От чего зависит напряженность электромагнитных полей

от чего зависит напряжённость электромагнитного поля?

Ну, Роман, Вы такую статью накатали \m/
Только вот дело в том, что напряженность электромагнитного поля, обычно, обозначается В/м.
А зависит она
от мощности генератора
от эффективности излучающей антенны и
от расстояния до этой антенны.
Там еще есть несколько факторов вроде погоды, состояния подстилающей поверхности и «влияния солнечной радиации на рост телеграфных столбов», но основные — мощность, антенна и расстояние.

Источник: Основное уравнение радиолокации
Остальные ответы

Напряжённость магни́тного по́ля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.
В СИ: где — магнитная постоянная.
В СГС:
В простейшем случае изотропной (по магнитным свойствам) среды и в приближении достаточно низких частот изменения поля B и H просто пропорциональны друг другу, отличаясь просто числовым множителем (зависящим от среды) B = μ H в системе СГС или B = μ0μ H в системе СИ (см. Магнитная проницаемость, также см. Магнитная восприимчивость) .
В системе СГС напряжённость магнитного поля измеряется в эрстедах (Э) , в системе СИ — в амперах на метр (А/м) . В технике эрстед постепенно вытесняется единицей СИ — ампером на метр.
1 Э = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5775 А/м.
1 А/м = 4π/1000 Э ≈ 0,01256637 Э.
[править] Физический смысл

В вакууме (или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации, а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряжённость магнитного поля совпадает с вектором магнитной индукции с точностью до коэффициента, равного 1 в СГС и μ0 в СИ.
В магнетиках (магнитных средах) напряжённость магнитного поля имеет физический смысл «внешнего» поля, то есть совпадает (быть может, в зависимости от принятых единиц измерения, с точностью до постоянного коэффициента, как например в системе СИ, что общего смысла не меняет) с таким вектором магнитной индукции, какой «был бы, если магнетика не было» .
Например, если поле создаётся катушкой с током, в которую вставлен железный сердечник, то напряжённость магнитного поля H внутри сердечника совпадает (в СГС точно, а в СИ — с точностью до постоянного размерного коэффициента) с вектором B0, который был бы создан этой катушкой при отсутствии сердечника и который в принципе может быть рассчитан исходя из геометрии катушки и тока в ней, без всякой дополнительной информации о материале сердечника и его магнитных свойствах.
При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряжённость магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать её, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чём и состоит её ценность: ведь H создают так называемые свободные токи, которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи — то есть токи молекулярные и т. п. — учитывать не надо) .
Правда, в обычно используемое выражение для энергии магнитного поля (в среде) B и H входят почти равноправно, но надо иметь в виду, что в эту энергию включена и энергия, затраченная на поляризацию среды, а не только энергия собственно поля [1]. Энергия магнитного поля как такового выражается только через фундаментальное B. Тем не менее видно, что величина H феноменологически и тут весьма удобна.

Основные источники ЭМП

Транспорт на электрической тяге – электропоезда (в том числе поезда метрополитена), троллейбусы, трамваи и т. п. – является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. По данным (Stenzel et al.,1996), максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных «электричках» достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл. Среднее значение В на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне 29 мкТл. Типичный результат долговременных измерений уровней магнитного поля, генерируемого железнодорожным транспортом на удалении 12 м от полотна, приведен на рисунке.

Линии электропередач

Провода работающей линии электропередачи создают в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние, на которое распространяются эти поля от проводов линии достигает десятков метров. Дальность распространение электрического поля зависит от класса напряжения ЛЭП (цифра, обозначающая класс напряжения стоит в названии ЛЭП — например ЛЭП 220 кВ), чем выше напряжение — тем больше зона повышенного уровня электрического поля, при этом размеры зоны не изменяются в течении времени работы ЛЭП.

Дальность распространения магнитного поля зависит от величины протекающего тока или от нагрузки линии. Поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течении суток, так и с изменением сезонов года, размеры зоны повышенного уровня магнитного поля также меняются.

Биологическое действие

Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. Например, в районе действия электрического поля ЛЭП у насекомых проявляются изменения в поведении: так у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности и продуктивности, склонность к потере маток; у жуков, комаров, бабочек и других летающих насекомых наблюдается изменение поведенческих реакций, в том числе изменение направления движения в сторону с меньшим уровнем поля.

У растений распространены аномалии развития — часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки. Здоровый человек страдает от относительно длительного пребывания в поле ЛЭП. Кратковременное облучение (минуты) способно привести к негативной реакцией только у гиперчувствительных людей или у больных некоторыми видами аллергии. Например, хорошо известны работы английских ученых в начале 90-х годов показавших, что у ряда аллергиков по действием поля ЛЭП развивается реакция по типу эпилептической. При продолжительном пребывании (месяцы — годы) людей в электромагнитном поле ЛЭП могут развиваться заболевания преимущественно сердечно-сосудистой и нервной систем организма человека. В последние годы в числе отдаленных последствий часто называются онкологические заболевания.

Санитарные нормы

Исследования биологического действия ЭМП ПЧ, выполненные в СССР в 60-70х годах, ориентировались в основном на действие электрической составляющей, поскольку экспериментальным путем значимого биологического действия магнитной составляющей при типичных уровнях не было обнаружено. В 70-х годах для населения по ЭП ПЧ были введены жесткие нормативы и по настоящее время являющиеся одними из самых жестких в мире. Они изложены в Санитарных нормах и правилах «Защита населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты»№ 2971-84. В соответствии с этими нормами проектируются и строятся все объекты электроснабжения.

Несмотря на то, что магнитное поле во всем мире сейчас считается наиболее опасным для здоровья, предельно допустимая величина магнитного поля для населения в России не нормируется. Причина — нет денег для исследований и разработки норм. Большая часть ЛЭП строилась без учета этой опасности.

На основании массовых эпидемиологических обследований населения, проживающего в условиях облучения магнитными полями ЛЭП как безопасный или «нормальный» уровень для условий продолжительного облучения, не приводящий к онкологическим заболеваниям, независимо друг от друга шведскими и американскими специалистами рекомендована величина плотности потока магнитной индукции 0,2 — 0,3 мкТл.

Принципы обеспечения безопасности населения

Основной принцип защиты здоровья населения от электромагнитного поля ЛЭП состоит в установлении санитарно-защитных зон для линий электропередачи и снижением напряженности электрического поля в жилых зданиях и в местах возможного продолжительного пребывания людей путем применения защитных экранов.

Границы санитарно-защитных зон для ЛЭП которых на действующих линиях определяются по критерию напряженности электрического поля — 1 кВ/м.

Границы санитарно-защитных зон для ЛЭП согласно СН № 2971-84

330 кВ	500 кВ	750 кВ	1150 кВ
Размер санитарно-защитной (охранной) зоны	20 м	30 м	40 м	55 м

К размещению ВЛ ультравысоких напряжений (750 и 1150 кВ) предъявляются дополнительные требования по условиям воздействия электрического поля на население. Так, ближайшее расстояние от оси проектируемых ВЛ 750 и 1150 кВ до границ населенных пунктов должно быть, как правило, не менее 250 и 300 м соответственно.

Как определить класс напряжения ЛЭП? Лучше всего обратиться в местное энергетическое предприятие, но можно попробовать визуально, хотя не специалисту это сложно:330 кВ — 2 провода, 500 кВ — 3 провода, 750 кВ — 4 провода. Ниже 330 кВ по одному проводу на фазу, определить можно только приблизительно по числу изоляторов в гирлянде : 220 кВ 10 -15 шт., 110 кВ 6-8 шт., 35 кВ 3-5 шт., 10 кВ и ниже — 1 шт.

Допустимые уровни воздействия электрического поля ЛЭП

ПДУ, кВ/м	Условия облучения
0,5	внутри жилых зданий
1,0	на территории зоны жилой застройки
5,0	в населенной местности вне зоны жилой застройки; (земли городов в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет, пригородные и зеленые зоны, курорты, земли поселков городского типа в пределах поселковой черты и сельских населенных пунктов в пределах черты этих пунктов) а также на территории огородов и садов;
10,0	на участках пересечения воздушных линий электропередачи с автомобильными дорогами 1 – IV категорий;
15,0	в ненаселенной местности (незастроенные местности, хотя бы и часто посещаемые людьми, доступные для транспорта, и сельскохозяйственные угодья);
20,0	в труднодоступной местности (недоступной для транспорта и сельскохозяйственных машин) и на участках, специально выгороженных для исключения доступа населения.

В пределах санитарно-защитной зоны ВЛ запрещается:

размещать жилые и общественные здания и сооружения;
устраивать площадки для стоянки и остановки всех видов транспорта;
размещать предприятия по обслуживанию автомобилей и склады нефти и нефтепродуктов;
производить операции с горючим, выполнять ремонт машин и механизмов.

Территории санитарно-защитных зон разрешается использовать как сельскохозяйственные угодья, однако рекомендуется выращивать на них культуры, не требующие ручного труда.

В случае, если на каких-то участках напряженность электрического поля за пределами санитарно-защитной зоны окажется выше предельно допустимой 0,5 кВ/м внутри здания и выше 1 кВ/м на территории зоны жилой застройки (в местах возможного пребывания людей), должны быть приняты меры для снижения напряженности. Для этого на крыше здания с неметаллической кровлей размещается практически любая металлическая сетка, заземленная не менее чем в двух точках. В зданиях с металлической крышей достаточно заземлить кровлю не менее чем в двух точках. На приусадебных участках или других местах пребывания людей напряженность поля промышленной частоты может быть снижена путем установления защитных экранов, например это железобетонные, металлические заборы, тросовые экраны, деревья или кустарники высотой не менее 2 м.

Как влияют электромагнитные поля воздушных линий электропередачи на людей, животных и растения

Биологическое влияние электрических и магнитных полей на организм людей и животных достаточно много исследовалось. Наблюдаемые при этом эффекты, если они и возникают, до сих пор не ясны и трудно поддаются определению, поэтому эта тема остается по-прежнему актуальной.

Магнитные поля на нашей планете имеют двоякое происхождение — естественное и антропогенное. Естественные магнитные поля, так называемые магнитные бури, зарождаются в магнитосфере Земли. Антропогенные магнитные возмущения охватывают меньшую территорию, чем природные, зато их проявление значительно интенсивнее, а следовательно, приносит и более ощутимый ущерб. В результате технической деятельности человек создает искусственные электромагнитные поля, которые в сотни раз сильнее естественного магнитного поля Земли. Источниками антропогенных излучений являются: мощные радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные средства, линии электропередачи.

Частотный диапазон и длины волн некоторых источников электромагнитного излучения

Один из наиболее сильных возбудителей электромагнитных волн — токи промышленной частоты (50 Гц). Так, напряженность электрического поля непосредственно под линией электропередачи может достигать нескольких тысяч вольт на метр почвы, хотя из-за свойства снижения напряженности почвой уже при удалении от линии на 100 м напряженность резко падает до нескольких десятков вольт на метр.

Исследования биологического воздействия электрического поля обнаружили, что уже при напряженности 1 кВ/м оно оказывает неблагоприятное влияние на нервную систему человека, что в свою очередь ведет к нарушениям эндокринного аппарата и обмена веществ в организме (меди, цинка, железа и кобальта), нарушает физиологические функции: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления, активность мозга, ход обменных процессов и иммунную активность.

Как влияют электромагнитные поля линий электропередачи на людей, животных и растения

Начиная с 1972 г. появились публикации, в которых рассматривалось влияние на людей и животных электрических полей с величинами напряженности более 10 кВ/м.

Напряженность магнитного поля пропорциональна току и обратно пропорциональна расстоянию; напряженность электрического поля пропорциональна напряжению (заряду) и обратно пропорциональна расстоянию. Параметры этих полей зависят от класса напряжения, конструктивных особенностей и геометрических размеров высоковольтной ЛЭП. Появление мощного и протяженного источника электромагнитного поля приводит к изменению тех естественных факторов, при которых сформировалась экосистема. Электрические и магнитные поля могут индуцировать поверхностные заряды и токи в теле человека.

Исследования показали, что максимальный ток в теле человека, индуцированный электрическим полем, намного выше, чем ток, вызванный магнитным полем. Так, вредное воздействие магнитного поля проявляется лишь при его напряженности около 200 А/м, что бывает на расстоянии 1—1,5 м от проводов фазы линии и опасно только для обслуживающего персонала при работах под напряжением. Это обстоятельство позволило сделать вывод об отсутствии биологического влияния магнитных полей промышленной частоты на людей и животных, находящихся под ЛЭП Таким образом, электрическое поле ЛЭП является главным биологически действенным фактором протяженной электропередачи, который может оказаться барьером на пути миграции движения разных видов водной и сухопутной фауны.

Силовые линии электрического и магнитного полей воздействующих на человека, стоящего под воздушной линией электропередачи переменного тока

Исходя из конструктивных особенностей электропередачи (провисания провода) наибольшее влияние поля проявляется в середине пролета, где напряженность для линий сверх — и ультравысокого напряжения на уровне роста человека составляет 5 — 20 кВ/м и выше в зависимости от класса напряжения и конструкции линии.

У опор, где высота подвеса проводов наибольшая и сказывается экранирующее влияние опор, напряженность поля наименьшая. Так как под проводами ЛЭП могут находиться люди, животные, транспорт, то возникает необходимость оценки возможных последствий длительного и кратковременного пребывания живых существ в электрическом поле различной напряженности.

Наиболее чувствительны к электрическим полям копытные животные и человек в обуви, изолирующей его от земли. Копыто животных также является хорошим изолятором. Наведенный потенциал в этом случае может достигать 10 кВ, а импульс тока через организм при касании к заземленному предмету (ветке куста, травинке) 100 — 200 мкА. Такие импульсы тока безопасны для организма, но неприятные ощущения заставляют копытных животных избегать трассы высоковольтных ЛЭП в летнее время.

В действии электрического поля на человека доминирующую роль играют протекающие через его тело токи. Это определяется высокой проводимостью тела человека, где преобладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой.

В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимостью 0,1 мкА/см и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, существенно превышают плотность такого тока проводимости.

При плотностью тока проводимостью 1 мкА/см в глазах человека наблюдается мелькание световых кругов, более высокие плотности токов уже захватывают пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям.

В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зоне электрического поля значительной интенсивности, плотность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «подстилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин.

При максимальном токе, соответствующем Е m ах == 15 кВ/м (6,225 мА), известной доле этого тока, втекающего через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см ) плотность тока

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и магнитной индукцией внешнего поля, В. Вычисление плотности тока

осложняется тем, что его точный путь зависит от распределения проводимости у в тканях тела.

Так, удельную проводимость мозга определяют у = 0,2 см/м, а сердечной мышцы у = 0,25 см/м. Если принять радиус головы 7,5 см, а сердца 6 см, то произведение yR получается одинаковым в обоих случаях. Поэтому можно давать одно представление для плотности тока на периферии сердца и мозга.

Определено, что безопасная для здоровья магнитная индукция составляет около 0,4 мТл при частоте 50 или 60 Гц. В магнитных полях (от 3 до 10 мТл , f =10 — 60 Гц) наблюдалось возникновение световых мерцаний, аналогичных тем, которые возникают при надавливании на глазное яблоко.

Плотность тока, индуцированного в теле человека электрическим полем с величиной напряженности Е, вычисляется таким образом:

c различными коэффициентами к для области мозга и сердца.

Значение к= 3-10 -3 см/Гц м.

По данным немецких ученых напряженность поля, при которой вибрацию волос ощущают 5% испытуемых мужчин, составляет 3 кВ/м и для 50% мужчин, подвергшихся испытаниям, она равна 20 кВ/м. В настоящее время отсутствуют данные о том, что ощущения, вызванные действием поля, создают какое-либо неблагоприятное влияние. Что касается связи плотности тока с биологическим влиянием, то можно выделить четыре области, представленные в таблице.

J, мкА/см	Наблюдаемые эффекты
0,1	Нет
1,0	Мелькание световых кругов в глазах
10-50	Острые невралгические симптомы подобные тем, которые вызываются электрическим током
более 100	Возрастает вероятность фибрилляции желудочка сердца, остановка сердечной деятельности, длительный спазм дыхательных мышц, серьезные ожоги

Последняя область значения плотности тока относится к временам воздействия порядка одного сердечного цикла, т. е. приблизительно 1 с для человека Для более коротких экспозиций пороговые значения выше. Для определения порогового значения напряженности поля были выполнены физиологические исследования на людях в лабораторных условиях при напряженности от 10 до 32 кВ/м. Установлено, что при напряженности 5 кВ/м 80% людей не испытывают болевых ощущений при разрядах в случае касания заземленных предметов. Именно эта величина была принята в качестве нормативной при работах в электроустановках без применения средств защиты.

Зависимость допустимого времени пребывания человека в электрическом поле с напряженностью Е более порогового аппроксимируется уравнением

Выполнение этого условия обеспечивает самовосстановление физиологического состояния организма в течение суток без остаточных реакций и функциональных или патологических изменений.

Ознакомимся с основными результатами исследований биологических влияний электрических и магнитных полей, проведенных советскими и зарубежными учеными.

Влияние электрических полей на персонал

Во время исследований на верхней части предплечья каждого рабочего закрепляли интегрирующий дозиметр. Установлено, что у рабочих на высоковольтных линиях среднее значение дневной экспозиции составило от 1,5 кВ/(м-ч) до 24 кВ/(м-ч). Максимальные значения отмечены в очень редких случаях. Из полученных данных исследования можно сделать вывод об отсутствии заметной взаимосвязи между экспозицией в полях и общим состоянием здоровья людей.

Воздушные ЛЭП и рак у детей

В жилых помещениях магнитное поле может создаваться бытовым электрооборудованием и электропроводкой, внешними подземными кабелями, а также воздушными ЛЭП. Исследуемые и контрольные объекты группировали в интервалах 25 м до воздушной ЛЭП, причем степень риска на расстоянии более 100 м от линии была принята за единицу.

Полученные результаты не подтверждают гипотезы о том, что магнитные поля промышленной частоты влияют на возникновения рака у детей.

Как влияют электромагнитные поля линий электропередачи на людей, животных и растения

Электростатическое влияние на волосяной покров человека и животных

Исследования проводились в связи с гипотезой о том, что влияние поля, ощущаемое поверхностью кожи, вызвано действием электростатических сил на волосы. В результате получено, что при напряженности поля в 50 кВ/м испытуемый ощущал зуд, связанный с вибрацией волос, что зарегистрировано специальными приборами.

Влияние электрического поля на растения

Опыты проводились в специальной камере в неискаженном поле с напряженностью от 0 до 50 кВ/м. Было выявлено небольшое повреждение ткани листьев при экспозиции от 20 до 50 кВ/м, зависящее от конфигурации растения и первоначального содержания влаги в нем. Омертвление ткани наблюдалось в частях растений с острыми краями. Толстые, с гладкой закругленной поверхностью растения не повреждались при напряженности 50 кВ/м. Повреждения являются следствием короны на выступающих частях растений. У наиболее слабых растений повреждения наблюдались уже через 1 — 2 ч после экспозиции. Важно, что у сеянцев пшеницы, имеющих очень острые концы, корона и повреждения были заметны при сравнительно низкой напряженности, равной 20 кВ/м. Это был самый низкий порог появления повреждений в исследованиях.

Наиболее вероятный механизм повреждения ткани растений — тепловой. Поражение ткани появляется тогда, когда напряженность поля становится достаточно высокой, чтобы вызвать коронирование, и через кончик листка течет ток короны высокой плотности. Тепло, выделяемое при этом на сопротивлении ткани листа, приводит к гибели узкого слоя клеток, которые сравнительно быстро теряют воду, высыхают и сжимаются. Однако этот процесс имеет предел и процент высохшей поверхности растения невелик.

Влияние электрического поля на животных

Исследования проводились по двум направлениям: изучение на уровне биосистемы и изучение порогов обнаруженных влияний. Среди цыплят, помещенных в поле с напряженностью 80 кВ/м, отмечалась прибавка массы, жизнеспособность, низкая смертность. Порог восприятия поля измерялся на домашних голубях. Было показано, что голуби обладают каким-то механизмом для обнаружения электрических полей малой напряженности. Генетических изменений не наблюдалось. Отмечено, что животные, пребывающие в электрическом поле большой напряженности, могут испытывать мини-шок из-за посторонних факторов, зависящих от условий эксперимента, которые могут привести к некоторому беспокойству и возбуждению испытываемых.

В ряде стран имеются нормативные документы, ограничивающие предельные значения напряженности поля в зоне трасс воздушных ЛЭП. Максимальная напряженность 20 кВ/м была рекомендована в Испании, и такое же значение рассматривается в настоящее время как предельное в Германии.

Общественная осведомленность о влиянии электромагнитного поля на живые организмы продолжает расти, и некоторый интерес и беспокойство в связи с этим влиянием будут приводить к продолжению соответствующих медицинских исследований, особенно на людях, проживающих вблизи воздушных линий электропередачи.

Еще больше информации по этой теме:

В. И. Чехов «Экологические аспекты передачи электроэнергии» (скачать книгу — Zip , DjVu )

В книге дана общая характеристика влияния воздушных линии электропередачи на окружающую среду. Рассматриваются вопросы расчета максимальной напряженности электрического поля под линией переменного тока и методы его уменьшения, отторжения земель под трассу линии, воздействия электромагнитного поля на людей, животный и растительный мир возникновения радио — и акустических шумов. Рассмотрены особенности воздействия на окружающую среду линий постоянного тока и кабельных линий сверхвысокого напряжения.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Магнитные поля при сварке и защита от их воздействия Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Харчевникова Е. А., Болотов С. В.

На основе теоретических и экспериментальных исследований магнитных полей в зоне рабочего места сварщика определены безопасные расстояния от токоведущих частей сварочного источника при различных режимах сварки. Разработаны средства защиты сварщика от воздействия магнитного поля.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Magnetic fields at welding and protection against their influence

On the basis of theoretical and experimental researches of magnetic fields in the zone of a workplace of the welder safe distances from current carrying parts of a welding source at various modes of welding have been defined. Protection means of the welder from magnetic field influence have been developed.

Текст научной работы на тему «Магнитные поля при сварке и защита от их воздействия»

УДК 331.453; 621.791

Е. А. Харчевникова, С. В. Болотов, канд. техн. наук

МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ И ЗАЩИТА ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Электромагнитные излучения, воздействуя на организм человека в дозах, превышающих допустимые, могут явиться причиной профессиональных заболеваний. В результате возможны изменения нервной, иммунной, сердечно-сосудистой, половой и других систем организма человека.

В процессе длительного пребывания в зоне действия электромагнитных полей наступают преждевременная утомляемость, сонливость или нарушение сна, появляются частые головные боли. При систематическом облучении наблюдаются стойкие нервно-психические заболевания, изменение кровяного давления, замедление пульса, трофические заболевания (выпадение волос, ломкость ногтей). При этом наблюдается вялость, снижение точности рабочих движений, возникновение болей в сердце.

При анализе преобразований электрической энергии при сварке существует три источника электромагнитных полей, способных оказать биологическое воздействие на сварщика:

— процессы в источнике питания электрической дуги сварочным током;

— процессы в сварочной цепи, включая электрическую дугу;

— процессы в устройствах для возбуждения или поддержания устойчивости сварочной дуги (осцилляторах и генераторах импульсов).

Магнитное поле как частный случай электромагнитного поля возникает при дуговой сварке и зависит от её режимов, определяющих характер переноса металла через дуговой промежуток, и от типа источника питания. Оно воздействует на жизненно важные органы сварщика, вы-

полняющего работы в непосредственной близости от сварочного аппарата и держащего токоведущий кабель.

Санитарными нормами устанавливаются предельно допустимые уровни (ПДУ) магнитных полей. Так, при 8-часовой работе ПДУ магнитного поля составляет 8 кА/м (10 мТл), а при 1-часовой работе — 16 кА/м (20 мТл).

Для проведения исследований магнитных полей в зоне сварки в качестве измерительного преобразователя выбран датчик Холла в составе магнитометра ИОН-3. Напряжение на выходе датчика Холла пропорционально индукции измеряемого поля, а не производной от индукции по времени, как это имеет место, например, в индукционных датчиках.

Диапазон измерения индукции магнитного поля В 0,01-200 мТл разбит на поддиапазоны: 0,01-20,0 мТл;

0,1-200 мТл. Предел допустимых погрешностей: 0,03 мТл ± 5 %, что обеспечивает соответствующую точность запланированных исследований.

Исследование магнитных полей в рабочей зоне сварщика производили на различном расстоянии от токоведущих частей (рис. 1).

Так как для измерений использовался компонентный датчик, то в каждой точке пространства измерялись три составляющих вектора магнитной индукции с последующим нахождением величины поля по формуле

где В2Х, Б1У, В2г — составляющие вектора

магнитной индукции. импульсных электрических сигналов в

Для измерения амплитудных зна- диапазоне частот периодических сиг-

чений переменных магнитных полей ис- налов от 0 до 20 МГц, параметры им-

пользовался универсальный импульсный пульсов длительностью от 0,1 мкс до

осциллограф С1-70, подключаемый к 0,5 с с частотой следования от 200 Гц

выходу магнитометра. Прибор позволяет до 500 кГц.

исследовать формы периодических и

Рис. 1. Схема измерений магнитной индукции и действие нагрузок при дуговой сварке: а — ручная

дуговая сварка в положении стоя; б — сварка в защитных газах в положении сидя; 1 — установка датчика на предплечье; 2 — расположение датчика на внутренней поверхности кисти; 3 — расположение датчика в зоне сердца; 4 — размещение датчика в области головного мозга; 5 — положение датчика в области почек; 6 — датчик в области репродуктивных органов

Запись формы магнитного поля в зоне дуговой сварки производили с помощью самописца. Самопишущий быстродействующий прибор типа Н348 является чувствительным прибором, позволяющим регистрировать сигналы в статическом и динамическом режимах.

При сварке плавящимся электродом в защитных газах используется три вида источников питания тока дуги:

— источники постоянного тока с трансформируемыми преобразователями энергии и выпрямителями;

— источники питания импульсного типа, преобразовывающие переменный ток в униполярные импульсы частоты, кратной частоте питания 50 Гц;

— источники инверторного типа с частотой преобразования порядка 100 кГц.

Источники первого типа дают низкочастотные поля небольшой напряженности, как правило, экранируются (поле в рабочей зоне небольшое, на порядок меньше ПДУ).

Источники второго типа отличаются достаточно высокой скважностью импульса и большой амплитудой тока, возбуждающего электромагнитные поля относительно невысокой частоты, но напряженность в импульсе высокая, между тем магнитные поля вблизи тела сварщика могут превосходить ПДУ.

Для исследования проведения про-

цессов сварки на постоянном токе выбран выпрямитель сварочный типа ВДУ-506. Он предназначен для комплектации сварочных автоматов и полуавтоматов однопостовой механизированной сварки в среде углекислого газа и под флюсом, а также для сварки порошковой проволокой, для ручной дуговой сварки штучными электродами.

В качестве представителя инверторных источников исследовался выпрямитель Саёёу-250. Он является транзисторно-управляемым источником питания, предназначен для сварки на постоянном токе большинства

нержавеющих сталей и чугуна, позволяет выполнять ручную дуговую сварку (ММА), а также сварку неплавящимся электродом в среде аргона (ТЮ) с возбуждением дуги методом касания и отрыва.

Наибольшее распространение при расчёте электромагнитных полей получили численные методы. Преимущества метода конечных элементов (МКЭ) по сравнению с другими численными методами широко известны [1]. Конечно-элементный подход позволяет рассматривать неоднородные анизотропные тела нерегулярной геометрической структуры при различных граничных условиях и внешних воздействиях. МКЭ отличает алгоритмичность вывода разрешающих уравнений, которые в итоге приводятся к системе алгебраических уравнений высокого порядка с симметричной редкозаполненной матрицей. Для решения систем уравнений МКЭ использованы современные прямые методы (Гаусса и его модификации, факторизации и т. д.) и итерационные (Гаусса-Зейделя, сопряжённых градиентов, верхней релаксации и т. д.).

В задачах расчёта метод приводит к системе уравнений, минимизирующих потенциальную энергию системы. Такая реализация метода позволяет приспособить его для решения самых разнообразных задач, включая проблемы электромагнетизма.

Наиболее прогрессивным программным обеспечением, осуществляющим

электромагнитныи расчёт методом конечных элементов, в настоящее время является COSMOS/M [2]. COSMOS/M -это построенная по модульному принципу автономная система анализа МКЭ.

Магнитная проницаемость облас-теи, занятых воздухом, принималась д = 1,256-10-6 Гн/м. Магнитная проницаемость защитного экрана определяется нелинейной зависимостью

где магнитная индукция задаётся следующим образом:

где к — безразмерная постоянная, 0 < к < 1; В^ - намагниченность насы-

с — коэрцитивная сила предельного цикла.

B(H) = Bs [1 — (1 — k) exp (-

При ручной дуговой сварке покрытыми электродами и механизированной сварке в защитных газах токи составляют 70-500 А. Токоподводящий провод или шланг с проводом при механизированной сварке располагается близко к телу сварщика. В токоподводящем проводе, находящемся в положении, параллельном руке, возникает постоянное магнитное поле, воздействующее на кисть и предплечье. Поэтому была построена модель области токоведущего кабеля, которая содержит 233 узловые точки и 224 конечных элемента типа МЛ02Б. Граница нулевого магнитного потенциала располагается на расстоянии 0,5 м от кабеля.

В результате расчета были получены следующие картины распределения магнитной индукции (рис. 2).

Рис. 2. Картина распределения магнитной индукции в области витка из токоведущего кабеля

При намотке токоподводящего провода на руку величина магнитных полей существенно увеличивается. Магнитное поле в этом случае способно взаимодействовать с биологическими жидкостями, обладающими определенной теплопроводностью (кровью и плазмой). В результате в месте расположения витка появляется дополнительный насос.

Направление перекачки жидкости этим насосом зависит от полярности тока. В результате длительного воздействия магнитогидродинамического насоса может возникать нарушение крове- и лимфообме-на в руке. Наряду с непосредственным действием на ткани магнитного поля, это вызывает боль и онемение в кисти, пред-плечьи и плече, часто замечаемые сварщиками. Следовательно, требуется исследовать распределение напряженности и индукции электромагнитного поля в руке сварщика при намотанном токоведущем кабеле. Для этого построена универсальная модель расчета, для которой в одном случае рука сварщика не защищена экраном, а в другом — используется экранирующая вставка.

Модель магнитного расчета витка из токоведущего кабеля содержит 157 узловых точек и 188 конечных элементов типа МЛ02Б. Граница нулевого магнитного потенциала располагается на расстоянии 0,5 м от центра витка (рис. 3).

Наибольшее влияние на рабочего, осуществляющего дуговую сварку, оказывает магнитное поле от токоведущего кабеля. Его распределение представлено на рис. 4.

Из полученных зависимостей следует, что безопасным расстоянием от токоведущего кабеля до жизненно важных органов сварщика являются расстояния 0,1; 0,25 и 0,35 м при токах 200, 300 и 400 А соответственно. При кратковременной работе в течение 1 ч превышение ПДУ может происходить на расстоянии до 0,15 м только на сварочном токе около 400 А.

Использование экранирующих вставок в спецодежде сварщика существенно снижает величину напряженности поля и тем самым защищает сварщика от воздействия магнитных излучений.

Рис. 3. Картина распределения магнитной индукции в руке сварщика

Рис. 4. Распределение индукции магнитного поля: а — в области токоведущего кабеля при дуговой сварке; б — в области витка из токоведущего кабеля

Результаты расчёта магнитных полей в центре наматываемого на руку витка из токоведущего кабеля свидетельствуют о том, что при работе в течение смены такой прием приводит к превышению ПДУ на токах до 200 А. При кратковременной работе в течение часа намотка витка из кабеля на руку не приводит к превышению ПДУ для сварочного тока до 400 А.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что индукция поля вблизи корпуса выпрямителя ВДУ-506 при токах до 400 А составляет 620-890 А/м, что на порядок ниже ПДУ. Это связано с тем, что выпрямитель экранируется металлическим корпусом.

Поля, измеренные вокруг источни-

ка Саёёу-250, выполненного в пластмассовом корпусе, показали превышение ПДУ магнитного поля более чем в 1,5 раза. Это свидетельствует о необходимости использования металлических экранов для снижения уровней магнитной индукции.

Наибольший интерес представляет исследование магнитных полей в области токоведущего кабеля источников ВДУ-506 и Саёёу-250 на различных режимах сварки.

На рис. 5, а представлено распределение индукции магнитного поля в области токоведущего кабеля при работе от источника ВДУ-506 на токах 200 и 400 А при ПДУ 10 мТл.

-0,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 м 0,05

Рис. 5. Распределение индукции магнитного поля: а — в области токоведущего кабеля от ВДУ-506; б — в области витка из токоведущего кабеля для ВДУ-506

При постоянной работе сварщика в течение смены превышения ПДУ индукции магнитного поля не наблюдается на расстоянии более 0,05 м для тока 200 А и более 0,25 м для тока 400 А соответственно. Между тем токоведущий кабель, как правило, может располагаться гораздо ближе к телу сварщика. Некоторые сварщики используют при работе намотку кабеля на руку с целью облегчения его удержания.

На рис. 5, б представлено распределение индукции магнитного поля в зоне витка из токоведущего кабеля. Результаты исследования показывают, что превышение ПДУ в центре витка наблюдается для токов от 200 А. Это, в свою очередь, свидетельствует о нецелесообразности намотки кабеля на руку при работе. Таким образом, необходимо отказаться от данного приема в сварке либо экранировать рукав спецодежды сварщика защитным материалом.

Источники инверторного типа излучают поле высокой частоты и достаточной индукции. Наши замеры индукции поля в рабочей зоне источника тока Саёёу-250 в пластмассовом корпусе показали ее превышение ПДУ в зоне сварки. При использовании источников такого же типа с экранирующими стальными кожухами напряженность поля существенно снижается до ПДУ.

Основная частота возбудителя горения дуги типа осциллятор составляет 100 кГц, магнитное поле достаточно большое, сильно мешает радио- и телеприему, однако не превышает ПДУ. Устройство для поддержания горения дуги импульсного типа, как показали проведенные замеры, дают небольшую индукцию поля до 0,4 ПДУ вблизи корпуса.

При сварке в углекислом газе проволоками любого диаметра выявляются два вида переноса металла, характерные для оптимальных режимов: область режимов сварки с периодическими замыканиями дугового промежутка и область капельного переноса без коротких замыканий. При сварке в смеси Аг + СО2 область режимов сварки с короткими замыканиями дугового промежутка отсутствует.

Имеется область сварки с капельным переносом и область сварки со струйным переносом. Значения критических токов перехода от капельного перехода к струйному в этом случае достаточно высоки.

Осциллограмма тока инверторного источника питания Саёёу-250, представленная на рис. 6, позволяет выделить участок осциллограммы, отвечающий за активный процесс сварки. Колебания тока незначительны, поэтому зафиксировать их сложно.

0,01 0,03 0,05 0,07 с 0,1

Рис. 6. Осциллограмма тока инверторного источника питания Caddy-250

На рис. 7 представлено распределение индукции магнитного поля в области токоведущего кабеля при работе от источника Саёёу-250 на токах 100 и 150 А.

Рис. 7, а показывает, что при постоянной работе сварщика на источнике Саёёу-250 небезопасным для него является расстояние менее 0,3 м, если подается сварочный ток 100 А и менее 0,4 м, если сва-

рочный ток равен 150 А. На рис. 7, б описано распределение индукции магнитного поля в зоне витка из токоведущего кабеля при использовании Саёёу-250. Результаты исследования показывают, что превышение ПДУ в центре витка токоведущего кабеля наблюдается как для тока 100 А, так и для тока 150 А.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 м

-0,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 м 0,05

Рис. 7. Распределение индукции поля: а — в области токоведущего кабеля для Caddy-250; б — распределение индукции поля в области витка из токоведущего кабеля для Caddy-250

Исследования показали, что при работе на токах более 200 А и питания дуги от обычного источника, а также при использовании инверторных источников индукция поля в области руки, предплечья и грудной клетки сварщика может превосходить ПДУ, равный 10 мТл, а в некоторых случаях это превышение двукратно. Результаты исследований наглядно

демонстрируют опасность, связанную с намоткой кабеля на руку, и необходимость применения специальных средств защиты.

На основании исследований выявлены зоны напряженности магнитного поля, превосходящего ПДУ в области расположения жизненно важных органов сварщика. В связи с этим наиболее

подвержены излучению магнитного поля сердце, печень, репродуктивные органы, рука с электрододержателем или горелкой.

Разработана и запатентована новая конструкция спецодежды сварщика, содержащая, в отличие от существующих вариантов, защитные экранируемые вставки.

Для защиты сварщика от магнитных полей использованы защитные экраны, выполненные из ферромагнитных материалов (железо или никель). Экраны выполняются в виде сетки из многожильной ферромагнитной проволоки, образующей замкнутый контур с шагом 10 мм, состоящий из проволок диаметром 0,05 мм и толщиной плетения 0,5-1 мм или из ферромагнитных пленок.

Конструкция костюма предусматривает защитный экран, который вшивается в

защитный костюм сварщика в области расположения жизненно важных органов, а также плеча и предплечья руки, держащей сварочную горелку. В области сердца расположен защитный экран шириной 20-35 см и длиной 30-55 см, в раструб рукава рабочей руки вшит экран длиной 650-700 см и шириной 25-35 см в зависимости от размера одежды рабо-чего-сварщика. Данные параметры защитных экранов оптимальны для выполнения поставленной задачи.

Лучшим из разработанных костюмов по результатам испытаний является костюм с защитными вставками в области сердца, руки, почек, печени и репродуктивных органов [4]. Общий вид представлен на рис. 8.

1 — экран, вшитый в рукав куртки

2 — экран, вшитый в область печени и почек

3 — экранирующая накладка, защищающая сердце

4 — экранирующая накладка, защищающая репродуктивные органы

5 — замкнутый ферромагнитный контур, соединяющий экраны между собой

Рис. 8. Схема расположения защитных экранирующих накладок

Результаты исследований показали, что использование на производстве такого костюма снижает воздействие маг-

нитных полей на организм рабочего с 29 до 1,5 мТл.

1. Индукция и характер изменения во времени магнитного поля, генерируемого сварочным током и электрическими процессами в его источнике при дуговой сварке, зависят от режимов сварки, определяющих характер переноса металла через дуговой промежуток, и от способа преобразования энергии в источнике тока. При питании дуги током более 200 А и от источников постоянного тока при использовании инверторных источников при силе тока сварки более 100 А магнитная индукция возле руки, предплечья и грудной клетки превосходит ПДУ, в связи с чем требуется специальная защита сварщика путем экранирования руки, держащей электрододержатель, и органов грудной клетки. Такая защита может быть обеспечена при использовании костюма сварщика с экранирующими ферромагнитными вставками, экранированием источника тока, сварочного кабеля и сварочной горелки.

2. Использование приема сварки, при котором сварщик ручной или полуавтоматической сварки для облегчения работы наматывает сварочный кабель на руку, приводит к тому, что в зоне кисти

и предплечья руки напряженность магнитного поля превосходит ПДУ в 3 раза. Такое поле оказывает физиологическое воздействие на руку, вызванное возникновением дополнительного магнитодинамического насоса в ее сосудах, вследствие чего к концу рабочей смены возникает ощущение онемения и болей в руке, исчезающих только спустя несколько часов после окончания работы. Такой прием удержания сварочного кабеля должен быть запрещен инструкциями по охране труда сварщика.

1. Секулович, М. Метод конечных элементов / М. Секулович. — М. : Стройиздат, 1993. — 661 с.

2. Лашкари, М. Руководство по эксплуатации COSMOS / M / М. Лашкари. — Санта Моника, США, 989. — 326 с.

3. Харчевникова, Е. А. Магнитные поля в рабочей зоне сварщика и средства защиты от их воздействия / Е. А. Харчевникова, С. В. Болотов // Сварка и родственные технологии. -№ 8. — 2006. — С. 108.

4. Пат. 8811 С 1 В^ МКИ7 А 11 D 13/00. Защитная одежда сварщика / С. К. Павлюк [и др.]. — № a 20040709 ; заявл. 27.07.04 ; опубл. 28.02.06.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 07.02.2008

E. A. Kharchevnikova, S. V. Bolotov Magnetic fields at welding and protection against their influence