ASSESSMENT OF ELECTROMAGNETIC FIELD EFFECT ON HEALTH OF OPERATING PERSONNEL WORKING ON THE DIGITAL ELECTRICAL SUBSTATIONS

Full Text

В современных условиях охрана здоровья трудоспособного населения является одной из наиболее важных задач нашего государства. Решение ее возможно только на основе углубленного изучения условий труда, вредных факторов рабочей среды и установления причинно-следственных связей развития профессиональных заболеваний [13, 20]. При обеспечении безопасности труда персонала, связанного с эксплуатацией электроустановок, наибольшее внимание уделяется предупреждению опасности поражения электрическим током. Однако помимо риска получения электротравм вредным фактором, влияющим на производительность труда и здоровье человека, является воздействие электромагнитного поля (ЭМП) промышленной частоты [8, 10, 21]. Основными источниками электромагнитного излучения на объектах электроэнергетики являются линии электропередачи, силовые трансформаторы и распределительные устройства. Интенсивность воздействия ЭМП характеризуется такими показателями, как напряженность электрического и магнитного поля, емкостной ток через тело человека. На биологическую реакцию организма кроме интенсивности электромагнитного излучения влияют частота излучения, длительность и периодичность пребывания человека в зоне действия ЭМП. Многочисленные исследования в области биоло 8 Экология человека 2017.08 Экология труда гического воздействия ЭМП позволили определить наиболее чувствительные системы организма человека: нервную, иммунную, эндокринную и половую [8, 21]. Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей живых организмов как за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилий, хрящей, костей), так и за счет появления емкостных токов. Наиболее чувствительны к перегреву органы зрения, мозг, почки, желчный и мочевой пузырь [3]. Известно, что превышение предельно допустимых норм (ПДУ) показателей ЭМП может спровоцировать повышенный риск развития хронического лимфолейкоза, рака грудной железы, злокачественной меланомы кожи, опухоли центральной нервной системы (ЦНС), неходжкинской лимфомы, острых лимфатических и миелоидных лейкозов [3]. Исследования влияния ЭМП на эксплуатационный персонал линий электропередач и подстанций напряжением более 500 кВ включительно выявили неблагоприятное воздействие на организм ЭМП и слабое его воздействие при напряжении 220 кВ и ниже [2]. Однако даже слабое воздействие ЭМП на организм человека может привести к развитию отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы ЦНС, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания [3, 6, 7]. Развитие технологий твердотельной электроники привело к появлению в распределительных электрических сетях технически усовершенствованных электроустановок, в частности Цифровых трансформаторных подстанций (ЦТП) 10(20)/0,4 кВ [14, 15]. Отличительной особенностью ЦТП является возможность автоматического регулирования напряжения под нагрузкой управляемыми тиристорами. Основными элементами ЦТП являются силовые трансформаторы с расщепленной обмоткой высокого напряжения, твердотельные (тиристорные) регуляторы напряже ния и мощности (ТРНМ), кабельные линии. В силу уникальности и новизны разработки оценка вредного воздействия ЦТП на здоровье обслуживающего персонала в настоящее время отсутствует. Цель работы заключалась в исследовании негативного воздействия ЭМП промышленной частоты на здоровье персонала, обслуживающего высоковольтное оборудование ЦТП. Задачи исследования состояли в оценке показателей ЭМП - напряженности электрического и магнитного поля, емкостного тока через тело человека при эксплуатации ЦТП 10(20)/0,4 кВ. Методы Объектом исследования является цифровая трансформаторная подстанция. Выполнены расчеты показателей ЭМП, создаваемого высоковольтным электрооборудованием ЦТП класса напряжения 10/0,4 и 20/0,4 кВ для типового ряда номинальных мощностей силовых трансформаторов: 250, 400, 630, 1 000, 1 600, 2 500 кВ-А [16-18]. Расчетная структурная схема расположения электрооборудования ЦТП показана на рис. 1. Расчетная точка (место нахождения электромонтера, обслуживающего установку) расположена на расстоянии a = 1 м от ТРНМ и b = 2,4 м от силового трансформатора. Расстояние между трансформаторами (Т1 и Т2) выбрано в соответствии с требуемым Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) расстоянием в свету (с > 1,25 м) [9]. Расстояние между выводами высокого напряжения силового трансформатора и между фазами ТРНМ обозначено как D и D соответственно [11]. т трнм L J Согласно СанПиН 2.2.4.1191-03 [12] расчетная высота H составляет 1,8 м (на этой высоте находится голова человека). Напряженность электрического поля [1] определена по формуле: Рис. 1. Структурная схема расположения электрооборудования цифровой трансформаторной подстанции 9 Экология труда Экология человека 2017.08 Е = - CU 2 тпН 0,5 0,5 ■ 7 /г + д-f (1) і ' f f z r h~ +x2 h + xj где C - емкость единицы длины кабеля, Ф/м; U - номинальное напряжение, кВ’ є0 = 8,85- 10-12 - электрическая постоянная, Ф/м; Нч - высота расчетной точки, м; h - высота от расчетной точки до точки с максимальной напряженностью, м; x1 - расстояние от первой фазы до расчетной точки, м; х2 - расстояние от второй фазы до расчетной точки, м; х3 - расстояние от третьей фазы до расчетной точки, м. Высота от расчетной точки до точки с максимальной напряженностью для силового трансформатора и для ТРНМ рассчитана по формулам: h = H - H, (2) т т ч ' ' h = H - H, (3) трнм трнм ч’ v ’ где Я, H - высота трансформатора и тиристорного коммутатора, м. Напряженность электрического поля от каждого из трансформаторов и ТРНМ в соответствии с формулой (1) и рис. 1 рассчитана по следующим выражениям: £н=си 2ъе0Яч 1 0,5 0.5 hz + b h: +У+ D: h: +b~ + D: ; (4) eu 2Ш{,НЧ 0,5 0,5 h; + b2 +(c-DTf h; +b2 +c2 h; +b2 + {c + DTf ; (5) eu 2*6(| W, h^, + (« - Y (1,5 0,5 ^трич + a '’ y .i ' (■■' ' ; (6) eu 2mnH4 1 0,5 ^трнм трнм 0,5 ^трнм ’ i'~ p l.l f + C” "трнм 1 1 P I Емкость единицы длины проводника: л-12 С = 24-10" lg 2Д (7) (8) где D0 - расстояние между фазами (для проводника от распределительного устройства высокого напряжения до силового трансформатора D0 = D,; для проводника от силового трансформатора до ТРНМ D0 = D ), мм; йж - диаметр токопроводящей жилы провода, мм. Каждая фаза ТРНМ расщеплена на шесть проводов. Радиус расщепленного провода по электрическим параметрам [ 1] эквивалентен одиночному проводу с радиусом: =Çгж Л /7-1 (9) где n - число проводов в фазе; гж - радиус токопроводящей жилы провода, мм; r - среднее расстояние между проводами (равен наружному диаметру провода d ), мм. Оценка воздействия магнитного поля, создаваемого трансформаторным оборудованием, выполнена на основе коэффициентов пропорциональности [19] между рабочим током проводников и максимальным значением напряженности магнитного поля: H = Y • I, (10) где y - коэффициент пропорциональности между рабочим током проводника и напряженностью магнитного поля (для напряжения 10 и 20 кВ y = 0,0893); I - рабочий ток проводника, А. Через тело человека, находящегося вблизи действующих электроустановок переменного тока, то есть в области создаваемого ими электрического поля, постоянно проходит в землю ток. Выражение для емкостного тока, проходящего через тело человека [5], находящегося в электрическом поле промышленной частоты и стоящего на полу в токопроводящей обуви, выглядит следующим образом: Ih = k • E, (11) где k = 12 - постоянный множитель, Ф-м/с. Допустимый уровень напряженности электрического и магнитного полей установлен в СанПиН 2.2.4.1191-03 [12]. Согласно нормам и правилам [12] допустимый уровень напряженности электрического поля промышленной частоты на рабочем месте в течение всей смены устанавливается равным 5 кВ/м. Предельно допустимое значение напряженности магнитного поля при 8-часовом пребывании в зоне воздействия [12] составляет 80 А/м при общем воздействии (на все тело). Рекомендованное допустимое значение тока, длительно проходящего через человека и обусловленного воздействием электрического поля, составляет 50-60 мкА [5]. При статистической обработке результатов расчета использовано программное обеспечение Microsoft Excel 2010. Результаты На основе проведенных расчетов получены графические зависимости показателей ЭМП от номинальной мощности, напряжения и состава электрооборудования ЦТП (рис. 2-4). При эксплуатации ЦТП источником ЭМП являются силовые трансформаторы с расщепленной обмоткой высокого напряжения, ТРНМ и высоковольтные кабельные линии. На рис. 2 показана зависимость напряженности электрического поля от номинальной мощности и напряжения трансформаторного оборудования. Зависимость напряженности магнитного поля от номинальной мощности и напряжения трансформаторного оборудования показана на рис. 3. На рис. 4 приведена зависимость емкостного тока, проходящего через тело человека, от номинальной мощности и напряжения трансформаторного оборудования. Как видно из рис. 2, наименьшая напряженность электрического поля создается трансформаторной 10 Экология человека 2017.08 Экология труда Е, кВ/м 0,15 0,14 0.1 Î 0,12 0.11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0.0Î 0,02 0,01 0,00 Рис. 2. Зависимость напряженности электрического поля от номинальной мощности и напряжения трансформаторного оборудования 20 кВ 2+ТРНМ1+TPHÎ TI+1 Л-> _„_- - -* - - - -к- - ■" F. -" -- ^ ШкН -- t--ж 2ПкВ *- - -. ---ж. _ - - _* Т|+Т2 Ґ *-ж " ^ - X 1 ОкВ, Т1+Т2 ~ -* 250 400 630 1000 1600 кВ ‘А 2500 Я, А/м IUkB / Т1-ЬТ2-^ТРНМКТРНМ2 / у"* IOkF 1 л TI+Ï 2 / ^ 20 к В Г2+ТРНМ1+ТР1 ^-ж 20кВ TI+T2 jp !Л - _ _ " ■^НОМ' К^-А 7W 400 МО 1000 1600 7*№ Рис. 3. Зависимость напряженности магнитного поля от номинальной мощности и напряжения трансформаторного оборудования 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Рис. ного /;,, мкА 1: 20кВ - ■- --«w- _ -- -к- - ~ *--- --^ ' ЮкВ Т1+7 2+ТРНМ 1+ТРН М2 -ф> *--- - - 20кЙ _ Т1+Т2 ЮкВ -st: *-1 ^НОМт К^'А 250 400 Ш 1000 1600 2.500 4. Зависимость емкостного тока от номинальной мощности и напряжения трансформатор-оборудования 11 Экология труда Экология человека 2017.08 подстанцией (ТП) 10/0,4 кВ. Использование ТРНМ на ЦТП увеличивает напряженность электрического поля в среднем на 57-66 % (для подстанций 10/ 0,4 кВ) и на 53-70 % (для подстанций 20/0,4 кВ). По сравнению с ПДУ 5 кВ/м данное увеличение незначительно и составляет 0,8-1,6 %. Для подстанций 20/0,4 кВ по сравнению с подстанциями 10/0,4 кВ напряженность выше примерно в два раза, поскольку напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению. Из рис. 3 следует, что напряженность магнитного поля сильно зависит от мощности трансформаторного оборудования и увеличивается примерно в 10 раз при увеличении мощности от 250 до 2 500 кВА. Это связано с увеличением протекающего в цепи тока, прямо пропорционального напряженности магнитного поля. Для подстанций 20/0,4 кВ по сравнению с подстанциями 10/0,4 кВ напряженность магнитного поля ниже примерно в два раза, так как при одной и той же номинальной мощности трансформатора протекающий в цепи ток меньше в два раза. При использовании ТРНМ на ЦТП напряженность магнитного поля увеличивается не более чем на 41 %. Полученные значения напряженности магнитного поля не превышают ПДУ в 80 А/м. График изменения емкостного тока (рис. 4), проходящего через тело человека, аналогичен графику напряженности электрического поля, поскольку величина тока пропорциональна напряженности электрического поля. Величина тока через тело человека в рассмотренных случаях составляет 0,5-2,8 % от рекомендованного допустимого значения 50-60 мкА. Обсуждение результатов Мировой общественностью признано, что ЭМП техногенного происхождения является важным экологическим фактором с высокой степенью биологической активности, под влиянием которого протекает трудовая деятельность рабочих, связанных с обслуживанием электроустановок [8, 10, 21]. У людей, находящихся (в основном по долгу службы) в зоне облучения непрерывно, возникают изменения в структуре костного мозга в сторону увеличения скорости регенерации. Через 1-3 года у некоторых появляется чувство внутренней напряженности, суетливость. Нарушаются внимание и память. Возникают жалобы на малую эффективность сна и на утомляемость. Имеются также данные о возникновении психических расстройств у людей, в течение 5 лет и более систематически подвергавшихся облучению ЭМП с напряженностью, близкой к предельно допустимой. Результаты проведенных исследований показали, что расчетная величина напряженности магнитного поля ниже допустимой в два раза, а напряженность электрического поля меньше допустимого значения более чем в 30 раз. В работе [4] проведена качественная оценка влияния ЭМП промышленной частоты на живые организмы путем проведения лабораторного эксперимента с облучением кубинских тараканов. В качестве источника ЭМП использовался генератор, показатели плотности потока энергии которого соответствовали линии электропередач (ЛЭП) 220 кВ, что достигалось благодаря высокой магнитной составляющей. Электрическая же составляющая была гораздо ниже и соответствовала ЛЭП 10 кВ. Данный эксперимент позволял определить влияние именно магнитной составляющей на живые организмы. Несмотря на превышение численности рожденной молоди в опыте над контролем в абсолютных значениях почти в 2 раза, статистически значимых различий не выявлено. Следовательно, достоверного эффекта воздействия исследованного источника ЭМП на тараканов не было выявлено. Можно сделать вывод, что магнитное поле, создаваемое источниками ЭМП, играет меньшую роль в воздействии на живые организмы, чем электрическое. Для внедрения ЦТП в системы электроснабжения потребителей необходимо, чтобы экологическое воздействие оборудования на условия труда соответствовало действующим санитарным нормам и правилам [12]. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что наравне с существующими ТП цифровые трансформаторные подстанции не оказывают вредного воздействия на здоровье человека и не ухудшают условий труда обслуживающего персонала. Воздействие электромагнитного поля в несколько раз ниже нормативных значений. Кроме того, следует учесть, что обслуживающий персонал проводит ежедневный плановый осмотр электрооборудования ЦТП в течение 10-15 минут, в то время как предельно-допустимые уровни показателей ЭМП соответствуют 8-часовому пребыванию в зоне воздействия. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение

About the authors

E N Sosnina

Nizhny Novgorod State Technical University R.A. Alekseev

Nizhny Novgorod, Russia

O V Masleeva

Nizhny Novgorod State Technical University R.A. Alekseev

Nizhny Novgorod, Russia

R Sh Bedretdinov

Nizhny Novgorod State Technical University R.A. Alekseev

Email: rsb88@yandex.ru
Nizhny Novgorod, Russia

References

Supplementary files