Защита от постоянного магнитного поля

ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Величко Дмитрий Анатольевич,

к.т.н., ведущий инженер ЗАО Тестприбор

Аннотация. Рассмотрены влияния магнитных полей промышленной частоты на физиологию человека и электромагнитную совместимость радиотехнических средств, современные материалы и методы ослабления вредного влияния магнитных полей промышленной частоты, проведен сравнительный анализ применяемых ранее листовых и плитных кристаллических сплавов с современными аморфными и нанокристаллическими сплавами. Сделаны выводы о существенном превосходстве экранов из современных материалов.

Развитие электротехники и радиотехники, использование высоковольтных линий электропередач, широкое распространение средств связи и радиоэлектронных устройств вызвало существенный рост уровней электромагнитных полей (ЭМП). Установлено, что ЭМП, которые содержат как электрическую так и магнитную составляющую, вызывают помехи радиоэлектронным устройствам, сильно влияют на здоровье человека, во многих случаях опасны для жизни. В настоящее время области влияний ЭМП уже учитывают отдельно, разделяя их по ряду характеристик: по частотному диапазону электромагнитных волн – от сверхнизкочастотного (СНЧ) до сверхвысокочастотного (СВЧ), по компонентам поля – электрическая (ЭП) и магнитная (МП) компоненты ЭМП, по источникам излучения – линии электропередачи (ЛЭП), радиотехнические системы различного назначения, например, системы связи, радиолокационные, технологические и др., по уровню напряжения источника излучения – сверхвысокое напряжение (СВН) и по другим признакам. Можно отметить также, что средства массовой информации уделяют много внимания влиянию ЭМП на человека, например «магнитным бурям», которые по интенсивности воздействия часто уступают влиянию ЭМП промышленного города.

Методы и средства борьбы с вредным влиянием ЭМП на различные объекты естественного и антропогенного происхождения сильно отличаются. В России и во многих развитых странах эти методы и средства стандартизируются с учетом отличия физических свойств ЭМП. Введение стандартов свидетельствует о том огромном внимании, которое уделяет современное общество данному направлению научно-технического прогресса. В статье рассматривается и анализируется только небольшая область этого направления – современные способы защиты от МП промышленной частоты (ПЧ), сравниваются защитные свойства различных материалов, которые используются для ослабления воздействия ЭМП на объекты, многие из которых предназначены для работы или проживания человека.

Защита человека, его здоровье являются приоритетными темами современных исследований. Научное объяснение воздействия ЭМП на организм человека, на биообъекты, приведенное в [1,2], позволяет не только ознакомиться с современными взглядами на зависимости влияния магнитных полей на биомолекулы, но и получить оценки уровней МП, которые могут влиять на состояние живого организма. Следует отметить, что подобные исследования ведутся давно, первые обобщения влияния ЭМП на физиологию были сделаны в монографии [3], изданной еще в начале прошлого века. Исследования биологических воздействий постоянного МП, либо совместного действия МП и ЭМП продолжаются (см., например, [4]) и будут продолжаться, так как технические средства на основе ЭМП непрерывно совершенствуются. Результаты подобных исследований, проверенные практикой, лежат в основе современных стандартов, в которых обобщена информация о воздействии ЭМП.

В качестве примера в таблице 1 приведены ориентировочные данные по эффектам воздействия МП на здоровье человека в зависимости от плотностей тока.

Эффекты воздействия магнитного поля на здоровье человека

Эффекты воздействия магнитного поля

Минимальные эффекты, не представляющие опасности для человека

Выраженные эффекты – зрительные и со стороны нервной системы

Стимуляция возбудимых структур, возможно неблагоприятное влияние на здоровье

Возможны экстрасистолия, фибрилляция желудочков сердца (острое поражение)

Как видно из приведенных данных, диапазон воздействий магнитного поля на человека весьма широк. Следует отметить, что уровни воздействия поля необходимо правильно измерить, иначе легко выйти за пределы, которые определены нормативными документами и, ошибиться в необходимом уровне подавления поля. Согласно «Санитарно-эпидемиологическим требованиям» (СанПиН) допустимые уровни электромагнитного излучения промышленной частоты 50 Гц в жилых помещениях измеряются на расстоянии от 0,2 м от стен и окон, на высоте 0,5-1,8 м от пола и не должны превышать: для электрического поля 0,5 кВ/м, для магнитного 5 мкТл (4 А/м).

Анализ литературных данных, краткое перечисление и цитирование полученных результатов позволяют определить следующие задачи и условия проектирования. Защита от воздействия МП промышленной частоты должна работать при весьма отличающихся параметрах поля, при разных условиях, в которых находятся защищаемые объекты, при различных режимах воздействий и т.д. Это означает, что единый проект защиты на все существующие объекты реализовать невозможно, даже подбор требований и ограничений на защитные устройства является слишком сложной задачей, которая должна решаться для конкретных условий, в ряде случаев и с помощью компьютерного моделирования.

Рассмотрим результаты исследований по глубокому подавлению МП промышленной частоты за счет применения новых материалов и технологий. В последних работах, как правило, используется метод шунтирования. Экран выполняется из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, при этом линии магнитного поля концентрируются в стенках экрана, как показано на рис.1.

Как видно из принципа экранирования за счет шунтирования, основная функция – глубокое экранирование, обеспечивается качеством материала экрана, его конструкцией и технологией, которая обеспечивает шунтирование не только в цельных частях экрана, но и в местах соединения отдельных частей.

До недавнего времени в нашей стране для создания систем электромагнитной защиты с высоким коэффициентом экранирования применялись листовые (сталь) и плитные (пермаллой) кристаллические сплавы. При частотах МП менее 10 кГц обычные материалы не обеспечивали необходимую степень экранирования при приемлемых соотношениях толщины стенок к характерному размеру защищенной области. Поэтому использовались магнитомягкие сплавы, обладающие повышенной магнитной проницаемостью μ, которая прямо пропорциональна коэффициенту экранирования – степени подавления МП в защищенной области [5].

Необходимо подчеркнуть, что высокое значение магнитной проницаемости должно сохраняться и при механических воздействиях, неизбежно возникающих при монтаже экрана.

Рисунок 1 Шунтирование магнитного поля экраном

Такому требованию удовлетворяют только аморфные магнитомягкие сплавы [6]. Это подтверждается работами зарубежных исследователей, которые провели сравнение эффективностей экранирования, выполненного с помощью аморфных и кристаллических магнитомягких сплавов.

Толщина стального листа, обеспечивающего необходимую эффективность экранирования обычно более 3-х мм. Конструкция швов такого экрана должна обеспечивать надежный электрический контакт с низким переходным сопротивлением высокочастотным токам по периметру соединяемых деталей экрана. Для обеспечения этого требования соединение листов экрана производится герметичным швом электродуговой сварки в среде защитного газа (по ГОСТ 14771-76). При этом проводится обязательный контроль качества каждого шва, что делает довольно сложным изготовление входов в помещения, вентиляции и вводов коммуникаций. Кроме этого, например, магнитные свойства пермаллоя марки 79НМ после деформации на 10% снижаются почти в 18 раз.

В настоящее время при создании материалов для электромагнитной защиты от МП наибольшую ценность представляют быстрозакаленные металлические сплавы (аморфные и нанокристаллические).

Магнитные аморфные сплавы (ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса), наряду с высокой механической прочностью и коррозионной стойкостью характеризуются исключительной «мягкостью» магнитных свойств (низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость) – они могут легко намагничиваться и размагничиваться в слабых полях. В сочетании с высоким электрическим сопротивлением это приводит к низким значениям как магнитных, так и электрических потерь.

Магнитные аморфные сплавы позволяют, например, при экранировании силового кабеля снизить уровень магнитного поля в 10–500 раз, а при проведении сварочных работ ослабить внешнее магнитное поле внутри защитной одежды в 10-20 раз при внешнем поле до 1000 мкТл. Это позволяет обеспечивать выполнение требований СанПиН к снижению уровней электромагнитных полей в производственных условиях.

Аморфный сплав – это определенный вид прецизионного сплава. Он обладает целым комплексом физических и химических свойств, полезных для эффективного снижения МП. Одно из основных отличий аморфного сплава от электротехнической стали – отсутствие периодичности в расположении атомов. Эти сплавы отличаются от кристаллических сплавов большей устойчивостью к коррозии, они прочнее в несколько раз и имеют улучшенную электромагнитную характеристику. Путем химического подбора компонентов сплава и отладки метода его охлаждения достигается аморфное состояние металла. Скорость охлаждения превышает скорость кристаллизации за счет того, что готовый расплав выливается на диск, который вращается с большой скоростью. Как только расплав попадает на вращающийся диск, он резко охлаждается, имеет схожесть с аморфной структурой стекла и принимает форму ленты толщиной от 15 до 60 мкм. Магнитные и экранирующие свойства ленточных аморфных ферромагнитных материалов изучены в [7].

Рассматриваемым сплавам путем термомагнитной обработки придают специальные свойства: можно получить петлю гистерезиса определенной формы, сделать структуру частично кристаллизованной, аморфной или нанокристаллической.

В 1988 году инженерами фирмы Hitachi Metals впервые был разработан так называемый, нанокристаллический сплав. Наибольшую магнитную проницаемость и наименьшую коэрцитивную силу полоса с нанокристаллической структурой получает благодаря расположению кристаллитов диаметром от 10 до 20 нм по всей магнитопроводной ленте. Из-за относительно высокого удельного сопротивления (от 110 мкОм/см до 120 мкОм/см), и незначительной толщины ленты, появилась возможность добиться наименьшей коэрцитивной силы и наибольшей магнитной проницаемости. В таблице 2 приведены характеристики различных материалов [8,9] с целью сравнения.

Сравнительные характеристики аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов относительно традиционных

Изолятор для магнита и экранирование магнитного поля

Как сделать так, чтобы два магнита, находящиеся рядом друг с другом, не чувствовали присутствие друг друга? Какой материал нужно разместить между ними, чтобы силовые линии магнитного поля от одного магнита не достигали бы второго магнита?

Этот вопрос не такой тривиальный, как может показаться на первый взгляд. Нам нужно по настоящему изолировать два магнита. То есть, чтобы эти два магнита можно было по разному поворачивать и по разному перемещать их относительно друг друга и тем не менее, чтобы каждый из этих магнитов вёл себя так, как будто бы другого магнита рядом нет. Поэтому всякие фокусы с размещением рядом третьего магнита или ферромагнетика, для создания какой-то особой конфигурации магнитных полей с компенсацией всех магнитных полей в какой-то одной отдельно взятой точке, принципиально не проходят.

Диамагнетик.

Иногда ошибочно думают, что таким изолятором магнитного поля может служить диамагнетик. Но это не верно. Диамагнетик действительно ослабляет магнитное поле. Но он ослабляет магнитное поле только в толще самого диамагнетика, внутри диамагнетика. Из-за этого многие ошибочно думают, что если один или оба магнита замуровать в куске диамагнетика, то, якобы, их притяжение или их отталкивание ослабеет.

Но это не является решением проблемы. Во-первых, силовые линии одного магнита всё равно будут достигать другого магнита, то есть магнитное поле только уменьшается в толще диамагнетика, но не исчезает совсем. Во-вторых, если магниты замурованы в толще диамагнетика, то мы не можем их двигать и поворачивать относительно друг друга.

А если сделать из диамагнетика просто плоский экран, то этот экран будет пропускать сквозь себя магнитное поле. Причем, за этим экраном магнитное поле будет точно такое же, как если бы этого диамагнитного экрана не было бы вообще.

Это говорит о том, что даже замурованные в диамагнетик магниты не испытают на себе ослабления магнитного поля друг друга. В самом деле, ведь там, где находится замурованный магнит, прямо в объеме этого магнита диамагнетик попросту отсутствует. А раз там, где находится замурованный магнит, отсутствует диамагнетик, то значит, оба замурованных магнита на самом деле взаимодействуют друг с другом точно также, как если бы они не были замурованы в диамагнетике. Диамагнетик вокруг этих магнитов также бесполезен, как и плоский диамагнитный экран между магнитами.

Идеальный диамагнетик

Нам нужен такой материал, который бы, вообще, не пропускал через себя силовые линии магнитного поля. Нужно чтобы силовые линии магнитного поля выталкивались из такого материала. Если силовые линии магнитного поля проходят через материал, то, за экраном из такого материала, они полностью восстанавливают всю свою силу. Это следует из закона сохранения магнитного потока.

В диамагнетике ослабление внешнего магнитного поля происходит за счет наведенного внутреннего магнитного поля. Это наведенное магнитное поле создают круговые токи электронов внутри атомов. При включении внешнего магнитного поля, электроны в атомах должны начать двигаться вокруг силовых линий внешнего магнитного поля. Это наведенное круговое движение электронов в атомах и создает дополнительное магнитное поле, которое всегда направлено против внешнего магнитного поля. Поэтому суммарное магнитное поле в толще диамагнетика становится меньше, чем снаружи.

Но полной компенсации внешнего поля за счет наведенного внутреннего поля не происходит. Не хватает силы кругового тока в атомах диамагнетика, чтобы создать точно такое же магнитное поле, как внешнее магнитное поле. Поэтому в толще диамагнетика остаются силовые линии внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле, как бы, «пробивает» материал диамагнетика насквозь.

Единственный материал, который выталкивает из себя силовые линии магнитного поля, это сверхпроводник. В сверхпроводнике внешнее магнитное поле наводит такие круговые токи вокруг силовых линий внешнего поля, которые создают противоположно направленное магнитное поле в точности равное внешнему магнитному полю. В этом смысле сверхпроводник является идеальным диамагнетиком.

На поверхности сверхпроводника вектор напряженности магнитного поля всегда направлен вдоль этой поверхности по касательной к поверхности сверхпроводящего тела. На поверхности сверхпроводника вектор магнитного поля не имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности сверхпроводника. Поэтому силовые линии магнитного поля всегда огибают сверхпроводящее тело любой формы.

Огибание сверхпроводника линиями магнитного поля

Но это совсем не означает, что если между двумя магнитами поставить сверхпроводящий экран, то он решит поставленную задачу. Дело в том, что силовые линии магнитного поля магнита пойдут к другому магниту в обход экрана из сверхпроводника. Поэтому от плоского сверхпроводящего экрана будет только ослабление влияния магнитов друг на друга.

Это ослабление взаимодействия двух магнитов будет зависеть от того, на сколько увеличилась длина силовой линии, которая соединяет два магнита друг с другом. Чем больше длины соединяющих силовых линий, тем меньше взаимодействие двух магнитов друг с другом.

Это точно такой же эффект, как если увеличивать расстояние между магнитами без всякого сверхпроводящего экрана. Если увеличивать расстояние между магнитами, то длины силовых линий магнитного поля тоже увеличиваются.

Значит, для увеличения длин силовых линий, которые соединяют два магнита в обход сверхпроводящего экрана, нужно увеличивать размеры этого плоского экрана и по длине и по ширине. Это приведет к увеличению длин обходящих силовых линий. И чем больше размеры плоского экрана по сравнению с рассстоянием между магнитами, тем взаимодействие между магнитами становится меньше.

Взаимодействие между магнитами полностью исчезает только тогда, когда оба размера плоского сверхпроводящего экрана становятся бесконечными. Это аналог той ситуации, когда магниты развели на бесконечно большое расстояние, и поэтому длина соединяющих их силовых линий магнитного поля стала бесконечной.

Теоретически, это, конечно, полностью решает поставленную задачу. Но на практике мы не можем сделать сверхпроводящий плоский экран бесконечных размеров. Хотелось бы иметь такое решение, которое можно осуществить на практике в лаборатории или на производстве. (Про бытовые условия речи уже не идет, так как в быту невозможно сделать сверхпроводник.)

Разделение пространства сверхпроводником

По другому, плоский экран бесконечно больших размеров можно интерпретировать как разделитель всего трехмерного пространства на две части, которые не соединены друг с другом. Но пространство на две части может разделить не только плоский экран бесконечных размеров. Любая замкнутая поверхность делит пространство тоже на две части, на объем внутри замкнутой поверхности и объем вне замкнутой поверхности. Например, любая сфера делит пространство на две части: шар внутри сферы и всё, что снаружи.

Поэтому сверхпроводящая сфера является идеальным изолятором магнитного поля. Если поместить магнит в такую сверхпроводящую сферу, то никогда никакими приборами не удается обнаружить, есть ли внутри этой сферы магнит или его там нет.

И, наоборот, если Вас поместить внутрь такой сферы, то на Вас не будут действовать внешние магнитные поля. Например, магнитное поле Земли невозможно будет обнаружить внутри такой сверхпроводящей сферы никакими приборами. Внутри такой сверхпроводящей сферы можно будет обнаружить только магнитное поле от тех магнитов, которые будут находиться тоже внутри этой сферы.

Таким образом, чтобы два магнита не взаимодействовали друг с другом надо один из этих магнитов поместить во внутрь сверхпроводящей сферы, а второй оставить снаружи. Тогда магнитное поле первого магнита будет полностью сконцентрировано внутри сферы и не выйдет за пределы этой сферы. Поэтому второй магнит не почувствует привутствие первого. Точно также магнитное поле второго магнита не сможет залезть во внутрь сверхпроводящей сферы. И поэтому первый магнит не почувствует близкое присутствие второго магнита.

Наконец, оба магнита мы можем как угодно поворачивать и перемещать друг относительно друга. Правда первый магнит ограничен в своих перемещениях радиусом сверхпроводящей сферы. Но это только так кажется. На самом деле взаимодействие двух магнитов зависит только лишь от их относительного расположения и их поворотов вокруг центра тяжести соответствующего магнита. Поэтому достаточно разместить центр тяжести первого магнита в центре сферы и туда же в центр сферы поместить начало координат. Все возможные варианты расположения магнитов будут определяться только всеми возможными вариантами расположения второго магнита относительно первого магнита и их углами поворотов вокруг их центров масс.

Разумеется вместо сферы можно взять любую другую форму поверхности, например, эллипсоид или поверхность в виде коробки и т.п. Лишь бы она делила пространство на две части. То есть в этой поверхности не должно быть дырочки, через которую может пролезть силовая линия, которая соединит внутренний и внешний магниты.

Электронная библиотека

При несоответствии требованиям норм (в зависимости от характера выполняе­мых работ и уровня напряженности магнитного поля) для защиты от воздействия магнитных полей применяют практически такие же мероприятия, способы и средства, как и при защите от воздействия электрических полей:

– защита временем и рассто­янием;

– уменьшение параметров излучения непосред­ственно в самом источнике излучения;

– экранирование источника излучения;

– экранирование рабочего места;

– рациональное размещение установок в рабочем помеще­нии;

– установление рациональных режимов эксплуата­ции установок и работы обслуживающего персонала;

– применение предупреждающей сигнализации;

– выделение зон излучения;

– применение средств индивидуальной защиты.

Кратко остановимся на характеристике некоторых способов защиты. Так, в качестве организационных мероприятий, позволяющих уменьшить неблагоприятное действие постоянного магнитного поля, можно считать выполнение следующих требований:

– ограничение непосредственного контакта рук персонала с намагниченными изделиями путем использования манипуляторов, щипцов, прокладок из немагнитных материалов;

– введение и выведение изделий из электромагнитов следует осуществлять при обесточенном электромагните либо с использованием указанных приспособлений;

– осуществление намагничивания изделий на последней стадии технологического процесса;

– хранение и перенос магнитных изделий в толстостенной таре из немагнитных материалов или приспособлениях и устройствах, замыкающих магнитный поток;

– использование на участках технических испытаний изделий автоматических устройств для измерения физических параметров магнитов и магнитных материалов.

При разработке и эксплуатации технологических установок постоянного тока, создающих постоянное магнитное поле в большом объеме рабочего пространства, необходимо обеспечивать дистанционное управление технологическим процессом. Пульты управления установками должны быть вынесены за пределы зоны, в которой уровни магнитного поля превышают ПДУ с учетом времени действия.

Участки производственной среды с уровнями МП, превышающими ПДУ, следует обозначить специальными предупреждающими знаками, выполненными в соответствии с ГОСТ Р 12.4.026-2001 «ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности», с поясняющей надписью: «Осторожно! Магнитные поля» [16].

Для предупреждения неблагоприятного действия постоянного магнитного поля (ПМП) на руки работающих в производстве изделий электронной техники требуется осуществление следующих мероприятий:

– увеличить габариты кожухов на магнитных установках, предотвращающих контакты рук работающих с ПМП;

– внедрить сквозные технологические кассеты на участках сборки, исключающие воздействие ПМП на руки работающих;

– внедрить специальные приспособления дистанционного принципа действия для захвата приборов в магнитном поле и манипуляций.

Технологические установки постоянного тока следует размещать на таком расстоянии друг от друга, чтобы персонал, занятый на одном рабочем месте, не попадал в зону действия ПМП от другого источника.

При организации рабочих мест (рабочих зон) следует осуществлять и такие организационные мероприятия по снижению воздействия ПМП на организм человека, как выбор рационального режима труда и отдыха, сокращение времени нахождения в условиях действия ПМП, определение маршрута движения в рабочей зоне, ограничивающего контакт с ПМП.

Заметим, что кроме защиты временем, расстоянием и указанных выше мероприятий, наиболее действенной технической мерой для защиты от магнитного поля является экранирование. Экранирование от постоянных магнитных полей осуществляется посредством того, что для защиты человека или какого-либо оборудования от влияния посторонних магнитных полей их окружают массивными замкнутыми оболочками из ферромагнитного материала. Такие оболочки и называют магнитными экранами. Поле внутри экрана оказывается ослабленным по сравнению с внешним полем.

Например, для экрана в форме полого шара с радиусами R₁ и R₂ (рис. 3.22) и с абсолютной магнитной проницаемостью стенок m, помещенного во внешнее однородное поле с индукцией В, магнитная индукция В в полости экрана равна [45]:

Например, если R₁ = 0.8R₂ и m = 400, то В = 0.023В. Следовательно, напряженность поля внутри экрана составляет 2 % от напряженности внешнего поля.

В случае экрана, выполненного в форме цилиндра с радиусами R₁ и R₂, значение магнитной индукции в средней части экрана при больших значениях магнитной проницаемости стали, из которой изготовлен экран (m >> m), можно определить с помощью следующего выражения:

Здесь d – толщина стенки экрана (d = R₂ – R₁).

Экранирующее действие экранов из ферромагнитного вещества определяется тем, что линии магнитной индукции внешнего поля, стремясь пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, сгущаются внутри стенок экрана, почти не проникая в его полость. Точно также можно защитить внешнее пространство от воздействия магнитного поля, если

источник поля окружить массивной замкнутой оболочкой из ферромагнитного материала Нередко применяют многоступенчатые экраны в виде нескольких полых ферромагнитных тел, расположенных одно внутри другого.

Принцип действия экранов, которые применяются для защиты от воздействия магнитных полей промышленной частоты, будет рассмотрен ниже. Здесь только отметим, что физически экранирующее действие таких экранов объясняется не только тем, что магнитное сопротивление стенок экрана много меньше магнитного сопротивление воздуха, но и возникновением вихревых токов в стенках экрана, которые создают свое магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, и тем самым ослабляют его. Поэтому в данном случае важна не только величина магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен экран, но и его удельная проводимость.

Отметим, что экранирующие устройства, предназначенные для защиты от магнитных полей, являются также хорошими защитными средствами (при их заземлении) и от электрических полей. Однако те экранирующие устройства, которые предназначены для защиты от электрических полей и толщина стенок которых определяется в основном из соображений механической прочности, могут оказаться малоэффективными при защите от магнитных полей, особенно, если эти поля являются постоянными.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00