Фактори впливу та методи визначення електромагнітної обстановки офісного приміщення

Споживачі Z₁…Z_n живляться від джерела з ЕРС е і внутрішнім опором Z_вн. Вочевидь, що включення, наприклад, першого джерела призведе до зменшення напруги живлення U на величину ДU=I₁Z_вн за рахунок збільшення падіння напруги на внутрішньому опорі джерела. При наявності в мережі великої кількості потужних споживачів, які часто комутируються, (наприклад, нагрівальних пристроїв з терморегуляторами), будуть відбуватися постійні коливання напруги мережі живлення (так званий флікер flicker).

Позаштатні режими роботи енергосистем хоч і мають місце рідше за зміни навантаження, але суттєво впливають на рівень завад в мережі електроживлення. Так внаслідок тих чи інших неполадок в роботі енергосистеми параметри напруги живлення (у першу чергу її діючого значення) можуть значно відрізнятися від номінальних. Короткі замикання та інші аварії можуть призводити до повного зникнення напруги живлення тривалістю від десятків мілісекунд до декількох годин. В деяких випадках можуть виникати короткочасні перенапруги, коли протягом декількох періодів напруга живлення в 1,5…2 рази перевищує номінальне значення.

Наступним фактором впливу є нелінійні елементи в мережах електроживлення, наявність яких здатна значно спотворити форми кривих струму і напруги.

До таких елементів відносяться осердя трансформаторів, які працюють у режимі, близькому до насичення, імпульсні блоки живлення апаратури, силові напівпровідникові перетворювачі і т. і. Потрібно враховувати, що спотворення форми кривої струму відбивається на формі кривої напруги за рахунок внутрішнього опору джерела.

Зазвичай для аналізу внесених спотворень використовують апарат гармонічного аналізу. При цьому основним параметром є коефіцієнт гармонічних спотворень, який визначається як відношення середнього квадратичного значення гармонік, починаючи з другої (зазвичай до 9…50-ї), до діючого значення першої гармоніки. Найбільший внесок спотворень вносять непарні гармоніки низьких порядків (третя, п'ята і сьома). Це пояснюється тим, що більшість нелінійних елементів має вольт-амперну характеристику симетричну відносно початку координат.

Вплив зазначених факторів на апаратуру виявляється як вплив низькочастотних кондуктивних завад по колам електроживлення. Фізичне ушкодження апаратури (критерій D відповідно до класифікації п.1.2) зазвичай з'являється лише у випадку значних перенапруг. Більшість сучасних пристроїв має блоки живлення, які забезпечують нормальне функціонування в широкому діапазоні вхідної напруги. Тому для них істотну загрозу становлять лише тривалі переривання електроживлення. Найбільш надійним захисним засобом в цьому випадку є застосування джерела або системи безперервного живлення (ДБЖ Uninterruptable Power Supply, UPS).

Електромагнітні поля устаткування. Насамперед, необхідно виділити джерела магнітного поля промислової частоти 50 Гц (МП ПЧ), тим більше, що за останні роки число їх значне збільшилося.

Це пояснюється, з одного боку, значним збільшенням кількості й одиничної потужності електричного й електронного устаткування, що використовується у виробничих і побутових умовах, а з іншого боку, організаційно-технічними недоліками у проектуванні, монтажі й експлуатації розподільних мереж 0,4 кВ у будинках промислового і цивільного призначення в нашій країні.

Відомо, що магнітне поле в навколишнім просторі створюється провідниками зі струмом. Таким чином, причина появи МП ПЧ поблизу силових трансформаторів, електродвигунів очевидна. Більш складна ситуація із системою кабельних ліній будинку. З появою в кабельній лінії струму витоку виникаючий дисбаланс, тобто нерівність нулю сумарного струму по кабельній лінії, створює в навколишнім просторі магнітне поле, що повільно зменшується зі збільшенням відстані від розглянутого кабелю.

Крім того, наявність струмів витоку в системі електропостачання будинку призводить до протікання струмів по металоконструкціях і трубопровідних системах, що також є причиною збільшення рівнів МП ПЧ. Найбільший внесок в електромагнітну обстановку звичайних приміщень в діапазоні промислової частоти 50 Гц вносить електротехнічне устаткування будівлі, а саме кабельні лінії, що підводять електрику до всіх помешкань та інших споживачів системи життєзабезпечення будівлі, а також розподільні щити і трансформатори.

У приміщеннях, суміжних з цими джерелами, зазвичай підвищений рівень магнітного поля промислової частоти, обумовлений електрострумом, який протікає у провіднику. Рівень електричного поля промислової частоти при цьому не високий і не перевищує допустимих рівнів для населення 500 В/м [7,8].

Приклади розподілу в приміщеннях магнітного поля промислової частоти від різноманітного електротехнічного устаткування. Зона з безпечним для здоров'я людини рівнем магнітного поля знаходиться там, де щільність магнітного потоку не перевищує 0.2 мкТл (нижня сіра зона).

Електромагнітне поле промислової частоти впливає не тільки на людину, а й на обладнання, зокрема, на відеомонітори ПЕОМ. сконструйовані на основі електронно-променевої трубки (ЕПТ). Фактично, вони можуть слугувати своєрідним індикатором підвищеного рівня МП ПЧ у приміщенні.

Якщо величина щільності магнітного потоку B зовнішнього МП ПЧ перевищує значення 0.91.1 мкТл для дисплеїв з діагоналлю екрана 15 дюймів і 0.40.6 мкТл для 19-ти дюймових моделей, на екранах відеомоніторів виникає помітний для ока ефект просторової нестабільності зображення ("тремтіння" по амплітуді). Це явище властиве всім дисплеям з ЕПТ незалежно від виробника і року випуску. Воно зникає після переміщення відеомонітора в зону з рівнем МП ПЧ нижче вищенаведеного граничного. Ефект виникає унаслідок впливу магнітної складової зовнішнього ЕМП промислової частоти 50 Гц (ЕМП ПЧ) на систему відхилення променя у відеомоніторі.

Виходячи з норм СанПиН 2.2.2.542-96 [10], гранично припустиме значення щільності магнітного потоку В МП ПЧ, створюваного комп'ютером на робочому місці користувача, не повинне перевищувати 0,25 мкТл у діапазоні частот 52000 Гц, тобто наявність "тремтіння" зображення відеомонітора свідчить про як мінімум 24-х кратне перевищенні вимог стандарту. На дисплеях робочих місць №№ 1 і 2 зафіксоване суттєве спотворення зображення. Джерелом МП ПЧ у даному випадку є силовий трансформатор (10кВ/0.4кВ потужністю 630 кВ·А), який знаходиться в суміжному приміщенні, установлений на відстані 0.8 м від стіни.

1.3.3 Джерела електромагнітних полів на робочому місці з ПЕОМ

Під робочим місцем з персональною електронно-обчислювальною машиною в контексті даної роботи розуміється відособлена ділянка загального робочого приміщення (кабінету, зали, цеху і т. і.), обладнана необхідним комплексом технічних засобів обчислювальної техніки, і в межах якого постійно або тимчасово перебуває користувач (оператор) ПЕОМ у процесі своєї діяльності [9,11].

На робочих місцях (РМ) з ПЕОМ можна виділити два види електромагнітних полів:

поля, створювані власне ПЕОМ;

поля, породжені іншими (сторонніми) джерелами навколо робочого місця.

Сучасна ПЕОМ створює навколо себе поля з широким частотним спектром і просторовим розподілом, такі як:

електростатичне поле;

електромагнітне поле у діапазоні від 20 Гц до 1000 МГц;

змінні низькочастотні електричні поля;

змінні низькочастотні магнітні поля.

Потенційно можливими шкідливими факторами можуть бути також:

рентгенівське й ультрафіолетове випромінювання електронно-променевої трубки (ЕПТ) дисплея ПЕОМ;

електромагнітне випромінювання радіочастотного діапазону;

електромагнітне поле (електромагнітні поля, створювані сторонніми джерелами на робочому місці з комп'ютерною технікою).

Частотні діапазони електромагнітних завад окремих пристроїв ПЕОМ наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 Частотні діапазони електромагнітних завад пристроїв ПЕОМ

Слід зауважити, що рентгенівське та ультрафіолетове випромінювання відеодисплейних терміналів ВДТ можна назвати лише потенційно існуючими шкідливими факторами.

Електростатичне поле навколо ПЕОМ. Електростатичне поле виникає внаслідок наявності електростатичного потенціалу (прискорюючої напруги) на екрані ЕПТ. При цьому з'являється різниця потенціалів між екраном дисплея і користувачем ПЕОМ. Наявність електростатичного поля у просторі навколо ПЕОМ призводить, в тому числі й до того, що пил з повітря осідає на клавіатурі ПЕОМ і потім проникає в пори на пальцях, викликаючи захворювання шкіри рук.

Електростатичне поле навколо користувача ПЕОМ залежить не тільки від полів, створюваних дисплеєм, але також від різниці потенціалів між користувачем і навколишніми предметами. Ця різниця потенціалів виникає, коли заряджені частки накопичуються на тілі в результаті ходіння підлогою з килимовим покриттям, при терті матеріалів одягу і т. і.

Змінні електричні й магнітні поля, створювані ПЕОМ. Джерелами змінних електричних й магнітних полів, створюваних ПЕОМ, є вузли, в яких присутня висока змінна напруга, а також вузли, що працюють з великими струмами.

По частотному спектру ці електромагнітні поля розділяються на дві групи:

поля, створювані блоком електроживлення і блоком кадрової розгортки дисплея (основний енергетичний спектр цих полів зосереджений в діапазоні частот до 1 кГц);

поля, створювані блоком рядкової розгортки і блоком електроживлення ПЕОМ (у випадку, якщо він імпульсний); основний енергетичний спектр цих полів зосереджений в діапазоні частот від 15 до 100 кГц.

Кондуктивні завади, які створюються блоком електроживлення, розглянуті в працях [12,13].

По енергетичному спектру зазначені групи полів чітко розділені. Цей факт успішно використовується при випробуваннях комп'ютерної техніки, коли при оцінці її якості вимірюють рівні полів, що створюються, в широкій смузі пропускання у двох різних частотних піддіапазонах: перший піддіапазон 5 Гц…2 кГц, другий піддіапазон 2 кГц… 400 кГц.

В таблиці 1.2 наведені діапазони значень електромагнітних полів, які були отримані при вимірюванні робочих місць з ПЕОМ [9].

Таблиця 1.2 Діапазони значень електромагнітних полів на робочих місцях з ПЕОМ

Особливо необхідно відзначити, що в спектрі електромагнітних полів, створюваних дисплеєм, присутні складові, частоти яких істотно нижче частоти кадрової розгортки. Це низькочастотні електромагнітні коливання від одиниць герців до декількох десятків герців, частоти яких близькі до частот біоритмів людського організму. В цьому принципова відмінність дисплеїв ПЕОМ по їх потенційній екологічній небезпеці у порівнянні зі звичайними побутовими електроприладами та іншими випромінювальними технічними засобами.

Матеріали сертифікаційних випробувань свідчать, що для сучасних моделей дисплеїв контрольовані параметри, в основному, відповідають нормі. В даний час не викликають претензій дисплеї ведучих фірм Sony, Samsung, виготовлені в Японії чи Кореї. Дисплеї виготовлені в Тайвані не забезпечують вимог за рівнем напруженості електричного поля, але в більшості випадків ці перевищення незначні. Однак останнє відноситься лише до дисплеїв випуску пізніше 1995-96 років.

В цілому за результатами сертифікаційних випробувань можна зробити кілька висновків:

Багато дисплеїв усе ще не відповідають вимогам СанПиН 2.2.2.542-96 [10], особливо дисплеї випуску до 1995 року, незважаючи на позначення на них “Low Radiation”. Проведено порівняння характеристик рівнів електромагнітних полів для дисплеїв різних років випуску.

Вироблені різними фірмами дисплеї характеризуються дуже різноманітними просторовими діаграмами низькочастотних електромагнітних випромінювань

Значно підвищилася в останні роки якість дисплеїв за рівнем електростатичного потенціалу екрана. Даний параметр поліпшений фірмами-виробниками дисплеїв в сотні разів. Разом з тим, дослідження показали, що в багатьох типах дисплеїв використовується, так званий, компенсаційний метод зниження електростатичного потенціалу монітора, коли схема компенсації починає ефективно працювати тільки через деякий час після увімкнення дисплея, а до цього періоду на екрані дисплея присутній значний електростатичний потенціал.

Останнім часом деякі фірми (у тому числі і вітчизняні) почали комплектувати вироблені ними ПЕОМ спеціальними екранованими мережними шнурами. Застосування таких мережних шнурів (замість звичайних трьохпровідних) у десятки разів знижує на робочому місці рівень змінного електричного поля в діапазоні частот від 5 Гц до 2 кГц.

Персональні комп'ютери типу Note Book можна вважати безпечними як за рівнем електростатичного потенціалу (через відсутність у них високих напруг постійного струму), так і за рівнями електромагнітних полів, через відсутність будь-яких пристроїв, які використовують високі напруги, та віддаленість блоку живлення.

1.3.4 Електромагнітні поля, що створюються радіосистемами

Радіосистеми створюють електромагнітні поля з нижньою частотою близько сотень кілогерців та верхньою близько десятків гігагерців. Такі поля створюються функціональними джерелами радіозв'язку та побутовими приладами, принцип роботи яких полягає у використанні випромінювання радіочастоти, наприклад телерадіомовні передавачі, апарати зонового зв'язку, радари, мікрохвильові печі, різні експериментальні й іспитові установки і т. і. В деяких випадках завади, аналогічні завадам з боку функціональних джерел, можуть створюватися і лініями дротового зв'язку, які працюють на високій частоті. В таблиці 1.3 зазначені типові значення напруженості електричного поля для основних функціональних джерел [2].

Таблиця 1.3 Типовий розподіл радіочастотного спектру

* Зазначена напруженість тільки всередині променя, створюваного антеною.

На підприємствах найчастіше зустрічаються передавачі локального і мобільного радіозв'язку. Останнім часом з'явилася тенденція до росту використання радіозасобів для забезпечення роботи служб єдиного часу, зв'язку й інших елементів систем автоматизованого керування підприємством.

Іноді свій внесок в створення радіозавад вносить робота каналів високочастотного зв'язку по високовольтних лініях (ВЛ), тяговій мережі і трубопроводам. Зазвичай сигнали ВЧ-зв'язку лежать в діапазоні від десятків кілогерців до 1 МГц.

Потрібно пам'ятати, що використання будь-якої частини радіочастотного спектра регулюється відповідними державними органами, тому розміщенню на підприємстві будь-якої радіопередавальної апаратури передує процедура одержання відповідного дозволу.

Виконання цієї процедури допомагає вирішити проблему взаємовпливу між різними радіопристроями, але, на жаль, не вирішує її цілком. Дійсно, навіть повний поділ робочих діапазонів частот різних пристроїв зв'язку не гарантує відсутність їхнього впливу один на одного, наприклад, на проміжній частоті.

Як вже зазначалося вище, вплив радіочастотного поля на апаратуру залежить від частоти.

На порівняно низьких частотах (орієнтовно до 20…30 МГц) переважає вплив за наведенням кондуктивних завад у зовнішніх колах.

Помітну роль можуть також відігравати радіочастотні струми, збуджувані в контурах, утворених елементами заземлювального пристрою, і екранами кабелів. На більш високих частотах небезпеку становить також безпосередній вплив полів на внутрішні кола апаратури.

На відміну від імпульсних завад, що зазвичай мають широкосмуговий характер, радіозавади, як правило, вузькосмугові.

Виключеннями є, мабуть, лише атмосферні і космічні радіошуми, шуми від корони. Тому вплив радіозавад на апаратуру відбувається за умови співпадання частоти завади й одного з "вікон уразливості" апаратури. Наявність останніх частіше за все зв'язана з робочими частотами апаратури або резонансними частотами тих чи інших її елементів.

Вплив радіозавад у першу чергу становить небезпеку для іншої радіоапаратури (особливо високочутливих приймачів). Однак, завдяки зусиллям відповідних міжнародних і державних органів, випадки збігу робочих частот у різних радіозасобів рідкісні.

Набагато частіше виникають ситуації, коли зовнішнє випромінювання має спектр частот, що перетинається з одним із "вікон уразливості", наприклад проміжною частотою апаратури. Така ситуація часто має місце, наприклад, коли та сама антенна щогла використовується різними радіопередавальними пристроями.

Порівняно уразливої до впливу радіозавад є будь-яка апаратура провідникового зв'язку на високій частоті.

Це стосується, зокрема, швидкісних цифрових ліній зв'язку і магістралей локальних обчислювальних мереж. Причому при збільшенні частоти передачі проблема ЕМС стає однієї з основних для систем зв'язку.

Збої цифрової апаратури під дією радіочастотних полів часто пов'язані з незадовільними екрануючими властивостями корпуса або неправильною схемою заземлення апаратури й екранів.

Випадки фізичного ушкодження апаратури під дією радіозавад порівняно рідкісні. Зазвичай такого роду ушкодження спостерігаються у високочутливих приймачів, які з тієї чи іншої причині знаходяться поруч з потужним джерелом радіочастотного випромінювання.

Розглянемо можливий вплив радіочастотних електромагнітних полів засобів зонового зв'язку на їхнього користувача.

Основними елементами системи зонового зв'язку є базові станції (БС) і мобільні радіотелефони (МРТ). Базові станції підтримують радіозв'язок з мобільними радіотелефонами, унаслідок чого БС і МРТ є джерелами електромагнітного випромінювання в УВЧ діапазоні.

Важливою особливістю системи зонового радіозв'язку є дуже ефективне використання виділюваного для роботи системи радіочастотного спектра (багаторазове використання тих самих частот, застосування різних методів доступу), що уможливлює забезпечення телефонним зв'язком значного числа абонентів.

У роботі системи застосовується принцип розподілу деякої території на зони, чи зони, радіусом зазвичай 0.5-10 кілометрів. Деякі технічні характеристики систем зонового радіозв'язку наведені в таблиці 1.4 [14].

Таблиця 1.4 Короткі технічні характеристики систем зонового радіозв'язку

1.3.5 Інші джерела електромагнітних завад

Іншим потужним джерелом завад є грозові розряди. При ударі блискавки поблизу апаратури або її провідникових комунікацій виникають сильні імпульсні завади в інформаційних і антенних колах, а також колах живлення.

При цьому можуть реалізовуватися як індукційний, так і кондуктивний механізм зв'язку. У першому випадку першорядну роль грає те, що на відстані до декількох кілометрів від місця розряду можуть створюватися значні електричні і магнітні поля. Ці поля створюють наведення в лініях електропередачі та обміну інформацією, які зрештою виявляються прикладеними до входів електронної апаратури як завади.

Кондуктивний механізм зв'язку діє лише при виникненні розряду між хмарою і землею. У цьому випадку за рахунок протікання струму відбувається підйом потенціалу частини ґрунту, а також різних металоконструкцій, включаючи елементи заземлювального пристрою. Після цього вплив завади на кола апаратури відбувається так само, як і у випадку аварійних потенціалів на елементах заземлювального пристрою (див. п.1.3.1).

Міжнародна Електротехнічна Комісія (МЕК International Electrotechnical Commission, IEC) та інші організації дослідили блискавичний розряд і прийняли наступні параметри імпульсу, який імітує грозову заваду:

ширина переднього фронту імпульсу 1.2 мкс;

загальна ширина імпульсу 50 мкс;

амплітуда до 6 кВ;

внутрішній опір джерела дуже малий (зазвичай 2 або 4 Ом).

Завдяки високій енергії і значній напрузі імпульсу, його вплив на апаратуру часто виявляється руйнівним (критерій D відповідно класифікації п.1.2). Оскільки частоти не дуже великі, завади рідко проникають всередину апаратури.

Зазвичай виводяться з ладу інтерфейсні елементи і блоки живлення. Зрідка, у випадку пробою захисних елементів або виникнення перекриття на внутрішні кола, імпульс проникає в основні вузли апаратури, що призводить до практично повного руйнування останніх.

Меншу загрозу становить електростатичний розряд досить розповсюджене явище; більшість людей має представлення про його руйнівний вплив на напівпровідникові схеми. По суті, ЕСР простий перерозподіл заряду між тілами, які мають різний електростатичний потенціал.

Нагромадження заряду відбувається при звичайній електризації тертям; конкретні величини зарядів залежать від розмірів, форми й електричних властивостей взаємодіючих тел. Умови навколишнього середовища (особливо вологість) також помітно впливають на величину і час розсіювання заряду.

Форма кривої струму розряду залежить від електричних характеристик об'єкта, що несе заряд. Хоча кожен об'єкт має індивідуальний характер, МЕК прийняті стандартизовані параметри джерела ЕСР: ємність 150 пФ, внутрішній опір 330 Ом.

Основним механізмом впливу ЕСР є протікання струму по металевих частинах апаратури. Оскільки спектр імпульсу містить дуже високі частоти (тривалість фронту близько 1 нс, отже, частоти порядку гігагерц), вплив через паразитні зв'язки на внутрішні вузли апаратури значний. Найчастіше спостерігаються збої в роботі високошвидкісних цифрових вузлів, а також цифрових інтерфейсних елементів. При подачі ЕСР на рознімання, клавіатури, елементи індикації і т. п. можливо фізичне ушкодження інтерфейсних елементів.

Особливо небезпечний вплив ЕСР на незахищені вузли апаратури. Тому при будь-яких ремонтних і налагоджувальних роботах потрібно дотримувати вимоги електростатичної безпеки.

2 ТЕОРЕТИЧНІ МЕТОДИ ОПИСУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ОБСТАНОВКИ

Сукупність сигналів і завад в точці прийому називається повним груповим сигналом [15]. Характеристики групового сигналу в значній мірі залежать від діаграм спрямованості випромінювальних антен, їхньої частотної і поляризаційної властивостей, відстані від джерел окремих складових групового сигналу до точки прийому, умов поширення ЕМХ.

До основних компонентів групового сигналу відносяться складові зосереджені по спектрі (гармонійні) і зосереджені за часом (імпульсні). Механізм утворення і природа цих складових різні. Залежно від смуги пропускання прийомного тракту завади, зосереджені за часом, можна розглядати як флуктуаційні (при вузькій смузі пропускання радіоприймального пристрою).

Існують наступні методи аналітичного опису ЕМО: електродинамічний, енергетичний та імовірнісний.

2.1 Електродинамічний метод

Електродинамічний підхід до опису ЕМО базується на рішенні рівнянь Максвелла при відомих джерелах електромагнітного поля. При цьому середовище, в якому поширюються ЕМХ, вважається однорідною та ізотропною.

Груповий сигнал, що визначає ЕМО в точці спостереження Р(x₀,y₀,z₀), можна знайти як суперпозицію електромагнітних полів від m окремих взаємно незалежних джерел. Базовою моделлю джерела ЕМЗ служать: елементарний електричний випромінювач (диполь Герца) і елементарний магнітний випромінювач (рамка зі струмо абом елементарний щілинний випромінювач).

Загальні вирази для складових електромагнітного поля в сферичній системі координат мають вид:

для диполя Герца:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

де I сила струму у випромінювачі,

l - довжина випромінювача,

r відстань,

коефіцієнт фази.

Для елементарного рамкового випромінювача:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

де S площа рамки зі струмом.

Представлені формули записані таким чином, що доданки (r)ⁿ, де n=1,2,3, характеризують складові та залежно від співвідношення довжини хвилі і відстані до точки спостереження r.

З формул (2.1-2.6) випливає, що при r<< складову нижчих ступенів можна не враховувати і навпаки.

Відстань r_кр= називають критичною або граничної. Якщо точка спостереження розташована на відстані значно меншому r_кр, то поле характеризується ближньою зоною (зоною індукції), якщо r>>r_кр, далекою зоною (зоною випромінювання). Зона в околиці r_кр називається проміжною зоною.

В таблиці 2.1 приведені вирази для складових та ближньої і далекої зон для електричного і магнітного випромінювачів.

Таблиця 2.1 Складові ЕМЗ у ближній і дальній зонах для електричного і магнітного випромінювачів