19.10.2015

ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Величко Дмитрий Анатольевич,

к.т.н., ведущий инженер ЗАО Тестприбор

tp@test-expert.ru

Аннотация. Рассмотрены влияния магнитных полей промышленной частоты на физиологию человека и электромагнитную совместимость радиотехнических средств, современные материалы и методы ослабления вредного влияния магнитных полей промышленной частоты, проведен сравнительный анализ применяемых ранее листовых и плитных кристаллических сплавов с современными аморфными и нанокристаллическими сплавами. Сделаны выводы о существенном превосходстве экранов из современных материалов.

Развитие электротехники и радиотехники, использование высоковольтных линий электропередач, широкое распространение средств связи и радиоэлектронных устройств вызвало существенный рост уровней электромагнитных полей (ЭМП). Установлено, что ЭМП, которые содержат как электрическую так и магнитную составляющую, вызывают помехи радиоэлектронным устройствам, сильно влияют на здоровье человека, во многих случаях опасны для жизни. В настоящее время области влияний ЭМП уже учитывают отдельно, разделяя их по ряду характеристик: по частотному диапазону электромагнитных волн – от сверхнизкочастотного (СНЧ) до сверхвысокочастотного (СВЧ), по компонентам поля – электрическая (ЭП) и магнитная (МП) компоненты ЭМП, по источникам излучения – линии электропередачи (ЛЭП), радиотехнические системы различного назначения, например, системы связи, радиолокационные, технологические и др., по уровню напряжения источника излучения – сверхвысокое напряжение (СВН) и по другим признакам. Можно отметить также, что средства массовой информации уделяют много внимания влиянию ЭМП на человека, например «магнитным бурям», которые по интенсивности воздействия часто уступают влиянию ЭМП промышленного города.

Методы и средства борьбы с вредным влиянием ЭМП на различные объекты естественного и антропогенного происхождения сильно отличаются. В России и во многих развитых странах эти методы и средства стандартизируются с учетом отличия физических свойств ЭМП. Введение стандартов свидетельствует о том огромном внимании, которое уделяет современное общество данному направлению научно-технического прогресса. В статье рассматривается и анализируется только небольшая область этого направления – современные способы защиты от МП промышленной частоты (ПЧ), сравниваются защитные свойства различных материалов, которые используются для ослабления воздействия ЭМП на объекты, многие из которых предназначены для работы или проживания человека.

Защита человека, его здоровье являются приоритетными темами современных исследований. Научное объяснение воздействия ЭМП на организм человека, на биообъекты, приведенное в [1,2], позволяет не только ознакомиться с современными взглядами на зависимости влияния магнитных полей на биомолекулы, но и получить оценки уровней МП, которые могут влиять на состояние живого организма. Следует отметить, что подобные исследования ведутся давно, первые обобщения влияния ЭМП на физиологию были сделаны в монографии [3], изданной еще в начале прошлого века. Исследования биологических воздействий постоянного МП, либо совместного действия МП и ЭМП продолжаются (см., например, [4]) и будут продолжаться, так как технические средства на основе ЭМП непрерывно совершенствуются. Результаты подобных исследований, проверенные практикой, лежат в основе современных стандартов, в которых обобщена информация о воздействии ЭМП.

В качестве примера в таблице 1 приведены ориентировочные данные по эффектам воздействия МП на здоровье человека в зависимости от плотностей тока.

Таблица 1

Эффекты воздействия магнитного поля на здоровье человека

Плотность тока,

мА/м2

Эффекты воздействия магнитного поля

1 – 10

Минимальные эффекты, не представляющие опасности для человека

10 – 100

Выраженные эффекты – зрительные и со стороны нервной системы

100 – 1000

Стимуляция возбудимых структур, возможно неблагоприятное влияние на здоровье

> 1000

Возможны экстрасистолия, фибрилляция желудочков сердца (острое поражение)

Как видно из приведенных данных, диапазон воздействий магнитного поля на человека весьма широк. Следует отметить, что уровни воздействия поля необходимо правильно измерить, иначе легко выйти за пределы, которые определены нормативными документами и, ошибиться в необходимом уровне подавления поля. Согласно «Санитарно-эпидемиологическим требованиям» (СанПиН) допустимые уровни электромагнитного излучения промышленной частоты 50 Гц в жилых помещениях измеряются на расстоянии от 0,2 м от стен и окон, на высоте 0,5-1,8 м от пола и не должны превышать: для электрического поля 0,5 кВ/м, для магнитного 5 мкТл (4 А/м).

Анализ литературных данных, краткое перечисление и цитирование полученных результатов позволяют определить следующие задачи и условия проектирования. Защита от воздействия МП промышленной частоты должна работать при весьма отличающихся параметрах поля, при разных условиях, в которых находятся защищаемые объекты, при различных режимах воздействий и т.д. Это означает, что единый проект защиты на все существующие объекты реализовать невозможно, даже подбор требований и ограничений на защитные устройства является слишком сложной задачей, которая должна решаться для конкретных условий, в ряде случаев и с помощью компьютерного моделирования.

Рассмотрим результаты исследований по глубокому подавлению МП промышленной частоты за счет применения новых материалов и технологий. В последних работах, как правило, используется метод шунтирования. Экран выполняется из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом линии магнитного поля концентрируются в стенках экрана, как показано на рис.1.

Как видно из принципа экранирования за счет шунтирования, основная функция – глубокое экранирование, обеспечивается качеством материала экрана, его конструкцией и технологией, которая обеспечивает шунтирование не только в цельных частях экрана, но и в местах соединения отдельных частей.

До недавнего времени в нашей стране для создания систем электромагнитной защиты с высоким коэффициентом экранирования применялись листовые (сталь) и плитные (пермаллой) кристаллические сплавы. При частотах МП менее 10 кГц обычные материалы не обеспечивали необходимую степень экранирования при приемлемых соотношениях толщины стенок к характерному размеру защищенной области. Поэтому использовались магнитомягкие сплавы, обладающие повышенной магнитной проницаемостью μ, которая прямо пропорциональна коэффициенту экранирования – степени подавления МП в защищенной области [5].

Необходимо подчеркнуть, что высокое значение магнитной проницаемости должно сохраняться и при механических воздействиях, неизбежно возникающих при монтаже экрана.

Ris_1.jpg

Рисунок 1 Шунтирование магнитного поля экраном

Такому требованию удовлетворяют только аморфные магнитомягкие сплавы [6]. Это подтверждается работами зарубежных исследователей, которые провели сравнение эффективностей экранирования, выполненного с помощью аморфных и кристаллических магнитомягких сплавов.

Толщина стального листа, обеспечивающего необходимую эффективность экранирования обычно более 3-х мм. Конструкция швов такого экрана должна обеспечивать надежный электрический контакт с низким переходным сопротивлением высокочастотным токам по периметру соединяемых деталей экрана. Для обеспечения этого требования соединение листов экрана производится герметичным швом электродуговой сварки в среде защитного газа (по ГОСТ 14771-76). При этом проводится обязательный контроль качества каждого шва, что делает довольно сложным изготовление входов в помещения, вентиляции и вводов коммуникаций. Кроме этого, например, магнитные свойства пермаллоя марки 79НМ после деформации на 10% снижаются почти в 18 раз.

В настоящее время при создании материалов для электромагнитной защиты от МП наибольшую ценность представляют быстрозакаленные металлические сплавы (аморфные и нанокристаллические).

Магнитные аморфные сплавы (ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса), наряду с высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью характеризуются исключительной «мягкостью» магнитных свойств (низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость) – они могут легко намагничиваться и размагничиваться в слабых полях. В сочетании с высоким электрическим сопротивлением это приводит к низким значениям как магнитных, так и электрических потерь.

Магнитные аморфные сплавы позволяют, например, при экранировании силового кабеля снизить уровень магнитного поля в 10–500 раз, а при проведении сварочных работ ослабить внешнее магнитное поле внутри защитной одежды в 10-20 раз при внешнем поле до 1000 мкТл. Это позволяет обеспечивать выполнение требований СанПиН к снижению уровней электромагнитных полей в производственных условиях.

Аморфный сплав – это определенный вид прецизионного сплава. Он обладает целым комплексом физических и химических свойств, полезных для эффективного снижения МП. Одно из основных отличий аморфного сплава от электротехнической стали – отсутствие периодичности в расположении атомов. Эти сплавы отличаются от кристаллических сплавов большей устойчивостью к коррозии, они прочнее в несколько раз и имеют улучшенную электромагнитную характеристику. Путем химического подбора компонентов сплава и отладки метода его охлаждения достигается аморфное состояние металла. Скорость охлаждения превышает скорость кристаллизации за счет того, что готовый расплав выливается на диск, который вращается с большой скоростью. Как только расплав попадает на вращающийся диск, он резко охлаждается, имеет схожесть с аморфной структурой стекла и принимает форму ленты толщиной от 15 до 60 мкм. Магнитные и экранирующие свойства ленточных аморфных ферромагнитных материалов изучены в [7].

Рассматриваемым сплавам путем термомагнитной обработки придают специальные свойства: можно получить петлю гистерезиса определенной формы, сделать структуру частично кристаллизованной, аморфной или нанокристаллической.

В 1988 году инженерами фирмы Hitachi Metals впервые был разработан так называемый, нанокристаллический сплав. Наибольшую магнитную проницаемость и наименьшую коэрцитивную силу полоса с нанокристаллической структурой получает благодаря расположению кристаллитов диаметром от 10 до 20 нм по всей магнитопроводной ленте. Из-за относительно высокого удельного сопротивления (от 110 мкОм/см до 120 мкОм/см), и незначительной толщины ленты, появилась возможность добиться наименьшей коэрцитивной силы и наибольшей магнитной проницаемости. В таблице 2 приведены характеристики различных материалов [8,9] с целью сравнения.

Таблица 2

Сравнительные характеристики аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов относительно традиционных

МАТЕРИАЛ

---------------

СВОЙСТВА

Электро-тех. сталь

Пермаллой
mu-metal

Феррит

Аморфный

Нано-кристал-лический

Ni (50%)

Ni (80%)

Mn-Zn

На осн. Со (80%)

На осн. Fe

На осн.

Fe

Амплитуда магнитной индукции, Вm (T)

2,0

1,55

0,74

0,5

0,58

1,56

1,16

Коэрцитивная сила, Нс (Э)

0,5

0,15

0,03

0,1

0,005

0,03

0,01

Начальная проницаемость, µi

1 500

6 000

40 000

3 000

60 000

5 000

70 000

Максимальная проницаемость, µmax

20 000

60 000

200 000

6 000

1·106

50 000

600 000

Удельное сопротивление, ρ (µО/см)

50

30

60

1·106

120

130

130

Температура Кюри, Тс (°C)

750

500

500

140

255

415

560

Температура кристаллизации, Тх (°C)

-

-

-

-

530

550

515

Предельная рабочая температура, Т (°C)




100

90

150

180

Оптимальная. область рабочих частот, f (кГц)

0...1

0...10

10...15

10 ... 100 000

Как видно из приведенных характеристик материалов, феррит, пермаллой и электротехническая сталь обладают значительно большими удельными потерями, чем аморфные и нанокристаллические сплавы. Поэтому магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов будут значительно превосходить по качеству магнитопроводы из феррита, пермаллоя и электротехнической стали.

Области применения магнитных и электромагнитных экранов полей промышленной частоты:

· экранирование жилых и нежилых помещений;

· экранирование трансформаторных подстанций;

· создание магнитно-экранированных комнат для научно-исследовательских центров;

· экранирование силовых кабелей, создание кабель каналов;

· экранирование боксов для проведения медико-биологических исследований;

· изготовление защитной одежды для проведения сварочных работ.

По результатам проведенного анализа применяемых ранее и вновь разработанных материалов для магнитопроводов можно сделать выводы о том, что использование современных аморфных и нанокристаллических сплавов для защиты человека, производственных объектов, специально оборудованных лабораторий позволяет в настоящее время существенно улучшить защиту от вредного воздействия магнитных полей промышленных частот.

Ли тература

1. Семенов А.В. Обоснование предельно допустимых норм на индукцию магнитных полей промышленной частоты для человека / А.В. Семенов // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – Т.321, №1. – с. 197 – 200.

2. Гвоздарев А.Ю. Механизмы воздействия электромагнитных полей на биологические объекты с позиций модели неоднородного модифицированного физического вакуума / А.Ю. Гвоздарев // 2003, (интернет-публикация) СНК "Пульс Будущего" – URL: http://pulse.webservis.ru/Science/Ether/Bio (дата обращения: 12.10.2015).

3. Данилевский В.Я. Исследование над физиологическим действием электричества на расстоянии / В.Я. Данилевский – Х.: Зильберберг, 1900. – 104 с.

4. Жадин, М.Н. Биологическое действие постоянного магнитного поля, предъявляемого изолированно и в комбинации с электромагнитным полем: физические основы / М.Н. Жадин // Матер. I Российской конф. «Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования». М., 1996. С. 28–32.

5. Кузнецов П.А., Разработка новых материалов для систем защиты от электромагнитного излучения и противодействия террористической деятельности/ П.А. Кузнецов, А.Ю. Аскинази, Т.В. Песков, Б.В. Фармаковский., Б.В. Айзикович, М.Ф. Клиодт, Э.И. Куликовский, С.Б. Бибиков // Труды восьмой научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», том 1 «Технические средства противодействия терроризму», Санкт-Петербург, НПО Специальных Материалов, 4 – 7 апреля, 2005 г., С. 118 - 125.

6. Кузнецов П.А. Материалы на основе аморфных магнитомягких сплавов как средство защиты человека от постоянных магнитных полей и магнитных полей частотой 50 Гц / П.А. Кузнецов, Аскинази А.Ю., Лагутин М.В., Фармаковский Б.В., Никитина В.Н. и др. // Труды 8-й Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности (ЭМС-2004), 2004 г., стр. 594-599.

7. Гудошников С.А. Магнитные и экранирующие свойства ленточных аморфных ферромагнитных материалов / С.А. Гудошников, Ю.Б. Гребенщиков, В.Т. Волков, Ю.В. Прохорова – Письма в ЖТФ, 2014, Т.40, вып.19. – с.42 – 50.

8. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы – URL: http://www.mstator.ru/products/amorf (дата обращения: 12.10.2015).

9. Изделия для защиты от магнитных полей промышленной частоты и от электромагнитных полей радиочастотного диапазона – URL: http://www.crism-prometey.ru/production/products/ware-shield-magnetic-electromagnetic-fields.aspx (дата обращения: 12.10.2015).


VI всероссийская научно-техническая конференция
"Импортозамещение. Вопросы обеспечения предприятий промышленности электронной компонентной базой"