Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)

Розроблено метод чисельного моделювання процесу електромагнітного екранування магнітного поля підземних кабельних ліній електропередачі. За допомогою цього методу досліджено екранувальні властивості різноманітних незамкнених електромагнітних екранів, що складаються з кількох тонкостінних плоских а...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
1. Verfasser:	Грінченко, В.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2014
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Молоді вчені
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69868
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.) / В.С. Грінченко // Вісн. НАН України. — 2014. — № 8. — С. 71-75. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-69868
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-698682014-10-24T03:01:50Z Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.) Грінченко, В.С. Молоді вчені Розроблено метод чисельного моделювання процесу електромагнітного екранування магнітного поля підземних кабельних ліній електропередачі. За допомогою цього методу досліджено екранувальні властивості різноманітних незамкнених електромагнітних екранів, що складаються з кількох тонкостінних плоских або U-подібних електропровідних елементів. Запропоновано нову конструкцію екрана з двох U-подібних електропровідних елементів, яка дозволяє приблизно на 20 % збільшити ефективність екранування магнітного поля кабельної лінії порівняно з відомими електромагнітними екранами еквівалентної металомісткості. Досліджено можливість зниження магнітного поля кабельних ліній електропередачі завдяки використанню власних екранів високовольтних кабелів. Разработан метод численного моделирования процесса электромагнитного экранирования магнитного поля подземных кабельных линий электропередачи. При помощи этого метода исследованы экранирующие свойства различных незамкнутых электромагнитных экранов, состоящих из нескольких тонкостенных плоских или U-образных проводящих элементов. Предложена новая конструкция экрана из двух U-образных проводящих элементов, которая позволяет примерно на 20% увеличить эффективность экранирования магнитного поля кабельной линии по сравнению с известными электромагнитными экранами эквивалентной металлоемкости. Исследована возможность снижения магнитного поля кабельных линий электропередачи за счет использования собственных экранов высоковольтных кабелей. A method of numerical simulation of electromagnetic shielding of underground high-voltage power cables magnetic field is developed. The screening properties of various unclosed electromagnetic shields, comprising several flat or U-shaped conductive elements, are explored. A new shield of two U-shaped conductive elements is designed. The magnetic field screening efficiency of the designed shield is about 20% higher than the screening efficiency of known electromagnetic shields with the equal specific quantity of metal. The possibility of the cable lines magnetic field reducing through the use of the own high-voltage cables shields is explored. 2014 Article Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.) / В.С. Грінченко // Вісн. НАН України. — 2014. — № 8. — С. 71-75. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69868 621.3.013 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Грінченко, В.С. Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.) Вісник НАН України
description	Розроблено метод чисельного моделювання процесу електромагнітного екранування магнітного поля підземних кабельних ліній електропередачі. За допомогою цього методу досліджено екранувальні властивості різноманітних незамкнених електромагнітних екранів, що складаються з кількох тонкостінних плоских або U-подібних електропровідних елементів. Запропоновано нову конструкцію екрана з двох U-подібних електропровідних елементів, яка дозволяє приблизно на 20 % збільшити ефективність екранування магнітного поля кабельної лінії порівняно з відомими електромагнітними екранами еквівалентної металомісткості. Досліджено можливість зниження магнітного поля кабельних ліній електропередачі завдяки використанню власних екранів високовольтних кабелів.
format	Article
author	Грінченко, В.С.
author_facet	Грінченко, В.С.
author_sort	Грінченко, В.С.
title	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)
title_short	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)
title_full	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)
title_fullStr	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)
title_full_unstemmed	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.)
title_sort	підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 7 травня 2014 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Молоді вчені
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/69868
citation_txt	Підвищення ефективності екранування техногенного магнітного поля високовольтних кабельних ліній (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 р.) / В.С. Грінченко // Вісн. НАН України. — 2014. — № 8. — С. 71-75. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT grínčenkovs pídviŝennâefektivnostíekranuvannâtehnogennogomagnítnogopolâvisokovolʹtnihkabelʹnihlíníjzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni7travnâ2014r
first_indexed	2025-07-05T19:17:40Z
last_indexed	2025-07-05T19:17:40Z
_version_	1836835731680526336
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 71 ГРІНЧЕНКО Володимир Сергійович — кандидат технічних наук, науковий співробітник Державної установи «Інститут технічних проблем магнетизму НАН України», vsgrinchenko@gmail.com ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕКРАНУВАННЯ ТЕХНОГЕННОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ ВИСОКОВОЛЬТНИХ КАБЕЛЬНИХ ЛІНІЙ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 7 травня 2014 року Розроблено метод чисельного моделювання процесу електромагнітного екранування магнітного поля підземних кабельних ліній електропередачі. За допомогою цього методу досліджено екранувальні властивості різнома- нітних незамкнених електромагнітних екранів, що складаються з кількох тонкостінних плоских або U-подібних електропровідних елементів. Запро- поновано нову конструкцію екрана з двох U-подібних електропровідних елементів, яка дозволяє приблизно на 20 % збільшити ефективність екра- нування магнітного поля кабельної лінії порівняно з відомими електромаг- нітними екранами еквівалентної металомісткості. Досліджено можли- вість зниження магнітного поля кабельних ліній електропередачі завдяки використанню власних екранів високовольтних кабелів. Ключові слова: електромагнітне екранування, підземна кабельна лінія, U-подібний екран, чисельне моделювання. Вступ Магнітне поле промислової частоти є техногенним фактором навколишнього середовища. Одним із його джерел є лінії елек- тропередачі (ЛЕП). Сьогодні в Україні довжина високоволь- тних повітряних ЛЕП, розташованих у зонах житлової забу- дови, вимірюється тисячами кілометрів. Результати медико- статистичних досліджень переконливо свідчать, що створюва- не ними магнітне поле промислової частоти негативно впливає на здоров’я населення: дія низькочастотного магнітного поля спричинює зміни в гематологічних параметрах крові та імун- ному статусі людини, негативно позначається на репродук- тивній, центральній нервовій та серцево-судинній системах, а МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ УДК 621.3.013 72 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 МОЛОДІ ВЧЕНІ кілоамперів (рис. 2). Кабельні лінії електропе- редачі, на відміну від традиційних повітряних ЛЕП, створюють на порядок менше магнітне поле. Крім того, вони не потребують відчужен- ня значних земельних ділянок, вартість яких постійно зростає. Проте величина магнітної індукції кабельних ліній може перевищувати гранично допустимий санітарний рівень, що спричинює необхідність вживати заходів щодо її зменшення. Найпоширенішим методом зниження рівня магнітного поля високовольтних кабельних лі- ній є електромагнітне екранування. Принцип дії електромагнітного екрана такий. Під дією первинного магнітного поля (у нашому випад- ку поля кабельної лінії) у стінках екрана, який виготовляють з матеріалу з високою електро- провідністю, індукуються струми провіднос- ті. Індуковані струми створюють протилежно спрямоване вторинне поле, яке й компенсує первинне магнітне поле. Тому електромагнітні екрани виготовляють переважно з алюмінію, оскільки він має високу питому електропро- відність за відносно невеликої вартості. В Україні процес заміни повітряних ЛЕП на підземні кабельні лінії тільки-но розпочався, тоді як у провідних країнах світу вони вже на- були значного поширення. Тому проблемі нор- малізації магнітного поля кабельних ліній при- свячено досить багато закордонних публікацій. Аналіз даних літератури свідчить, що для зни- ження магнітного поля підземних кабельних лі- ній найчастіше застосовують плоскі, U-подібні та L-подібні електромагнітні екрани. Для опи- су їх екранувальних властивостей використо- вують поняття ефективності екранування, яке визначається як відношення діючого значен- ня магнітної індукції в точці спостереження без застосування екрана до діючого значення магнітної індукції в разі використання екрана. Плоскі екрани є конструктивно простими, од- нак вони мають відносно малу ефективність екранування. Найбільша ефективність екра- нування досягається незамкненими екрана- ми U-подібної конструкції. Інші конфігурації електромагнітних екранів (H-, V-, W-подібні) не набули значного поширення, оскільки вони також на біоелектричній активності головного мозку. Унаслідок цього більшість країн світу, в тому числі й Україна, запроваджують деда- лі жорсткіші санітарні норми щодо гранично допустимого рівня магнітної індукції низько- частотного поля. Так, нові санітарні нормати- ви України передбачають обмеження до рівня 10 мкТл діючого значення магнітної індукції поля частотою 50 Гц у зоні житлової забудови. Сьогодні найперспективнішим засобом пе- редавання електричної енергії в житлових зо- нах є підземні високовольтні кабелі з ізоляцією зі зшитого поліетилену. Основні конструктив- ні елементи таких кабелів наведено на рис. 1. Типова трифазна кабельна лінія електропере- дачі складається з трьох однофазних високо- вольтних кабелів з робочим струмом у кілька Рис. 1. Основні конструктивні елементи силового кабелю на номінальну змінну напругу 10/110 кВ: 1 – алюмінієва або мідна жила, 2 – ізоляція зі зшитого по- ліетилену, 3 – мідний екран, який забезпечує рівномір- ність електричного поля в шарі ізоляції Рис. 2. Типова конструкція трифазної кабельної лінії електропередачі ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 73 МОЛОДІ ВЧЕНІ конструктивно складніші, а їхня ефективність екранування істотно не відрізняється від ефек- тивності U-подібних екранів. Забезпечення необхідної величини ефек- тивності екранування завдяки збільшенню товщини екрана призводить до значних витрат металу, що суттєво підвищує вартість. З огля- ду на це актуальним стає пошук інших шляхів підвищення ефективності екранування магніт- ного поля кабельних ліній. Ідея виконаних досліджень полягає в під- вищенні ефективності екранування магнітно- го поля кабельних ліній за допомогою кількох екранувальних елементів, розташованих у просторі певним чином. Застосування стан- дартних програмних пакетів для дослідження екранувальних властивостей таких екранів ставить високі вимоги до обчислювальних за- собів, тому було розроблено математичну мо- дель, яка дає змогу ефективно досліджувати екранувальні властивості тонкостінних неза- мкнених електромагнітних екранів. Теоретичною основою опису процесу елек- тромагнітного екранування є система рівнянь Максвелла, яка у цьому випадку може бути записана у квазістаціонарному наближенні. Крім того, при аналізі було прийнято такі при- пущення: задача розв’язується у двовимірній постановці, а поле, створюване протяжними кабельними лініями, вважається плоскопара- лельним; кабелі розглядаються як струмові нитки; вплив зовнішнього середовища на роз- поділ магнітного поля не враховується. Використання закону повного струму в ін- тегральній формі, записаного в квазістаціо- нарному наближенні в термінах комплексних амплітуд, та умови калібрування Вейля до- зволило отримати кінцеве рівняння. Для його розв’язання використовувався метод скінчен- них різниць. Задана розрахункова область міс- тила кабельну лінію, електромагнітний екран і зону, яку потрібно захистити. На границях розрахункової області було введено одноосьові добре погоджені шари: це додаткове середови- ще займає кілька комірок розрахункової сітки і відіграє допоміжну роль, а її анізотропні па- раметри забезпечують швидке і безвідбивне згасання в ній електромагнітного поля. Також розрахункову область було розділено на ряд додаткових підобластей, частина з яких місти- ла тонкостінні електропровідні елементи екра- на. У кожній підобласті було накладено розра- хункову сітку, причому крок усередині екрану- вальних елементів був дрібнішим. Розв’язки з сусідніх підобластей «зшивалися» на їх грани- цях. Для кожного вузла сітки рівняння, отри- мане із закону повного струму, було записано в скінченно-різницевій формі, а одержана систе- ма алгебраїчних рівнянь (її матриця має триді- агональний вигляд) розв’язувалася за допомо- гою прогонки ітераційним методом змінних на- прямів. Ітераційний процес тривав доти, доки зміна значень компонент магнітної індукції не ставала меншою за задану відносну похибку. Запропонована математична модель дала змогу на основі чисельного моделювання зна- ходити розподіл магнітного поля в системі «кабельна лінія – тонкостінні електропровідні елементи електромагнітного екрана» і моделю- вати процес електромагнітного екранування. Синтез незамкнених екранів з метою підвищення ефективності екранування магнітного поля кабельної лінії За допомогою розробленої моделі було дослі- джено залежності ефективності екранування магнітного поля кабельних ліній електропере- дачі від різних параметрів екрана: під час чи- сельного моделювання варіювалися типи екра- нувальних елементів (плоскі чи U-подібні), товщина і ширина цих елементів, кількість екранувальних елементів за умови збережен- ня їх сукупної металомісткості, розташування крайніх елементів, відстань між сусідніми еле- ментами за умови фіксації нижнього або верх- нього елемента, розташування середніх елемен- тів за умови фіксації крайніх елементів тощо. У процесі дослідження залежності діючого значення магнітної індукції від висоти розта- шування верхньої пластини двохелементного екрана було виявлено глобальний мінімум. Наявність екстремуму свідчить про те, що іс- нує оптимальна конструкція екрана, при якій 74 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 МОЛОДІ ВЧЕНІ величина поля, що екранується, мінімальна. Це було підтверджено експериментально на магнітовимірювальному стенді Інституту тех- нічних проблем магнетизму НАН України. Розвиваючи ідею застосування електромаг- нітних екранів, що складаються з двох елемен- тів, було досліджено екранувальні властивості системи двох U-подібних електропровідних елементів. У результаті чисельного моделюван- ня та експериментальних досліджень запропо- новано нову конструкцію незамкненого елек- тромагнітного екрана підвищеної ефективності для екранування магнітного поля у верхньому півпросторі підземної трифазної високоволь- тної кабельної лінії з горизонтальним розташу- ванням кабелів окремих фаз. Він складається з двох розміщених один над одним U-подібних елементів, ширина яких у 4 рази перевищує від- стань між фазними кабелями, висота дорівнює міжфазній відстані, край нижнього U-подібного екранувального елемента досягає горизонталь- ної площини розташування кабельної лінії, а відстань між кабелями та найближчим до них екранувальним елементом і величина проміж- ку між екранувальними елементами дорівнює міжфазній відстані (рис. 3). Ефективність екранування магнітного поля трифазної кабельної лінії таким екраном на 20 % більша за ефективність екранування оди- нарним U-подібним екраном еквівалентної ме- таломісткості. Це підвищення досягається за- вдяки тому, що нижній екранувальний елемент знаходиться біля кабелів, а верхній елемент Рис. 3. Запропонована конструкція електромагнітно- го екрана для високовольтної кабельної лінії: a = 2δ, b = 4δ, де δ – відстань між осями сусідніх кабелів Рис. 4. Діюче значення магнітної індукції поля кабель- ної лінії на висоті 0,5 м над рівнем землі при викорис- танні різних типів екранів: 1 – неекрановане магнітне поле; 2 – з U-подібним електромагнітним екраном (товщина стінок 2 мм); 3 – з електромагнітним екраном запропонованої конструкції (товщина стінок 1 мм) Рис. 5. Залежність коефіцієнта екранування магнітно- го поля кабельної лінії від площі поперечного перерізу заземлених власних екранів кабелів ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 75 МОЛОДІ ВЧЕНІ розташований ближче до частини простору, в якій розподіл магнітної індукції неекранова- ного магнітного поля вздовж горизонтальної осі x має найбільші значення, чим забезпечу- ється додаткове її зниження в цій зоні. На рис. 4 наведено результат екранування магнітного поля кабельної лінії (глибина за- кладання кабелів – 0,5 м, відстань між осями сусідніх кабелів δ = 0,2 м, діюче значення стру- му в жилах кабелів I = 800 A) за допомогою екранів еквівалентної металомісткості відомої та запропонованої конструкцій. Як видно із зо- бражених на рис. 4 залежностей, запропонова- ний екран з двох U-подібних елементів (крива 3) дозволяє знизити магнітне поле до нормо- ваного рівня. Водночас відомий U-подібний екран еквівалентної металомісткості, взятий як прототип, має гірші екранувальні власти- вості (крива 2). Є також інші способи зниження магнітного поля кабельних ліній. Сьогодні разом з коле- гами з Національної енергетичної компанії «Укренерго» досліджується підхід, заснова- ний на використанні власних екранів кабелів (поз. 3 на рис. 1). Ці екрани, як правило, за- землюються з обох боків кабельної лінії. За допомогою чисельного моделювання вперше отримано залежність коефіцієнта екранування B/B0 від площі S поперечного перерізу власних екранів кабелів (рис. 5), де B – екрановане маг- нітне поле, B0 – магнітне поле при розімкне- них власних екранах кабелів. З наведеної за- лежності випливає, що завдяки використанню власних екранів кабелів магнітне поле кабель- ної лінії може бути зменшене більш як удвічі. Результати моделювання підтверджено екс- периментально на стенді Інституту технічних проблем магнетизму НАН України (рис. 6). Висновки У результаті проведених досліджень розробле- но математичну модель, яка описує процеси і явища електромагнітного екранування маг- нітного поля при використанні тонкостінних електромагнітних екранів різних конструкцій. На основі цієї моделі обґрунтовано можли- вість підвищення ефективності екранування магнітного поля у верхньому півпросторі го- ризонтальних кабельних ліній електропереда- чі завдяки проведенню оптимізації геометрич- них параметрів і просторового розташування електропровідних елементів екрана. Уперше показано, що найбільшу ефектив- ність екранування магнітного поля кабельних ліній мають екрани, що складаються з двох роз- міщених один над одним U-подібних електро- провідних елементів. Визначено умови, яким мають задовольняти конструктивні параметри електромагнітного екрана задля підвищення його ефективності екранування без збільшен- ня металомісткості. Отримано та експериментально обґрун- товано значення ефективності екранування магнітного поля високовольтної кабельної лі- нії електропередачі із заземленими власними екранами її кабелів залежно від величини по- перечного перерізу цих екранів. Доповідач висловлює велику подяку співав- торам робіт, на основі яких зроблено це повідо- млення, а саме: чл.-кор. НАН України В.Ю. Ро- зову та д.т.н. М.М. Резинкіній (ДУ «Інститут технічних проблем магнетизму НАН України»). Рис. 6. Експериментальна установка для дослідження магнітного поля кабельної лінії 76 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2014, № 8 МОЛОДІ ВЧЕНІ В.С. Гринченко ГУ «Институт технических проблем магнетизма Национальной академии наук Украины» ул. Индустриальная, 19, Харьков, 61106, Украина ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ Разработан метод численного моделирования процесса электромагнитного экранирования магнитного поля под- земных кабельных линий электропередачи. При помощи этого метода исследованы экранирующие свойства раз- личных незамкнутых электромагнитных экранов, состоящих из нескольких тонкостенных плоских или U-образных проводящих элементов. Предложена новая конструкция экрана из двух U-образных проводящих элементов, которая позволяет примерно на 20% увеличить эффективность экранирования магнитного поля ка- бельной линии по сравнению с известными электромагнитными экранами эквивалентной металлоемкости. Ис- следована возможность снижения магнитного поля кабельных линий электропередачи за счет использования собственных экранов высоковольтных кабелей. Ключевые слова: электромагнитное экранирование, подземная кабельная линия, U-образный экран, численное моделирование. V.S. Grinchenko Institute of Technical Problems of Magnetism of National Academy of Sciences of Ukraine 19 Industrialna St., Kharkov, 61106, Ukraine INCREASE OF SCREENING EFFICIENCY OF TECHNOGENIC MAGNETIC FIELD OF UNDERGROUND HIGH-VOLTAGE POWER CABLES A method of numerical simulation of electromagnetic shielding of underground high-voltage power cables magnetic field is developed. The screening properties of various unclosed electromagnetic shields, comprising several flat or U-shaped conductive elements, are explored. A new shield of two U-shaped conductive elements is designed. The magnetic field screening efficiency of the designed shield is about 20% higher than the screening efficiency of known electromagnetic shields with the equal specific quantity of metal. The possibility of the cable lines magnetic field reducing through the use of the own high-voltage cables shields is explored. Keywords: electromagnetic shielding, underground power cables, U-shaped shield, numerical simulation.

Institution

Ähnliche Einträge