Теоретическая часть. Основные инженерно-технические мероприятия по защите персонала от воздействия электромагнитных полей

Основные инженерно-технические мероприятия по защите персонала от воздействия электромагнитных полей, применяемые на производственных местах приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Инженерно-технические мероприятия по защите от ЭМП

Коллективные	Индивидуальные
Секторное блокирование направлений излучений	Экранирование отдельных рабочих мест радиоотражающими или радиопоглощающими материалами
Заземление всех изолированных от земли крупногабаритных объектов. Включая машины, металлические трубы отопления, вентиляционные устройства	Установка поглотителей мощности
Экранирование объемов облучения	Радиоотражающие материалы; Радиопоглощающие материалы; Строительные материалы; Лесонасаждения	Индивидуальные средства тотальной защиты в комплекте со средствами локальной защиты	Костюмы и комбинезоны
Экранирование радиоизлучающих источников	-Поглощающие нагрузки эквиваленты антенн; - Поглотители мощности	Индивидуальные средства локальной защиты	Радиозащитные халаты, перчатки, шлемы щитки, очки и др.

Защита от ЭМП РЧ осуществляется использованием коллективных и индивидуальных средств защиты, изготавливаемых из радиотражающих и радиопоглощающих материалов. Несмотря на то, что поглощающие материалы более надежны, чем отражающие, их применение ограничивается высокой стоимостью и узостью спектра поглощения. Т. к. радиоизлучения могут проникать в помещение через оконные и дверные проемы, для их экранирования применяется металлизированное стекло. Экранирующие свойства такому стеклу придает тонкая прозрачная пленка оксида олова или пленка металлов (меди, никеля и их сочетаний). Нанесенная на одну сторону стекла она ослабляет интенсивность излучения в диапазоне 0,8 – 150 см на 30 дБ (т. е. в 1000 раз).

Для защиты населения от воздействия от ЭМП в строительных конструкциях в качестве защитных экранов применяется металлическая сетка или любое проводящее покрытие. В целом, радиоэкранирующими свойствами обладают практически все строительные материалы.

Наибольшая эффективность защиты от ЭМП достигается локализацией ЭМП радиотехнического устройства с помощью корпуса или при помощи экрана. Применяют 2 вида экранирования: экранирование источников ЭМП от людей; экранирование людей от источников ЭМП. Обычно проектируют средства защиты от магнитного, электрического и электромагнитного полей. Защитные свойства экранов основаны на эффекте ослабления напряженности и искажения электрического поля в пространстве вблизи заземленного металлического предмета.

В диапазонах радиочастот определяющей оценкой материала для ЭМИ экранирования является произведение проводимости на его магнитную проницаемость σ×μ. Здесь главную роль играет поверхностный эффект, который характеризуется глубиной проникновения δ:

, (9.1)

где δ –глубина проникновения, м;

μ – магнитная проницаемость материала, Гн/м (таблица 9.2);

σ – удельная проводимость, См/м;

ω – круговая частота, Гц, равная .

Эффективность экранирования определяется:

а) структурой ЭМП (магнитные, электрические, плоская волна, поперечные волны и т. д.), зависящей от конфигурации и расположения источника излучения;

Таблица 9.2 – Характеристика металлов, применяемых для экранирования ЭМП

Металл	Электрическая проводимость σ · 10⁶, См/м	Магнитная проницаемость	Глубина проникновения, δ, мм	Волновое сопротивление Z₁ _,Ом
Медь	56,6...57,8		21,2· 10 ^-3·√ f	0,372· 10 ^-6·√ f
Алюминий	35,3...36,4		16,4· 10 ^-3·√ f	0,478· 10 ^-6·√ f
Сталь	10,3-13,7		75,4· 10 ^-3·√ f	10,47· 10 ^-6·√ f
Свинец	4,8		6,2· 10 ^-3·√ f	1,28· 10 ^-6·√ f

б) конструкцией экрана:

- конфигурацией (плоский, круговой, цилиндрический, рисунок 9.1);

Рисунок 9.1 – Конструкции экранов

- толщиной (толстостенные h>0,1 ^. D и тонкостенные h < 0,1 ^. D, где D – наибольшее расстояние между точками оболочки);

- степенью герметичности (герметичные и негерметичные, т. е. имеющие отверстия в результате нарушения технологического процесса производства или несовершенства самой конструкции);

- материалом (немагнитные – медь, алюминий, свинец и т. д. и магнитные).

В качестве экранов обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале, однако часто это экономически не выгодно. Поэтому были разработаны следующие нематериалоемкие виды защиты от ЭМП:

- проволочные сетки и фольговые материалы из диамагнитных материалов: алюминия, латуни, цинка;

- токопроводящие краски – создают на основе пленкообразующего материала с добавлением проводящих составляющих (коллоидное серебро, графит, сажа, порошки меди, алюминия), пластификатора, отвердителя;

- радиопоглощающие материалы изготавливают в виде эластичных и жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы, керамико-пластические композиции;

- многослойные материалы (экраны состоят из чередующихся немагнитных или магнитных слоев; на границе слоев осуществляется многократное отражение волн, что обусловливает высокую эффективность экранирования);

- перфорированные материалы и сотовые решетки для экранирования в диапазоне до 35 ГГц (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 – Сотовые решетки, применяемые для экранирования ЭМП в частотных диапазонах: а) до 1 ГГц; б) до 10 ГГц; в) до 35 ГГц.

Расчет экранирующего устройства для защиты от ЭМП.

1. Определяем, в какой зоне по отношению к источнику излучения находится расчетная точка, и какими параметрами оценивается интенсивность ЭМП, затем вычисляем размер зоны.

Определение принадлежности расчетной точки к какой-либо зоне ЭМП позволяет определить необходимость принятия решения о применении средств защиты персонала.

2. Определяем необходимую эффективность экрана в зависимости от известных данных

; ; , (9.2)

где Э_тр – требуемая эффективность экранирования;

Е, Н, П – соответственно электрическая, магнитная составляющие поля и плотность потока энергии в расчетной точке;

Е_пд, Н_пд., П_пд – предельно допустимые уровни соответственно электрической и магнитной составляющих поля и плотности потока энергии.

Как правило, эффективность экранирования может находиться в больших пределах (от единиц до 10¹⁰), поэтому эффективность экрана поэтому удобнее представить в логарифмических единицах – децибелах (дБ):

; ; . (9.3)

3. Расчет фактической эффективности экрана проводится по формулам:

3.1. Экранирование плоским экраном. Эффективность экранирования в этом случае определяется эффективностью затухания волн в материале, за счет отражения волн на границе раздела сред и за счет многократных отражений волн внутри экрана.Для экрана, изготовленного из металла и установленного в воздушной среде при защите от относительно высоких частот (10⁴– 10⁹ Гц) эффективность экранирования определяют по формуле:

, (9.4)

где h – толщина экрана, м;

Z₀ – волновое сопротивление среды (в зоне излучения для воздуха – 377 Ом).

На низких частотах эффективность экранирования можно определить по приближенной формуле:

. (9.5)

3.2. Экранирование оболочками. На низких частотах (менее 10⁴ Гц) эффективность экранирования электрического поля определяется:

, (9.6)

где ε – диэлектрическая проницаемость (8,85· 10^-12 Ф/м);

m – коэффициент, учитывающий форму экрана;

r_* – размеры внутреннего пространства экрана, м:

, (9.7)

где V_экр – внутренний объем экрана, м³.

При экранировании магнитного поля необходимо учитывать материал, из которого изготовлен экран. Для магнитных металлов (сталь, феррит) эффективность экранирования не зависит от частоты и определяется по выражению:

, (9.8)

где μ₀ – абсолютная магнитная проницаемость (1,26 · 10^-6Гн/м).

Эффективность защитных устройств из немагнитных материалов зависит от частоты

. (9.9)

Для оценки эффективности сферического или цилиндрического экрана можно воспользоваться следующими отношениями эффективности плоского экрана (е_п) к эффективности цилиндрического(e_ц) и сферического (e_с) экранов: , дБ; , дБ.

3.3. Экранирование металлическим экраном с перфорацией (отверстиями):

, (9.10)

где а_ц – расстояние между центрами отверстий перфорации или щелей в экране, м;

d – диаметр отверстий перфорации, м;

ρ – удельное сопротивление материала экрана, Ом· м (для алюминия – 0,28· 10^-7 Ом· м; для меди – 0,17· 10^-7 Ом· м; для стали – 1,5 · 10^-7 Ом· м).

Формула (9.10) применима для широкого диапазона волн. Волновое сопротивление Z имеет различное значение для электрической и магнитной составляющих поля, поэтому при определении эффективности экрана по электрической составляющей, необходимо подставлять волновое сопротивление Z=Z_Е, по магнитной составляющей Z=Z_Н _,по плотности потока Z= Z_0.

; . (9.11)

3. 4. Экранирование сетчатым экраном

, (9.12)

где d_э – эквивалентная толщина сетки, м, определяемая по формуле:

, (9.13)

d_s – диаметр провода сетки, м;

S – шаг сетки, м.

Для обеспечения эффективности сетчатого экрана его эквивалентная толщина должна быть не меньше глубины проникновения электромагнитного поля.

3.5. Экранирование электрически тонкими материалами, в том числе с металлизированными поверхностями

(9.14)

За толщину экрана d принимается толщина нанесенного слоя металла. Для обеспечения эффективности экрана толщина должна быть больше 3 d.

3.6. Экранирование токопроводящей краской, нанесенной на защитные устройства из диэлектрических материалов (дерева, пластмассы)

, (9.15)

где R₀ – поверхностное натяжение краски, Ом.

Для лака 9 – 32 и 300 % карандашного графита КГБ, поверхностное напряжение примерно равно 7 – 7,5 Ом при толщине покрытия 0,15 – 0,17 мм и 5 – 6 Ом при толщине покрытия 0,2 – 0,21 мм.

3.7. Для обеспечения электрической герметичности листы (полотна) экрана должны быть соответствующим образом соединены внахлест (с перекрытием), встык или двойным фланцем. Сварка непрерывным швом может быть заменена точечной сваркой или креплением листов винтами.

Вентиляционные и коммуникационные отверстия в экране не должны снижать эффективность экрана. Эти отверстия должны быть выполнены по принципу запредельного волновода (рисунок 9.3). Если в экране имеются отверстия, закрытые сеткой или выполненных в виде сотовой решетки, то эффективность такого экрана определяется по этому наиболее опасному участку. Минимальное затухание (В_мин,, дБ/м), вносимое отверстием как фильтром, может быть рассчитано по формуле:

а) для прямоугольных отверстий

, (9.16)

б) для круглого отверстия а=0,853·D,где D – диаметр отверстия, м.

Рисунок9.3 – Конструкции вентиляционных и смотровых отверстий и экранов: а – патрубок с сетками; б – отрезок трубы; в – сотовая конструкция

В диапазоне сантиметровых волн отверстия в экранах закрываются волновыми фильтрами типа «сотовая решетка». Дополнительное ослабление излучения сотовой конструкции (L_доп, дБ ), для квадратного или прямоугольного патрубка вычисляется по формуле

, (9.17)

где n_я – число ячеек в общем сотовом волноводе.

Дополнительное ослабление сотовым патрубком L_доп должно вычисляться из заданного ослабления при определении минимальной длины запредельного волновода, поэтому длина сотовой решетки (L_c, м) определяется по выражению:

. (9.18)