Выбор допустимых расстояний при обеспечении электромагнитной совместимости по магнитным полям промышленной частоты от однофазных проводов в офисных и жилых помещениях

Полный текст

Системы электроснабжения (СЭС) в силу разнообразия уровней напряжения, токов, конфигурации проводов и кабелей, способов прокладки, расстояний до чувствительных объектов являются источниками разнообразных электромагнитных полей, не только в значительной степени определяющих электромагнитную обстановку в офисных, жилых и производственных помещениях, но и приводящих к нарушению условий электромагнитной совместимости (ЭМС). Следует отметить, что в СЭС офисных и жилых помещений с напряжением 0,22…0,38 кВ напряженности электрического поля промышленной частоты , В/м, как правило, не превышают нормируемых значений [1] как для персонала, так и для технических средств (ТС). При этом токи промышленной частоты в СЭС офисных и жилых помещений могут достигать 800 А, т. е. создавать значительные по уровням напряженности магнитного поля промышленной частоты, которые в офисных и жилых помещениях ограничиваются (нормируются) требованиями [2, 3]. Наиболее распространенными источниками напряженности магнитных полей промышленной частоты , А/м, в электрических сетях офисных и жилых помещений являются однофазные токи двухжильных (А, N) проводов (кабелей). Для расчета напряженностей магнитного поля вокруг однофазного провода (А, N) целесообразно использовать геометрическую модель, показанную на рис. 1. В представленной на рис. 1 расчетной модели двухжильного провода в качестве контрольных принимаются точки по окружности вектора от центральной точки провода 0, совмещенной с началом системы прямоугольных координат . Напряженности магнитного поля , А/м, от жил проводов будем определять в плоскости, перпендикулярной вектору , т. е. по касательной. Рис. 1. Геометрическая модель для расчета напряженностей магнитного поля вокруг однофазного двухжильного провода (А, N) Задаем расстояние , м, между центрами токоведущих жил однофазного провода (фаза) и (нейтраль), а также задаем их координаты относительно центра прямоугольной системы. В частности для расчетной геометрической модели координаты жил проводов определяются выражениями: – для жилы однофазного провода ; ; (1) – для жилы однофазного провода ; . (2) Задаем координаты контрольной точки , применяя выражения ; , (3) где – угол между положительным направлением оси и вектором . Заданные координаты позволяют определять векторы и , т. е. расстояния от центров токоведущих жил фазного провода и нулевого провода (нейтрали) до контрольной точки окружающего пространства по выражениям: ; (4) . (5) При известных (измеренных) значениях тока и в проводах и полученных значениях расстояний от центров проводов и до контрольной точки на основании закона полного тока [4] определяются значения напряженности магнитного поля в контрольной точке от токов в проводах и : , А/м; (6) , А/м. (7) Для последующего анализа целесообразным является приведение полученных значений напряженностей магнитного поля (6), (7) в плоскость касательной к вектору в виде проекций и : ; (8) , (9) где – угол между вектором напряженности магнитного поля и его проекцией на плоскость касательной вектора ; – угол между вектором и положительным направлением оси ; – угол между вектором (4) и положительным направлением оси ; – угол между вектором напряженности магнитного поля и его проекцией на плоскость касательной вектора ; – угол между вектором (5) и положительным направлением оси . Результирующее значение напряженности магнитного поля , А/м, в контрольной точке окружающего пространства по окружности вектора от центральной точки провода 0, совмещенной с началом системы прямоугольных координат , в плоскости, перпендикулярной вектору , будет определяться по выражению . (10) На основании представленных выражений была разработана методика расчета как значений напряженностей магнитного поля от отдельных проводов с током , , так и результирующих (суммарных) значений в окружающем пространстве (в контрольных точках). С использованием выражений (6…10) были определены мгновенные значения напряженностей магнитного поля в контрольной точке от тока в фазном проводе А – , от тока в нулевом проводе N – , а также их суммарные (результирующие) значения по окружности от геометрического центра однофазного провода, которые на интервале периода промышленной частоты (0,02 с) показаны на рис. 2. Рис. 2. Мгновенные значения напряженностей магнитного поля от тока двухжильного однофазного провода в контрольной точке на расстоянии от центральной точки провода 0 (по оси у на рис. 1) Из рис. 2 следует, что для синусоидального тока напряженности магнитного поля от жил провода и их суммарные мгновенные значения сохраняют синусоидальный характер. На основании выражений (6…9) был выполнен расчет действующих значений суммарных напряженностей магнитного поля для ряда контрольных точек, удаленных в окружающем пространстве по окружности от центра провода. Для наглядности результаты расчетов представлены в виде круговой диаграммы. В частности, круговая диаграмма (в соответствии с геометрической моделью расположения двухжильного провода по осям координат прямоугольной системы, рис. 3) изменения действующих значений суммарной напряженности магнитного поля , А/м, в окружающем пространстве вокруг однофазного двухжильного провода с током , при , для расстояний = 0,1; 0,2; 0,3 м показана на рис. 4. Из рис. 4 следует, что наибольшие значения напряженности магнитного поля , А/м, в пространстве вокруг однофазного двухжильного провода присутствуют в контрольных точках вдоль оси расположения жил провода (на рис. 4 – по оси Х). В итоге получено выражение для определения максимального действующего значения суммарной напряженности магнитного поля , А/м, от однофазного двухжильного провода в окружающем пространстве с учетом: величины тока , А; расстояния между контрольной точкой пространства и центром провода , м; расстояния между жилами провода , м, которое имеет следующий вид: , А/м. (11) Выражение (11) можно также привести к общепринятому виду , А/м. (12) Рис. 3. Геометрическая модель расположения двухжильного провода по осям координат прямоугольной системы Рис. 4. Круговая диаграмма изменения действующих значений напряженности магнитного поля , А/м, в пространстве вокруг однофазного двухжильного провода с током на расстоянии R = 0,1; 0,2; 0,3 м до контрольной точки Для большинства конструкций проводников систем электроснабжения, особенно выполненных в виде кабелей, при их прокладке трудно определить внутреннее расположение проводников (жил), что приводит к неопределенности значений создаваемых ими напряженностей магнитного поля промышленной частоты по отношению к заданным контрольным точкам в окружающем пространстве. В условиях неопределенности положения проводников с током (жил) в конструкциях проводов (кабелей) и неравномерного характера изменения напряженности магнитного поля вокруг них для последующего анализа значений напряженностей магнитного поля в окружающем пространстве представляется целесообразным использование методов теории вероятностей [5]. Получено, что независимо от места расположения контрольной точки (от угла относительно оси Х) в окружающем пространстве в плоскости сечения однофазного двухжильного провода (А, N) для действующих значений суммарной напряженности магнитного поля промышленной частоты , А/м, случайный характер их распределения подчиняется одностороннему закону арксинуса , (13) а числовые характеристики распределения определяются выражениями: – математическое ожидание: , А/м; (14) – среднеквадратичное отклонение: . А/м, (15) где – действующее значение тока, А; – расстояния между жилами провода, м; – расстояния между контрольной точкой пространства и центром провода 0 (см. рис. 1), м. При этом с позиции выполнения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) по принятым для офисных и жилых помещений нормируемых требованиям представляется целесообразным определять расстояния, при которых заданные условия будут выполняться. В частности, при известных конструктивных характеристиках проводов (кабелей) допустимые расстояния , м, до контролируемого (нормируемого) объекта для обеспечения нормируемых значений напряженности магнитного поля промышленной частоты 50 Гц могут быть определены по аналитическим выражениям. Для одиночных однофазных двухжильных (А, N) проводов (кабелей) – по выражениям: 1) для персонала офисных помещений при А/м, [2]: – по максимальным значениям: , м; (16) – по значению математического ожидания: , м; (17) 2) для технических средств офисных помещений при А/м, [3]: – по максимальным значениям: , м; (18) – по значению математического ожидания: , м; (19) 3) для электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) ВДТ при А/м, [3]: – по максимальным значениям: , м; (20) – по значению математического ожидания: , м. (21) Для ряда конструкций одиночных однофазных двухжильных (А, N) проводов (кабелей) с учетом их сечений (расстояний между жилами) и допустимых для них токов условия ЭМС по магнитным полям промышленной частоты в виде выбора допустимых расстояний до контролируемого (нормируемого) объекта , м, приведены в таблице. Допустимые расстояния , м, до контролируемого (нормируемого) объекта при выполнении условий ЭМС по магнитным полям промышленной частоты , А/м, для двухжильных проводов (кабелей) Сечение жилы провода (кабеля) S, мм2 Расстояние между центрами проводов d, м Номинальный ток , А Допустимые расстояния до контролируемого (нормируемого) объекта при ЭМС, , м Для ОП по ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 при Для ТС и ЭЛТ по ГОСТ Р 51317.6.1-2006 при при для для для для для для , м , м , м , м , м , м 2,5 0,00276 30 0,057 0,046 0,066 0,052 0,115 0,09 4 0,00324 41 0,073 0,058 0,084 0,066 0,146 0,116 6 0,00373 50 0,086 0,069 0,099 0,078 0,173 0,138 10 0,00555 80 0,133 0,107 0,153 0,120 0,266 0,213 16 0,0065 100 0,162 0,130 0,186 0,146 0,324 0,259 25 0,0076 140 0,206 0,165 0,237 0,185 0,412 0,330 35 0,0086 170 0,242 0,194 0,278 0,218 0,484 0,387 50 0,0120 215 0,322 0,258 0,370 0,290 0,644 0,515 70 0,01365 270 0,384 0,307 0,442 0,346 0,768 0,614 95 0,01555 330 0,453 0,362 0,521 0,408 0,906 0,725 120 0,0177 385 0,522 0,418 0,600 0,470 1,044 0,835 150 0,0197 440 0,589 0,471 0,677 0,530 1,178 0,942 185 0,0203 510 0,644 0,515 0,740 0,579 1,287 1,030 240 0,0214 605 0,720 0,576 0,828 0,648 1,440 1,152 300 0,0235 695 0,808 0,646 0,929 0,727 1,616 1,293 400 0,0265 830 0,938 0,750 1,079 0,844 1,876 1,500 Полученные аналитические выражения (17 – 21) и результаты расчетов, показанные в таблице, позволяют оценивать условия ЭМС для обслуживающего персонала и технических средств по магнитным полям промышленной частоты с учетом допустимых расстояний в пространстве вокруг одиночных однофазных двухжильных (А, N) проводов или кабелей СЭС офисных (производственных), жилых помещений и учитывать их при анализе существующей электромагнитной обстановки в помещениях и при проектировании СЭС.

Об авторах

Владимир Александрович Беспалов

Самарский государственный технический университет

аспирант 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Максим Викторович Смирнов

Самарский государственный технический университет

магистрант 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Александр Валентинович Салтыков

Самарский государственный технический университет

доцент 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Валентин Михайлович Салтыков

Самарский государственный технический университет

(д.т.н., проф.), профессор. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы