Экологический мониторинг и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи

Интенсивное использование электрической энергии в современном информационном обществе привело к тому, что за последние десятилетия возник и сформировался еще один значимый антропогенный негативный фактор — электромагнитное загрязнение окружающей среды.

Факты свидетельствуют, что обычный уровень низкочастотного электромагнитного поля (ЭМП) крупного промышленного города соответствует ситуации природной «магнитной бури» (аномально высокой геомагнитной активности) [103]. Электромагнитное загрязнение в ряде городов России уже превышает природные уровни в тысячу и более раз [11].

Среди зарегистрированных последствий негативного воздействия электромагнитных полей — повреждение основных функций организма, в т. ч. поражение сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы, развитие психических расстройств и др. [21]. Отмечается связь электромагнитного загрязнения с развитием злокачественных опухолей и риском появления врожденных пороков развития. Кроме этого, среди последствий для здоровья человека даже относительно низкого уровня ЭМП специалисты называют нарушение поведения, потерю памяти, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, синдром внезапной смерти у грудных детей. [34].

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) на основании анализа результатов Международного проекта по электромагнитным полям пришла к выводу о недостаточности исследований по результатам негативных последствий долгосрочного низкоуровневого воздействия ЭМП крайне низкой частоты (0−100 000 ГЦ) и сформулировала рекомендации, среди которых необходимость продолжения исследований по определению негативных последствий для здоровья человека и способов снижения уровней воздействия ЭМП при строительстве новых сооружений [43].

Одним из основных источников электромагнитного загрязнения урбанизированных территорий в названном диапазоне частот являются линии электропередачи (ЛЭП).

Для защиты населения от ЭМП ЛЭП в строительстве предусмотрен ряд обязательных мероприятий, а именно:

— экологическое обоснование хозяйственной и иной деятельности в предпроектной и проектной документации в соответствии с СНиП 11−02−96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»;

— проведение экологических изысканий для строительства путем исследования электромагнитного излучения, которые должны осуществляться в первую очередь при разработке градостроительной документации и проектировании жилищного строительства на освоенных территориях, в соответствии с СП 11−102−97 «Инженерно-экологические изыскания для строительства». При этом должны быть зафиксированы основные источники вредного воздействия, его интенсивность и выявлены зоны дискомфорта с превышением допустимого уровня вредного физического воздействия;

— установка и соблюдение санитарно-защитных зон (СЗЗ) в соответствии с СанПиН 2.2.½.1.1.1200−03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий сооружений и иных объектов»;

— использование инженерно-технических методов защиты от ЭМП ЛЭП (чаще всего экранирование) при строительстве и реконструкции объектов.

В то же время анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал, что низкочастотные ЭМП оказывают влияние на уровень и динамику заболеваемости взрослого и детского населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередачи. А также, что, несмотря на значительный объем публикаций в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения, и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного загрязнения городской среды.

Актуальность данной диссертации определяется необходимостью развития мониторинга и способов повышения защищенности окружающей среды и человека на урбанизированных территориях вблизи ЛЭП различного класса напряжения, что имеет существенное значение для обеспечения устойчивого развития населенных пунктов и защиты человека от негативного воздействия электромагнитного загрязнения городской среды.

Цель диссертационной работы: развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП (на примере г. Ногинска).

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ проблемы экологического мониторинга электромагнитного загрязнения застроенных территорий.

2. Исследование, анализ и оценка ЭМП ЛЭП различного класса напряжения на территории г. Ногинска.

3. Теоретическое обоснование и разработка метода расчета распространения ЭМП ЛЭП.

4. Исследование и анализ электромагнитного экранирования строительных материалов.

5. Разработка научно-практических рекомендаций и апробация мероприятий по повышению эффективности электромагнитного экранирования строительных объектов вблизи ЛЭП.

Область исследования: развитие мониторинга и методов защиты от электромагнитного загрязнения городской среды вблизи ЛЭП.

Объект исследования: объекты городского хозяйства и их взаимодействие с экологическим фактором электромагнитного загрязнения застроенных территорий.

Теоретической и методологической базой исследования являются: теория и методы проектирования строительных объектов, теория и методы экологического мониторинга, теория и методы расчета электромагнитных полей, теория эксперимента и обработки экспериментальных данных, теория и методы защиты окружающей среды и др.

Нормативно-информационную базу исследования составили законодательные и нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, нормативы по регламентации ЭМП, периодические издания, книги, статьи отечественных и зарубежных авторов, диссертации, материалы научных конференций и др. и.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Результатом данной диссертации является развитие экологического мониторинга и повышение электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи ЛЭП (на примере города Ногинска). При этом:

1. Анализ данных отечественной и зарубежной литературы показал, что в настоящее время недостаточно проработана проблема мониторинга ЭМП ЛЭП различного класса напряжения, и способы повышения защищенности окружающей среды и человека от негативного электромагнитного загрязнения городской среды.

2. Проведены натурные исследования и получены данные электромагнитного загрязнения территорий г. Ногинска. Анализ медицинских сведений об уровне заболеваемости населения выявил корреляцию между уровнем заболевания населения и напряженностью электрического и магнитного полей ЛЭП различного класса напряжения.

3. В целях развития экологического мониторинга предложен метод инструментального контроля уровней ЭМП урбанизированных территорий вблизи ЛЭП в случае поворота трассы.

4. На основании натурных исследований проведено теоретическое обоснование и разработан расчетный метод определения электромагнитного загрязнения. С помощью сплайн-интерполяции экспериментальных данных, разработаны модель, алгоритм и программа для ЭВМ «Расчет электромагнитных полей линий электропередачи». Реализация данной программы позволяет определять напряженность электрического и магнитного полей на различных расстояниях от ЛЭП заданного напряжения при линейном расположении трассы, а также в случае ее поворота.

5. В результате экспериментальных лабораторных и натурных исследований определены эффективность электромагнитного экранирования различных кровельных строительных материалов и влияние ориентации электромагнитного экрана на эффективность экранирования.

ГЛАВА 4. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.

УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ВБЛИЗИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ.

4.1. Обобщение рекомендаций по повышению электромагнитной безопасности урбанизированных территорий вблизи линий электропередачи.

Мероприятия по защите от ЭМП предполагают снижение их интенсивности до уровней, не превышающих предельно допустимые. Защита обеспечивается выбором конкретных методов и средств, с учетом их экономических показателей, простотой и надежностью эксплуатации. Организация этой защиты подразумевает:

— оценку уровней интенсивности излучений и их сопоставление с нормативными документами;

— выбор необходимых мер и средств защиты, обеспечивающих степень защищенности в заданных условиях;

— организацию системы контроля над функционирующей защитой.

Методы защиты человека и окружающей среды от воздействия ЭМП, создаваемого ЛЭП, делятся на два направления: пассивная защита и активная защита [44].

Методы пассивной защиты разработаны достаточно подробно. К ним следует отнести предельно допустимые энергетические нагрузки, создание санитарно-защитных зон и экранирование.

Методы активной защиты (создание «экологически чистых» ЛЭП) изучаются все больше и больше. В этом направлении проводятся исследовательские работы [49], на основе которых будут разработаны соответствующие способы снижения воздействия ЭМП.

Необходимо отметить, что мероприятия по защите от ЭМП, создаваемого ЛЭП, подразделяют на:

— организационные;

— инженерно-технические;

— медицинско-профилактические и лечебные [26].

Организационные методы направлены на обеспечение оптимальных вариантов расположения ЛЭП и объектов, оказывающихся в зоне воздействия, предупреждение возможности попадания населения в зоны, превышающие ПДУ, планирование времени труда и отдыха персонала. Внедрение в практику этих защитных мер начинается в период предупредительного и уточняется в период текущего санитарного надзора.

К основным организационным мероприятиям относят:

— выбор рациональных режимов работы ЛЭП;

— нормирование параметров электромагнитных воздействий;

— периодический контроль облучаемости;

— соблюдение правил безопасной эксплуатации ЛЭП;

— ограничение времени пребывания в ЭМП;

— предупредительные знаки и надписи;

— организация специальных проходов для людей, транспортной техники под ЛЭП.

Медицинско-профилактические и лечебные мероприятия проводятся в целях предупреждения и раннего обнаружения изменений состояния здоровья. Все работающие, профессионально связанные с обслуживанием и эксплуатацией источников ЭМП, в т. ч. ЛЭП, должны проходить предварительный при поступлении и периодические профилактические медосмотры в соответствии с действующим законодательством [16].

К основным инженерно-техническим мероприятиям относятся уменьшение мощности излучения непосредственно в источнике, электромагнитное экранирование и средства индивидуальной защиты.

Как показали проведенные нами исследования, ориентация экрана по отношению к проводам ЛЭП оказывает влияние на эффективность электромагнитного экранирования. В случае расположения экрана-навеса или листы продольно по отношению к проводам может быть достигнута большая эффективность экранирования, чем в случае его поперечного размещения.

Кроме этого установлено, что наилучшим, с точки зрения обеспечения электромагнитной безопасности, из существующих кровельных материалов является листовая сталь и металлочерепица. На стадии проектирования, строительства и реконструкции объектов приоритет должен уделяться данным материалам, поскольку их использование позволит снизить уровни ЭМП внутри зданий и сооружений.

Необходимо отметить, что эффективность электромагнитного экранирования может быть увеличены с помощью заземления экрана [18]. Заземляющее устройство состоит из заземлителя, представляющего собой металлический проводник (один или несколько), находящийся в земле, и проводника соединяющего заземляемые элементы с заземлителем, который может быть естественным или искусственным.

В качестве заземлителей могут быть использованы:

— металлические стержни, трубы, полосы или проволока;

— металлические плиты, пластины;

— фундаментные заземлители;

— стальная арматура из железобетона [56].

При заземлении металлической крыши, с целью снижения уровней электромагнитных полей, сопротивление заземления не нормируется.

При заземлении, уровни электромагнитных полей внутри помещения становятся ниже в связи с тем, что часть поля поглощается заземленным корпусом, где образуется заряд, который «перетекает» на землю.

Заземление металлической крыши на этапе строительства или реконструкции объектов позволит повысить их электромагнитную безопасность.

Эффективному снижению ЭМП промышленной частоты с помощью зеленых насаждений препятствует явление дифракции. Защитный эффект от лесонасаждений наиболее выражен, когда они находятся в непосредственной близости от защищаемого объекта.

Коллективная защита по сравнению с индивидуальной предпочтительнее вследствие простоты обслуживания и проведения контроля над эффективностью защиты. Однако ее внедрение часто осложняется высокой стоимостью. Нецелесообразно, например, ее использование при проведении кратковременных ремонтных работ ЛЭП.

Индивидуальные средства защиты изготавливают из металлизированной (или любой другой ткани с высокой электропроводностью). Защитная одежда включает в себя: комбинезон или полукомбинезон, куртку с капюшоном, халат с капюшоном, фартук, средство защиты для лица, рукавицы (или перчатки), обувь. Все части защитной одежды должны иметь между собой электрический контакт.

В настоящее время перспективным методом снижения негативного воздействия ЭМП не только на человека, но и на окружающую среду является замена воздушных ЛЭП на кабельные подземной прокладки высоковольтные линии. Подземные кабели обладают уникальными свойствами по передаче энергии — они невидимы на поверхности земли и не требуют глубокого закапывания, сокращают излучение электрических полей в 5−6 раз и могут быть спроектированы, так чтобы не излучать магнитные поля, имеют улучшенные характеристики по потери мощности, высокую стойкость при аварийных нагрузках. В результате подземные кабели можно использовать в местах плотной застройки, реках и сложных геологических условиях, местах, где требуется сохранения окружающей среды, ландшафтов, значимых строений, памятников искусства, местах зарезервированных для будущего строительства и т. п. Кабели прокладываются в земле, в траншеях на глубине 0,8−1,0 м, в кабельных каналах, блоках или тоннелях. Наиболее экономична подземная прокладка кабелей — до 6 кабелей в одной траншее при расстоянии между кабелями 0,2−0,3 м. В одном тоннеле допускается прокладка не менее 20 кабелей. Современные кабельные сети используют поперечно сшитый полиэтилен (ХЬРЕ) в качестве основного изоляционного материала, который уже 20 лет подтверждает свою высокую надежность.

Отличительными возможностями высоковольтных кабельных линий являются:

— гибкость при проектировании систем энергоснабжения;

— высокая рентабельность;

— повышенная надежность;

— снижение потерь мощности (энергосбережение);

— современные технологи монтажа;

— возможность мониторинга состояния кабеля.

Необходимо подчеркнуть, что подземные кабельные сети не только снижают воздействие ЭМП, но и значительно сокращают стоимость обслуживания по сравнению с воздушными линиями. Они так же менее восприимчивы к тяжелым погодным условиям таким как: штормы, землетрясения. Подземные кабели содержат большое количество меди, наиболее токопроводящего металла, в результате чего на 30% снижаются потери при высоких нагрузках по сравнению с воздушными линиями электропередач, а, следовательно, повышается рентабельность всей энергосистемы. Подземные высоковольтные кабели используют в качестве проводника более эффективные медные сплавы, которые работают при более низких температурах. Сочетание этих особенностей позволяют снабжать электроэнергией потребителей с максимальной эффективностью, что особенно важно в целях сохранения окружающей среды и экономии энергоресурсов.

Новые технологии сочленения участков кабеля и прокладки его в грунте позволяют реализовывать проекты создания энергетических систем в течение нескольких месяцев притом, что раньше на это уходили годы. В тех местах, где невозможно прокапать кабельную траншею или канал, кабели монтируются в туннелях. В некоторых случаях использование существующих туннелей позволяет значительно снизить стоимость работ.

Для сокращения времени аварийного отключения, операторы энергетических систем могут измерять температуру высоковольтного кабеля по всей его длине с шагом полметра с помощью оптического волокна вмонтированного в наружную оболочку кабеля. Такой мониторинг позволяет управлять общей нагрузкой всей сети, оптимально перераспределяя её между линиями не допуская перегрузок. В случае повреждения кабеля вследствие перегрузки или внешнего воздействия система мониторинга с точностью до метра определит место повреждения, что значительно сократит время на устранение аварии.

Основным сдерживающим фактором использования подземных кабелей в настоящее время является их высокая стоимость. В связи с этим, не смотря на очевидные преимущества подземных высоковольтных линий, тем не менее, на сегодняшний день в России основным мероприятием защиты населения от воздействия ЭМП, создаваемого воздушными ЛЭП, является создание СЗЗ со строгим соблюдением требований, регламентирующих ее использование, а также электромагнитное экранирование.

4.2. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи.

4.2.1. Апробация научно-практических технических решений снижения уровней электромагнитных полей линий электропередачи в естественных условиях.

При проведении апробации учитывались следующие необходимые положения, обеспечивающие объективную и достоверную оценку фактической эффективности экрана:

— измерения уровней напряженности электрического и магнитного поля проводились как при наличии, так и при отсутствии экрана;

— измерения выполнялись на разных расстояниях от источника электромагнитных полей, что связано с тем, что эффективность экранирования различна для различных точек пространства;

— при каждом измерении антенна ориентировалась так, чтобы показания измерительного прибора были максимальны, т. е. при проведении замеров напряженности электрического поля антенна-преобразователь ЕЗ-50 ориентировалась по нормали к проводам ЛЭП, при проведении замеров напряженности магнитного поля антенна-преобразователь НЗ-50 ориентировалась параллельно проводам ЛЭП.

— в каждой точке проводилось по три замера, в таблицу результатов заносились средние значения.

Экспериментальное исследование состояло из двух частей: в границах и вне границ СЗЗ ЛЭП.

1. Проведение апробации в границах СЗЗ ЛЭП.

На расстоянии 10 м от проекции середины крайнего провода ЛЭП 500 кВ с помощью измерителя напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50 на высоте 1,8 м от поверхности земли были проведены замеры напряженностей электрического и магнитного поля. В результате были получены следующие значения: Ею=5,69 кВ/мН1о=3,34 А/м. Затем в данной точке местности на высоте 2 м от поверхности земли был установлен экран-навес из шифера продольно по отношению к проводам ЛЭП (рисунок 4.1) общей площадью 2,8 м² и углом между двумя пластинами 50° и проведены аналогичные измерения, как и в случае отсутствия навеса. После этого ориентация навеса была изменена — поперечно относительно проводов ЛЭП (рисунок 4.2) и вновь измерены уровни напряженностей электрического и магнитного поля в той же точке местности под навесом.

Рисунок 4.1.Продольное расположение экрана-навеса по отношению к проводам ЛЭП.

Рисунок 4.2. Поперечное расположение экрана-навеса по отношению к проводам ЛЭП.

В след за этим навес из шифера был заменен на экран-навес из металлочерепицы (при этом его площадь, угол между пластинами и местоположение полностью совпадали с навесом из шифера) и измерены уровни электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля.

После этого ориентация навеса была изменена (поперечно по отношению к проводам ЛЭП) и вновь проведены аналогичные измерения. Затем металлочерепичный навес был заменен на стальной (при этом его площадь, угол между пластинами и местоположение полностью совпадали с навесом из шифера и металлочерепицы) и проведены измерения напряженностей электрического и магнитного поля под ним, после которых ориентация навеса была изменена — поперечно по отношению к проводам ЛЭП — и измерения проведены повторно. В заключение эксперимент был полностью повторен с экраном-навесом из ондулина.

2. Проведение апробации вне границ СЗЗ ЛЭП.

На расстоянии 40 м от проекции середины крайнего провода ЛЭП 500 кВ с помощью измерителя напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50 на высоте 1,8 м от поверхности земли были проведены замеры напряженностей электрического и магнитного поля. В результате были получены следующие значения: Е10=0,31 кВ/мНю=0Д2 А/м. После чего был проведен эксперимент по исследованию эффективности экранирования различных кровельных материалов аналогично вышеописанному случаю в границах СЗЗ.

Результаты эксперимента по исследованию эффективности экранирования кровельных материалов, проведенного в границах СЗЗ ЛЭП, представлены в таблице 4.1.