Электромагнитные поля в закрытой подстанции 110/10кВ

С. М. Коробейников, М. Г. Пврсова, А. Д. Коробенков, ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
В современных условиях наблюдается все возрастающий дефицит мест для размещения электроэнергетического оборудования высокого напряжения с точки зрения его отдаления от мест постоянного и непостоянного пребывания человека. Для функционирования электроэнергетических систем все чаще применяются подстанции высокого напряжения в закрытом исполнении. С одной стороны, это приводит к концентрации на небольших площадях высоковольтного электроэнергетического оборудования, которое может служить сильным источником электромагнитных полей (ЭМП), с другой - оперативный персонал, обслуживающий такое оборудование, подвержен большему влиянию ЭМП в связи с уменьшением расстояний в помещениях и близким расположением разных видов электрооборудования по отношению друг к другу.
Защита от ЭМП чаще всего производится путем экранирования помещений. В проблеме определения соответствия помещения нормам безопасности для работников подстанции наиболее сложной частью является оценка полей промышленной частоты и их соответствия нормам. Для этого были произведены компьютерные расчеты полей и сопоставлены с допустимыми уровнями по СанПиН 2.2.4.1191-03 и ГОСТ 12.1.002-84 [1, 2].
Целью расчетов были определение соответствия помещений подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ закрытого исполнения нормам безопасности и разработка рекомендаций по достижению соответствия.
Расчет трехмерных электрических и магнитных полей в сложных объектах является трудоемкой задачей. Ее решение проводилось путем компьютерного моделирования с помощью пакета прикладных программ «ТЕГМА». В расчетах пренебрегалось диэлектрической проницаемостью плит перекрытия и стен, так как это, на наш взгляд, практически не изменит значения напряженности полей в помещении. Кроме того, пренебрегалось электропроводностью этих материалов (за исключением экранов и решетки плит перекрытия). На самом деле, наличие ненулевой электропроводности должно приводить к дополнительному ослаблению полей, по сравнению с расчетной.
Расчеты магнитных полей показали, что напряженность магнитного поля (НМП) в помещении диспетчерской не превысит 10 А/м (в случае неэкранированного помещения напряженность поля, даже на уровне пола, не превышает 50 А/м).
При расчетах ЭМП рассматривался в основном случай протекания тока по одной фазе, т. е. была получена оценка «сверху», когда реальная напряженность поля всегда меньше, чем расчетная. В расчете электрического поля моделировалось несколько наиболее опасных случаев.
Электрическое ноле в экранированном помещении диспетчерской с открытой дверью от провода под полом. Помещение диспетчерской подстанции находится над помещением закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 110 кВ, три фазных провода проходят под полом на расстоянии 1,1 м от уровня пола.

Рис. 1. Распределение модуля напряженности электрического поля (В/м) в вертикальном сечении вблизи открытой двери
Во втором случае потенциально опасная ситуация была выявлена в коридоре третьего этажа. Электрическое поле рассчитывалось для двух проводов диаметром 20,8 мм большой длины, напряжение между которыми 190 кВ (линейное напряжение). Расстояние между проводами составляет 1,6 м, высота над поверхностью земли 11 м (1,1 м до пола в коридоре). Незаземленные решетки перекрытия моделировались двумя металлическими плитами шириной 1,5 м большой длины на высоте 12 м от земли. Зазор между плитами составлял 10 см. Эквипотенциали электрического поля для рассматриваемой модели приведены на рис. 2.

Рис. 2. Эквипотенциали электрического поля в перпендикулярном проводам вертикальном сечении
Электрическое поле от двух проводов, находящихся под незаземленными плитами перекрытия. Проникновение электрического поля сквозь решетку окна в экранированном помещении диспетчерской. В помещении диспетчерской (первый случай) было выявлено одно потенциально опасное место, связанное с наличием двери (до 6 кВ/м на высоте 0,5 м от пола возле двери). При этом проблема возникла вследствие близкого расположения заземленного экрана и металлической решетки пиит перекрытия. Эта решетка способствует выравниванию потенциала от провода, расположенного под ней. Разница потенциалов решетки и экрана определяет возникновение высокой напряженности поля в этой области (рис. 1).
На уровне пола между плитами перекрытий возможно возникновение значительной напряженности электрического поля, вплоть до 100 кВ/м. Напряженность быстро уменьшается по мере увеличения расстояния от пола, становясь допустимой (5 кВ/м) на уровне 60 см от уровня плит.
В третьем случае расчет позволил оценить, насколько поле может проникнуть сквозь решетку окна помещения диспетчерской, все стены и пол которого считались экранированными заземленными листами металла. Расчетная напряженность электрического поля нигде не превысила опасных значений. Если бы в помещении потолок был экранирован, то электрическое поле, проникающее через окно, затухло бы на расстоянии 10 см от окна. Отсутствие экрана сверху приводит к существованию незначительной напряженности во всей комнате, составляющей примерно 500 В/м.
По результатам расчетов были предложены рекомендации по устранению сильных ЭМП в помещениях третьего этажа здания подстанции. Стены и пол, непосредственно граничащие с токоведущими частями, были экранированы с помощью заземленной металлической сетки с размером ячейки 100 χ 100 мм, диаметром 4 мм.
При измерениях ЭМП 50 Гц на закрытой подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ было установлено, что в помещениях с постоянным пребыванием людей напряженность электрического и магнитного полей промышленной частоты не превышает предельно допустимых уровней. Это связано с качественным экранированием помещений с постоянным нахождением оперативного персонала подстанции. Однако измеренные уровни магнитных полей могут увеличиться с учетом максимальной мощности электрооборудования, так как токи, протекающие через фазные провода и шины подстанции, в момент измерения были значительно ниже номинальных.
На рис. 3 представлен эскиз помещения диспетчерской с указанием точек измерения напряженности ЭМП 50 Гц, а в табл. 1,2- результаты измерений.

Рис. 3. Помещение диспетчерской подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ: 1-13 - точки измерения напряженности электрического и магнитного поля; А, В, С - фазные провода (шины), проходящие под полом помещения; Ρ - трехполюсный разъединитель 110 кВ; РМ - рабочее место диспетчера
Таблица 1
Результаты измерений электрического поля 50 Гц в помещении диспетчерской подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ

Путем непосредственных измерений установлено, что максимальный уровень НМП в диспетчерской составляет 1,3 АУм вблизи пола у входа в помещение, на рабочих местах диспетчеров - 0,2 АУм; в оконных проемах при расстоянии до фазных проводов воздушной линии электропередачи (BЛ), находящихся под окнами, не более 3 м - 0,74 АУм.
Об эффективности экранирования помещения диспетчерской говорит некоторое увеличение напряженности магнитного и особенно электрического поля в неэкранированном оконном проеме по сравнению с экранированными, хотя он находится значительно дальше от фазных проводов BЛ. Этот оконный проем расположен возле угла здания в наружной стене, которая непосредственно не граничит с токоведущими частями и находится на расстоянии более 7 м от места ввода крайней фазы BЛ в РУ (точка № 3 на рис. 3). Максимальное значение НМП в данном проеме составило 0,14 АУм (хотя максимально в помещении вблизи фазных проводов - 0,22 АУм, в среднем по диспетчерской - не более 0,01 АУм). Значение напряженности электрического поля в этом неэкранированном оконном проеме оказалось максимальным для всего помещения и составило 0,04 кВ/м.
При измерении в помещении диспетчерской электрического поля значения 0,015 и 0,024 кВ/м получены в оконных проемах при расстоянии до фазных проводов BЛ, находящихся под окнами, не более 3 м. На рабочих местах диспетчеров напряженность электрического поля не более 0,002 кВ/м, вблизи пола у входа в помещение - 0,001 кВ/м.
Таблица 2
Результаты измерений магнитного поля 50 Гц в помещении диспетчерской подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ

Измеренное значение электрического поля в месте входа в диспетчерскую больше на высоте 1,5 м (см. табл. 1), максимальный уровень ИМИ в диспетчерской составляет 1,3 АУм вблизи пола у входа в помещение (см. табл. 2). Такое распределение уровней ЭМП может быть связано со следующим.
Во-первых, компьютерным моделированием ЭМП установлено, что в данном месте, в полу третьего этажа, возможно возникновение высокой напряженности электрического поля из-за наведения потенциалов на решетке плит перекрытия вследствие близкого расположения заземленного экрана и металлической решетки плит перекрытия.
Во-вторых, немногим далее, в коридоре, в полу третьего этажа, существует зазор около 10 см между плитами перекрытия. Расчетом было определено (случай 2), что в данном месте возможно возникновение очень высокого уровня электрического поля из-за появления наведенных потенциалов на незаземленной решетке плит перекрытия. В связи с проблемой наведенных потенциалов было выполнено экранирование плит перекрытий.
В-третьих, вблизи выхода из диспетчерской на высоте около 1,5 м в стенах размещается электропроводка помещения. Поэтому наибольший уровень электрического поля на высоте 1,5 м может быть связан с близостью электропроводки, а низкий уровень на высоте 0,5 м от пола помещения - с высокой эффективностью экранирования плит перекрытия. Повышенный же уровень магнитного поля вблизи входа в диспетчерскую, вероятно, связан со второй и особенно с первой причиной, поскольку магнитное поле гораздо хуже поддается экранированию, чем электрическое.

Таким образом, на постоянных рабочих местах уровни ЭМП значительно ниже значений ПДУ для пребывания производственного персонала в течение 8 ч, равных 80 А/м и 5 кВ/м [1, 2], а на рабочих местах диспетчеров даже соответствуют СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы». В коридорах, раздевалке, других помещениях с частым пребыванием работников НМП не превысила 2 А/м, напряженность электрического поля 0,006 кВ/м. В помещении релейного щита возле оперативных панелей максимальная напряженность магнитного и электрического поля составила 3,91 А/м и 0,047 кВ/м соответственно. Уровень магнитного поля в данном помещении значительно ниже ПДУ для человека, однако для чувствительных технических средств он соответствует только третьей степени жесткости испытаний на устойчивость к магнитному полю промышленной частоты (вторая степень интенсивности электромагнитной помехи) [4, 5].
При пересчете на номинальный рабочий ток силовых трансформаторов максимально возможный уровень магнитного поля в помещениях с постоянным или частым пребыванием оперативного персонала подстанции не превысит 15 А/м, так как в этом случае по проводам будет протекать ток, значение которого в пять раз больше измеренного.
В помещении ЗРУ 110 кВ напряженность электрического поля составила 3,5 кВ/м непосредственно возле спуска токоведущих шин к трехполюсному разъединителю 110 кВ (в этой точке был зафиксирован максимальный уровень напряженности электрического поля при пуске подстанции в эксплуатацию - 4,9 кВ/м), НМП - 2 А/м. Уровни электрического и магнитного поля не превысили соответственно 1,5 кВ/м и 2 А/м в проходе к системам шин; 1 кВ/м и 0,5 А/м - у входа в ЗРУ 110 кВ.

Рис. 4. Помещение ЗРУ 10 кВ подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ: 1 10 точки измерения напряженности электрического и магнитного поля; Ρ - реактор токоограничивающий бетонный сдвоенный; Я - ячейки РУ 10 кВ
В помещении ЗРУ 10 кВ максимальная напряженность электрического поля составила 0,1 кВ/м, т. е. уровни электрического поля в помещении значительно ниже предельно допустимого. Результаты измерений магнитного поля в помещении ЗРУ 10 кВ подстанции представлены на рис. 4 и в табл. 3.

Максимальная напряженность магнитного поля вблизи одного из двух сдвоенных бетонных токоограничивающих реакторов, установленных за ограждением в иидс металлической сетки, составила 147 АУм на высоте 1,8 м от уровня пола. Это выше ПДУ 80 АУм, однако ниже ПДУ 400 АУм для пребывания в течение 4 ч. В проходе у второго реактора зафиксировано только 85 АУм, что связано с протеканием большего тока в первом реакторе (1 РБ - 300 А, 2 РБ - 144 А). При удалении от реакторов, в проходах между ячейками РУ, в основном уровень магнитного поля не превышает 20 АУм. Лишь в ближайшем к реакторам проходе в одной точке напряженность магнитного поля составила 82 АУм, что связано с прохождением сверху в этом месте шинного моста. У входа в ЗРУ 10 кВ НМП равна 1,9 АУм.
При пересчете на номинальный рабочий ток бетонных реакторов максимально возможный уровень магнитного поля может значительно увеличиться, так как по фазам реактора будет протекать ток, значение которого в 10,5 раза больше измеренного. В точке с максимальным измеренным уровнем НМП может достигнуть 1543 АУм.
Таблица S
Результаты измерений магнитного поля 50 Гц в помещении закрытого распределительного устройства 10 кВ подстанции «Олимпийская» 110/10 кВ

Согласно СанПиН 2.2.4.1191-03 при такой НМП допускается нахождение персонала не более 1,1 ч за смену. Однако в документе [1] не учитывается возможность совместного воздействия на здоровье человека ЭМП широкого диапазона частот. Соотношения по учету такого влияния даны в рекомендациях Европейского союза [3].
Для учета электрических эффектов, существенных до 10 МГц, в данных рекомендациях применяется следующее требование для ограничения уровней магнитных полей:

где Hj - НМП на частоте у; II Lj - предельно допустимый уровень НМП на частоте j;b = 5 АУм (6,25 мкТл).
Используя данное соотношение и полученные максимальные значения, можно сказать, что НМП диапазона частот 150 кГц - 10 МГц не должна превышать 0,17 А/м (при 1543 АУм на частоте 50 Гц) и 3,2 АУм (при 147 АУм на частоте 50 Гц). Это ниже предельно допустимого уровня согласно СанПиН 2.2.4.1191-03 (50 АУм для частот 30 кГц - 3 МГц) соответственно почти в 300 и 16 раз. В условиях близости ЗРУ 10 кВ к помещениям релейного щита и ЗРУ 110 кВ указанная напряженность вряд ли будет соблюдаться. При использовании проводов как каналов высокочастотной связи для передачи сигналов релейной защиты и противоаварийной автоматики, сигналов телемеханики и другой информации могут генерироваться ЭМП в диапазоне частот 32 кГц - 1 МГц. Поэтому с учетом совокупного воздействия ЭМП разных частот и измеренных уровней вредное воздействие магнитного поля на здоровье оперативного и ремонтного персонала в ЗРУ 10 кВ может быть значительным.
Согласно СанПиН 2.2.4.1191-03 при необходимости пребывания персонала в зонах с различной напряженностью магнитного поля общее время выполнения работ в этих зонах не должно превышать предельно допустимое для зоны с максимальной напряженностью, а измеренные значения должны пересчитываться на максимальный рабочий ток. Исходя из требований санитарного законодательства, следует предусматривать следующие меры для обеспечения безопасности работников подстанции.
При проведении работ в ЗРУ 10 кВ время пребывания работников в помещении необходимо ограничить до 1,1ч.
В случае более длительного нахождения оперативного и ремонтного персонала в ЗРУ 10 кВ необходимо осуществлять контроль уровня магнитного поля для определения допустимого времени пребывания.
Также можно установить ограждение токоограничивающих реакторов на более дальнем от них расстоянии, так как с увеличением расстояния от реакторов НМП значительно снижается. Поскольку основные работы в ЗРУ ведутся на ячейках 10 кВ, где НМП значительно ниже, то с увеличением расстояния от проходов до реакторов будет обеспечена защита работников от очень высоких уровней магнитного поля.
Согласно п. 4.2.88 ПУЭ [6] «неизолированные токоведущие части должны быть защищены от случайных прикосновений (помещены в камеры, ограждены сетками и т. п.)». Для защиты от воздействия магнитного поля токоограничивающих реакторов можно рекомендовать дополнить п. 4.2.88 ПУЭ следующим требованием: «Ограждения бетонных токоограничивающих реакторов на напряжение 10 кВ и выше должны устанавливаться (со стороны проходов обслуживающего персонала) на расстоянии не менее 2 м от ближайшей катушки реактора». Согласно [7] на расстоянии 6 м от оси крайнего реактора при протекании в нормальном режиме работы тока в 5 кА (максимального из рассмотренных), как правило, напряженность магнитного поля не превышает 80 АУм.
В проекте ОАО «ФСК ЕЭС» [7] также не предусматриваются какие-либо мероприятия по снижению уровней магнитных полей токоограничивающих реакторов для работников, которые могут находиться в непосредственной близости от реакторов (например, при ремонтных работах в ЗРУ). Согласно п. 7.5 «для диспетчерских помещений, где персонал может находиться более 8 часов, допустимое расстояние от реакторов может составлять от 10 м до 15 м и более». В целях предупреждения вредного воздействия высоких уровней магнитного поля токоограничивающих реакторов не только на диспетчерский персонал подстанций, но и на оперативный и ремонтный персонал, ограниченное время находящийся вблизи реакторов, указанное выше дополнение к ПУЭ необходимо включить в п. 7.5 этого документа.
В данном случае для помещений с постоянным пребыванием оперативного персонала экранирование на основе расчета ЭМП оказалось достаточно эффективным, дополнительных мероприятий по защите персонала не требуется. Выявлено, что значительное влияние на уровни ЭМП в помещениях подстанций могут оказывать наведенные потенциалы на незаземленных металлоконструкциях зданий. Это нужно учитывать при проектировании и строительстве подстанций высокого напряжения, особенно закрытого исполнения.

1. СанПиН 2.2.4.1191-03. Электромагнитные поля в производственных условиях [Электронный ресурс]: Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 19 февраля 2003 г. № 10. Доступ из справ.-правовой системы «Кодекс».
2. ГОСТ 12.1.002-84 ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах [Электронный ресурс]: Постановление Государственного комитета СССР по стандартам от 5 декабря 1984 г. № 4103. Доступ из справочно-правовой системы «Кодекс».
3. Council Recommendation (1999/519/ЕС) of 12 July 1999 on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz) // Official J. of the European Communities 30.07.1999: L199/59-L199/70.
4. ГОСТ 50648-94 (МЭК 1000-4-8-93). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний [Электронный ресурс]: Постановление Госстандарта России от 3 марта 1994 г. № 51. Доступ из справочно-правовой системы «Кодекс».
5. ГОСТ Ρ 51317.2.5-2000 (МЭК 61000-2-5-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств [Электронный ресурс]: Постановление Госстандарта России от 13 декабря 2000 г. № 352-ст. Доступ из справочно-правовой системы «Кодекс».
6. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 4.2. Распределительные устройства и подстанции напряжением выше 1 кВ (Издание седьмое) [Электронный ресурс]: Приказ Минэнерго России от 20 июня 2003 г № 242. Доступ из справочно-правовой системы «Кодекс».
7. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на электросетевых объектах ЕНЭС - стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» (проект, 2-я редакция, 2008 г.).