Содержание. Министерство образования и науки

Министерство образования и науки

Российской Федерации

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. Шухова

Основы электромагнитной безопасности

Методические указания к выполнению

Практических работ

для студентов направления 280700.62- Радиационная

и электромагнитная безопасность

Белгород

Министерство образования и науки Российской Федерации

Белгородский государственный

Технологический университет им. В. Г. Шухова

Кафедра электроэнергетики и автоматики

Утверждено

научно-методическим советом

университета

Основы электромагнитной безопасности

Методические указания к выполнению

Практических работ

для студентов направления 280700.62- Радиационная

и электромагнитная безопасность

Белгород

УДК 621.3 (07)

ББК 31.2 я7

Т 54

Составитель доцент М.Ю. Михайлова

Рецензент канд. техн. наук, кафедры «Электроэнергетика и автоматика» А.А. Виноградов

Т 54	Основы электромагнитной безопасности. Методические указания к выполнению практических работ для студентов направления 280700.62 – Радиационная и электромагнитная безопасность/ сост.: М. Ю. Михайлова – Белгород: Изд-во БГТ У, 2014, 82 с.

Методические указания составлены в соответствии с программами обучения по дисциплине «Основы электромагнитной безопасности» и предназначены для студентов направления 280700.62 – Радиационная и электромагнитная безопасность, а также для студентов неэлектрических направлений обучения.

Издание публикуется в авторской редакции.

УДК 621.3 (07)

ББК 31.2 я7

© Белгородский государственный

технологический университет

(БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2014

Содержание

Введение. 5

Практическая работа №1 Изменение напряженности электрического поля на границе раздела диэлектриков 10

Практическая работа №2 Потенциальные и емкостные коэффициенты. Расчет частичных емкостей 14

Практическая работа №3 Электрическое поле постоянных токов. Растекание токов, сопротивление растекания 19

Практическая работа №4 Магнитное поле постоянных токов. Магнитное поле вблизи плоских поверхностей ферромагнитных материалов. 22

Практическая работа №5 Намагничивание тел различной формы. Размагничивающий фактор 26

Практическая работа №6 Напряженность электрического поля высоковольтной линии 32

Практическая работа №7 Молниезащита объектов. 35

Практическая работа №8 Сопротивление заземления. 50

Практическая работа №9 Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения 62

Практическая работа №10 Оценка отклонений напряжения и допустимости его колебаний 69

Практическая работа №11 Индуцируемые помехи контактной сети. 73

Приложение. 77

Введение

Электромагнитное поле ‑ это вид материи, определенный во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его стороны, называемые соответственно электрическим и магнитным полем, и оказывающие силовое воздействие на заряженные частицы, зависящее от их скорости и заряда.

Электромагнитный импульс представляет собой распространяющиеся в пространстве, с конечной скоростью, взаимосвязанные, не могущие существовать друг без друга, переменные электрическое и магнитное поле.

Свойства электромагнитного поля:

1) существует вокруг заряженной частицы и без ней;

2) электромагнитное поле имеет двойственную природу, характеризуемую:

‑ волновыми свойствами;

‑ квантовые свойствами.

3) является носителем определенного количества энергии;

4) обладает массой и давлением.

Квантовые свойства электромагнитного поля характеризуется энергией кванта:

,

где h =6,626•10^-34 Дж∙с- постоянная планка, v ‑ частота излучения, Гц.

Волновые свойства электромагнитного поля описываются частотой f и длиной волны λ:

а) в проводящей среде:

б) в однородном изотропном диэлектрике:

,

где .

Электромагнитная волна представляют собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, в которой они распространяются.

Для вакуума , скорость распространения электромагнитной волны можно определить по следующей формуле:

,

т.е. равна скорости света. Длина электромагнитной волны определяется по следующей формуле:

.

Таким образом, каждому виду излучения соответствует определенная частота и длина волны. Токи различного диапазона частот, создают в воздухе излучения, имеющие однотипную электромагнитную природу. Различия в длине волны и частоте колебаний и значений в величине энергии кванта.

В электрических цепях могут быть токи и напряжения постоянные по величине и направлению; постоянные по направлению, но переменные по величине; периодически изменяющиеся по величине и направлению; импульсного характера. Переменные токи и напряжения различной формы создают в пространстве, окружающем электрические цепи, переменные электрические и магнитные поля. Характер изменения этих полей соответствует характеру изменения электрического напряжения и тока в рассматриваемой цепи.

Если в проводе имеются переменные напряжения U и ток I, то электрическое поле можно представить в виде силовых линий, начинающихся в проводе и заканчивающихся на поверхности земли.

В земле электрического поля, создаваемого напряжением провода U, нет, поэтому кабельные линии, проложенные в земле, электрическому влиянию не подвержены.

Силовые линии магнитного поля, создаваемого током I, замыкаясь по концентрическим окружностям вокруг провода, проникают и в землю, поэтому кабельные линии в земле, так же как и воздушные, подвергаются воздействию магнитного поля.

Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется четырьмя векторными величинами: напряженностью электрического поля , В/м, электрической индукцией , Кл/м2, напряженностью магнитного поля , А/м, магнитной индукцией , Тл (тесла).

Составляющие электрического поля (, ) и магнитного поля (, ) находятся во взаимной зависимости.

Для поля в вакууме имеем:

; ,

где – электрическая постоянная, равная 8,85х10-12, Ф/м; – магнитная постоянная, равная 1,26х10-6, Г/м.

Взаимосвязь векторов электромагнитного поля основывается на следующих четырех положениях.

Закон полного тока: ; знак у интеграла означает, что интегрирование производится по замкнутому контуру; полный ток i_п включает в себя ток проводимости и ток смещения .

Отсюда следует, что всякое изменение электрического поля во времени вызывает появление магнитного поля.

Закон электромагнитной индукции, который устанавливает связь между ЭДС, индуктируемой в контуре, и магнитным потоком, пересекающим этот контур

; .

Из этих формул видно, что всякое изменение магнитного поля во времени приводит к появлению электрического поля.

Теорема Остроградского-Гауса, которая устанавливает связь между потоком вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и электрическим зарядом, расположенным внутри этой поверхности, имеет вид N=Q/ε₀.

Если Q = 0, то N = 0, то есть электрическое поле может возникнуть только в результате изменения магнитного потока.

Принцип непрерывности магнитного потока, который выражается в том, что полный поток магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю, то есть вошедший внутрь любого объема магнитный поток равен магнитному потоку, вышедшему из того же объема, или математически , здесь интеграл берется по замкнутой поверхности.

Согласно ГОСТ Р 50397-2011 в электромагнитной совместимости технических средств приняты следующие основные понятия и определения, которые рекомендуются во всех видах документации.

Электромагнитная обстановка (ЭМО) – совокупность электромагнитных явлений, существующих в данном месте. В общем, ЭМО зависит от времени и для ее описания может требоваться статистический подход.

Электромагнитный шум – изменяющееся во времени электромагнитное явление, которое не содержит информации и может налагаться на полезный сигнал или объединяться с полезным.

Нежелательный сигнал – сигнал, который может ухудшить прием полезного сигнала.

Мешающий сигнал – сигнал, который ухудшает прием полезного сигнала.

Электромагнитная помеха или просто помеха – любое электромагнитное явление, которое может ухудшить качество функционирования технического средства.

Влияние электромагнитной помехи – ухудшение качества функционирования технического средства или канала передачи, вызванное электромагнитной помехой.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств – способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной ЭМО и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Электромагнитная эмиссия – явление, при котором электромагнитная энергия исходит от источника.

Естественный шум – электромагнитный шум, источником которого является природное явление, а не устройства, созданные человеком.

Индустриальный шум – электромагнитный шум, источником которого являются технические средства.

Устойчивость к электромагнитной помехе (помехоустойчивость) – способность технического средства сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Электромагнитная восприимчивость – неспособность технического средства функционировать без ухудшения качества при наличии электромагнитных помех. Восприимчивость представляет собой недостаточную устойчивость к электромагнитной помехе.

Электростатический разряд – перенос электростатического заряда между телам, электростатические потенциалы которых отличаются друг от друга, при их сближении или непосредственном контакте.

Эмиттер – техническое средство, вызывающее возрастание напряжения, токов или электромагнитных полей, которые могут действовать как электромагнитные помехи.

Восприимчивое техническое средство – техническое средство, функционирование которого может быть ухудшено при воздействии электромагнитной помехи.

Переходный процесс – явление или величина, изменяющиеся между двумя соседними стационарными состояниями, за интервал времени, короткий по сравнению с полной рассматриваемой шкалой времени.

Импульсный шум – шум, который проявляется в тракте конкретного технического средства как последовательность отдельных импульсов или переходных процессов.

Импульсная помеха – электромагнитная помеха, которая проявляется в тракте конкретного устройства, как последовательных отдельных импульсов или переходных процессов.

Непрерывный шум – шум, воздействие которого на конкретное техническое средство не может быть представлено как последовательность отдельных воздействий.

Непрерывная помеха – электромагнитная помеха, воздействие которой на конкретное техническое средство не может быть представлено как последовательность отдельных воздействий.

Квазиимпульсный шум – шум, который эквивалентен сложению импульсного шума и непрерывного шума.

Прерывистое влияние помехи – влияние электромагнитной помехи, длящееся в течение определенных периодов времени, разделенных интервалами, свободными от влияния помех.

Случайный шум – шум, значения которого в данные моменты времени непредсказуемы.

Кратковременная помеха – электромагнитная помеха, продолжительность которой, измеренная в регламентированных условиях, не превышает определенного значения.

Частота следования кратковременных помех – число кратковременных помех за единицу времени, обычно минуту, которые превышают определенный уровень

Практическая работа №1
Изменение напряженности электрического поля на границе раздела диэлектриков

Цель работы: подобрать необходимую изоляцию кабеля по слоям, таким образом, чтобы значение напряженности поля вдоль радиуса кабеля было равномерным.

Условие практической работы: подберите необходимую изоляцию кабеля по слоям, таким образом, чтобы значение напряженности поля вдоль радиуса было выровнено. Исходные численные данные сведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1