Силовой кабель с защитным экраном из аморфных магнитомягких сплавов

Введение

В настоящее время имеется достаточное количество работ, посвященных влиянию магнитных полей промышленной частоты на технические средства и биологические объекты. Исследования, проводимые в течение уже многих лет, однозначно доказывают, что магнитные поля промышленной частоты являются неблагоприятным экологическим фактором. При постоянно растущем во всем мире уровне энергопотребления одним из наиболее распространенных и трудно контролируемых источников избыточного магнитного фона становятся кабельные трассы силовых источников электроснабжения.

Существуют два основных способа защиты: защита расстоянием и экранирование источника поля или объекта материалами с высокими магнитными свойствами. При увеличивающейся степени интеграции и, как следствие, высоком уплотнении технических средств на ограниченных площадях не всегда имеется возможность перенести техническое оборудование или удалить биологические объекты на расстояние, при котором уровень поля ниже предельно допустимого значения. Также не всегда оправдано проведение дорогостоящего экранирования больших и малых замкнутых объемов пространства (помещений, цехов, корпусов электронной аппаратуры, разработка защитной одежды и т.д.). В этом случае необходимо применять экранирование источников поля, в нашем случае силовых кабельных трасс. При этом особо следует отметить, что заметное экранирование магнитных полей промышленной частоты возможно только в случае симметричной нагрузки многожильного кабеля, т.е. когда по каждой из нагруженных жил протекают переменные токи одинаковой амплитуды и со сдвигом фаз таким, что в результате векторного сложения токов получается вектор нулевой длины. В противном случае необходимо проводить предварительную симметризацию нагрузки, либо использовать активные методы снижения суммарного магнитного поля, что является весьма сложной задачей как с точки зрения анализа схемы питания, так и с практической стороны.

Учитывая вышеизложенное, наиболее перспективным представляется разработка конструкции силового кабеля, в которой будет использован экран, обеспечивающий решение поставленной задачи, а именно, снижение магнитного поля в зоне прокладки кабеля до значений, удовлетворяющих действующим нормативным документам.

Наиболее широко для целей экранирования используются кристаллические магнитомягкие материалы типа пермаллой (79НМ) и супермаллой (табл. 1). Однако эти сплавы наряду с высокими магнитными свойствами имеют недостатки, которые существенно ограничивают область их применения. В частности, их магнитные свойства уменьшаются в десятки раз при незначительных деформациях, неизбежно возникающих как при наложении экрана, так и при монтаже и эксплуатации кабеля.

В последние годы для создания защитных экранов все чаще стали использовать магнитомягкие сплавы с аморфной структурой. Деформирование таких экранов, как правило, не приводит к уменьшению их магнитных свойств.

Табл. 1. Магнитные свойства магнитомягких сплавов

Сплав	нач	макс	Bs, Тл	Нс, А/м
*71КНСР	20000	800000	0,50	0,8
*АМАГ-172	80000	1500000	0,48	0,4
79НМ	25000	100000	0,7	2
Супермаллой	100000	1500000	0,7	0,5

*) Сплав на основе кобальта с аморфной структурой.

Предварительные исследования магнитных и экранирующих свойств аморфных сплавов различных составов, выпускаемых различными производителями, а также численные расчеты эффективности экранирования токов цилиндрическими оболочками из этих материалов показали, что наиболее удовлетворительный результат достигается при использовании многослойных экранов из материалов с различными характеристиками. При этом первичное экранирование, производимое слоями, расположенными ближе к проводящим жилам, обеспечивается материалами, обладающими более высокой индукцией насыщения по сравнению с материалами наружных слоев, которые, в свою очередь, должны обладать более высокой магнитной проницаемостью. Таким образом, для экрана из материалов двух типов целесообразно выбрать сплав на основе железа и сплав на основе кобальта для внутренних и для внешних слоев экрана, соответственно. При этом для увеличения эффективности экранирования необходимо обеспечить электрическую изоляцию отдельных слоев экрана.

В настоящем сообщении представлены результаты исследований по разработке и испытанию конструкции экранированного силового кабеля, проведенные специалистами в области электромагнитной безопасности совместно с инженерами материаловедами и одним из ведущих производителей силовых кабелей.

Методика испытаний

Испытываемый образец изготовлен на основе стандартного силового кабеля АВВГ 4х25. Номинальное значение силы тока в каждой жиле - 65 А. Общая длина кабеля 5 м (рис. 1).

На участок кабеля длиной 2,5 м был наложен ленточный экран из аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и кобальта (первые 4 слоя - сплав на основе железа, внешние слои - сплав на основе кобальта). Экран накладывался в 8 слоев однонаправленными концентрированными повивами с зазором. Каждый последующий повив экрана накладывался таким образом, чтобы перекрыть зазор предыдущего слоя. Поверх каждого слоя экрана накладывался разделительный повив из полиэтилентерефталатной ленты. Поверх многослойных ленточных повивов была наложена полиэтиленовая оболочка.

Для проведения испытаний было выбрано трехфазное подключение кабеля по схеме "звезда" в цепи источника переменного напряжения частотой 50 Гц (рис. 1).

Управление током кабеля осуществлялось следующим образом. Через систему понижающих трансформаторов, включающую в себя три ЛАТРа (Л1 - Л3) и трансформатор с тремя симметричными первичными обмотками и тремя одновитковыми вторичными обмотками, токи от трехфазного источника напряжения 220 В подавались на 3-и жилы кабеля, соединенные вместе с нулевой 4-й жилой.

Рис. 1. Схема подключения испытываемого образца силового кабеля.
1 - стандартный силовой кабель АВВГ 4х25; 2 - экранированный участок кабеля

Сила тока, протекающего по каждой из жил кабеля, регулировалась ЛАТР-ми и контролировалась амперметрами, индуктивно связанными с измеряемым током. Эффективное значение напряженности магнитного поля, создаваемого силовым кабелем, измерялось датчиком поля "Нева-4", размещаемым на различных расстояниях от оси кабеля перпендикулярно центру испытываемого участка.

Результаты испытаний

Результаты проведенных испытаний, а именно, значения магнитного поля, измеренные на различных расстояниях от оси кабеля, при различных значениях силы тока приведены в табл. 2.

Из таблицы следует, что величина тока, протекающего по каждой жиле кабеля, превышает номинальное значение тока для кабеля АВВГ 4х25, использованного в качестве основы, в 2-2,5 раза. При этом, максимальное значение индукции магнитного поля возле неэкранированного участка кабеля превышает 100 мкТл, а возле экранированного участка не превышает 0,2 мкТл. Таким образом, путем экранирования удается снизить уровень магнитного поля в 100-500 раз.

Табл. 2. Результаты испытаний

*) Знак "-" означает, что результат измерения не фиксировался в связи с тем, что значение поля на соответствующем расстоянии от экранированного кабеля не превышало общего магнитного фона возле испытательного стенда.

Выводы

Проведенные испытания показали работоспособность конструкции силового кабеля с магнитным экраном; подтвердили эффективность применения аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта для экранирования силовых кабелей; доказали возможность снижения уровня магнитных полей в зоне прокладки кабеля до 0,2 мкТл и, таким образом, обеспечить выполнение требований СанПиН 2.2.4.1191-03 "Электромагнитные поля в производственных условиях" и СанПиН 2.1.2.1002-00 "Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям".

Разработанная технология является базовой и на ее основе, кроме экранирования силовых кабелей, уже созданы и успешно испытаны защитные жилеты, многослойные композиты для систем защиты от направленного электромагнитного излучения и противодействия террористической деятельности, а также широкополосные экраны навигационных приборов.

Создаваемые по разработанной технологии силовые кабели могут быть использованы в условиях, предъявляющих повышенные требования к уровню магнитного и электромагнитного фона, например, в гражданских и военных технических средствах, в средствах коммуникации (подземных, подводных и воздушных), в научно-технических и медицинских учреждениях, использующих высокочувствительное оборудование, а также в местах с высокими требованиями к электромагнитной безопасности человека.

Полученные результаты позволяют приступить к оптимизации конструкций экранов и разработке силовых кабелей с пониженным электромагнитным излучением.