Study of energy parameters of abiotic environment in near-field low-frequency electromagnetic field source zone

Full Text

Абиотическая среда обитания на застроенных территориях характеризуется постоянно возрастающим электромагнитным загрязнением. Основными источниками низкочастотных электромагнитных полей являются: линии электропередачи, силовые трансформаторные подстанции, распределительные пункты системы энергоснабжения, воздушные электрические сети, автотранспорт, сети питания наземного электротранспорта и т.д. В соответствии с существующими методами оценки и экологического мониторинга низкочастотных электромагнитных полей определение их уровня включает в себя исследование амплитудного спектра напряженности электрического и напряженности магнитного полей. В научно-исследовательской практике также не принято определять энергетические параметры низкочастотного электромагнитного поля (ЭМП), т.к. считается, что электромагнитная волна в ближней зоне источника излучения еще не сформировалась, поэтому при проведении исследования низкочастотных электромагнитных полей энергетические параметры ЭМП не оцениваются. Нормирование по энергетическим показателям в настоящее время имеет место только для ЭМП радиочастотного спектра (в этом случае нормируется энергетическая экспозиция и плотность потока энергии). Однако для определения энергетических параметров шума в ближней зоне источника существуют определенные методики [1]. Учитывая схожесть волновых процессов, происходящих в звуковом и электромагнитном поле и, имея определенные наработки в данной области [2, 3], авторы предлагают новый подход к оценке уровня низкочастотных электромагнитных полей - переход от измерения амплитудных характеристик к определению энергетических параметров. Цель данного исследования - теоретическое и практическое обоснование возможности интенсиметрии низкочастотного ЭМП при определении энергетических параметров абиотической среды застроенных территорий. В ближней зоне ЭМП происходит два качественно различных в энергетическом отношении процесса. Первый процесс - это процесс периодического обмена энергией между источником энергии и ближней зоной (реактивная интенсивность Ii). Энергия то забирается от источника и накапливается в электромагнитном поле ближней зоны, то отдается обратно источнику. Второй процесс - это процесс излучения энергии (активная интенсивность). Он характеризует волновой процесс в ближней зоне. Излучаемая энергия составляет относительно небольшую величину по сравнению с энергией, периодически накапливаемой в электромагнитном поле ближней зоны и затем отдаваемой источнику питания. [4] Как и в общей теории волновых процессов, в теории электромагнитного поля существует понятие комплексной интенсивности, включающей в себя активную и реактивную составляющие: , (1) где - вектор активной интенсивности ЭМП, ; - вектор реактивной интенсивности ЭМП, . При этом: , (2) где - активная интенсивность ЭМП, ; - активная интенсивность ЭМП в проекции на ось Х, ; - активная интенсивность ЭМП в проекции на ось Y, ; - активная интенсивность ЭМП в проекции на ось Z, . , (3) где - реактивная интенсивность ЭМП, ; - реактивная интенсивность ЭМП в проекции на ось Х, ; -реактивная интенсивность ЭМП в проекции на ось Y, ; - реактивная интенсивность ЭМП в проекции на ось Z, . Комплексная интенсивность может быть определена с помощью функции взаимного спектра, где амплитуда взаимного спектра равна произведению амплитуд обоих мгновенных спектров, а его фазовый угол равен разности присущих этим взаимным спектрам фазовых углов. Взаимный спектр является комплексной величиной (имеет как действительные, так и мнимые составляющие). Амплитуда взаимного спектра характеризует полную энергию ЭМП в заданной точке, а фаза представляет разность фаз между напряженностью электрического и напряженностью магнитного поля. Комплексная интенсивность ЭМП, таким образом, равна: (4) где Е - напряженность электрического поля, В/м; Н - напряженность магнитного поля, А/м; Н* - комплексно сопряженная величина напряженности магнитного поля, А/м; - фаза напряженности электрического поля; - фаза напряженности магнитного поля. В выражении (4) присутствует как действительная, так и мнимая части интенсивности электромагнитного поля. Действительная часть взаимного спектра называется «совпадающим (коинцидентным) спектром» или «ко спектром», а его мнимая часть имеет обозначение «сдвинутый (квадратурный) спектр» или «квад-спектр» [5]. При усреднении по времени (за период) реактивная интенсивность обращается в ноль, остается только активная интенсивность, которая может быть измерена. Для определения реактивной интенсивности добавляется к начальной фазе напряженности электрического поля и на выходе анализатора спектра получается ее значение: , (5) где - активная интенсивность ЭМП, ; - реактивная интенсивность ЭМП, ; - начальная фаза напряженности электрического поля, град. Рисунок 1. Схема определения комплексной интенсивности низкочастотного ЭМП Таким образом, в любой точке низкочастотного ЭМП можно определить комплексную интенсивность - энергетический параметр ЭМП. Схема определения комплексной интенсивности низкочастотного ЭМП представлена на рисунке 1. Следуя данной схеме, авторы для экспериментального определения энергетических параметров низкочастотного ЭМП разработали измерительную систему, которая состояла из антенн измерительных, октафона аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также двухканального анализатора спектра. В качестве источника ЭМП промышленной частоты была использована лабораторная установка на основании трансформатора ТУ 16-717.137-83 с напряжением первичной цепи 220 В и нагрузкой на вторичную цепь в 150 Вт. При проведении интенсиметрических измерений одновременно измерялись напряженности электрического и магнитного полей, после этого преобразованный с помощью АЦП сигнал передавался на анализатор спектра и определялась активная интенсивность (при этом угол между антеннами составлял 90 градусов). В результате эксперимента был получен спектр активной интенсивности низкочастотного ЭМП в ближней зоне источника излучения в абсолютных единицах (рисунок 2). Активная интенсивность положительна, т.е. имеет направление от источника излучения, максимальное ее значение на частоте 50 Гц достигает 8,7 кВт/м2. Рисунок 2. Спектр активной интенсивности низкочастотного ЭМП в ближней зоне источника излучения Определение активной интенсивности позволит найти направление на источник излучения. В большинстве случаев в абиотической среде обитания на застроенных территориях приходится иметь дело с несколькими источниками низкочастотных ЭМП, при этом не все источники являются очевидными. Активная интенсивность в этом случае укажет на источник излучения, вносящий максимальный вклад в электромагнитное загрязнение в данной точке и, таким образом, поможет разработать наиболее эффективные методы защиты. В настоящее время санитарно-гигиенические оценка и нормирование низкочастотных электромагнитных полей осуществляется раздельно по напряженности электрического и магнитного поля, что не дает представления об общей картине пространственного распределения энергии. Предлагаемый авторами инновационный подход позволит оценить суммарное энергетическое воздействие ЭМП на человека и природную среду, а также подойти к разработке экологически обоснованной системе нормирования низкочастотных ЭМП по энергетическим параметрам.

About the authors

M. V Grafkina

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ecomami@mail.ru
Dr. Eng., Prof.; +7 499 267-16-05

B. N Nyunin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ecomami@mail.ru
Dr. Eng., Prof.; +7 499 267-16-05

E. Y Sviridova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ecomami@mail.ru
Ph.D.; +7 499 267-16-05

References

Supplementary files