Разработка методов и средств, снижающих воздействие электрических полей промышленной частоты на человека

При изоляции тела человека от поверхности земли ток через верхнюю часть тела значительно уменьшается – уменьшение составляет в 1,6-2 раза, по сравнению с моделью тела человека на поверхности земли (рис.6).

Таким образом, на основании анализа зависимостей (рис.6) предлагается следующее построение мер защиты человека от воздействия ЭП ПЧ:

- отвод части тока, стекающего с человека, путем частичного экранирования верхней части тела человека,

- уменьшение тока через тело человека за счет изолирования от поверхности земли.

При выполнении работ на подстанции человек может находиться либо на изолирующей площадке (например, на изолирующем ковре), либо непосредственно на земле, но в обуви, которая имеет хорошие изолирующие свойства. Также человек может находиться в обуви на поверхности земли и дополнительно есть подсыпка из щебня.

Для анализа эффективности использования дополнительных защитных средств рассмотрено влияние электрических параметров основания, на котором находится человек, с помощью схемы замещения (рис. 7).

Рис.7. Схема замещения для оценки токов, стекающих с изолированной модели тела человека. Е0 – вектор напряженности внешнего поля, С0 – собственная емкость изолированной модели, СЗ – емкость защитных средств (ковер, боты, обувь), RЗ – сопротивление защитных средств, RОСН - сопротивление основания.

Из схемы замещения (рис. 7) следует, что при рассмотрении изолированной модели тела человека полное сопротивление защитных средств и сопротивление основания Rосн должно быть много больше собственного емкостного сопротивления xC0.

, (4)

Анализ использования дополнительных защитных средств состоит в определении параметров изоляции, при которых можно считать, что человек изолирован от земли и соответственно это снижает величину тока, протекающего через человека.

При изменении удельного сопротивления материала коврика от 109 Ом·м и выше потенциал модели не меняется. В этом случае большое значение активного сопротивления защитного основания перестает иметь значение: ток стекает через меньшее емкостное сопротивление. Из расчетов получено, что сопротивление изолирующего ковра составляет 320 МОм.

При уменьшении удельного сопротивления ковра до 105 Омм (RЗ 30 кОм) потенциал модели уменьшается и составляет единицы Вольта. Модель можно считать заземленной при наличии сопротивления между землей и моделью (телом человека) порядка 30 кОм и меньше.

Для уменьшения тока, протекающего через заземленную модель, предложено использовать частичное экранирование модели. В отличие от стационарных, рассматриваются индивидуальные экраны, расположенные близко к телу человека, но изолированные от него и соединенные с землей (рис.8).

Рис. 8. Макет тела человека с индивидуальным экраном

Основные достоинства таких защитных средств состоят в их малом весе, уменьшении материальных затрат и упрощении конструкции, в обеспечении удобства эксплуатации, мобильности применения, а также в том, что они обладают лучшими эргономическими свойствами.

Расчеты показывают, что доля тока, стекающего с головы, составляет 38 % от всего тока, втекающего в тело человека, а доля тока, стекающего с головы и верхней части туловища составляет 76 %. Проведенные расчеты позволили предложить индивидуальный переносной заземляемый защитный комплект, состоящий из каски, накидки или куртки.

При использовании металлической заземленной каски в качестве защитного средства ток, стекающий с тела человека, снижается на 26% по сравнению со случаем без каски. Это происходит из-за уменьшения напряженности под индивидуальным защитным средством в области головы модели человека. Вследствие этого уменьшается ток, стекающий с модели (рис. 9).

Рис. 9. Распределение напряженности по высоте заземленной модели тела человека при наличии металлической заземленной каски (а) и без использования индивидуального защитного средства (ИЗС) (б).

Таким образом, в качестве защитного средства целесообразно применять заземленную металлическую каску, либо заземленную каску совместно с накидкой, так как в этом случае происходит значительное снижение тока, стекающего с модели тела человека, по сравнению со случаем без использования защитных средств.

В третьей главе представлены схема, методика и результаты измерений токов, стекающих с манекена, а также с человека в реальных условиях под ВЛ 500кВ при использовании индивидуальных защитных средств и без них.

Эксперименты на макете тела человека в виде манекена, имеющего рост 185 см и выполненного с соблюдением геометрических пропорций, соответствующих телу человека, проводились в высоковольтном зале кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ (ТУ). На рис.10,11 показаны схема измерения и расположение манекена при измерении.

Рис.10. Схема измерения в высоковольтном зале

Рис.11. Расположение манекена в высоковольтном зале при измерении токов, стекающих с макета

Манекен, предоставленный ЗАО «НПО Энергоформ», устанавливался в вертикальном положении и удерживался с помощью лески. Напряженность ЭП создавалась высоковольтной конструкцией, расположенной на высоте 3м.

Экран был выполнен путем покрытия строительной каски алюминиевой фольгой. «Поля» экрана также выполнены из фольги, закрепленной на каске снаружи. Соединение экрана с землей производилось изолированным проводом.

В ходе исследований были также проведены эксперименты по измерению токов, стекающих с человека, расположенного под ЛЭП 500кВ. Схема измерения и место расположения человека представлены на рис.12, 13. Результаты измерений представлены в табл. 1.

Человек при этом располагался под крайней фазой ЛЭП 500кВ. Предварительно точке предполагаемого расположения человека была измерена средняя напряженность ЭП до высоты h=1,8м с помощью измерителя электромагнитного поля П3-50 (при отсутствии человека).

Рис.12. Схема измерения при определении стекающего тока с человека под ВЛ 500кВ.

Рис.13. Место расположения человека под ВЛ 500кВ при измерении тока, стекающего в землю.

В ходе экспериментов рассматривались различные конструкции защитных экранов (рис. 14).

Рис.14. Макет тела человека с индивидуальным средством защиты:

а) с элементом в виде вуали длиной 20 см,

б) с элементом в виде накидки длиной 15 см,

в) с элементом в виде куртки длиной 100 см.

Результаты расчетов и измерений приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Сравнение токов, стекающих с макета (манекена) тела человека и с человека под ЛЭП-500кВ, при наличии защитного экрана и без него.

№ опыта	Объект	Значения тока через человека (о. е.)
		Расчетные	Измеренные
1	2	3	4
1	Манекен, человек без защитных средств	1	1
2	Манекен с экраном 32 см	0,76	0,71
3	Манекен с экраном 32 см и накидкой длиной 20 см.	0,48	0,44
Продолжение таблицы 1
1	2	3	4
4	Манекен с экраном 46 см	0,67	0,59
5	Манекен с экраном 46 см, накидкой длиной 20 см и вуалью	0,42	0,40
6	Манекен с экраном 46 см и накидкой длиной 100 см	0,22	0,2
8	Человек с каской с полями 32 см	0,71	0,67
9	Человек в куртке без каски	0,29	0,27
10	Человек в куртке с каской с полями 32 см	0,11	0,1

Примечания.

1. Под словами «Манекен с экраном 32 см» (опыт 2 табл.1) подразумевается манекен с экраном, выполненным в виде каски с полями соответствующего диаметра.

2. Для опыта 3 табл.1 – то же, что в п.1 примечаний совместно с накидкой в виде экрана на плечах манекена. Накидка электрически соединена с каской и заземлена изолированным проводом.

3. Для опыта 4 табл.1 – то же, что и в п.1, но диаметр полей равен 46 см.

4. Для опыта 5 табл.1 – то же, что в п. 2 примечаний, но диаметр полей равен 46 см, длина накидки 20 см, вуаль закрывает лицо манекена.

5. Опыты 7-10 проведены под ЛЭП 500кВ

Результаты расчетов и измерений хорошо согласуются, величины токов различаются не более чем на 15%. За единицу приняты токи, стекающие либо с модели тела человека (в случае расчета), либо с манекена или с человека без каких либо защитных средств, сравнивается относительное изменение значения тока – во сколько раз происходит уменьшение тока при применении индивидуальных защитных средств по сравнению с отсутствием защиты персонала от воздействия ЭП ПЧ.

Такая форма представления результатов принята потому, что некорректно сравнивать значения токов в теле человека для расчетной модели и манекена. Это объясняется тем, что манекен (или человек) имеет сложную форму своей поверхности и отличается от тела вращения.

Представленные результаты показывают большую эффективность индивидуального экрана, несмотря на его сравнительно небольшие размеры. Например, присоединение к экрану элемента наподобие вуали длиной около 20 см уменьшает ток с человека примерно на 60%.

При использовании заземленной каски стекающий с человека ток уменьшается в 1,5 раза, при использовании заземленной куртки в 3,8 раза и в 10 раз при использовании заземленной куртки совместно с каской, что говорит об эффективности применения защитных средств.

В четвертой главе проведен анализ полученных результатов. Показано, что применение индивидуального защитного комплекта не только уменьшает ток в теле человека, но также позволяет увеличить время пребывания человека в электрическом поле по сравнению нормированным временем, а также позволяет работать в условиях напряженностей ЭП более 25 кВ/м.

Алгоритм расчета увеличения времени работы за счет использования индивидуального защитного комплекта состоит в следующем. Вводится коэффициент уменьшения тока через тело человека за счет экрана, физический смысл которого заключается в учете степени экранирования:

, (5)

где p – величина (в %), на которую уменьшается ток с человека при применении индивидуального экрана.

Ток, протекающий через тело человека, связан с напряженностью ЭП вблизи тела человека по (2). При наличии защитных средств, время пребывания в электрическом поле с учетом (1) определяется с помощью формулы:

(6)

При k=0,5 допустимое время пребывания увеличивается с 30 до 180 мин. При использовании накидок длиной около 1 м (куртки), коэффициент k, согласно расчету, уменьшается до значений около 0,2, что дает возможность работы при напряженности 20 кВ/м в течение 8 часов, а при напряженности 30 кВ/м – 6,3 часа.

В табл. 2 приведены значения отношения времени пребывания человека в ЭП с индивидуальным средством защиты Тзащ к допустимому времени пребывания человека в ЭП без использования индивидуального средства защиты Тнорм в зависимости от коэффициента уменьшения тока через тело за счет экрана k для разных напряженностей ЭП.

В табл. 3 приведены значения времени пребывания человека в ЭП в зависимости от коэффициента уменьшения тока через тело за счет экрана k для разных напряженностей ЭП.

Таблица 2

Влияние индивидуальных защитных средств на время пребывания человека в ЭП для разных напряженностей ЭП

k	Отношение Тзащ/Тнорм для различных значений напряженности внешнего поля, кВ/м
	10	15	20	25
1,0	1	1	1	1
0,8	1,42	1,63	2,26	2,94
0,6	2,11	2,68	4,34	7,82
0,4	3,5	4,76	8,5	17,64
0,2	7,67	11,03	21	47

Таблица 3

Время пребывания человека в условиях повышенной напряженности ЭП с использованием индивидуальных защитных средств.

k	Допустимое время пребывания, ч, для различных значений напряженности внешнего поля, кВ/м
	10	15	20	25
1,0	3	1,33	0,5	0,17
0,8	4,25	2,15	1,13	0,5
0,6	6,33	3,56	2,15	1,33
0,4	10,5	6,33	4,25	3
0,2	23	14,67	10,5	8