МЕТРОПОЛИТЕН КАК ОДИН ИЗ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ШУМА

Тягунов Д.С.

Кандидат технических наук, Институт геофизики Уральского отделения Российской академии наук

МЕТРОПОЛИТЕН КАК ОДИН ИЗ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ШУМА

Аннотация

В статье рассмотрен магнитный шум Екатеринбургского метрополитена как одного из источников техногенного шума в диапазоне частот 0,01÷20 Гц, дающий существенный вклад в общий электромагнитный шум города. На представленных Фурье спектрограммах показано, что импульсные сигналы от электропоездов метро носят случайный характер. Сделан вывод, что импульсные помехи, создаваемые электропоездами метро, имеют сложную структуру и в разы могут превышать среднюю амплитуду городского магнитного шума, особенно в часы пик.

Ключевые слова: магнитная индукция, электромагнитное поле, техногенный магнитный шум.

Tyagunov D.S.

PhD in Engineering, Institute of Geophysics of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences

THE UNDERGROUND AS ONE OF THE SOURCES OF ELECTROMAGNETIC NOISE

Abstract

The article considers the magnetic noise of Ekaterinburg metro as one of the sources of anthropogenic noise in the frequency range 0.01÷20 Hz, giving a significant contribution to the total electromagnetic noise of the city. In the presented spectrograms Fourier it is shown that the pulse signals from the trains of the metro are random. The conclusion is made that the impulse noise generated by the subway trains, have a complex structure and at times can exceed the average amplitude of the magnetic noise of the city, especially during peak hours.

Keywords: magnetic induction, electromagnetic field, man-made magnetic noise.

На сегодняшний день в современных крупных мегаполисах расположены не только разнообразные производственные предприятия, городской и пригородный авто/электро транспорт, но некоторые из них имеют линии метро. С момента электрификации городского электротранспорта резко возрос уровень помех для проведения геомагнитных измерений.

Для питания электропоездов метро используется контактная сеть с мощной электрической тягой, что приводит к потреблению большого количества электрической энергии этого вида транспорта, особенно в моменты включения/выключения двигателей.

Цель данной статьи – рассмотреть величину импульсного сигнала создаваемого токовыми переключениями электропоездов в электрифицированной линии Екатеринбургского метрополитена, как одного из основных источников техногенного электромагнитного шума низких частот и оценить его вклад в общий электромагнитный шум города.

Для измерения вариаций городского низкочастотного электромагнитного шума вызванного переключениями токовой нагрузкой линии метро был применен трех компонентный магнитометр. В качестве датчиков магнитного поля использованы магнитомодуляционные преобразователи магнитной индукции, выполненные на основе аморфных ферромагнитных сердечников, работающих в режиме автопараметрического усиления. Собственный магнитный шум датчиков составляет 0.1 пТл*Гц^-1/2, коэффициент преобразования без внешнего усиления 0.16 мВ/нТл, полоса частот измеряемого магнитного поля 0.01 Гц ÷ 200 Гц. Аналоговый электрический сигнал с датчиков поступает на 24-х разрядный программируемый аналого-цифровой преобразователь AD7734EBZ, соединенный с переносным компьютером (ноутбук). Частота дискретизации измеряемого сигнала – 470 Гц. Наблюдение вариаций измеряемого магнитного поля ведется в реальном масштабе времени, отображается на экране компьютера и записывается на электронный носитель информации в виде отдельного текстового файла [1].

Измерения магнитной индукции электромагнитного шума метрополитена проводились в рабочие дни и в утреннее время, когда большая часть людей едет на работу. Датчики, закрепленные на немагнитном штативе, располагались на поверхности земли около подходов к спуску в метро и на расстоянии до 20 м от самой линии метро. При этом, горизонтальная компонента В_х была направлена по магнитному меридиану, горизонтальная компонента В_y ортогональна магнитному меридиану, компонента В_z устанавливалась вертикально. Длительность времени записи определялась минимальным периодом регистрируемой частоты и количеством периодов. Для измерений шумового сигнала измерения в каждой точке проводились 30 мин.

В Екатеринбурге находится одна линия метро с девятью станциями, которые имеют разную глубину. Четыре станции глубиной от 8 до 12 метров, пять других – от 30 до 42 метров.

На рис. 1 показан фрагмент записи амплитуды трех составляющих магнитного шума в полосе частот 0.01÷200 Гц, полученный в центральной части города, вблизи станции метро «Геологическая». Глубина станции 30 метров. Точка измерения располагалась на территории дендропарка в 20 метрах от линии метро.

Рис. 1 - Фрагмент утренней записи амплитуды составляющих магнитного шума вблизи станции метро «Геологическая» в полосе частот 0.01÷200 Гц

Из рис. 1 видно, что импульсные помехи от электрического транспорта метрополитена имеют амплитуду магнитного шума от пика до пика по горизонтальным составляющим B_x=2000 нТл, B_y=2500 нТл; вертикальной составляющей B_z=10000 нТл. Средняя амплитуда шумовой дорожки для B_x=200 нТл, B_y=300 нТл, B_z=800 нТл.

На рис. 2 показан фрагмент записи амплитуды трех составляющих магнитного шума в полосе частот 0.01÷200 Гц, полученный на окраине города, вблизи станции метро «Машиностроителей». Глубина станции 8 метров. Точка измерения располагалась в 10 метрах от линии метро.

Рис. 2 - Фрагмент утренней записи амплитуды составляющих магнитного шума вблизи станции метро «Машиностроителей» в полосе частот 0.01÷200 Гц

Импульсные помехи от электрического транспорта метрополитена станции «Машиностроителей» (рис. 2) имеют амплитуду магнитного шума для B_x=3000 нТл, B_y=4000 нТл, B_z=6500 нТл. Средняя амплитуда шумовой дорожки для B_x=100 нТл, B_y=200 нТл, B_z=500 нТл.

В утреннее время поезда Екатеринбургского метро двигаются с четырех минутным интервалом и временем стоянки на станциях 2 минуты. На представленных фрагментах записей рис. 1 и рис. 2 четко видно, что за 30 минут измерений проявились импульсные сигналы от шести поездов подходящих к станциям и отходящих от них. На компонентах магнитной индукции эти сигналы отображаются в виде тонких линий высокой амплитуды. При детализации записи шумовой дорожки форма импульсных сигналов имеет более сложную структуру (рис. 3).

Рис. 3 - Детализация минутных импульсных сигналов вертикальной составляющей фрагмента утренней записи станции метро «Геологическая»

На записях рис. 1 и рис. 2 также видно, что импульсные помехи, создаваемые этим видом транспорта, в разы превышают среднюю амплитуду шумовой дорожки городского магнитного шума.

На рис. 4 представлены спектры фрагмента утренней записи трех составляющих магнитного шума, записанные вблизи станции метро «Геологическая».

Рис. 4 - Спектры трех составляющих фрагмента записи магнитного шума, полученные вблизи станции метро «Геологическая»

Максимальная амплитуда на частоте 50 Гц спектров рис. 4 составляет: B_x=2 нТл; B_y=4 нТл; B_z=2.5 нТл. На частоте 100 Гц: B_x, B_y=0.1 нТл; B_z=0.4 нТл. На частоте 150 Гц: B_x=0,45 нТл; B_y=0.7 нТл; B_z=0.4 нТл. В результате спектральной обработки видно, что максимальный уровень магнитного шума находится на частоте 50 Гц и ее кратных гармониках. В местах, где отсутствует линия метро, магнитный шум сосредоточен, в основном в области промышленной частоты 50 Гц за исключением низкочастотного шума. Также из рисунка видно, что амплитуда магнитного шума на шумовых дорожках составляющих магнитной индукции B_x и B_y монотонно уменьшается в область высоких частот с 10 Гц, составляющей B_z с 20 Гц.

Электромагнитные импульсы, создаваемые электропоездами метро, явно на спектрограммах не проявляются. Это объясняется тем, что импульсы носят случайный характер. Следует отметить, что приведенные спектры магнитного шума аналогичны записям спектров для других станций.

Для сравнения по станциям Екатеринбургского метро в табл. 1 приведены данные амплитуды магнитного шума по каждой составляющей и модулю магнитной индукции.

Таблица 1 - Данные амплитуды магнитного шума

Название станции	Глубина станции, метры	Bx	By	Bz	|B|
Проспект Космонавтов	8	800	1200	2500	2886
Уралмаш	8	3500	6000	3000	7566
Машиностроителей	8	3000	4000	6500	8200
Динамо	35	500	400	800	1000
Площадь 1905 года	35	2500	2000	7000	7697
Геологическая	30	2000	2500	10000	10500
Чкаловская	40	5600	4000	3000	7507
Ботаническая	12	4000	5000	6000	8774

 

Из табл. 1 видно, что четкой зависимости амплитуды магнитного шума с глубиной станций не прослеживается. При этом, средний порядок по модулю магнитной индукции для большинства станций примерно один.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Вклад магнитного шума электропоездов метрополитена в общий электромагнитный шум города на частотах 0,01÷200 Гц может составлять 10000 нТл и более, особенно в часы пик. Электромагнитные импульсы, создаваемые электропоездами метро, на Фурье спектрограммах не проявляются, так как носят случайный характер. Импульсные сигналы, создаваемые этим видом транспорта, имеют сложную структуру.

 

Литература

1. Сокол-Кутыловский О.Л., Тягунов Д.С. Аппаратура для регистрации магнитного поля низких частот. Уральский геофизический вестник. № 4(13) (сб. статей) Екатеринбург: УрО РАН, 2007. С. 69-73.

References

1. Sokol-Kutylovskij O.L., Tyagunov D.S. Apparatura dlya registracii magnitnogo polya nizkih chastot. Ural'skij geofizicheskij vestnik. № 4(13) (sb. statej) Ekaterinburg: UrO RAN, 2007. S. 69-73.