Основы электромагнитной совместимости

 
Л. В. Куликова, О. К. Никольский, 
А. А. Сошников 
 
 
 
 
 
 
 
 
Основы 
электромагнитной 
совместимости 
 
 
Учебник для вузов 
 
 
Издание четвертое  
стереотипное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Москва 
Берлин 

2020 

 

УДК 621.31(075) 
ББК 31.26-028я73 
К90 
 
Допущено 
Министерством образования и науки Российской Федерации 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика» 
 
Рецензенты: 
Старшинов В. А. — докт. техн. наук, проф.,  
зав. кафедрой «Электротехнические комплексы и системы» 
Национального исследовательского университета МЭИ; 
Пантелеев В. И., — докт. техн. наук, проф., 
зав. кафедрой «Электротехнические комплексы и системы» 
Сибирского федерального университета 
 
 
 
 
 
Куликова, Л. В. 
К90   
Основы электромагнитной совместимости : учебник для вузов, / Л. В. Куликова, 
О. К. Никольский, А. А. Сошников. — Изд. 4-е, стер. — Москва ; Берлин : 
Директ-Медиа, 2020. — 404 с. 
 
 
ISBN 978-5-4499-1175-9 
 
 
В учебнике рассмотрены физические и инженерные основы обеспечения электромагнитной совместимости в техногенной и природной сфере. 
Для студентов электроэнергетических и электротехнических специальностей, аспирантов и преподавателей вузов, а также инженерно-технических работников органов Гостехнадзора и Госпотребнадзора. 
 
 
УДК 621.31(075) 
ББК 31.26-028я73 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-4499-1175-9
© Куликова Л. В., Никольский О. К., Сошников А. А., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», макет, оформление, 2020

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ..................................................................................................................................... 7 

Введение ......................................................................................................................................... 11 

Глава 1. Основные сведения об электромагнитной совместимости ............................................ 15 
1.1. Основные понятия. Термины и определения .................................................................... 15 
1.3. Природные источники электромагнитного излучения ....................................................... 26 
1.4. Антропогенные источники электромагнитного излучения ................................................ 30 
1.4.1. Источники электромагнитного поля диапазона до 3 кГц ........................................ 31 
1.4.2. Источники электромагнитного поля диапазона З кГц – 300 ГГц ............................ 42 
1.5. Поражающее действие электроустановок как проблема электромагнитной 
совместимости ............................................................................................................................ 48 
1.5.1. Термины и определения ........................................................................................... 48 
1.5.2. Поражающее действие электроустановок ............................................................... 48 

Глава 2. Влияние электромагнитного излучения на человека .................................................... 54 
2.1. Общие сведения. Биофизика взаимодействий ................................................................. 54 
2.2. Электромагнитные излучения промышленной частоты ................................................... 61 
2.3. Разряды статического электричества. Электростатическое поле ................................... 66 
2.4. Электромагнитные излучения высоких и сверхвысоких частот ....................................... 67 

Глава 3. Опасное действие электрического тока на людей и животных .................................... 75 
3.1. Электротравма и ее виды ................................................................................................... 75 
3.2. Статистика электротравматизма ........................................................................................ 76 
3.3. Электрические параметры тела человека ......................................................................... 81 
3.4. Действие электрического тока на кожу человека .............................................................. 85 
3.5. Первичные критерии электробезопасности ....................................................................... 86 
3.6. Действие электрического тока на животных ...................................................................... 89 
3.7. Предельно допустимые значения токов и напряжений прикосновения 
для людей и животных ............................................................................................................... 90 

Глава 4. Техногенные электромагнитные помехи ........................................................................ 92 
4.1. Классификация электромагнитных помех ......................................................................... 92 
4.2. Индуктивные (излучаемые) электромагнитные помехи ................................................... 99 
4.3. Кондуктивные электромагнитные помехи ........................................................................ 100 
4.4. Электромагнитные помехи электрифицированного железнодорожного 
транспорта ................................................................................................................................. 104 
4.4.1. Источники электромагнитных помех ...................................................................... 104 
4.4.2. Расчетные модели и схемы замещения ................................................................ 107 
4.4.3. Индуцируемые помехи контактной сети ................................................................ 110 
4.4.4. Магнитное влияние контактной сети ...................................................................... 114 
4.4.5. Гальваническое влияние тяговой сети .................................................................. 121 
4.4.6. Помехи, возникающие при коротком замыкании в тяговой сети ......................... 124 

4.4.7. Влияние тяговой сети на линии электропередачи ............................................... 127 
4.4.8. Влияние тяговой сети на линии «провод — рельс» 
и «два провода — рельс» ................................................................................................. 132 
4.4.9. Влияние тяговой сети на линии связи ................................................................... 135 
4.5. Влияние электромагнитных помех на аппаратуру .......................................................... 142 
4.6. Влияние разрядов статического электричества на аппаратуру .................................... 146 
4.7. Влияния электромагнитных полей радиочастотного диапазона ................................... 147 
4.8. Влияние магнитных и электрических полей промышленной частоты .......................... 149 

Глава 5. Молния как природный источник электромагнитных влияний ................................... 161 
5.1. Термины и определения ................................................................................................... 161 
5.2. Основные сведения о разрядах молнии. Характеристики молнии ............................... 162 
5.3. Механизмы и опасность поражения молнией ................................................................. 167 
5.3.1. Прямой удар молнии и его последствия ............................................................... 167 
5.3.2. Поражение человека молнией ............................................................................... 168 
5.3.3. Тепловое воздействие ............................................................................................ 169 
5.3.4. Электродинамические воздействия ...................................................................... 169 
5.3.5. Индуцированные перенапряжения ........................................................................ 171 
5.3.5.1. Электростатическая индукция ............................................................................ 172 
5.3.5.2. Электромагнитная индукция. Индуктивное влияние грозовых разрядов 
на воздушные линии ......................................................................................................... 173 
5.3.6. Занос высокого потенциала по металлическим коммуникациям ........................ 176 
5.3.7. Прорыв тока молнии по искровому каналу, скользящему вдоль 
поверхности грунта ........................................................................................................... 179 
5.3.8. Вероятность поражения объекта молнией ........................................................... 179 

Глава 6. Электромагнитная обстановка на энергетических и промышленных объектах ....... 182 
6.1. Классификация электромагнитной обстановки окружающей среды ............................. 182 
6.2. Состав и степень жесткости испытаний оборудования .................................................. 183 
6.3. Оборудование для испытания технических средств на помехоустойчивость 
и помехоэмиссию ..................................................................................................................... 193 
6.4. Мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости 
в соответствии с классом жесткости электромагнитной обстановки ................................... 196 
6.5. Контроль электромагнитной обстановки ......................................................................... 199 
6.6. Особенности электромагнитной обстановки на энергетических 
и промышленных объектах ..................................................................................................... 200 
6.7. Мероприятия по улучшению электромагнитной обстановки ......................................... 210 

Глава 7. Защита от влияния электромагнитных излучений и помех ........................................ 214 
7.1. Нормирование электромагнитных излучений ................................................................. 214 
7.1.1. Электромагнитные излучения промышленной частоты ...................................... 216 
7.1.2. Электромагнитные излучения высоких и сверхвысоких частот .......................... 220 
7.2. Защита от электромагнитных излучений ......................................................................... 225 
7.2.1. Организационные мероприятия по защите от электромагнитных 
излучений .......................................................................................................................... 226 

7.2.2. Инженерно-технические мероприятия по защите населения 
от электромагнитных излучений....................................................................................... 227 
7.2.3. Лечебно-профилактические мероприятия ............................................................. 231 
7.3 Аппаратура для измерения электромагнитных излучений .............................................. 231 

Глава 8. Соответствие молниезащитной системы условиям электромагнитной 
совместимости .............................................................................................................................. 246 
8.1. Концепция молниезащиты ................................................................................................ 246 
8.2. Классификация объектов по устройству молниезащиты ................................................ 247 
8.3. Способы и средства молниезащиты ................................................................................ 250 
8.4. Основные требования и рекомендации при устройстве молниезащиты 
объектов .................................................................................................................................... 254 
8.5. Молниеотводы ................................................................................................................... 258 
8.6. Заземляющие устройства зданий и сооружений ............................................................. 262 
8.6.1. Общие положения ................................................................................................... 262 
8.6.2. Физический процесс стекания тока молнии с заземлителей ............................... 264 
8.6.3. Расчетное удельное сопротивление земли ........................................................... 265 
8.6.4. Типы и конструкции заземляющих устройств ........................................................ 267 
8.6.5. Расчет заземляющих устройств ............................................................................. 269 
8.7. Примеры выполнения молниезащиты объектов ............................................................. 276 

Глава 9. Соответствие систем безопасности электроустановок условиям 
электромагнитной совместимости ............................................................................................... 286 
9.1. Термины и определения ................................................................................................... 286 
9.2. Принципы построения систем безопасности электроустановок .................................... 288 
9.3. Общая характеристика защитных мероприятий .............................................................. 289 
9.3.1. Защитное заземление ............................................................................................. 289 
9.3.1.1. Назначение. Принцип действия ........................................................................... 289 
9.3.1.2. Требования к электрическим характеристикам и конструкции 
заземляющих устройств электроустановок ..................................................................... 290 
9.3.2. Зануление ................................................................................................................ 296 
9.3.3. Уравнивание потенциалов ...................................................................................... 297 
9.3.4. Выравнивание потенциалов ................................................................................... 299 
9.3.5. Защитное электрическое разделение сетей ......................................................... 300 
9.3.6. Сверхнизкое (малое) напряжение .......................................................................... 301 
9.3.7. Изолирование рабочего места,  двойная изоляция, контроль изоляции ............ 302 
9.4. Устройства защитного отключения как эффективная электрозащитная мера ............. 302 
9.4.1. Историческая справка ............................................................................................. 302 
9.4.2. Назначение и принцип действия УЗО .................................................................... 304 
9.4.3. Классификация УЗО ................................................................................................ 306 
9.4.4. Основные технические параметры УЗО ................................................................ 308 
9.4.5. Особенности применения УЗО в различных системах электроснабжения ........ 309 
9.4.6. Основные принципы проектирования установки УЗО .......................................... 311 
9.5. Проблемы пожарной безопасности электроустановок зданий ...................................... 313 
9.6. Построение оптимальных систем безопасности электроустановок зданий .................. 315 

 

9.6.1. Задача оптимизации систем безопасности электроустановок ............................ 315 
9.6.2. Вероятностное моделирование пожаров от электроустановок........................... 315 
9.6.3. Вероятностное моделирование электробезопасности ........................................ 320 
9.6.4. Формирование вариантов технической реализации систем безопасности 
электроустановок .............................................................................................................. 325 
9.6.5. Оптимизация ПА-систем электрической защиты ................................................. 329 
9.6.6. Особенности оптимизации ПАУ-систем электрической защиты ......................... 338 

Глава 10. ЭМС и качество электрической энергии .................................................................... 340 
10.1. Основные сведения ........................................................................................................ 340 
10.2. Основные термины и определения ............................................................................... 342 
10.3. Общая характеристика  показателей качества электрической энергии ...................... 345 
10.4. Показатели и нормы качества электрической энергии ................................................ 346 
10.5. Вероятные причины нарушения показателей и способы повышения 
уровня качества электрической энергии ................................................................................ 355 

Глава 11. Социально-экономическая оценка ущерба от опасного влияния источников 
электромагнитного поля .............................................................................................................. 367 
11.1. Техногенные риски и основные принципы обеспечения безопасности 
жизнедеятельности человека .................................................................................................. 367 
11.1.1. Понятия риска и безопасности ............................................................................. 367 
11.1.2. Приемлемый риск и его оценка ........................................................................... 369 
11.1.3. Структура техногенного риска .............................................................................. 371 
11.1.4. Математическая модель риска ............................................................................ 374 
11.2. Виды ущербов и их интегральная оценка ..................................................................... 376 
11.3. Экономический анализ техногенной безопасности ...................................................... 379 
11.4. Концепция стоимости статистической жизни человека ................................................ 384 
11.5. Применение теории игр для оценки и прогнозирования электромагнитной 
обстановки ................................................................................................................................ 387 

Послесловие ................................................................................................................................. 392 

Библиографический список ......................................................................................................... 393 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

С введением в 2000 году в учебные программы Государственного образовательного 
стандарта высшего профессионального образования для электроэнергетических и электротехнических специальностей новой учебной дисциплины «Электромагнитная совместимость 
в электроэнергетике» были заложены методологические основы содержания учебного курса 
для подготовки инженеров-электриков и получения ими знаний по важнейшим научным и 
прикладным проблемам современной электротехники, связанным с изучением негативных 
последствий влияния электромагнитных процессов природного и техногенного характера на 
человека и среду его обитания. 
ХХ век ознаменовался стремительным развитием электротехники и радиотехники. 
Широкое распространение линий электропередачи высокого напряжения, радиоэлектронных устройств и средств связи привело к существенному возрастанию уровней электромагнитных полей различных частотных диапазонов и расширению режимов генерации этих 
полей в окружающей среде. Было установлено, что электромагнитное поле (ЭМП) представляет серьезную опасность жизни и здоровью человека и оказывает негативное влияние 
на функционирование радиоэлектронных средств (РЭС). Развитие электроэнергетики и радиоэлектроники стало сдерживаться отрицательными явлениями, порожденными этой техникой, ее количественным ростом. Дальнейший прогресс техники потребовал решения 
проблемы обеспечения безопасности человека, экологии внешней среды и совместного 
надежного функционирования различных радио- и электротехнических систем. Новое научное направление, призванное обеспечить одновременную и совместную работу различного 
радиотехнического, электронного и электротехнического оборудования, получило название 
электромагнитной совместимости. 
Начало 1990-х годов характеризуется интенсивным развитием электротехнологии, телевизионной техники, компьютеров, мобильных средств связи, электронной бытовой и офисной техники, что вызвало появление большого количества искусственных источников 
электромагнитного поля и обусловило «электромагнитное загрязнение» среды обитания человека. Особенно электромагнитное загрязнение наблюдается вблизи линий электропередачи, тепловых сетей, электрифицированных железных дорог, телевизионных станций, 
спутниковой и сотовой связи, аэродромов и радаров ГИБДД. Электромагнитное загрязнение в 
крупных городах уже превышает природные уровни в тысячи раз. 
Факты свидетельствуют, что обычный уровень низкочастотного электромагнитного поля крупного промышленного города соответствует ситуации природной «магнитной бури». 
Уже сегодня электромагнитное загрязнение окружающей среды, наряду с химическим и радиационным, — наиболее распространенный вид загрязнения, несущий опасные глобальные 
последствия и вызывающий большую обеспокоенность как ученых, так и населения. 
Всемирная организация здравоохранения включила проблему электромагнитного загрязнения окружающей среды в перечень приоритетных проблем человечества. Исследования убедительно показали существование значимого неблагоприятного воздействия ЭМП на 
здоровье человека. Этот вывод был сделан учеными России, США, Швеции, Германии, Великобритании и других стран. В решении Межведомственной комиссии Совета безопасности 
Российской Федерации по экологической безопасности №2-2 от 20 февраля 1996 г. указано, 
что «неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду электромагнитных излучений принимает опасные размеры». Актуальность этой проблемы нашла свое отражение 
в специальном постановлении Президиума Российской академии медицинских наук. 

В последние годы в высшей школе наметились положительные тенденции в понимании роли и актуальности изучения студентами проблем техногенной безопасности. Подготовка современных инженеров-электриков, способных эффективно решать многофакторные 
задачи обеспечения безопасности и комфортной среды обитания человека, а также надежного совместного функционирования радиоэлектронных средств и электрических установок, 
является сегодня своевременной и актуальной. Результатом этого было введение в образовательные программы междисциплинарного учебного курса по электромагнитной совместимости (ЭМС) в радиотехнике, на железнодорожном транспорте, в автомобилестроении. 
ЭМС — сравнительно молодая, но быстро развивающаяся дисциплина, элементы которой зародились в 50-е годы XX века, а основные положения этой дисциплины были сформулированы только четверть века тому назад (США, Англия, Германия, Россия, Швейцария 
и др.). Как наука ЭМС возникла на стыке электроэнергетики и электроники, придав новый импульс развитию этих, ставших уже классическими, дисциплин. Основным инструментом новой науки остался физико-математический аппарат теоретической электротехники — в 
частности классическая теория электромагнитного поля. Поэтому студентам электроэнергетических, электротехнических и радиотехнических специальностей, прослушавших курсы 
«Теоретические основы электротехники», «Техника высоких напряжений», «Электрические 
сети», «Радиопередающие устройства» и пр., предстоит в полной мере использовать полученные знания, «то, что остается, когда выученное позабыто», для овладения новыми понятиями ЭМС. 
Дисциплина «Электромагнитная совместимость» является новой в системе подготовки 
специалистов по электроэнергетике. Ее методология еще не сформирована в такой мере, как 
в признанных, ставших классическими, дисциплинах, например »Электрические сети и системы», «Электроснабжение», «Релейная защита и автоматика» и др. Одной из основных 
причин этого является то, что, несмотря на значительный опыт, накопленный при решении 
практических задач, теория электромагнитной совместимости еще не развита в достаточной 
степени. Другая причина связана с имевшей до недавнего времени тенденцией к недооценке 
роли ЭМС со стороны высшей школы. Наконец, сложность формирования этой дисциплины 
связана с комплексным характером решения проблемы в целом. Так, при рассмотрении ЭМС 
в электроэнергетике должен охватываться достаточно широкий круг вопросов — от изложения концепции электромагнитного поля до описания современных методов и технических 
средств обеспечения электромагнитной совместимости. 
Проблема электромагнитной совместимости неисчерпаема. Это объясняется большим 
разнообразием как классов электроустановок, так и типов информационно-технологического 
оборудования (ИТО). Чрезвычайное разнообразие назначения и устройств электроустановок 
и ИТО в различных отраслях экономики исключило возможность применения рецептурного 
подхода к решению большинства задач электромагнитной совместимости. К сожалению, каждая из имеющихся в настоящее время нескольких высококачественных монографий по ЭМС 
отличается узкой направленностью (электрические станции и подстанции, бытовая электроника, железнодорожная связь, автомобильное и тракторное электрооборудование и т. д.) и 
потому не может быть использована в качестве универсального учебника по ЭМС, пригодного для подготовки инженера-электротехника по всем специальностям электротехнического 
профиля. 
В связи с этим в настоящем учебнике разработана общая методология решения 
наиболее характерных задач электромагнитной совместимости. Выявлено сравнительно небольшое число наиболее характерных типовых ситуаций, на примере которых показана об

щая методология решения основных задач электромагнитной совместимости различных 
электроустановок и информационно-технологического оборудования. В качестве таких задач 
рассмотрены: 
1) разработка одного из условий электромагнитной совместимости электроустановок — условия электробезопасности; 
2) разработка требований к заземляющим устройствам электроустановок всех классов 
напряжений и ИТО; 
3) разработка требований к молниезащите зданий и сооружений, насыщенных электроустановками и ИТО всех категорий и уровней защиты; 
4) разработка требований к оптимальным системам комплексной безопасности электроустановок зданий, включающей экологическую, электрическую и пожарную. 
Изучение этих разделов должно помочь студентам овладеть навыками самостоятельного решения новых нестандартных задач электромагнитной совместимости. Овладение технологией обеспечения электромагнитной совместимости возможно только при условии 
ясного представления физических процессов, лежащих в основе проблем ЭМС. Именно поэтому в курсе особое внимание уделено физике электромагнитного влияния и защите от него 
посредством заземления, зануления, уравнивания потенциалов, экранирования, а также — 
электромагнитным процессам, определяющим форму импульса тока молнии. Приведенные в 
соответствующих разделах учебника материалы по перечисленным вопросам развивают и 
дополняют сведения, известные студентам из ранее прослушанных курсов ТОЭ, ТВН, 
«Электрические сети и системы», «Электрические станции и подстанции» и др. 
«Основы электромагнитной совместимости» представляют собой первый учебник, 
предназначенный для электроэнергетических и электротехнических специальностей вузов. 
Содержание книги определило вопросы, предусмотренные учебной программой дисциплины федерального компонента ОПД. Ф.09 Государственного образовательного стандарта. Ее целью является изложение необходимого объема знаний в области ЭМС в 
электроэнергетике. В результате изучения данной дисциплины студент должен знать причины электромагнитного загрязнения окружающей человека среды, иметь представления о механизме воздействия электромагнитного излучения и электрического тока на организм 
человека, быть способным анализировать факторы, обусловливающие электромагнитные 
помехи в электроустановках, линиях связи, а также факторы, влияющие на качество электрической энергии в системах электроснабжения. Изучение дисциплины должно способствовать 
развитию системы взглядов на принципы обеспечения электромагнитной совместимости с 
учетом влияния основных факторов, характеризующих электромагнитную обстановку как в 
производственных, так и в бытовых условиях. 
Трудности освоения этой дисциплины обусловлены ее комплексным характером. Как 
уже отмечалось, проблемой ЭМС охватывается широкий круг объектов и явлений. Ее изучение должно опираться на известные студенту свойства и характеристики электроустановок, 
создающих отрицательную электромагнитную среду обитания, сбои и помехи в их работе, 
ухудшающие качество электроэнергии. Однако в существующих учебных дисциплинах, в том 
числе в курсе «Безопасность жизнедеятельности», перечисленные выше вопросы не нашли 
достаточного отражения и мало освещены в соответствующих учебных пособиях. Поэтому 
целесообразно расширить содержание программы дисциплины, включив в учебник такие 
вопросы, как техногенные риски и методы их оценки, анализ и синтез оптимальных систем 
безопасности электроустановок, включая пожарную безопасность, нормирование и техническое регулирование в сфере техногенной безопасности. Перечисленный круг вопросов освещается с опорой на многолетние исследования авторского коллектива. При подготовке книги 

 

возникли дополнительные трудности, обусловленные особенностями терминологии в области ЭМС, которая еще не сформировалась в полной мере и не охватывает всех используемых понятий, а некоторые из них продолжают оставаться предметом научной дискуссии. 
Отсутствие в настоящее время технических регламентов по электромагнитной совместимости не позволяет опираться на узаконенные терминологические стандарты. 
В этой связи представляется целесообразным введение обобщенного понятия «электромагнитная безопасность» (ЭМБ) — состояние объекта, при котором с определенным (допустимым) значением риска (вероятности) исключены потенциальные опасности влияния 
ЭМП на здоровье человека, среду обитания, работоспособность электроустановок и радиоэлектронных средств. Заметим, что ЭМБ, равно как и «электробезопасность» (применительно 
к электроустановкам), характеризуют проявления одной и той же физической сущности — 
электромагнитного поля. 
В учебнике невозможно было охватить все вопросы, относящиеся к проблеме ЭМС. 
Поэтому критические замечания и пожелания будут приняты с благодарностью. 
Выражаем признательность д. т. н., профессору, заведующему кафедрой «Электрические станции» Московского энергетического института (технического университета) 
В. А. Старшинову и д. т. н., профессору, заведующему кафедрой «Электроснабжение и электрический 
транспорт» 
Красноярского 
государственного 
технического 
университета 
В. И. Пантелееву за ряд ценных замечаний и предложений, давших возможность улучшить 
книгу. 
Авторы