Исследование энергетической нагрузки ЭМП вблизи контактной сети

Обеспечение электромагнитной безопасности персонала, обслуживающего контактную сеть и электроподвижной состав, при воздействии электромагнитных полей составляет значительную проблему [1–10]. Это связано с разным режимом движения электроподвижного состава (ЭПС), в зависимости от которого изменяются уровни электрических и магнитных полей, создающих энергетическую нагрузку ЭМП вблизи контактной сети. Вредное воздействие ЭМП на персонал приводит к выраженным расстройствам вегетативной, нервной и эндокринной систем [11, 12]. Предупреждение, профилактика и минимизация повреждения здоровья работников – основные принципы обеспечения безопасности труда.

Постановка задачи. Наработки в области обеспечения электромагнитной безопасности [13–21] не в полном объеме решают проблему снижения риска профессионально обусловленной заболеваемости персонала, подвергающегося воздействию ЭМП при эксплуатации контактной сети (КС) и электроподвижного состава. Проблема является актуальной и требует проработки на уровне научного исследования. В данной статье показана связь между энергетической характеристикой ЭМП, электрическим и магнитным полем. Исследованы проблемы в области вредного воздействия энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц на персонал и предложены пути их решения.

Теоретическая часть. Формирование энергетической нагрузки ЭМП

На основании вектора Пойнтинга, который представляет собой направленный поток энергии, определяемый через произведение электрических и магнитных полей, авторы предлагают рассчитывать уровень энергетической нагрузки ЭМП (ВА/м2) вблизи контактной сети (КС) переменного тока:

Э кс ( f ) = E кс ( f ) ■ H кс ( f ) , (1) где Е_кс ( f ) - напряженность электрического поля КС, В/м; H _кс ( f ) - напряженность магнитного поля КС, А/м; f – частота тока и напряжения сети. Рассматривается полный ток, учитывающий активную и реактивную составляющие.

Модуль абсолютной величины напряженности магнитного поля КС в рассматриваемой области может быть найден из векторной суммы модулей H_y и H_x :

H — _А H + H .                     (2)

yx

где Hx и Hy – это горизонтальная и вертикальная составляющие напряженности магнитного поля, А/м.

По формулам авторов [16] определяется величина напряженности магнитного поля вблизи контактной сети переменного тока:

H x — - Ел---'—г; ²*^ i ( x - x ) ² + ( y - y ) ²

■        1 _N,             Y — Y

1          xx_i

H y —-- I Ji -------O--------- T ,

2 n i ei i ( x - x ) 2 + ( y - y ) 2

где I – величина тока контактной сети с высшими гармоническими составляющими, А; x , y – координаты расчетной точки.

В зависимости от системы электроснабжения КС переменного тока 25; 2 x 25; 50 кВ и рассматриваемого участка контактной сети токораспределение имеет существенные различия, которые приведены в табл. 1.

Токораспределение, указанное в табл. 1, исследовано в работах [1, 23]. Максимальные токи в контактной сети наблюдаются при системе электроснабжения 25 кВ, в этом случае уровень магнитного поля будет максимальный.

В [16] был проведен расчет магнитного поля 50 Гц для однопутного участка КС переменного тока, результаты указаны на рис. 1.

Уровень напряженности магнитного поля 50 Гц изменяется от 12 до 38 А/м, что не превышает предельно допустимый уровень (ПДУ) H 50 Гц для 8-часового воздействия.

Модуль абсолютной величины напряженности электрического поля КС в рассматриваемой точке можно найти по формуле

E — ^ E x + E 2 , (5) где Е_x и Е_y – это горизонтальная и вертикальная составляющие напряженности электрического поля, В/м.

Таблица 1

Значения токов на отдельных участках контактной сети при разных системах тягового электроснабжения

Table 1

Currents in individual sections of the contact network with different traction power supply systems

Уча с ток контакт ной с ети	Система электроснабжения контактной сети переменного тока
Напряжение	25 кВ	2 x 25 кВ	50 кВ
ТП-АТ1	I э	I э /2	I э /2
АТ1-электровоз	I э	3/4 I э	I э /2
Электровоз-АТ2	–	1/4 I э	–

*ТП – тягов а я подс тан ци я; А Т1и А Т2 – автотрансформатор номер 1 и 2; I э – ток электровоза, А.

Рис. 1. Распределение H 50 Гц на уровнях 2–4 м от поверхности земли Fig. 1. Distribution of H 50 Hz at levels 2–4 m from the earth’s surface

Г ори зон та л ьн у ю и в ер ти ка льн ую составляющие напряженности электрическог о поля, с оз да в а е мую системой из N проводов , м ож н о опре дел и ть п о [16]:

N

E y =

—

—It neo ,=i

y [ ( x ^— x ) ^{2 —} У 2 + У? ]

[ ( x ^— x i )² + ( У ^— y i? + ( x ^— x i )² + ( У ^— У1 ) ]

E x

2 ^N _т ________________ ( x ^— X -)² УУ j ________________

^П^ 0 ^1^ Г ( X — X j ) 2 + ( У — У j ) 2 + ( X — X j ) ² + ( у — y j ) ² ]

где τ _i – заряд провода i , п ри х одящ ийся на е д и ни ц у дли н ы.

Ре з у л ьта ты ра с че тов [16] для одноп у т ного уча с т ка КС п рив е дены на рис . 2.

Рис. 2. Распределение Е 50 Гц на уровнях 2–4 м от поверхности земли Fig. 2. Distribution of E 50 Hz at levels 2–4 m from the earth’s surface

Из распределения электрического поля 50 Гц видно, что уровень напряженности электрического поля 50 Гц колеблется от 1,2 до 4 кВ/м, что не превышает ПДУ Е 50 Гц для 8-часового воздействия.

Проблемы и концепции в области вредного воздействия энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц на персонал

Спектр сетевого тока электровоза при любом его расположении можно определить, разложив в ряд Фурье кривую сетевого тока. При этом амплитуда и начальная фаза k -й гармонической составляющей сетевого тока определяется по формулам:

I k = V a k + b k ;                                                                                          (8)

a ²

Ф k = arctg -f, b_k ²

где a k и b k – косинусная и синусная составляющие гармоник.

Для нечетных гармоник косинусная и синусная составляющие могут быть определены из выражения [1]:

Y

a k =4 n

J £

Y/2 L K ^T

т

- ”m ( 1 - cos to'

П

1 t ) cos k to td + j

J              Y

Id I

--I cos ktotd tot + kt J

^n+Y/2 / I U             I

+      —d- + — m ( 1 + cos to t ) cos k to td to t

KX nV т a              7

;

b k = —

Y i    и                          K,C i I f---(1 - cos tot) sin ktotd +[

K X          K

• Y/2L ^{T a}                  _l                  y T ²

----I sin k to td to t +

n

^n+Y [ ² / I U            I

• + f    —d" + — m ( 1 + cos to t ) sin k to td to t

KX nV T a              7

,

где I_d – рабочий ток преобразователя, А; K _т – коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора; U_m – амплитудное значение вентильного напряжения преобразовательного трансформатора электровоза, В; X _a – анодное сопротивление.

Рассчитанный по вышеприведенной методике уровень спектра сетевого тока [1], потребляемого электровозом, расположенным в конце тягового плеча питания (удаленного от тяговой сети подстанции на 40 км), представлен в табл. 2.

Таблица 2

Значения гармонических составляющих тока, потребляемого электровозом в удаленном от тяговой подстанции конце тягового плеча питания

Table 2

The harmonic components of the current consumed by the electric locomotive at the end of the traction arm remote from the traction substation

Частота гармоники f , Гц	Величины гармоник тока I k , A
	Однопутный участок	Двухпутный участок
50	147	147
150	36,75	36,75
250	12,24	13,08
350	5,00	4,46
450	3,50	3,04
550	2,25	1,93
650	1,62	1,34

Спектр высших гармонических составляющих тока изменяется от 50 до 2050 Гц, но целесообразно вести расчет до 650 Гц, так как величина тока на 750 Гц будет менее 1 А, соответственно, в КС и электро-подвижном составе магнитных полей рассматриваемых гармоник от 850 до 2050 Гц не будет.

При расчете электрического поля контактной сети переменного тока важную роль играет спектр несинусоидального напряжения. Уровень отдельных гармоник в спектре несинусоидального напряжения зависит от частотных характеристик сети тягового электроснабжения. В соответствии с [1, 3–5] в табл. 3 приведены величины несинусоидальности напряжений для контактной сети переменного тока.

Таблица 3

Table 3

Рис. 3. Распределение энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц на уровнях 2–4 м от поверхности земли

Fig. 3. Distribution of the EMF 50 Hz energy load at levels 2–4 m from the earth's surface

Несмотря на то, что эксплуатация в России контактной сети переменного тока осуществляется более 60 лет, электрические и магнитные поля спектра высших гармонических составляющих (кроме 50 Гц) в настоящее время не нормируются [20], при этом персонал – электромонтеры КС, путейцы, машинисты и помощники машинистов – ежедневно подвергается аддитивному воздействию этих производственных факторов.

По формуле (1) проведен расчет энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц, результаты которого отражены на рис. 3.

Полученные уровни энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц (см. рис. 3) необходимо сравнить с предельно допустимым уровнем (ПДУ). В связи с их отсутствием авторами статьи были разработаны предельно безопасные уровни (ПБУ), полученные путем гармонизации ПДУ электрических и магнитных полей, рассматриваемого частотного диапазона для стран Евросоюза (ЕС) [24].

В ходе эксперимента биологами [25] определено, что воздействие энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц может привести к изменению геномных участков растений и животных, сходных с генами важнейших нейродегенеративных заболеваний человека. Это в определенной степени подтверждает необходимость не раздельно оценивать на рабочих местах электрическую и магнитную составляющие ЭМП, а учитывать аддитивность данных факторов производственной среды с помощью энергетической нагрузки ЭМП.

Предельно безопасный уровень энергетической нагрузки ЭМП можно определить по формуле, ВА/м2

Э ПБУ ⁽ f ) =

E ПБУ ⁽ f ) • H ПБУ ⁽ f )

2 • 2

E ПБУ ⁽ f ) • H ПБУ ⁽ f )

где H ПБУ ( f ) и E ПБУ ( f ) – предельно безопасные уровни напряженностей магнитной и электрической составляющих поля спектра высших гармонических составляющих.

ПБУ энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц составляет 100 кВА/м2. При оценке ЭМП 50 Гц на расстоянии от 2 м от земли и выше наблюдается превышение ПБУ для персонала, обслуживающего контактную сеть. Необходимы мероприятия для защиты персонала. Предлагается соблюдать режим труда и отдыха, а в работе использовать системы сигнализации о риске, связанном с вредным воздействием на персонал энергетической нагрузки ЭМП КС. В настоящее время получен патент на устройство для измерения энергетической нагрузки ЭМП, который преобразует полученные значения напряженности магнитного и электрического поля и тем самым дает возможность комплексно оценить уровень энергетической нагрузки ЭМП [21]. При дальнейших разработках планируется модернизировать данное устройство, добавив в схему такие элементы, как пороговый, красный и зеленый светодиоды. Тем самым получится прибор-сигнализатор, кото-

Уровни отдельных гармоник в спектре несинусоидального напряжения

Individual harmonics in the spectrum of non-sinusoidal voltage

Номер гармоники Частота гармоники, Гц Uкс(f), В 3 150 4250 5 250 2025 7 350 750 9 450 500 11 550 325 13 650 200 рый будет предупреждать персонал о риске повреждения здоровья, связанного с вредным воздействием энергетической нагрузки ЭМП вблизи КС.

Заключение

Таки образом, можно сделать следующие выводы.

• 1.    Для контактной сети переменного тока установлена энергетическая нагрузка ЭМП 50 Гц.

• 2.    Показана связь между электрическим и магнитным полем через энергетическую характеристику ЭМП.

• 3.    Раскрыты проблемы в области вредного воздействия энергетической нагрузки ЭМП 50 Гц

4. Предложены следующие пути решения:

на персонал, заключающиеся в необходимости усовершенствования нормативной документации по ЭМП частотой до 1кГц.

– гармонизация ПДУ электрических и магнитных полей спектра высших гармонических составляющих с учетом международного опыта нормирования;

– разработка концепции оценки и нормирования электрических и магнитных полей через энергетическую нагрузку ЭМП 50 Гц;

– использование сигнализаторов, предупреждающих персонал о превышении безопасных уровней энергетических параметров ЭМП.