Оценка опасности электромагнитных излучений в технологических процессах АПК с учетом возможности комбинированного воздействия

УДК537.8: 631.17

оценка опасности электромагнитных излучений в технологических процессах АПК с учетом возможности комбинированного воздействия

А.А. СОШНИКОВ, доктор технических наук, профессор

Е.В. ТИТОВ, кандидат технических наук, доцент

И.Е. МИГАЛЁВ, аспирант

Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Российская Федерация

Резюме. Оценку состояния электромагнитной обстановки на объектах АПКс источниками электромагнитных излучений (ЭМИ) можно проводить по картине опасности в виде карты допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, полученной по результатам ограниченного числа измерений вблизи источников ЭМИ, моделирования электромагнитного поля (ЭМП) и преобразования узловых значений шкал напряженности электрического и магнитного полей или плотности потока энергии в узловые значения допустимого времени пребывания в опасныхзонах. Картину опасности, представленную цветными областями, соответствующими численному значению допустимого времени, называемую точечной, удобно использовать для непроизводственных условий. Учесть диапазоны рабочего пространства в помещениях позволяет цилиндрическая картина опасности, представляющая собой пространственную совокупность цилиндрических зон с заранее заданным радиусом, каждая из которых характеризует одно значение допустимого времени пребывания человека. Цель исследований - систематизация методов определения допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства в условиях воздействия (в том числе, совокупного) ЭМП для формирования картины опасности ЭМИ. Рекомендуемая методика определения допустимого времени представлена с учетом подходов, предла -гаемых Санитарными правилами и нормами и основанных на результатах ранее проведенных биологических исследований, для составляющих ЭМП на частоте 50 Гц и для частотных диапазонов 10 кгц - 30 кгц и 30 кгц - 300 ГГц. При совокупном воздействии ЭМИ рассмотрены два способа построения цилиндрической картины опасности: механическое наложение изображений, при котором зоны с более высокой опасностью перекрывают зоны с меньшей опасностью и выделение области пересечения накладываемых цилиндрических зон с учетом усиления результирующего комплексного воздействия ЭМИ. Предложенный подход позволяет определять допустимое время пребывания в ЭМП различного диапазона частот и различной интенсивности, в том числе с учетом усиления результирующего действия ЭМИ при совместном влиянии и создает возможность формирования картины опасности ЭМИ.

Ключевые слова: электротехнологии, электромагнитные излучения, допустимое время, картина опасности. Дляцитирования: СошниковА.А., ТитовЕ.В., МигалёвИ.Е. Оценка опасности электромагнитных излучений в технологических процессахАПКсучетом возможности комбинированного воздействия //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 3. С.

В результате исследований, проведенных группой научных учреждений ФАНО России под руководством ВИЭСХ в процессе разработки Концепции энергообеспечения сельского хозяйства до 2035 г., подтверждена актуальность развития теоретических основ и принципов повышения энергоэффективности теплоэнергообеспечения, освещения и водоснабжения сельскохозяйственных объектов, первичной обработки, хранения и обеззараживания сельхозпродукции с использованием природного холода, вакуума, аккумуляции, рециркуляции, озонирования, СВЧ-обработки и других электрофизических воздействий [1].

Перспективным направлением развития АПК признана его индустриализация с применением современных электротехнологий в земледелии, кормопроизводстве, животноводстве и переработке сельхозпродукции [2]. Таким образом, будут совершенствоваться и становиться все более востребованными технологии обработки кормов электрическим током; очистки, сортирования семян, обеззараживания сельскохозяйственных сред и оборудования в электрическом поле; борьбы с сорняками токами промышленной и сверхвысокой частот; разрушения, дробления и измельчения материалов в электрогидравлических установках; предпосевной обработки семян в электростатическом и электромагнитном полях и др. [3]. При этом необходимо учитывать, что рассмотренные процессы связаны с использованием источников электромагнитного излучения (ЭМИ), создающими электромагнитные поля (ЭМП) часто с существенным превышением предельно допустимых уровней (ПДУ) [4-7]. Опасность также может представлять информационно-технологическое, высоковольтное и сильноточное оборудование, аппаратура систем связи и др.

В соответствии с нормативными документами [8-11] воздействие ЭМП необходимо контролировать в условиях влияния электростатического и постоянного магнитного поля, электрического и магнитного полей промышленной частоты, электромагнитных полей в диапазоне частот 10 кгц - 30 кгц и 30 кгц - 300 ГГц. С учетом различных допустимых уровней воздействия ЭМИ на разных частотах, последний из рассмотренных диапазонов, называемый радиочастотным, дополнительно разбивают на поддиапазоны: 30 кгц - 3 МГц; 3 МГц - 30 МГц; 30 МГц - 50 МГц; 50 МГц - 300 МГц; 300 МГц - 300 ГГц [8-11]. При этом выделяют условия воздействия ЭМП для персонала, профессионально связанного с эксплуатацией и обслуживанием его источников, и населения [8-11].

В соответствии с ранее разработанной концепцией [3, 4], одно из направлений снижения трудоемкости оценки состояния и получения полной пространственной картины электромагнитной обстановки на контролируемых объектах - моделирование ЭМП по результатам ограниченного числа измерений вблизи его источников.

На основе моделирования ЭМП [12] по отдельным составляющим может быть построена картина опасности, представляющая собой карту допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, путем преобразования узловых значений шкал напряженности электрического, магнитного полей или плотности потока энергии в узловые значения допустимого времени пребывания в опасных зонах. Полученная таким образом картина опасности, называемая точечной, представляет собой изображение в виде цветных областей, окрашенных в различные тона в зависимости от числового значения допустимого времени. Справа от картины приводят шкалу допустимого времени пребывания человека в различных зонах помещения, с помощью которой можно визуально определить потенциально опасные зоны в зависимости от цветового оттенка изображения в любой области моделируемого пространства.

Точечную картину опасности удобно использовать для непроизводственных условий. В производственных условиях с фиксированными областями рабочих зон такая форма не позволяет во всех случаях определять допустимое время пребывания в отдельных зонах, так как область рабочей зоны может выходить за пределы конкретных областей помещения, для которых установлены различные значения допустимого времени, а также включать совокупность таких областей.

Учесть возможные диапазоны рабочего пространства в контролируемых помещениях и исключить различные значения допустимого времени пребывания для разных точек одной области рабочего пространства позволяет цилиндрическая картина опасности. Она представляет собой пространственную совокупность цилиндрических зон помещения с заранее заданным радиусом, каждая из которых характеризует одно значение допустимого времени пребывания человека.

Таким образом, практическая реализация предложенного подхода базируется на значениях допустимого времени пребывания в ЭМП различного диапазона частот и разной интенсивности. Эти значения не всегда явно представлены в нормативных документах [8-11].

Цель исследований - систематизация методов определения допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства в условиях воздействия (в том числе, совокупного) ЭМП анализируемых частотных диапазонов для формирования картины опасности ЭМИ в виде карты допустимого времени.

Условия, материалы и методы. Систематизация методов определения допустимого времени пребывания человека в ЭМП возможна с учетом подходов, предлагаемых Санитарными правилами и нормами (СанПиН) и основанных на результатах ранее проведенных биологических исследований. При этом механизм воздействия электромагнитных полей на организм человека не рассматривается.

Рассмотрим подход к определению допустимого времени для отдельных составляющих ЭМП на примере некоторых частотных диапазонов.

Электромагнитное поле частотой 50 Гц

В соответствии с требованиями [8] в производственных условиях при напряженностях электрического поля частотой 50 Гц менее 5 кВ/м допустимое время не регламентируется, при напряженности поля 20-25 кВ/м оно составляет 10 мин, а в случае превышения 25 кВ/м, работа без использования средств защиты не допускается.

В диапазоне напряженностей 5-20 кВ/м допустимое время пребывания персонала без средств защиты определяется по формуле: г __ \

^доп

50

-факт

-2,

где Е

факт

- значение напряженности электрического

поля, создаваемого источниками ЭМИ кроме ПЭВМ и бытовой техники, на промышленной частоте 50 Гц, кВ/м [8]; ^доп - допустимое время воздействия, ч.

Таким образом, методика определения допустимого времени базируется на значениях ПДУ и фактического значения рассматриваемой составляющей поля. Увеличенное в 10 раз значение ПДУ в числителе формулы отражает десятичасовое допустимое воздействие поля 5 кВ/м. Для перехода к восьмичасовому воздействию значение допустимого времени уменьшают на 2 часа.

Такой поход позволяет обобщить методику определения допустимого времени и для других диапазонов частот, как будет показано далее.

Определение допустимого времени пребывания людей в магнитном поле частотой 50 Гц осуществляется по таблицам и кривым [8] и не вызывает затруднений.

Электромагнитное поле диапазона 10 кгц - 30 кгц

Методика определения допустимого времени в производственных условиях базируется на следующих положениях [8]:

оценку и нормирование ЭМП осуществляют раздельно по напряженности электрического и магнитного полей в зависимости от времени воздействия;

ПДУ напряженности электрического и магнитного поля при воздействии в течение всей смены составляет 500 В/м и 50 А/м соответственно, при продолжительности воздействия до 2-х часов за смену - 1000 В/м и 100 А/м соответственно.

Принимая во внимание продолжительность смены 8 ч, расчетные формулы для определения допустимого времени пребывания в электрическом поле могут быть представлены в виде:

^аол =

^ПДУ -факт

где Ефакт - значение напряженности электрического

поля, создаваемого источниками ЭМИ в диапазоне частот 10 кГц - 30 кГц, В/м; ? - допустимое время воздействия,

или

^аол =

500

-факт

Аналогично, для магнитной составляющей: г ^

^аол =

50

Н,

факт

Электромагнитное поле диапазона 30 кгц - 300 ГГц Методика определения допустимого времени в производственных условиях [8] предусматривает оценку и нормирование ЭМП по величине энергетической экспозиции (ЭЭ), которую в диапазоне частот 30 кгц - 300 МГц рассчитывают по формулам:

ЭЭЕ=Е2(, ЭЭн=Н2(,

где Е- напряженность электрического поля, В/м; Н - напряженность магнитного поля, А/м; t - время воздействия за смену, ч;

в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц:

ЭЭтэ=ППЭ-Ь

где ППЭ - плотность потока энергии, Вт/м2, мкВт/ см2.

Значения ПДУ энергетических экспозиций, напряженности электрических и магнитных полей, а также плотности потока энергии представлены в табличном виде в [8].

Принимая во внимание продолжительность смены 8 ч, допустимое время для каждой из составляющих ЭМП может быть определено из обобщающей формулы:

Пфат? • I = Ппду2 • 8'

где Пфакт и ППДУ

соответственно фактическое и предельно допустимое значения контролируемого параметра.

Например, допустимое время пребывания в электрическом поле 30 кгц - 3 МГц с ПДУ энергетической экспозиции 20 000 (В/м)2  ч [8] составит:

г ^2 20000

-факт

Допустимое время пребывания в электромагнитном поле для населения рассчитывают с учетом требований к оценке воздействия ЭМП радиочастотного диапазона передающих радиотехнических объектов [9]:

в диапазоне частот 30 кгц - 300 МГц - по эффективным значениям напряженности электрического поля (Е), В/м;

в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц - по средним значениям плотности потока энергии (ППЭ), мкВт/см2. При этом для первого поддиапазона: \

^=24-

-ПДУ

^эф

где £ПДУ - предельно допустимое значение напряжённости электрического поля, В/м; Еэф - эффективное значение напряженности электрического поля, В/м. Для второго поддиапазона:

гппэппЛ

^=24-

ППЭ.

ср У

Рис. 1. Цилиндрическая картина опасности способом наложения.

Главный недостаток способа механического наложения изображений - игнорирование усиления степени опасности ЭМИ при комплексном воздействии излучений. В областях наложения уровень опасности принимается соответствующим наиболее весомой (с точки зрения допустимого времени пребывания) составляющей ЭМИ, а влияние менее весомых составляющих не учитывается.

Для отражения объективной ситуации, учитывающей усиление результирующего комплексного воздействия ЭМИ, мы предлагаем способ построения наложенной картины опасности, основанный на выделении области пересечения накладываемых цилиндрических зон (рис. 2).

Результаты и обсуждение. Методика определения допустимого времени пребывания в области пересечения цилиндрических зон опасности (при комбинированном воздействии ЭМИ) рассмотрена для диапазона 30 кгц -300 ГГц и представлена для двух ситуаций.

Рис. 2. Принцип выделения области пересечения накладываемых цилиндрических зон опасности.

Облучение от нескольких источников с одним значением ПДУ

В соответствии с [9] при одновременном облучении от нескольких источников, для которых установлены одни и те же ПДУ, должны соблюдаться следующие условия:

- ^ГЩУ'

'¿ППЭ, < ппэтУ,

где ППЭпду - ПДУ плотности потока энергии нормируемого диапазона, мкВт/см2; ППЭср - среднее значение плотности потока энергии, мкВт/см2.

При расчетах используют значения ПДУ напряженности и плотности потока энергии, приведенные в табличном виде в [9].

В случае совокупного (комбинированного) воздействия ЭМИ построение картины опасности, называемой далее, наложенной картиной, весьма сложная задача, которая может иметь неоднозначные решения.

Наиболее простой способ построения наложенной картины - механическое наложение изображений, при котором зоны с более высокой опасностью перекрывают зоны с меньшей опасностью (рис. 1). Его целесообразно использовать для экспресс-оценки электромагнитной обстановки помещения, в частности, когда не принимаются во внимание фоновые излучения, создаваемые внешними источниками ЭМИ, так как их учет требует дополнительных измерений и усложняет процесс контроля.

где е - напряженность электрического поля, создаваемая источником ЭМП под /-тым номером, В/м; ППЭ/ -плотность потока энергии, создаваемая источником ЭМП под /-тым номером, мкВт/см2; ЕПДУ - предельно допустимое значение напряжённости электрического поля нормируемого диапазона, В/м; ППЭПДУ - ПДУ плотности потока энергии нормируемого диапазона, мкВт/ см2; п - количество источников ЭМП.

Тогда расчетные формулы для производственных условий будут иметь вид:

'ао„=8-

-ПДУ

\ сумм у

где Е - суммарная напряжённость источников ЭМП,

определяемая по формуле

1Р1

*ао„= 8

ППЭ,

ПДУ

Х=РПЭ>)

В качестве расчетного значения ""доп принимается меньшая из двух определенных величин.

Для населения расчетные формулы принимают вид: / _

'ас =24

'ас =24

'-ПДУ V ^сумм

ППЭ,

ПДУ

Х-РПЭГ

Облучение от нескольких источников с разными значениями ПДУ

В соответствии с [9] при одновременном облучении от нескольких источников, для которых установлены разные ПДУ, должно соблюдаться следующее условие:

i

;=1

-ПДУI

ППЭ.

сумм к

ППЭ

ПДУ к

—

где Есумм . - суммарная напряженность электрического поля, создаваемая источниками ЭМП у-того нормируемого диапазона, определяемая по формуле (15), В/м; Е.

ПДУ у

ПДУ напряженности электрического поля у-того нормируемого диапазона, В/м; ППЭсумм

и

и

к - суммарная плотность потока энергии, создаваемая источниками ЭМП к-го нормируемого диапазона, мкВт/ см2; ППЭ

ПДУ k

ПДУ плотности потока энергии к-того нормируемого диапазона, мкВт/см2; т - количество диапазонов, для которых нормируется Е; q - количество диапазонов, для которых нормируется ППЭ.

Использовать рассмотренный ранее подход для определения допустимого времени в этом случае не представляется возможным. Однако решение может быть найдено методом последовательных итераций путем определения значений каждой из составляющих Е и ППЭк для каждого из заранее задаваемого ряда значений допустимого времени по формулам вида:

'ас =8

ППЭ,

ПДУ

ППЭ.

Искомое значение допустимого времени соответствует условию обеспечения равенства левой и правой частей уравнения (19).

выводы. Предложенный подход позволяет определять допустимое время пребывания в ЭМП различного диапазона частот и разной интенсивности в том числе, с учетом усиления результирующего действия ЭМИ при совместном влиянии и дает возможность для формирования картины опасности ЭМИ в виде карты допустимого времени пребывания человека в различных зонах исследуемого пространства, по которой может быть проведена оценка опасности электромагнитной обстановки и обоснованы организационно-технические мероприятия по ее нормализации.

Литература.

1. Стребков Д.С., Шогенов Ю.Х., Тихомиров A.B. Развитие систем энергообеспечения, энергоресурсосбережения и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе // Инновациии в сельском хозяйстве. 2016. № 2 (17). С. 12-16.

2. Краусп В.Р., Юферев Л.Ю. От ГОЭЛРО к электророботизации АПК к 2020 году // Инновациии в сельском хозяйстве. 2016. № 2 (17). С. 24-36.

3. Сошников A.A., Титов E.B., Мигалёв И.Е. Мониторинг электромагнитных излучений на объектах АПК// Инновациии в сельском хозяйстве. 2016. № 2 (17). С. 82-87.

4. Soshnikov A., Migalyov I., Titov E. Principles of Functioning of Technological Module for Danger Estimation of Combined Electromagnetic Field// Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. Рр. 1027-1034.

5. Основы электромагнитной совместимости: учебникдля вузов/Н.А.Володина, Р.Н. Карякин, Л.В. Куликова, О.К. Никольский, A.A. Сошников, А.Л. Андронов, В.С. Германенко, П.И. Семичевский; под ред. Р.Н. Карякина. Барнаул: ОАО «Алтайский полиграфический комбинат», 2007. 480 с.

6. Грачев Н.Н., Мырова Л.О. Защита человека от опасных излучений. М.: Изд-во Бином. Лаборатория знаний, 2005. 320 с.

7. Яковлев В.Н., Пантелеев В.И., Суров В.П. Электромагнитная совместимость электрооборудования электроэнергетики и транспорта: учеб. пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. 588 с.

8. СанПиН 2.2.4.1191-03. Электромагнитные поля в производственных условиях [Электронный ресурс]. URL: http://base. garant.ru/4178977/#friends(дата обращения 02.03.2017).

9. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических устройств [Электронный ресурс]. URL: http://ivo.garant.rU/#/document/12131290/paragraph/9874:1 (дата обращения 02.03.2017).

10. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы [Электронный ресурс]. URL: http://ivo.garant.rU/#/document/4179328/paragraph/25032:3 (дата обращения 02.03.2017).

11. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям [Электронный ресурс]. URL: http://gostbank.metaltorg.ru/data/norms_new/sanpin/4.pdf (дата обращения 02.03.2017).

12. Rylander Т., Ingelström P., Bondeson A. Computational Electromagnetics: Second Edition // Texts in Applied Mathematics. 2013. Vol. 51. 288 р.

ESTIMATION OF DANGER OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN AGRICuLTuRAL TECHNOLOGICAL PROCESSES TAKING INTO ACCOuNT THE POSSIBILITY OF COMBINED

INFLuENCE

A.A. Soshnikov, E.V. Titov, I.E. Migalyov

I.I. PolsunovAltai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation

Abstract. To estimate an electromagnetic environment state at the objects of an agricultural complex with electromagnetic radiation (EMR) sources, one could use so-called danger image, i.e. a map of allowed staying time at various zones of the modeled space. The danger image is a result of a limited number of measurements near the eMr sources, subsequent modeling of electromagnetic field (EMF) and conversion of nodal scalar values of electric and magnetic fields or energy flow density into the nodal values of allowed staying time in the danger zones. So-called point danger picture is presented by colored areas corresponding to the numeric values of allowed staying time. The point danger picture is convenient to use under non-industrial conditions. So-called cylindrical danger picture, which is represented by a spatial aggregation of cylindrical zones of predefined radius each representing a single value of allowed staying time, helps to take into account work zones at the industrial space. The purpose of the research was the systematization of the methods of allowed staying time calculation in various zones of examined space in presence of EMF influence (including combined EMF influence) to create EMR danger picture. The recommended method of calculating the allowed staying time takes into account the methods described in Russian Sanitary Norms and Rules and is based on the results of previous biological studies, and it considers EMF components on the frequency of 50 Hz and at the frequency ranges of 10 kHz-30 kHz and 30 kHz-300 GHz. The article considers two ways of combining the cylindrical danger image based on combined EMF influence: mechanical picture overlaying when zones of higher danger rating completely override zones of lower danger rating and determining of areas of cylindrical zones intersection taking into account an amplification effect of complex EMF influence. The proposed solution allows to calculate the allowed staying time in EMF of various frequencies and intensity, including the calculations taking into account an amplification effect of combined influence of multiple EMR sources, and to produce the EMR danger image.

Keywords: electrotechnology, electromagnetic radiation, allowed stay time, danger images.

Author Details: A.A. Soshnikov, D. Sc. (Tech.), prof.; E.V. Titov, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: 888tev888@mail.ru); I.E. Migalyov, post graduate student.

For citation: Soshnikov A.A., Titov E.V., Migalyov I.E. Estimation of Danger of Electromagnetic Radiation in Agricultural Technological Processes Taking into Account the Possibility of Combined Influence. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2017. Vol. 31. No 3. Pp. (in Russ.).