррозионные повреждения в местах распо­ложения стыков, муфт и т. п. При повышенном сопротивлении та­ких стыков ток, обходя последние, перетекает из одной секции под­земного сооружения в другую. В местах выхода тока сооружение подвергается электрокоррозии.

На электрифицированных дорогах размеры отдельных опасных в отношении коррозии зон, а часто и их места все время изменяют­ся. В точке приложения нагрузки всегда образуется зона ответвле­ния или протекания (в зависимости от полярности контактной сети) блуждающих токов. Таким образом, одна из зон всегда перемеща­ется вдоль трассы линии. Для полярности, принятой на железных дорогах РФ, на подземном сооружении катодная зона располага­ется в месте нахождения нагрузки, а анодная — около подстанции.

Значения блуждающих токов, так же как и распределение зон их протекания, зависят от ряда причин: состояния рельсовой сети, железнодорожного полотна, проводимости грунта, расположе­ния и характера подземных сооружений, графика движения по­ездов и пр. В связи с этим теоретические расчеты дают результа­ты только первого приближения. На их основе выбирают сред­ства защиты первой очереди, в необходимости которых не воз­никает сомнений. Окончательное же решение выбора защитных мероприятий второй очереди делают на основании выполнен­ных на линии измерений после ее пуска. Согласно Инструкции по защите железнодорожных сооружений от коррозии блужда­ющими токами принимают специальные меры защиты этих со­оружений, расположенных в анодных и знакопеременных зо­нах. При изменении размеров движения, веса поездов, схем пи­тания, средств регулирования напряжения может стать другим распределение потенциалов и вызвать необходимость примене­ния других защитных мероприятий.

Весьма существенным обстоятельством, определяющим долго­вечность сооружения, является неравномерность переходного со­противления (подземное сооружение—земля) по длине подземно­го сооружения и отсюда — неравномерность утечки с его поверх­ности. Именно поэтому подземные сооружения всегда разруша­ются не равномерно по всей поверхности, а в результате появле­ния отдельных очагов усиленной коррозии. При этом токи утечки в отдельных местах могут в десятки раз превосходить токи утечки, которые были при равномерном распределении переходного со­противления.

Гальваническое влияние электрифицированных железных дорог переменного тока

При рассмотрении влияния блуждающих в земле токов, созда­ваемых электрифицированной железной дорогой переменного тока, необходимо учитывать индуктивное влияние тока контактной сети на рельсы. В каждый момент времени в рельсах будет индуктиро­ваться ток, противоположный по фазе току, непосредственно по­ступающему в рельсы. Вследствие этого ток утечки из рельсов в землю будет уменьшаться, значит будут уменьшаться потенциалы точек земли, находящихся в поле блуждающих токов. Величина индуктированного в рельсах тока, а следовательно, и степень умень­шения потенциалов точек земли вдоль электрифицированной же­лезной дороги характеризуется коэффициентом защитного действия рельсов.

Вывод формулы для потенциала точки земли, расположен­ной в поле блуждающих переменных токов, аналогичен выво­ду формулы при блуждающих постоянных токах. Однако при переменных токах приходится учитывать индуктивность рель­сов ,а также .

Потенциал точки земли с координатами х и у, где — расстоя­ние этой точки от полотна ж. д., а х — расстояние ее от неподвиж­ной нагрузки, например от тяговой подстанции, определяется по формуле

В, (1..1)

где — постоянная распространения переменно­го тока в рельсах, 1/м;

— полное сопротивление рельсов, Ом/м;

— активное сопротивление рельсов, Ом/м;

L_p — индуктивность рельсов, Гн/м.

Значения для частоты 50 Гц и рельсов типа Р50 приведены в

таблице 1.1

Таблица 1.1

Величина полного сопротивления рельсов (Ом /м) при удельном сопротивлении (с) земли (Ом ' м) 10 100 1000 Приоднопутножелезной дороге 0,521-10 -V68°40' 0,590-10 "V71'17' 0,657-Ш-3^-730'5' При двухпутной железной дороге 0,359-10 V'66010' 0,430-10^еЯО°15' 0,4910-10"3 е]1У{У
10	100	1000
При однопутной железной дороге
При двухпутной железной дороге

Переходное сопротивление между рельсами и землей с доста­точной степенью точности можно определять по формуле ,

, (1.2)

Как видно из табл. 1.1, аргументы полного сопротивления рель­сов изменяются в сравнительно небольших пределах: от 66° до 73°. В соответствии с этим аргумент постоянной распространения изменяется в пределах от 33° примерно до 37°.

Все приведенные выше формулы для различных случаев сбли­жения однопроводной цепи с электрифицированной железной до­рогой постоянного тока справедливы и для электрифицированной железной дороги переменного тока при условии введения в пра­вые части формул коэффициента .

На рисунке 1.4 и 1.5 приведены кривые зависимости потенциалов Ф от расстояния у между первым заземлением и полотном двух­путной электрифицированной железной дороги переменного тока при различных значениях удельной проводимости о земли (вто­рое заземление однопроводной цепи расположено вне зоны рас­пространения блуждающих токов). Эти кривые рассчитаны при токе тяговой нагрузки в 1000 А. По этим кривым можно провести приближенный расчет разности потенциалов между двумя точка­ми , т. е. рассчитать гальваническое влияние электрифициро­ванной железной дороги переменного тока на смежное сооруже­ние . Если ток нагрузки отличается от этого значения, то полученные из кривых величины следует умножить на коэф­фициент пересчета

, (1.3)

где It — фактический ток нагрузки тяговой сети (или одного электровоза), по которому должен быть определен потенциал за­земления.

Из сравнения рассчитанных значений для одинаковых условий электрифицированной железной дороги постоянного и переменного тока видно, что в последнем случае, т. е. при электро­тяге переменного тока, при небольших значениях у создаются бо­лее высокие разности потенциалов. Это объясняется значительно большими (в 6—10 раз) значениями постоянной распространения переменного тока в рельсах. В то же время при больших расстоя­ниях у (около 1000 м) разность потенциалов, создаваемая электро­тягой постоянного тока, больше, чем при электротяге переменно­го тока, что объясняется характером изменения функции и на­личием в формуле (1.2) сомножителя .

Рисунок 1.4- Потенциал заземления однопроводной цепи, обусловленный

гальваническим влиянием, в зависимости от расположения заземления цепи

относительно полотна железной дороги;а) См/м ;6) См/м

Рисунок 1.5- Потенциал заземления однопроводной цепи, обусловленный гальва­ническим влиянием, в зависимости от расположения заземления цепи относи­тельно полотна железной дороги: а) о— 1,7 · 10~³ См/м; б) а - 3,3 · 10"¹ См/м

Литература [1],[2],[3],[4],[6],[10]

ЛЕКЦИЯ 8. Методика расчетов электрических, электромагнитных и гальванических опасных влияний линий высокого напряжения на цепи связи

Опасное напряжение, обусловленное электрическим влиянием, определяется только для воздушных (подвесных) линий связи и коммуникаций.

Значение напряжения, В, обусловленного электрическим влиянием:

при параллельном сближении

(1)

при сложном сближении с n_j участками

, (2)

где U_В – напряжение влияющей линии, В (при расчете влияния от тяговой сети переменного тока U_В= 27500В; от ЛЭП с изолированной нейтралью при замыкании фазного провода на землю U_В равно линейному напряжению

ЛЭП); К₂ – коэффициент емкостных соотношений, учитывающий количество влияющих проводов, расположенных на опорах тяговой сети (см. таблицу 1).

Таблица 1- Значения коэффициентов емкостных соотношений

Число дополнительных проводов	Значение К2 при числе путей
	1	2
0	0,4	0,6
1	0,5	0,7
2	0,6	0,8

При расчете влияния ЛЭП К₂=0,25; Н_К — расстояние от головки рельса до эквивалентного контактного провода, которое при существующей конструкции контактной сети может быть принято равным 6,93 м; Н_а  средняя высота подвеса провода связи или вещания, м; a, а_j — ширина сближения между проводом связи и влияющей линией соответственно при параллельном и сложном сближении на j-м участке, м; p_{j ,} q_j - коэффициенты экранирования соответственно заземленным воздушным проводам и сплошным рядом деревьев (при наличии такого экранирования влияние ЛЭП на j-ом участке сближения каждый из этих коэффициентов принимают равным 0,7; при отсутствии экранирования, а также для тяговой сети равны 1); l — длина расчетного участка линии связи или вещания, км.

Провода воздушных линий связи или вещания, изолированные от земли, подвержены электрическому и магнитному влияниям, поэтому с нормами следует сравнивать суммарное напряжение по отношению к земле. Если рассматриваемая цепь находится в пределах влияющего плеча, результирующее напряжение, В,

, (3)

где U_m — индуцированное опасное напряжение в однопроводной цепи связи при магнитном влиянии тяговой сети, работающей в вынужденном режиме;

U_э — индуцированное опасное напряжение в однопроводной цепи связи при электрическом влиянии тяговой сети, работающей в вынужденном режиме.

Если один из концов цепи уходит за пределы влияющего плеча, суммарное напряжение, В,

(4)

Величину определяют для обоих концов рассматриваемой цепи и в расчет принимают наибольшее значение.

Опасные напряжения при гальваническом влиянии

Смежные линии, имеющие заземления (однопроводные цепи – телеграфные, СЦБ, линии дистанционного питания усилителей междугородных цепей связи, заземленные или проложенные в земле металлические сооружения и коммуникации), подвержены гальваническому влиянию электрических железных дорог. Гальваническое влияние рассчитывается для однопроводных смежных коммуникаций, использующих в качестве обратного провода землю, при вынужденном режиме и при коротком замыкании тяговой сети. Опасное напряжение при гальваническом влиянии определяется разностью потенциалов между точками заземления оконечных пунктов цепи связи.

При наличии в тяговой сети отсасывающих трансформаторов, а также, если проводимость земли , с гальваническим влиянием можно не считаться. Практически при токах нагрузки до 1000А уже для потенциал заземления не превышает 36В.

, (5)

где U_r1 — потенциал точки, в которой расположено первое заземление относительно тяговой подстанции или электровоза. В; U_r2 — потенциал точки, в которой расположено второе заземление относительно тяговой подстанции или электровоза, В.

Потенциал земли в точке М, создаваемый током I для различных проводимостей земли и расположения относительно тяговой подстанции или электровоза, определяют по табличным кривым. При этом если потенциал создается током нагрузки (или током короткого замыкания) тяговой подстанции, то его знак условно принимают положительным, если током нагрузки электровоза (или током короткого замыкания, поступающим из тягового провода в рельсы), — отрицательным.

Для случая режима короткого замыкания гальваническое влияние рассчитывают для того же условия (расположения точки короткого замыкания), при котором определено максимальное напряжение, обусловленное магнитным влиянием контактной сети в режиме короткого замыкания.

Для случая вынужденного режима потенциал заземления, расположенного вблизи (на расстоянии менее 3 км) от действующей тяговой подстанции, равен сумме двух составляющих, создаваемых токами I₁ и I₂. Значения этих токов берут соответственно равными току в вынужденном режиме I₁ и току в нормальном режиме I₂ работы тяговой сети.

Суммарный потенциал, В,

, (6)

где U_Г,U_Г — потенциалы, создаваемые соответственно токами I₁ и I_2.

При расположении одного из заземлений цепи на расстоянии более 3 км от тяговой подстанции (Х_М>3 км) потенциал заземлений в этой точке определяют только от токов нагрузки электровозов: одного электровоза на однопутной железной дороге и двух электровозов — на двухпутной. Ток, А, потребляемый электровозом на данном плече питания,

(7)

где I_РЕЗ — влияющий ток при m электровозах.

При расположении обоих заземлений за границам трехкилометровых зон ( X_м 3 км от тяговых подстанций) независимо от того, находятся они в одной или разных фидерных зонах, разность потенциалов Ur принимают равной наибольшем по своему значению потенциалу заземлений, так как потенциал второго заземления в этом случае приравнивают нулю.

При расположении расчетного участка цепи связи границах трехкилометровой одной фидерной зоны (Х_м3 км) разность потенциалов в цепи связи принимают равной арифметической разности потенциалов заземлений. При расположении обоих заземлений в границах трехкилометровых зон от разных тяговых подстанций разность потенциалов Ur принимают равной наибольшему по значению потенциалу заземления.

Рисунок 1 - Схема расположения заземлений относительно полотна железной дороги и точки максимального тока в рельсах

Если оконечный пункт расчетного участка цепи расположен на расстоянии более 1 км от полотна железной дороги, то потенциал заземления этого пункта принимают равным нулю. Если удельная проводимость земли в данном районе больше или равна 10010^-3 См/м, то независимо от расположения цепи относительно полотна железной дороги с гальваническим влиянием можно не считаться.

В случае включения в тяговую сеть системы 25 кВ отсасывающих трансформаторов или на участках железных дорог электрифицированных по системе 2х25 кВ с линейными авто трансформаторами, с гальваническим влиянием тяговых токов можно не считаться.

Опасное напряжение, В, обусловленное магнитным и гальваническим влияниями

U_мг  (8)

Литература [1],[2],[4],[6],[8],[10]

ЛЕКЦИЯ 9. Мешающие влияния

Общие сведения

Вследствие несинусоидальных напряжений и токов в тяговой сети она оказывает мешающее влияние на смежные линии, нор­мально работающие с малыми напряжениями и токами в том же диапазоне частот, в котором действуют влияющие гармоники. Мешающим влияниям подвержены линии связи, радиовещания, рельсовые цепи и устройства железнодорожной автоматики. Пер­вые из них работают в диапазонах тональных и надтональных ча­стот, вторые — в диапазоне тональных частот, третьи — с частота­ми 50, 75, 125, 175, 225, 275, 325 Гц.

Форма кривой тока в тяговой сети на дорогах переменного тока искажается из-за наличия двухполупериодных выпрямительных агрегатов на электровозах однофазно-постоянного тока. Поэтому ток тяговой сети содержит нечетные гармонические составляющие, амплитуда которых убывает с увеличением номера гармоники. Тяговая сеть, имеющая распределенную емкость и индуктивность, с учетом индуктивности тягового трансформатора подстанции мо­жет рассматриваться как колебательный контур. В момент заверше­ния коммутации вентилей электровозного выпрямителя в этом кон­туре появляются колебания, причем при определенных частотах в нем возникают резонансные явления, повышающие амплитуду ре­зонирующих гармоник. По этой причине значительную амп­литуду имеют не только гармоники, близкие к основной, но и резо­нирующие. На рисунке 1.1 показано содержание гармонических состав­ляющих с номером к в кривой тока в долях от первой гармоники (эти кривые построены по значениям для нечетных гармоник).

Выпрямленное напряжение и ток в тяговой сети на дорогах постоянного тока имеют переменные составляющие с разнооб­разными частотами и амплитудами. Шестипуль-совое выпрямление вызывает появление гармоник с частотами, кратными 300 Гц. С увеличением нагрузки выпрямительного аг­регата возрастает угол коммутации, вследствие чего амплитуда этих гармоник растет. Применение тиристорного регулирования напряжения на управляемых выпрямителях также приводит к уве­личению амплитуд гармоник.

1 — для однопутного участка; 2 — для двухпутного участка

Рисунок 1.1. Содержание гармонических составляющих тока в долях от первой гармоники с учетом резонансных явлений в тяговой сети переменного тока

Если тяговая нагрузка составляет значительную долю от мощ­ности питающей энергосистемы и кривая питающего напряжения несинусоидальна (даже в пределах нормы), то содержащиеся в ней гармоники (5. 7, II, 13-я и т. д.) с довольно большой ампли­тудой вызывают значительное увеличение кратных 300 Гц гар­моник в выпрямленном напряжении. Асимметрия фазовых на­пряжений питающей тяговые подстанции первичной сети ведет к появлению в выпрямленном напряжении гармоник с частотой 100, 200, 400 Гц. В момент коммутации вентилей возникают затухаю­щие колебания с частотой 5—20 кГц. При неисправности выпря­мителей также появляются в выпрямленном напряжении допол­нительные гармоники .

Указанные гармоники в кривой тока и напряжения в тяговой сети переменного и постоянного тока находятся в диапазоне то­нальных частот и оказывают мешающее влияние на перечислен­ные выше смежные линии, в результате которого в них появля­ется напряжение помех (шума), затрудняющее или нарушаю­щее их нормальную работу. Напряжением шума, или псофометрическим, называется напряжение с частотой 800 Гц на одном из концов линии связи (оба конца которой замкнуты на активные сопротивления, равные волновому сопротивлению линии), которое создает такое же мешающее действие, как и дей­ствительные индуктированные напряжения различных частот. Напряжения различной частоты создают в линиях связи и ра­диовещания неодинаковые помехи. Поэтому индуктированные разными гармониками напряжения приводятся к псофометрическому, т. е. к частоте 800 Гц, при помощи коэффициента акус­тического воздействия (к — порядковый номер гармоники), учитывающего относительное мешающее воздействие напряже­ния различной частоты (таблица 1.1, рисунок 1.2).

Таблица 1.1 Зависимость коэффициента рк от частоты

Частота, Гц		Частота, Гц		Частота, Гц		Частота, Гц
16,66	0,056	750	955	1500	861	2850	553
50	0,71	800	1000	1550	842	2950	534
100	8,91	850	1035	1600	824	3000	525
150	35,5	900	1072	1650	807	3200	473
200	89,1	950	1109	1750	775	3400	412
250	178	1000	1122	185	745	3600	335
300	295	1050	1109	1950	720	3800	251
350	376	1100	1072	2050	698	4000	178
400	484	1150	1035	2150	679	4200	116
450	582	1200	1000	2250	661	4400	72,4
500	661	1250	977	2350	643	4600	43,7
550	733	1300	955	2450	625	4800	26,3
600	794	1350	928	2550	607	5000	15,9
650	851	1400	905	2650	590	5200	6,3
700	902	1450	881	2750	571	5400	1,9

Рисунок 1.2 - Частотные зависимости коэффициента акустического воздействия р_к и коэффициента чувствительности двухпроводной линии связи ( —для кабельной линии, и —для воздушной линии на траверсах, стальной и цветной соответственно)

В двухпроводной смежной линии индуктируется эдс в обоих проводах. Вследствие того, что любая реальная двухпроводная ли­ния имеет продольную и поперечную асимметрии, т. е. неодинако­вые электрические параметры проводов по длине линии, в конце линии возникает напряжение помех, которое будет тем меньше, чем меньше асимметрия линии. Качество двухпроводной линии связи оценивается коэффициентом чувствительности ее помехам от каж­дой гармоники с номером к. Этот коэффициент представляет собой отношение напряжения помехи в конце линии к среднему значению напряжений на концах обоих проводов относительно земли. Час­тотные зависимости для разных линий показаны на рисунке 1.2.

При определении псофометрического напряжения в качестве расчетного принимается нормальный режим работы системы энергоснабжения. Нормы допустимого напряжения шума со­ставляют от 1 до 3,5 мВ для различных линий связи и для опре­деленной длины линии. Расчет обычно проводится для галь­ванически неразделенного участка. Таким является участок, не содержащий трансформаторов, усилителей и фильтров, напри­мер усилительный участок между двумя усилительными пунк­тами (в линии связи).

Нормы мешающих напряжений и токов

Псофометрическое (приведенное к частоте 800 Гц) мешающее напряжение (напряжение шума) в цепях телефонной связи то­нальной частоты не должно превышать значений , ука­занных в таблице 1.2

Таблица 1.2 Нормы мешающего напряжения

Цель связи	мВ	Длина сближения, к которой отнесена норма	Точка цепи, к которой отнесена норма
Междугородная (МС) и дорожная (МПС)	1,5	Усилительный участок	Вход усилителя или междугородного комму- татора при относитель­ном уровне полезного сигнала 6,95 дБ (0,8 Нп)
Канал служебной связи	3,5	1200 км	То же
Избирательная	1,0	Длина круга избирательной связи	Вход усилителя или коммутатора при отно­сительном уровне сигнала 13,9 дБ (1,6 Нп)
Перегонная	1,0	Вся цепь	То же
Межстанционная	2,25	То же	Линейные зажимы телефонного аппарата

ЛЕКЦИЯ 10. Расчет мешающих влияний тяговой сети

Для двухпроводных телефонных цепей определяют псофометрическое значение мешающего напряжения (напряжения шума) в диапазоне тональных частот (300—3400 Гц) для случая работы тяговой сети в нормальном режиме. Расчет выполняй применительно к ближнему (дальнему) концу усилительного участка, участка избирательной связи или участка между двумя оконечными пунктами. В качестве влияющих следует принимать все тяговые плечи в пределах расчетного участка, полагая, что тяговая сеть состоит из плеч одностороннего питания (cм. рисунок 1.), на конце каждого из которых работает один n-секционный электровоз или n электровозов при кратной тяге.

 

Рис. 1- Расчетная схема

 

Расчеты наведенного псофометрического напряжения шума производят путем расчета напряжения, наводимого от каждого участка на отдельной гармонике, с последующим квадратичным суммированием по всем гармоникам и квадратичным суммированием наводимых напряжений от всех участков

Напряжения шума от нескольких влияющих тяговых плеч одностороннего питания следует складывать по квадратичному закону.

Напряжение шума, мВ, в двухпроводных телефонных цепях вычисляют приближенно (с погрешностью ±30 % ) по одной определяющей гармонике влияющего тока , более точно—по гармоническим составляющим влияющего тока в диапазоне тональных частот:

U_ш  (1)

Мешающее напряжение для R-й гармоники в телефонных цепях вычисляют по нижеприведенным формулам.

Для цепи, длина которой l превышает длину плеча одностороннего питания тяговой сети l_т по системе 25 кВ, мешающее напряжение, В,

, (2)

где _R=2_R - угловая частота R-й гармоники тягового тока, рад/с; _R - модуль взаимной индуктивности между двумя однопроводными цепями для R-й гармоники тягового тока, Гн/км; I_R эквивалентный ток R-й гармоники тягового тока, А; _R - коэффициент акустического воздействия для R-й гармоники тягового тока; _R -коэффициент чувствительности двухпроводной телефонной цепи к помехам для R-й гармоники тягового тока; _R - результирующий коэффициент защитного действия для R-й гармоники тягового тока; _А – ккоэффициент распространения однопроводной цепи, подверженной влиянию, для R-й гармоники тягового тока; l_кс - расчетная длина.

При сложной трассе сближения следует определять среднее значение модуля взаимной индуктивности, Гн/км,

, (2)

где n - количество участков; М_Кj - модуль взаимной индуктивности для R-й гармоники тягового тока на j-м участке сложного сближения, Гн/км;

lj - длина j-го участка сближения, км.

Если по приближенной методике индуцируемое напряжение шума окажется менее допустимого на 30 % и более, то проведение расчета по уточненной методике не требуется.

Ток гармонических составляющих (при более точном методе расчёта), А,

, (3)

где - k-я гармоника тока электровоза, работающего в конце плеча питания при нормальном режиме; K_В – волновой коэффициент.

Результирующий коэффициент защитного действия оболочки кабеля для k-й гармонической составляющей тягового тока

(4)

В этой формуле S_обк – коэффициент защитного действия оболочки кабеля для k-й гармонической составляющей тока.

В том случае, если цепь связи короткая и длина её l  l_т укладывается в пределах плеча одностороннего питания тяговой сети, мешающее напряжение для k-й гармоники, мВ,

(5)

Для короткой цепи, начало или конец которой выходит за пределы данного плеча одностороннего питания так, что отношение влияющего отрезка тяговой сети l_э к длине цепи связи l меньше или равно 0,9, напряжение U_шк следует вычислять по формуле (2), если это отношение превышает 0,9, - то по формуле (5).

Рисунок 1 - Схема цепи связи, защищенная от влияния тяговой сети разделительными трансформаторами

Мешающее напряжение U_ШРЕЗ в начале (конце) цепи связи, состоящей из п' участков, отделенных один от другого изолирующими трансформаторами (рисунок 1), мВ,

(6)

(7)

где U_Ш1, U_Ш2 — мешающие напряжения в начале (конце) каждого изолированного участка цепи; a — коэффициент затухания двухпроводной цепи связи на частоте, определяющей влияние, Нп/км в формуле (6) или дБ/км в формуле (7); l_o — длина участка цепи связи, не подверженного влиянию тяговой сети и изолированного от остальной цепи разделительными трансформаторами РТ. км; l₁, l₂,…, l_n-1— длины составляющих участков цепи. подверженных влиянию и отделенных один от другого трансформаторами РТ, км.

Мешающее напряжение в цепях проводного вещания следует определять в конце абонентской линии, т. е. на зажимах громкоговорителя. В качестве влияющих тяговых плеч следует принимать во внимание все плечи в пределах расчетного участка, полагая, что тяговая сеть состоит только из плеч одностороннего питания. Мешающие напряжения от нескольких плеч следует складывать по квадратичному закону.

Эффективное значение напряжения помех в двухпроводной цепи проводного вещания на расчетном участке определяют по нижеприведенным формулам.

Если длина цепи проводного вещания l укладывается в пределах влияющего тягового плеча lт, эффективное напряжение помех, мВ,

, (8)

где К_п — поправочный коэффициент, зависящий от вида цепи, удельной проводимости земли (, См/м), ширины сближения (а, м) и количества путей электрифицированного участка; М_ср — среднее значение модуля взаимной индуктивности между двумя однопроводньми цепями (влияющей и подверженной влиянию) на частоте 50 Гц, Гн/км; для сложного сближения определяется по формуле, аналогичной (2); S — результирующий коэффициент защитного действия на частоте 50 Гц; ₅₀ — коэффициент чувствительности цепи проводного вещания к помехам на частоте 50 Гц; l_э — длина сближения линии проводного вещания с тяговой сетью, км.

При сложной трассе сближения с п, участками определяют среднее значение поправочного коэффициента:

, (9)

где К_пj — поправочный коэффициент на j-м участке сложного сближения.

Если длина цепи проводного вещания l выходит за пределы плеча питания тяговой сети, причем отношение длины влияющего плеча l_э к длине l (см. рисунок 1) менее или равно 0,9, эффективное напряжение помех, мВ,

, (10)

где l_кс — расстояние от конца расчетного участка линии проводного вещания до середины соответствующего влияющего участка тяговой сети, км.

Для сложных цепей проводного вещания, например для трёхзвенной цепи, эффективное напряжение помех, В,

, (11)

где U_т1, U_т2, U_т3 – эффективные значения мешающих напряжений, индуцированных тяговым током в конце соответствующего (1-3) звена цепи проводного вещания (считая началом цепи радиотрансляционный узел РТ); W₁, W₂ – коэффициенты трансформации фидерных трансформаторов ФТ1, ФТ2; W₁=W₂= ¼.

Если напряжения помех U_т1 и U_т2 не превышают напряжения помехи U_т3 более, чем в 2 раза, то их можно не учитывать.

Каждую многопроводную линию высокого напряжения из n проводов при рассмотрении ее влияния на цепь связи целесообразно представить ее состоящей из двух влияющих цепей: полностью симметричной и полностью несимметричной (n проводов-земля).

Двухфазная или трехфазная влияющие цепи высокого напряжения своими электрическими или магнитными полями индуктируют в цепях связи посторонние токи или напряжения.

Расчет влияния многопроводных линий высокого напряжения на однопроводную цепь связи сводится к определению влияния на нее двух цепей: полностью несимметричной цепи «два провода-земля» и симметричной цепи (двух-трехфазной).

Определение влияющих токов тяговой сети переменного тока

 

В случае тяговой сети переменного тока межподстанционные зоны для высших гармоник являются электрически длинными и расчеты тока контактной сети должны учитывать это обстоятельство.

«Правила защиты…» [1] предлагают рассматривать все тяговые плечи как плечи одностороннего питания. Все токи участков по рис. 34 при этом рассчитываются независимо друг от друга. Гармонические составляющие тягового тока для каждого из участков определяются из выражения , где – гармоника тока электровоза, работающего в конце плеча питания при нормальном режиме; – волновой коэффициент, учитывающий изменение тягового тока по длине тяговой сети и вычисляемый по методике "Правил защиты..." [1]; в случае короткого участка его можно принять равным единице.

Гармоники тока электровоза можно определить тремя следующими путями:

• С учетом основного источника несинусоидальности в тяговой сети переменного тока – выпрямитель электровоза, нагруженный активно-индуктивной цепью;

•         по таблице "Правил защиты..." [1] (выдержки из нее представлены в табл. 4), в которой предполагается, что каждая секция восьмиосного электровоза потребляет ток 150 А в режиме тяги; при работе n секций диодного или тиристорного электровоза расчетное значение влияющего тока следует увеличить в раз; значения гармоник тока предполагаются пропорциональными действующему значению тока электровоза;

•         путем практического измерения гармоник тягового тока.

 

Таблица 1- Ток в удаленном от тяговой подстанции конце тягового плеча

одностороннего питания однопутного участка для одной секции

восьмиосного электровоза, потребляющего ток 150 А в режиме тяги

Номер гармоники k	Частота, Гц	Ток гармоники, А	Номер гармоники k	Частота, Гц	Ток гармоники, А
7	350	5.0	25	1250	0.34
9	450	3.5	27	1350	0.28
11	550	2.3	29	1450	0.25
13	650	1.6	31	1550	0.23
15	750	1.2	33	1650	0.21
17	850	0.80	35	1750	0.19
19	950	0.71	37	1850	0.18
21	1050	0.54	39	1950	0.16
23	1150	0.40	41	2050	0.15

 

  Спектральный состав тока выпрямительного электровоза

 

Источником несинусоидальности в тяговой сети переменного тока является выпрямительный электровоз. В простейшем варианте можно рассмотреть закономерности возникновения гармоник тока при применении для питания тяговых двигателей мостовой схемы выпрямления (рис. 1а).

За счет катушки L_d происходит сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и можно считать в первом приближении, что через двигатели течет не изменяющийся во времени ток I_d. В положительный полупериод напряжения u₂ ток протекает по цепи VD1-M-VD2, а в отрицательный – по цепи VD3-M-VD4. За счет наличия индуктивности рассеяния переключение происходит за конечное время, соответствующее углу коммутации γ. На рис. 1в изображены формы тока через вентили в зависимости от напряжения вторичной обмотки (рис. 1б); поскольку ток вторичной обмотки равен i₂=i_V1-i_V4, то форма тока первичной обмотки (рис. 1г) определяется вычитанием соответствующих импульсов тока вентилей VD1 и VD4. Первичный ток имеет форму, близкую к трапецеидальной; в реальных условиях форма тока зависит от ходовой позиции электровоза, скорости движения, уровня напряжения, наличия других электровозов на фидерной зоне.

При оценочных расчетах можно заменить реальную форму кривой тока прямоугольными импульсами или импульсами трапецеидальной формы.

Для прямоугольных импульсов (рис.1д)

 

где k_т - коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора, а для трапецеидальных импульсов (рис.1е)

Рисунок 1 - Возникновения гармоник тока при применении для питания тяговых двигателей мостовой схемы выпрямления

 

 

 

.

 

  Допустимые мешающие напряжения и токи

Индуцируемое псофометрическое напряжение шума Uш в каналах низкой частоты телефонной связи не должно превышать значений, указанных в таблице 1.

В таблице 1 указаны суммарные значения допустимых напряжений шумов от влияния линий высокого напряжения.

При наличии одновременного влияния тяговой сети и линии электропередачи для определения результирующего напряжения шума следует применять квадратичное сложение шумов от каждого из источников. При этом допустимое значение Uщ распределяется между влияющими линиями следующим образом: тяговая сеть электрифицированной железной дороги, высоковольтные линии автоблокировки и продольного энергоснабжения — 0,8Uш, линии электропередачи — 0,6Uш.

Допустимые значения напряжения шумов, указанные в таблице 1, относятся к линейным зажимам цепей с волновым сопротивлением 600 Ом, замкнутым по концам на согласованную нагрузку. В тех случаях, когда волновое сопротивление цепи _в отличается от 600 Ом и эта цепь замкнута на согласованную нагрузку, норму напряжения шума Uш, отнесенную к линейным зажимам, следует изменить на

U'ш= ,

где | _в |— модуль волнового сопротивления цепи, Ом, на частоте 800 Гц.

Если на расчетном усилительном участке относительный уровень Р передачи на частоте 800 Гц отличается от приведенного в таблице 1 (Ро), то допустимое значение Uш следует изменить на

U_ш ''= U_ш10^{-0,05(Ро-Р)}

Если длина участка сближения менее указанной в таблице 1, то допустимое значение шума U_ш¹¹¹ должно быть пересчитано:

U_ш ¹¹¹= U_{ш э},

где _э—длина участка сближения, к которому отнесена норма шума U_ш.

В отдельных случаях по согласованию с заказчиком допускается относить норму шума к участку сближения меньшей длины, чем указано в таблице 2. Это допускается в том случае, если будет доказано, что в дальнейшем исключается возможность появления источников влияния.

Таблица 2 - Допустимые значения индуцируемых напряжений шума в каналах низкой частоты

Цепь (канал) связи	Участок сближения	Точка цепи с уровнем ро	Уровень передачи полезного сигнала Ро,дБ	Напряже-ние шума, мВ
Магистральной и зоновой сети Министерства связи	Усилитель-ный участок	Вход усилителя или междугородного коммутатора	-6,95	1,5
Местной сети (городской и сельской) Министерства связи	От абонента до абонента на местной сети или от абонента до МТС при междугородном соединении	Линейные зажимы телефонного аппарата	—	1,5
Канал служебной связи систем передачи	830 км	Зажимы телефонного аппарата на стойке служебной связи в ЛАЦ	—13	1,45
Групповой канал низкой частоты МПС	Участок избирательной связи	Линейные зажимы телефонного аппарата или коммутатора	—13.9	1,0

Результирующее эффективное значение мешающего напряжения на зажимах громкоговорителей абонентской сети проводного вещания, индуцированного гармоническими составляющими тяговой сети (кроме основной частоты), должно быть не более 15 мВ при рабочем напряжении 15В и 30 мВ — при рабочем напряжении в абонентской цепи 30 В. Значения мешающего тока в канале однопроводного телеграфирования при однополюсной работе не должно превышать 0,1/раб, При двухполюсной—0,15Iраб.

Значение общего мешающего напряжения частотой 50 Гц, обусловленного магнитным и гальваническим влияниями при работе тяговой сети в вынужденном режиме, в соединительных линиях между АТС не должно превышать 36 В.

Использование на абонентских линиях спаренных телефонных аппаратов с блокираторами не допускается. Блокираторы должны быть заменены приставками с диодным разделением у абонента. В этом случае допустимая продольная э. д. с. в проводах абонентских линий составляет 36 В.

Напряжение шума от влияния тяговой сети в каналах ТЧ можно не рассчитывать, если выдержаны нормы опасного и мешающего влияний в физической цепи связи в диапазоне тональных частот на расчетном участке.

Таблица 1 - Допустимые индуцируемые напряжения по отношению к земле в жилах кабеля, когда применяют специальные меры по защите и технике безопасности

Схема передачи дистанционного питания усилителей	Допустимые напряжения, В. в режиме работы тяговой сети
	вынужденном или режиме плавки гололеда	короткого замыкания
ез дистанционного питания «Провод — земля» постоянным током «Провод — провод» постоянным током с заземленной средней точкой цепи ДП «Провод — провод» переменным током с заземленной средней точкой цепи ДП	U раб Uраб-(Uдп/ 2) Uраб- (Uдп/2 2) Uраб - (Uдп/2)	0,6Uисп 0,6 Uисп - (Uдп/ 2) 0,6Uисп - (Uдп/2 2) 0,6Uисп - (Uдп/2)

Литература [1],[2],[4],[6],[10]

Лекция 11. Допустимые уровни и степени радиопомех

Для гарантии безупречного радио- и телеприема, а также для нормального функционирования служб радиосвязи излучения ис­точников помех не должны превосходить определенных, завися­щих от частоты допустимых уровней радиопомех. Эти допусти­мые уровни определены в стандартах DIN/VDE, которые осно­вываются на международном сотрудничестве в МЭК или Между­народном комитете по радиопомехам. Уровни радиопомех ориентируются на неизбежный фоновый уровень естественных ис­точников (космический шум, импульсные помехи отдаленных гроз и т.д.). Другими словами, они устанавливаются так, чтобы излучения на определенном, зависящем от цели применения рас­стоянии (например, 3 м или 30 м), затухали до фонового уровня.

Различают допустимые уровни напряжений, мощности и напря-женностей поля радиопомех.

Первые образуют верхнюю границу напряжений радиопомех между отдельными жилами и землей подключенных к электричес­кому прибору проводов (несимметричное напряжение радиопо­мех). При обычно встречающихся длинах проводов приборов в офисах, жилых помещениях приблизительно с 30 МГц начинается заметное излучение, так что напряжение радиопомех с растущей частотой теряет информативность. Наконец, на определенных рас­стояниях от источников помех установленные уровни напряжен­ности для электрических и магнитных полей не должны превосхо­дить имеющиеся там напряженности полей помех.

Кроме того, различают приборы классов А, С и В. Для пер­вых из-за более высокого допустимого уровня помех, соответствен­но меньшего интервала помех, требуется отдельное разрешение, ко­торое может быть выдано на основе испытаний (например, управля­ющих ЭВМ, промышленных высокочастотных генераторов), а у при­боров класса С лишь после отдельных испытаний на месте установки (например, больших ЭВМ, высокочастотных линейных ускорителей). Приборы класса В не нуждаются в отдельном разрешении, а только в общем разрешении, так как они вследствие меньшего уровня помех, как правило, обеспечивают достаточно высокий интервал помех (на­пример, музыкальные приборы, телевизоры и радиоприборы, пер­сональные компьютеры, предметы хозяйственного обихода и т.д.).

Поэтому к классам А и С относятся приборы, которые ис­пользуются профессионально и применяются преимущественно в промышленных зонах (за исключением микроволновых пе­чей, электромедицинских высокочастотных приборов). Им при измерении радиопомех соответствует сравнительно большое защитное расстояние, например 30 м. К классу В относятся при­боры, которые предназначены для домашнего использования. Им соответствует меньшее защитное расстояние, например 10 м. Само собой разумеется, приборы класса В могут использовать­ся и в промышленных областях. Частотная зависимость уровня напряжений радиопомех приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Допустимые уровни помех высокочастотных приборов в про­мышленности, при научных медицинских и прочих исследованиях

Допустимые уровни помех содержатся в соответствующих нормативных документах.

До установления предельных значений или допустимых уров­ней радиопомех в рамках европейского стремления к гармониза­ции отношений обычным было указание степеней радиопомех. Наряду с частотно-зависимой верхней границей допустимых ра­диопомех указывалась отличительная литера (четыре степени ра­диопомех G, N, К, О ), которая несла информацию о цели при­менения или об относительной помехоопасности.

Так как при радиопомехах существенную роль играют преиму­щественно их акустические или визуальные последствия, измеряе­мые электрические величины подвергаются соответствующей оцен­ке. Такие значения помех очень надежны в пределах помехозащи-ты радиосвязи, однако совсем непригодны, если речь идет об обра­щении с электронными системами, не служащими для целей связи (автомобильная электроника, управление технологическими про­цессами, устройства обработки данных и т.д.).

Допустимое воздействие электромагнитных полей на биоорганизмы

Электромагнитный спектр простирается от электростатическо­го и магнитостатического полей, электрических и магнитных по­лей частоты 50 Гц до радиоволн и видимого света, ионизирующе­го у-излучения (рисунок 1.2 ). В зависимости от интенсивности и частоты электромагнитные поля и волны оказываются для биоорга­низмов полезными или вредными.

Рисунок 1.2 - Электромагнитный спектр

В диапазоне ультрафиолетового света (УФ) и выше энергия элек­тромагнитных волн достаточно велика, чтобы освобождать элект­роны из электронной оболочки атомов, т. е. ионизировать атомы и тем самым производить химические и другие изменения:

(1.1)

где h— постоянная Планка;ƒ— частота.

Воздействие на человека электромагнитных волн в этом диа­пазоне с ростом частоты проявляется от желаемого эффекта за­гара до рака кожи и глубже расположенных тканей. Для раз­личных форм проявления электромагнитных волн в этом энер­гетическом диапазоне существует обобщающее понятие иони­зирующего излучения.

Диапазон видимого света, без которого наша жизнь на земле была бы совершенно невозможна, ведет к инфракрасному (ИК), тепловому излучению и микроволнам. Действие микроволн на биоорганизмы основано на их силовом воздействии на заряжен­ные частицы:

(1.2)

Вследствие этого воздействия электроны и ионы (ионизированные атомы или молекулы) колеблются в микроволновом переменном поле, диполи вибрируют относительно состояния равновесия. Сооб­щенную им кинетическую колебательную энергию частицы за счет столкновений отдают другим частицам и повышают их среднюю ки­нетическую энергию. Этот подвод энергии макроскопически прояв­ляется в разогреве (повышении температуры) облученного материа­ла, он нашел широкое применение в микроволновых печах.

Наряду с силовым воздействием электромагнитных полей и волн на электрические заряды и диполи согласно (1.2) существует ана­логичное силовое воздействие на магнитные диполи и подразуме­ваемые на их концах магнитные заряды или вызывающие контур­ные токи (это явление используется в томографии). Однако при этом из-за недостатка магнитных диполей с большим дипольным моментом макроскопические тепловые эффекты не возникают.

Развиваемая в переменном электрическом поле на единицу объе­ма удельная тепловая мощность пропорциональна частоте, следовательно, убывает при переходе к меньшим частотам. На основе этой частотной зависимости и отсутствия бросающихся в глаза корреляций ранее пришли к заключению, что напряженности поля, обычно встречающиеся в технике связи и энергоснабжения, для населения в целом безопасны. При кратковременных опытах в лаборатории также не были установлены непосредственные влия­ния. Лишь при значительно более высоких напряженностях поля обнаруживались определенные эффекты, такие как высокочастот­ные ожоги, магнитофосфены (мерцание в глазах).

Долговременная экспозиция при малых напряженностях поля все же могла бы вызвать эффекты, пока необъяснимые в отноше­нии их причины. Так как тепловые эффекты при малых напряжен­ностях поля и в особенности при низких частотах исключаются, в данном случае предполагают влияние прежде всего не тепловых, а так называемых биологических эффектов. Так, были опубликова­ны отдельные работы, в которых сообщается о нарушениях пове­дения, иммунной системы, головных болях, усталости, вплоть до повышенной частоты случаев рака и т.д. Подобные зависимо­сти, если они действительно существуют, могут быть выявлены только при безупречно проведенных долговременных эпидемио­логических исследованиях. Имеющийся в настоящее время мате­риал о якобы вредных воздействиях магнитного поля пока по боль­шей части не подтверждается в контрольных опытах, поэтому эта тематика еще обсуждается. Как показывает опыт над лицами, по профессии длительное время подверженными воздействию полей повышенных напряженностей, отчетливого негативного влияния пока не установлено. Тем не менее окончательное выяснение этих вопросов в высшей степени желательно.

Наряду с исследованием вредных воздействий уделяется внима­ние и изучению полезных последствий. Признаны с медицинской точки зрения положительные воздействия электромагнитных полей, например, при лечении переломов костей, в электродиатермии.

Наконец, остановимся кратко на вопросе о сильно различаю­щихся в разных странах предельно допустимых значениях. В осно­ве этих различий в меньшей степени лежат достижения в познании опасности электромагнитных полей, чем различные определения того, что следует понимать под предельным допустимым значением. Так, предельные значения в России и других восточноевропей­ских странах основываются на уровнях напряженности поля, ко­торые не могут вызвать особых биологических эффектов, в то вре­мя как в других странах чаше всего исходят из значений напря­женности, при превышении которых доказуемо возникают опас­ные воздействия. Уменьшенные на коэффициент надежности, опре­деляются максимально допустимые предельные значения.

Дискуссия об установлении соразмерных действительной угро­зе предельных значений для различных видов полей и частот еще идет. Практикуемые исходные токи дают действующие в настоя­щее время в Германии предельные значения по нормам VDE 0848. Например, на рисунке 1.3 и 1.4 приведены предельные значения на-пряженностей электрического и магнитного полей для низкочас­тотного диапазона от 0 до 30 кГц.

Рис. 1.3 Эффективные и пиковые значения допустимой напряженности низкочастотных электрических полей при непосредственном воздействии

Предельные значения этих полей не учитывают существование сердечных стимуляторов, имплантированных органов, обуслов­ливающих повышенную чувствительность соответствующих лиц, для которых должны устанавливаться в данном случае более низ­кие предельные значения (нормативные документы по этим воп­росам находятся в процессе подготовки).

На рисунке 1.4 , б и 1.5 приведены предельные значения напря-женностей электрических и магнитных полей, а на рисунке 1.6 — плот­ности потока мощности (вектор Пойтинга) в диапазоне частот от10 кГц до 3000 ГГц при длительности воздействия более 6 мин. Напряженность поля на вышеприведенных рисунках соответству­ет вектору напряженности, который составлен в трех направлени­ях х, у и z без учета фазового положения.

Рисунок 1.4 Эффективные и пиковые значения допустимой напряженности низкочастотных магнитных полей (а). Предельные эффективные значения допустимой напряженности высокочастотных электрических полей (<5)

При возникновении актуальных проблем и вопросов относи­тельно точной интерпретации приведенных предельных значений следует в каждом случае обращаться к соответствующим предпи­саниям и литературе.

Рисунок 1.5 Предельные эффективные значения допустимой напряженности высокочастотных магнитных полей

Рисунок 1.6 Предельные значения допустимой плотности потока мощности S (вектор Пойтинга)

Литература [1],[2],[4],[6],[10]

Лекция 12. Меры по снижению влияния