УДК 537.811

АНАЛИЗ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Соловской Александр Сергеевич

Титов Евгений Владимирович

Аннотация:

Источником излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство от распределительных и системообразующих сетей являются воздушные линии электропередачи. Несмотря на то, что электромагнитная энергия поля промышленной частоты в значительной мере поглощается почвой, напряженность поля под проводами и вблизи них может быть значительной. Напряженность электрического или магнитного полей под линией зависят от класса напряжения линии электропередач, высоты подвески, нагрузки и расстояния между проводами. Представлены результаты негативного воздействия низкочастотных электрических и магнитных полей на биологические объекты. Оценка параметров электромагнитного поля производилась в результате компьютерного моделирования в программной среде COMSOL MULTIPHYSICS. Результаты моделирования представлены для напряженности электрического поля и плотности магнитной индукции на различных высотах.

Ключевые слова: электромагнитное поле; линии электропередачи; энергетические параметры; компьютерное моделирование; метод конечных элементов.

Одними из источников электромагнитного поля диапазона до 3 кГц являются системы производства, передачи и распределения электрической энергии. Воздушные линии электропередачи являются важным компонентом электроэнергетической системы, которые в процессе эксплуатации должны удовлетворять различным требованиям – максимальная передаваемая мощность, величина токов короткого замыкания, надежность и пространство для их строительства, программы технического обслуживания [1]. При определении размеров линий электропередачи (в соответствии с уровнем напряжения и передаваемой мощностью) необходимо учитывать уровень воздействия электрических и магнитных полей вблизи линий электропередачи. Поскольку возникающие электромагнитные поля являются побочным эффектом работы электрических устройств, а также негативно влияют на биологические объекты [1].

Исследования неблагоприятного воздействия низкочастотных электрических и магнитных полей на биологические объекты направлены, прежде всего, на изучение воздействия электромагнитных полей на обслуживающий персонал линий электропередач. Ряд эпидемиологических исследований подтверждают головную боль, нарушения в центральной нервной системе, физиологические и психологические эффекты, гормональные и ферментативные процессы на поверхности клеточных мембран, рак костей и рак крови, в результате воздействия электрических и магнитных полей переменного тока [2, 3].

Изменяющиеся во времени поля, включая магнитные поля чрезвычайно низкой частоты, также могут индуцировать электрические токи в неподвижные проводящие объекты. Изменяющийся во времени магнитный поток будет индуцировать разность электрических потенциалов и вихревые токи по проводящим путям, поскольку для генерации даже небольших внутренних полей требуются большие внешние электрические поля. Аспекты охраны здоровья и окружающей среды высоковольтных линий электропередачи были разделены на две основные области исследований. Первый заключается в изучении возможных эффектов, вызванных электрическими и магнитными полями вблизи линии. Второе связано с электрическими разрядами и ионизацией, производимыми этими линиями. Однако, для изучения возможных неблагоприятных эффектов необходимо производить измерения электромагнитных полей [2, 3].

Измерения электромагнитных полей линий электропередачи может производиться аналитически и практически с использованием аналитических или измерительных приборов. Однако, для расчета электрического и магнитного полей также могут быть использованы различные численные методы на основе компьютерного моделирования [2].

Известны работы [2-3], в которых расчет электрического и магнитного полей, генерируемых вблизи высоковольтных линий электропередачи, проводится на основе электростатических и магнитостатических модулей программного обеспечения COMSOL MULTIPHYSICS, основанного на методе конечных элементов.

Геометрическая модель линии электропередачи и ее параметры, а также этапы компьютерного моделирования электрического и магнитного полей в COMSOL MULTIPHYSICS представлены на рисунке 1 [2].

Рисунок 1 – Геометрическая модель линии электропередачи (а) и этапы компьютерного моделирования (б)

Согласно [4], предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности электрического поля промышленной частоты для обслуживающего персонала в течение 8-часовой смены не должны превышать 5 кВ/м, плотности магнитной индукции – 100 мкТл.

На рисунке 2 представлены результаты компьютерного моделирования электрического и магнитного полей на определенном уровне над землей. Результаты представляют поперечное распределение электрического и магнитного полей на нескольких уровнях воздушной линии электропередачи. Начальная точка (x = 0 м) характеризует центральную фазу линии, электрическое и магнитное поля рассчитаны на продольных расстояниях до 60 м (± 30 м от начальной точки) на нескольких уровнях над землей (от 0 м до 10 м) [2].

Рисунок 2 – Результаты компьютерного моделирования электрического (а) и магнитного полей (б)

Как показано на рисунке 2, максимальная напряженность электрического поля на высоте 1,8 м составляет 1400 В/м и плотности магнитной индукции 5 мкТл, что является допустимыми значениями для представленного частотного диапазона. Однако, на высоте 15 м над землей уровень напряженности электрического поля составляет 50 кВ/м, превышающее значение ПДУ в 10 раз. На высоте 21 м значения плотности магнитной индукции превышают ПДУ в несколько раз.

Таким образом, для повышения электромагнитной безопасности обслуживающего персонала, учитывая методики контроля электромагнитной обстановки, необходимо развивать представленные методики с целью получения полной картины электромагнитной обстановки.

Список используемой литературы

1. Соловской, А. С. Экранирования электромагнитных излучений для снижения уровня SAR / А. С. Соловской, В. Ю. Васильев // Тинчуринские чтения - 2022 «Энергетика и цифровая трансформация» : Сборник статей по материалам конференции. В 3-х томах, Казань, 27–29 апреля 2022 года / Под общей редакцией Э.Ю. Абдуллазянова. – Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2022. – С. 435-438.

2. Ali Rachedi B. A study of electromagnetic field generated by high voltage lines using COMSOL MULTIPHYSICS / B. Ali Rachedi, A. Babouri, F. Berrouk // 2014 International Conference on Electrical Sciences and Technologies in Maghreb (CISTEM). – 2014. – pp. 1-5. – DOI: 10.1109/CISTEM.2014.7076989.

3. Biryulin, V. I. Simulation of electric field intensity of overhead lines at corona discharge / V. I. Biryulin, D. V. Kudelina, D. A. Ermakov // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019, Sochi, 25–29 марта 2019 года. – Sochi, 2019. – P. 8743058. – DOI 10.1109/ICIEAM.2019.8743058.

4. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания.  - Москва: Роспотребнадзор, 2021. - 469 с.

Информация об авторах

Титов Е. В. – д.т.н., доцент, Соловской А. С. – аспирант группы 0ТМех(Э)-12, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-