МНОГОСЛОЙНЫЙ МАГНИТНЫЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИЗЛУЧЕНИЯ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ
MULTILAYER MAGNETIC AND ELECTROMAGNETIC SCREEN FOR PROTECTION AGAINST THE RADIATION OF POWER CABLES

Изобретение относится к многослойным покрытиям, используемым в радиоэлектронной и приборостроительной технике, в частности, при создании экранов для защиты от воздействия внешних магнитных и электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения различных биологических и технических объектов.
На данный момент разработаны нормативные документы, регламентирующие вопросы защиты от повышенных магнитных и электромагнитных полей человека [1, 2], а также вопросы электромагнитной совместимости работающего в непосредственной близости друг от друга электрооборудования, такие как [3, 4]. Наиболее актуальным вопросом является защита от антропогенных источников электромагнитного излучения (ЭМИ);
Согласно работе [5] можно выделить следующие антропогенные источники ЭМИ:
- электропроводка.
- линии электропередач;
- бытовые приборы.
- электротранспорт.
- сотовая связь и т.д.
В настоящее время многие специалисты считают предельно допустимой величину магнитной индукции равной 0,2-0,3 мкТл.
Существует три общеизвестных способа защиты от ЭМИ:
- защита временем, заключающаяся в минимизации времени нахождения защищаемого объекта в поле негативного действия ЭМИ;
- защита расстоянием, заключающаяся в удалении защищаемого объекта на максимальное расстояние от источника негативно воздействующего ЭМИ;
- защита экранированием, заключающаяся в применении специальных защитных материалов, снижающих негативно воздействующий уровень ЭМИ.
В ряде случаев возможно применение только последнего способа защиты. Поскольку существуют данные [6, 7, 8], что наиболее опасной является магнитная составляющая ЭМИ. Причем наиболее трудно поддаются экранированию постоянные и низкочастотные магнитные поля небольших напряженностей.
Традиционно для магнитного экранирования используются ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью (магнитомягкие материалы), например, сплавы типа пермаллой или μ-металл, являющиеся хорошими магнитопроводами и обеспечивающие замыкание магнитных силовых линий в объеме материала, не пропуская магнитное поле внутрь экранируемого объема или во внешнюю среду при экранировании источника ЭМИ. Эффективность экранирования определяется коэффициентом экранирования:
внеш
внутр
где В - индукция внешнего (экранируемого) магнитного поля, В - индукция магнитного поля внутри экрана.
Согласно [9] экранирование магнитного поля можно обеспечить замыканием магнитного потока по стенкам экранирующего материала. Для этого стенки должны быть высокопроницаемыми.
экр
Для расчета коэффициента экранирования (К) классического цилиндрического магнитного экрана с малой толщиной может использоваться формула:
где μ - магнитная проницаемость материала экрана; t - толщина стенок экрана; r - радиус кривизны экрана.
Отсюда следует, что при заданных габаритах экрана для их изготовления отдается предпочтение материалам с высокой магнитной проницаемостью. Материалы, обладающие высокой максимальной магнитной проницаемостью, намагничиваются до состояния насыщения в очень слабых полях. Поэтому их целесообразно применять для экранирования слабых постоянных и квазистатических полей, сравнимых по значению напряженности с естественным геомагнитным полем.
Материалы с меньшей максимальной магнитной проницаемостью, но большей индукцией насыщения, намагничиваются в больших полях, поэтому их «рабочий» диапазон напряженностей экранируемых полей смещен в большую сторону.
При создании универсального экрана для защиты окружающей среды от негативного излучения, источником которого могут служить силовые кабельные трассы, целесообразно изготавливать экран с градиентом по магнитным свойствам от внутренней стенки экрана к в внешней. Градиентную структуру можно организовать посредством набора многослойной конструкции экрана из материалов с различным требуемым набором магнитных свойств, реализовав тем самым эффект интерференции, при котором отраженная из объема экрана волна встречается с падающей волной и препятствует ее проникновению до чувствительного элемента прибора, либо до биологического объекта.
Дополнительный вклад в эффективность экранирования может внести рассеяние падающего излучения на границах «магнитная-немагнитная фаза». Существует работа [10], согласно которой многослойный экран эффективнее, чем сплошной экран эквивалентной толщины.
Три имеющихся аналога в этой области показывают, что комплексной реализации указанных механизмов нет ни в одном известном патенте. Имеются частные решения, направленные или на защиту конкретных конструкций или на использование однотипных материалов магнитного класса с фиксированными значениями магнитной проницаемости.
На данный момент известны многослойные электромагнитные экраны, защищающие от постоянных и переменных ЭМИ промышленной частоты (патенты России №№2274914, 2474890, 2381601 и патент Кореи US/2014/0362505).
экр
В российских патентах 2381601 и 2274914 предлагается композиция в виде однослойного экрана разной конфигурации (решетка, плетение из лент), зафиксированная определенным образом в единую механическую систему. Эффективность таких однослойных экранов невелика (К не превышает 100), и применяется обычно для узкой области интенсивностей полей: 500-600 А/м, 20-50 А/м.
эко
В патенте Кореи (Патент US/2014/0362505) в качестве магнитной компоненты используются чешуйки нанокристаллического сплава (фракция - менее 3 мкм), зафиксированные между листами из нанокристаллической ленты и немагнитным листом. Так же, как в российских аналогах, в этом патенте используется однотипный магнитный материал с фиксированными магнитными характеристиками, то не позволяет создать требуемый градиент свойств по сечению экрана. Экранирование производится также в узком диапазоне полей: 30-50 А/м, К не превышает 50.
5
В патенте 2474890, выбираемом нами в качестве прототипа, создается многослойный электромагнитный экран, который выполняется в виде покрытия из чередующихся магнитных и немагнитных слоев с количеством слоев не менее 3. При этом используется в качестве магнитного материала сплав системы никель-железо с практически фиксированной магнитной проницаемостью (порядка 2,8-3,0⋅10). Это не позволяет существенно повышать эффективность экранирования - максимальный коэффициент экранирования во всем диапазоне напряженностей внешнего магнитного поля не более 100. В качестве немагнитного материала используется медь, серебро или золото, что не позволяет достигать высоких коэффициентов экранирования в низкочастотной области и дополнительно удорожает многослойный экран.
Таким образом, известные технические решения не позволяют создать многослойную экранирующую композицию с градиентом магнитных характеристик (магнитной проницаемости и индукции насыщения), обеспечивающую существенное повышение эффективности экранирования в широком диапазоне напряженностей внешних магнитных полей.
Техническим результатом изобретения является создание по сечению многослойного экрана градиента магнитных характеристик и ослабление за счет этого магнитного и электромагнитного поля промышленной частоты в широком диапазоне напряженности экранируемого поля с коэффициентом экранирования не менее 120.
Технический результат достигается за счет многослойной конструкции экранирующего материала, включающего в себя чередующиеся магнитные и немагнитные непроводящие слои. Причем, как показывают проведенные нами расчеты, магнитные слои должны обладать различным сочетанием магнитной проницаемости и индукции насыщения: внутренние слои (ближайшие к экранируемому источнику ЭМИ) должны обладать магнитной проницаемостью не менее 10000 для обеспечения ослабления внешнего магнитного поля в тонком слое в 10 и более раз, но не более 100000, так как в этом случае технически сложно получить необходимое высокое значение индукции насыщения, позволяющей экранировать более высокие магнитные поля, а внешние слои (самые дальние от экранируемого источника) - не менее 100000, так как именно высокая проницаемость позволяет обеспечить экранирование низких и остаточных магнитных полей; индукция насыщения внутренних слоев должна быть не менее 1,15 Тл для обеспечения экранирования самых высоких магнитных полей, которые присутствуют вблизи от источника, внешних слоев - не менее 0,45 Тл, но не более 1,0 Тл для возможности получения высокой магнитной проницаемости. Толщина одного магнитного слоя должна составлять 15-35 мкм, так как именно для такой толщины реализуется возможность получения аморфного и нанокристаллического состояния в металлических магнитных сплавах, обеспечивающего такие высокие значения магнитной проницаемости. Суммарная толщина внутренних слоев должна составлять 15-200 мкм. Суммарная толщина внешних слоев должна составлять 15-200 мкм. Данные толщины обусловлены необходимостью получения коэффициента экранирования не менее 120 в широком диапазоне напряженностей внешнего магнитного поля. Значения толщин обоснованы проведенными предварительными расчетами.
Промежуточные магнитные слои выполняются с наращиванием магнитной проницаемости от внутренних слоев к внешним. Суммарная толщина таких слоев может достигать 200 мкм, необходимость их наличия или отсутствие проверяется предварительными расчетами для обеспечения общего коэффициента экранирования не менее 120 в заданном диапазоне полей.
Немагнитные слои должны быть непроводящими, что позволяет реализовать механизм интерференционного ослабления поля между магнитными слоями и, тем самым, увеличения общего коэффициента экранирования патентуемого экрана. Толщина немагнитных непроводящих слоев должна быть 30-80 мкм, то есть сопоставимой с толщиной магнитных слоев для реализации выше указанного механизма.
Такая конструкция многослойного экрана может быть реализована только при использовании нанокристаллических лент либо из разных сплавов, имеющих разные магнитные свойства, либо из аморфных сплавов, подвергнутых различным режимам термообработки.
Примеры многослойных магнитных и электромагнитных экранов представлены в таблице 1 в приложении 1.
Список использованных источников
1. ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 «Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях».
2. ГОСТ 12.4.154-85 «Система стандартов безопасности труда. Устройства экранирующие для защиты от электрических полей промышленной частоты. Общие технические требования, основные параметры и размеры».
3. ГОСТ Р 51317.6.5-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний».
4. ГОСТ Р 50648-94 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромганитному полю промышленной частоты. Технические требования и методы испытаний».
5. В.А. Богуш, Т.В. Борботько, А.В. Гусинский и др. Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты, [ред.] Л.М. Лыньков. Мн.: Бестпринт, 2003. стр. 406.
6. Davis J.G., Bennett R.L., Brent R.L. et al. Health effects of low frequency electric and magnetic fields, б.м.: Oak Ridge Associated Universities Panel, 1992. Prep. for the Committee on Interagency Radiation Research and Policy Coordination.
7. Floderus B. et al. Occupational exposure to electromagnetic fields in relation to leukemia and brain tumors. A case control study. Cancer Causes and Control. 1993 r., 4, стр. 465-476.
8. Electric and magnetic fields and cancer. An update. Electra. 1995 г. Т. 161, стр. 131-141.
9. Ю.Я. Реутов. Классические защитные экраны. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
10. М.М. Резинкина. Выбор параметров тонких электромагнитных экранов для снижения уровней магнитной индукции // Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 2, стр. 1-7.
Приложение 1.