МУК 4.3.678-97 Определение уровней напряжений, наведенных электромагнитными полями на проводящие элементы зданий и сооружений в зоне действия мощных источников радиоизлучений

4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ


ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ, НАВЕДЕННЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ НА ПРОВОДЯЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХ
ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ

Методические указания

МУК 4.3.678-97

Дата введения: с момента утверждения


1. РАЗРАБОТАНЫ Бузовым А.Л., Романовым В.А., Казанским Л.С., Кольчугиным Ю.И., Юдиным В.В. (Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио Министерства связи Российской Федерации).

2. ПРЕДСТАВЛЕНЫ Госкомсвязи России письмом от 27.05.97 № НТУОТ-1/058.

ОДОБРЕНЫ к утверждению Комиссией по государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию при Минздраве России.

3. УТВЕРЖДЕНЫ и введены в действие Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации от 6 ноября 1997 г.

4. ВВЕДЕНЫ ВПЕРВЫЕ.


1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Методические указания составлены в помощь инженерам органов и учреждений санитарно-эпидемиологической службы, инженерно-техническим работникам, проектным организациям средств связи с целью обеспечения предупредительного санитарного надзора за источниками излучения кило- (НЧ), гекто- (СЧ) и декаметрового (ВЧ) диапазонов технических средств радиовещания и радиосвязи, а также для прогнозирования уровней напряжений, наведенных электромагнитными полями на проводящие элементы зданий и сооружений в зоне действия мощных источников радиоизлучений этих диапазонов.

2. СУЩНОСТЬ МЕТОДА

Расчетный метод основан на предварительном расчете распределения тока, наведенного на проводящие элементы (металлоконструкции) объекта (здания или иного сооружения) полем излучения антенн радиостанций.

Задача о нахождении наведенного тока решается как внешняя электродинамическая задача методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Исследуемый объект представляется в виде систем цилиндрических проводников. В соответствии с тонкопроволочным приближением, во-первых, считается, что ток течет по оси проводника (т.е. поверхностная плотность тока как векторная функция пространственных координат заменяется линейным осевым током - скалярной функцией криволинейной координаты, отсчитываемой вдоль оси проводника), а во-вторых, на поверхности проводника учитывается только тангенциальная составляющая электрического поля, параллельная его оси.

Для решения интегрального уравнения используется разновидность метода моментов - метод сшивания в дискретных точках при кусочно-синусоидальном базисе разложения искомой токовой функции. Интегральное уравнение имеет смысл граничного условия на поверхности проводника, которое выражается равенством нулю тангенциальной составляющей полного электрического поля - суперпозиции поля излучения антенн радиостанций и поля, создаваемого излучением наведенных токов. В рамках данного метода граничное условие накладывается в дискретных точках - точках сшивания. Интегральное уравнение сводится к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), решаемой относительно коэффициентов разложения токовой функции по кусочно-синусоидальному базису. Число уравнений (неизвестных) СЛАУ, а также число базисных функций равно числу точек сшивания, размещенных вдоль проводников объекта.

Поле излучения радиостанций рассматривается как стороннее (не зависящее от параметров объекта) и рассчитывается (в точках сшивания) с учетом электрофизических параметров реальной почвы, экранизирующего и поглощающего действия стен зданий, а также подстилающей поверхности (нижнего перекрытия). Наведенные напряжения рассчитываются как результат действия полей излучения антенн радиостанций и наведенных токов.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАВЕДЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Расчет выполняется в следующей последовательности:

- рассчитываются геометрические параметры проволочной модели исследуемого объекта (пространственные координаты точек сшивания и сегментов - коротких отрезков проводников, на которых определяются соответствующие базисные функции);

- в точках сшивания рассчитываются тангенциальные составляющие стороннего поля - поля излучения антенн радиостанций с учетом электрофизических параметров реальной почвы, влияния стен здания и подстилающей поверхности;

- составляется и решается СЛАУ - аналог интегрального уравнения; найденные коэффициенты разложения совместно с базисными функциями восстанавливают токовую функцию, аппроксимирующую истинное распределение тока;

- по найденному распределению тока с учетом поля излучения антенн радиостанций рассчитываются наведенные напряжения.

3.1. РАСЧЕТ ПРОВОЛОЧНОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

Задается основная декартова система пространственных координат. Относительно исследуемого объекта введенную систему целесообразно ориентировать таким образом, чтобы оси абсцисс и ординат лежали в плоскости земной поверхности, ось аппликат была направлена вертикально вверх.

Исследуемый объект представляется в виде системы цилиндрических проводников. Совокупность осей проводников представляет собой контур L' (не обязательно гладкий и непрерывный), на котором определяется токовая функция I (I'), где I' - криволинейная координата, отсчитываемая вдоль L' (каждой точке на проводниках модели должно однозначно соответствовать некоторое значение I'). Для наложения граничных условий строится контур L, который представляет собой контур L', перенесенный на поверхность проводников (L и L' нигде не пересекаются и не соприкасаются). На контуре L' выделяются N коротких отрезков - сегментов, как показано на рис. 1. Каждый k-й сегмент определяется тремя точками: I' = ak - начало, I' = bk - средняя точка, I' = сk - конец. Отрезки [ak, bk] и [bk, сk]- соответственно 1-е и 2-е плечи сегмента (k-го) - могут не лежать на одной прямой и иметь разную длину. Соседние сегменты частично перекрываются: средняя точка k-го сегмента bk совпадает с концом (k-1)-го ck-1 и началом (k+1)-го ak+1 сегментов. Электрические соединения описываются введением дополнительных сегментов, плечи каждого из которых лежат на разных проводах, как показано на рис. 2.

Размещение сегментов на контуре L'



Рис. 1

Описание электрических соединений в проволочной модели



Рис. 2

Длина плеча сегмента не должна превышать 10% длины волны, отношение этой длины к радиусу провода должно находиться в пределах 3...10.

Каждому сегменту соответствует одна точка сшивания. В качестве точек сшивания берутся точки контура L, наименее удаленные от средних точек соответствующих сегментов.

В результате расчетов на данном этапе должны быть определены пространственные координаты (в основной системе) сегментов и точек сшивания.

3.2. РАСЧЕТ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕНН РАДИОСТАНЦИЙ

Поле излучения антенн радиостанций в некоторой точке наблюдения вычисляется следующим образом.

Антенны рассматриваемых диапазонов представляют собой системы линейных проводников (вибраторов, проводников рефлекторов антенн СГД, проводников ромбических антенн). Каждый проводник представляется как совокупность элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ).

Ток каждого ЭЭВ полностью определяется входным сопротивлением, мощностью передатчика и законом распределения тока. В качестве последнего следует задаться синусоидальным распределением тока по проводникам вибраторных антенн и режимом бегущей волны тока в проводниках ромбических антенн. Поле в точке наблюдения находится как суперпозиция полей, создаваемых всеми ЭЭВ антенны. Задача, таким образом, сводится к нахождению поля одного ЭЭВ.

Рассматриваются два типа ЭЭВ - горизонтальные и вертикальные. Практически все многообразие конструкций антенн НЧ, СЧ и ВЧ диапазонов исчерпывается данными типами ЭЭВ. Ниже для указания горизонтального и вертикального ЭЭВ будут использоваться надстрочные индексы "г" и "в", соответственно.

Горизонтальный ЭЭВ ориентируется вдоль оси ОХ вспомогательной декартовой системы (отличающейся от основной только поворотом на некоторый угол относительно оси аппликат). Высота ЭЭВ относительно плоскости ХОY (которая совпадает с поверхностью земли) h. Компоненты разложения по базисным ортам вспомогательной системы электрического поля в некоторой точке наблюдения с координатами х, y, z определяются выражениями:
;
, (3.1)
,
где - дипольный момент;
- волновое число для воздуха;
- длина волны, м;
I - амплитуда тока ЭЭВ, А;
- длина ЭЭВ, м;
- расстояние между точкой наблюдения и центром ЭВВ.
Функции ех, еy, ez в (3.1) имеют вид:
;
; (3.2)
,
где
,
, (3.3)
.
Вертикальный ЭЭВ ориентируется вдоль оси OZ вспомогательной цилиндрической системы и расположен на высоте h над плоскостью z = 0, которая совпадает с поверхностью земли. Компоненты разложения по базисным ортам цилиндрической системы электрического поля в некоторой точке наблюдения с координатами , z (в силу симметрии задачи азимут может быть произвольным) определяются выражениями:
,
, (3.4)
где функции er и ez имеют вид:
,
. (3.5)
Параметры, входящие в (3.3 - 3.5), вычисляются по формулам:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
, (3.6)
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
где r, R2 - геометрические параметры задачи, выражающиеся формулами:
, (3.7)
.
Вспомогательные функции и выражаются через функцию ослабления y (z, r):
, (3.8)

Для вычисления функции ослабления, в которую входит интеграл вероятности от комплексного аргумента, используются сходящиеся и асимптотические разложения:
, ;
, и ; (3.9)
, и ;
где ,
.
После вычисления поля ЭЭВ как вектора в соответствующей вспомогательной системе координат должны рассчитываться компоненты его разложения по ортам основной системы. Поле излучения (вектор в основной системе) находится как векторная сумма полей отдельных ЭЭВ.

3.3. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА, НАВЕДЕННОГО
НА ПРОВОДЯЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОБЪЕКТА

Распределение тока определяется как токовая функция I(l'), полностью определяемая коэффициентами разложения по кусочно-синусоидальному базису I1, I2, I3, ... IN (N - число сегментов).
Коэффициенты I1, I2, ... IN находятся решением СЛАУ:
, i = 1, 2, … N, (3.10)
где Zik - коэффициенты, образующие квадратную матрицу импедансов;
Eik - свободные члены СЛАУ.
Некоторый коэффициент Zik выражает связь между k-м сегментом и i-й точкой сшивания (физический смысл - тангенциальное поле в i-й точке сшивания при Ik = 1 А) и вычисляется по формуле:
, (3.11)
где и - составляющие, обусловленные собственно k-м сегментом и его зеркальным изображением в плоскости подстилающей поверхности;
kz = 1, если объект содержит нижнее (на уровне земной поверхности) железобетонное перекрытие, в противном случае kz = 0.
Величины и рассчитываются следующим образом.
На рис. 3 показаны произвольные i-я точка сшивания и k-й сегмент, с каждым плечом которого связана соответствующая вспомогательная цилиндрическая система координат. Сначала вычисляются z-я и r-я компоненты поля (при Ik = 1 А) в точке сшивания поочередно от каждого плеча сегмента. Формулы для z-й и -й компонент поля, создаваемого в точке сшивания одним из плеч сегмента (в соответствующей цилиндрической системе, - см. рис. 3) имеют вид:
, (3.12)
, (3.13)
где r1 - расстояние до точки наблюдения от начала (конца) сегмента, м;
...