Лабораторная работа № 5 Защита от электрического поля высокого напряжения частотой 50 Гц

(2 часа)

Цель работы

Изучение особенностей воздействия элек­трических и электромагнитных полей на организм человека. Нормирование безопасных значений напряженности поля, гигиенические нормативы. Знакомство с мерами защиты персонала от воздействия электрических и электромагнит­ных полей (защитный принцип, экранирующие устройства). Изучение методов контроля электрических и электромаг­нитных полей.

Оборудование и приборы

1. источник высокого напряжения переменного тока про­мышленной частоты (НОМ-10; ЗНОМ-35; ИОМ-100 кВ);

2. киловольтметр 0-100 кВ;

3. регулятор напряжения РНО-250;

4. вольтметр на 0-250 В;

5. измерительные приборы напряженности ближнего по­ля НФМ-1 и ИНЭП-1;

6. комплект защитных средств (коврик, боты, перчатки, указатели высокого напряжения).

Общие сведения

В процессе длительной работы в электроустановках (ОРУ) и на воздушных линиях (ВЛ) электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений отмечается ухудшение здоровья электротехнического персонала, обслуживающего указанные установки.

Фактором, влияющим на здоровье обслуживающего пер­сонала, является электромагнитное поле, возникающее в пространстве вокруг токоведущих частей действующих электроустановок.

Интенсивное электромагнитное поле промышленной ча­стоты вызывает у работающих нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой си­стемы, а также периферической крови. При этом наблюдает­ся повышенная утомляемость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возник­новение болей в сердце, сопровождающихся сердцебиением и аритмией и т.п.

Биологическое действие поля проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нару­шении внутренних биоэлектрических процессов, протека­ющих в нормально действующем организме и теснейшим образом связанных с его жизненными функциями. Внешнее электромагнитное поле, взаимодействуя с биотоками челове­ка, значения которых весьма малы, нарушает нормальный характер их воздействия на организм человека, подавляет биотоки и тем самым вызывает специфические расстройств в организме, вплоть до гибели.

Эффект воздействия электромагнитного поля на челове­ческий организм (биологический объект) принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемой орга­низмом при нахождении его в поле.

Механизм биологического действия электрического поля - это нарушение регуляции физиологических функций орга­низма, обусловленного воздействием поля на различные от­делы нервной системы. При этом повышение возбудимости центральной нервной системы происходит вследствие реф­лекторного действия поля, а тормозной эффект – результат прямого воздействия поля на структуры головного и спин­ного мозга. Кора головного мозга, а также промежуточный мозг, особенно чувствительны к воздействию электрического поля. Основным материальным фактором, вызывающим функциональные изменения в организме человека, является индуцируемый в теле ток, а влияние самого электрического поля значительно меньше.

Электромагнитное поле. Данное поле можно рассматри­вать как состоящее из двух полей: электрического и магнит­ного.

Можно также считать, что в электроустановках электри­ческое поле возникает при напряжении на токоведущих ча­стях, а магнитное - при прохождении тока по этим частям.

Можно допускать, что при частотах до 50 Гц электричес­кое и магнитное поля не связаны между собой, поэтому их влияние на биологический объект можно рассматривать раз­дельно. Исследованиями в реальных условиях (ОРУ и ВЛ до 750 кВ) было установлено, что поглощенная телом человека энергия магнитного поля в 50 раз меньше поглощенной им энергии электрического поля. Поэтому на организм человека отрицательное действие оказывает в электроустановках про­мышленной частоты электрическое поле, в практических условиях воздействие магнитного поля на биологический объект незначительно и им можно пренебречь.

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля в разных точках пространства вблизи электроустановок промышленной ча­стоты имеет различные значения и зависит от многих фак­торов: номинального напряжения электроустановки; рассто­яния между точкой, в которой определяется напряженность поля и токоведущими частями; высотой размещения над землей токоведущих частей и т.п.

Напряженность поля может быть измерена с помощью приборов НФМ-1 и ИНЭП-1 или определена расчетом.

Найдем расчетное выражение напряженности электричес­кого поля, создаваемого трехфазной ВЛ с горизонтальным расположением проводов.

Из курса теоретической электротехники известно, что на­пряженность электрического поля уединенного бесконечно длинного прямолинейного проводника, заряженного равно­мерно по длине, выражается следующей зависимостью, В/м

,

где – линейная плотности заряда провода, кл/м;

– электрическая постоянная, равная 8,85∙10^-12 Ф/м;

– кратчайшее расстояние от провода до точки, в которой определяется напряженность, м.

Провода ВЛ, как бесконечно длинные прямолинейные проводники, расположены вблизи плоской проводящей сре­ды, которой является земля. Поэтому поле ВЛ будет созда­ваться не только зарядами проводов, но и зарядами их зер­кальных изображений. При этом вектор напряженности суммарного поля будет равен геометрической сумме векторов напряженностей полей всех зарядов.

Для расчета вначале рассмотрим одну фазу линии (фаза А, рис.1). Заряд провода примем за , а заряд от зеркального изображения .

Модуль вектора напряженности электрического поля в некоторой точке Р, обусловленного зарядом , В/м

, (1)

а обусловленного зарядом , В/м

, (2)

где , – кратчайшие расстояния от точки Р до провода фазы А и его зеркального изображения, м.

Разложим векторы и на их составляющие по горизонтали и и вертикали и (рис.1).

Модули этих векторов, как следует из построения (рис.1), равны В/м,

где – расстояние по горизонтали от оси линии до точки Р, м;

– расстояние между осями соседних проводов линии, м;

– высота размещения провода над землей, м;

– высота точки Р над землей, м.

Путем сложения векторов и , а также векто­ров и получим векторы и , которые яв­ляются горизонтальной и вертикальной составляющей век­тора напряженности поля фазы А с учетом его зеркального изображения в точке Р.

Поскольку векторы и имеют противополо­жные направления (рис.1) модуль суммарного вектора будет равен разности модулей этих векторов, В/м:

.

Модуль вектора равен сумме векторов и , поскольку они направлены в одну сторону:

Заменив в этих выражениях и их значениями из (1) и (2), получим В/м.

, 3)

. (4)

Для ВЛ переменного тока заряд провода , следователь­но, и напряжение и являются синусоидальными функциями времени и их можно изображать комплексными величинами.

Учитывая, что и произведя эту замену в урав­нениях (3) и (4), получаем выражение в комплексной форме для горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности поля фазы А (с учетом ее зеркального изо­бражения) в точке Р, В/м:

, (5)

, (6)

где – емкость фазы А относительно земли, Ф/м;

– комплекс напряжения фазы А относительно земли (эффективное значение фазового напряжения, В);

, – коэффициенты.

Выражения для горизонтальных составляющих напряженностей полей двух других полей двух других фаз линии В и С:

, (7а)

, (7б)

, (7в)

. (7г)

Горизонтальная и вертикальная составляющие напря­женности суммарного поля, В/м, обусловленные зарядами всех фаз линии и их зеркальных изображений, будут равны:

, (8)

. (9)

В уравнения (8) и (9) подставим значения из уравнений (5), (6), (7) с учетом того, что для ВЛ с горизонтальным рас­положением проводов (для симметричной трехфазной системы), где – фазовый оператор и получим и равные:

,

,

или

,

,

или в действительной форме, В/м

,

.

Искомая напряженность электрического поля трехфазной ВЛ с горизонтальным расположением проводов

,

или

.

Коэффициенты имеют следующие значения:

,

,

,

,

,

.

Отрезки и (рис.1) определяются следующими уравнениями, м:

; ;

; ;

; .

Высота размещения провода , ближайшего к точке Р с учетом стрелы провеса (рис. 2) определяется из выражения:

,

где – высота крепления провода на опоре, м;

– стрела провеса провода, м;

– габарит линии;

– расстояние по горизонтали от опоры до интересующей нас точки провода, м;

– длина пролета линии, м.

Емкость фазы трехфазной линии с горизонтальным рас­положением проводов относительно земли на единицу длины линии, Ф/м, определяется выражением:

, (11)

где – средняя высота подвеса проводов над поверхностью земли, м,

.

Пренебрегая влиянием земли, т.е. полагая , выражение для емкости фазы упрощается:

, (12 )

где – радиус провода, м.

Гигиенические нормативы

Степень отрицательного воздействия электрического поля промышленной частоты на организм человека оценивается по количеству поглощенной телом человека энергии элек­трического поля, по току, проходящему через человека в землю, и по напряженности поля в месте, где находится че­ловек.

Значение тока, проходящего через человека, зависит от , расстояния до токоведущих частей и земли и т.п. и в практических расчетах оценивается выражением:

.

Значение – коэффициента деполяризации эллипсоида вращения вдоль оси а (рис.3) оценивается выражением

,где – отношение полуосей эллипсоида.

При значении выражение можно принять равным , тогда

.

Подставив значение в формулу для , получим

.

Для человека со значениями величина тока составит примерно

,

или , мкА,

где – напряженность электрического поля на высоте человека, кВ/м.

Количество поглощенной энергии телом человека выражается зависимостью:

,

где – плотность тока в полуэллипсоиде выражения, А/м²;

– объем полуэллипсоида, м²;

– удельное сопротивление тела человека, Ом∙м.

С некоторым допущением можно записать:

,

где – площадь основания полуэллипсоида, м².

;

.

Тогда , Вт.

Допустимые значения тока, длительно проходящего через человека и обусловленного воздействием электрического по­ля, составляют 50–60 мкА. Это соответствует напряженности электрического поля на высоте человеческого роста 5 кВ/м.

Гигиенические нормы времени пребывания без средств защиты в электрическом поле (экранизирующий костюм) электроустановок промышленной частоты установлены ГОСТ 12.1.002-84 в зависимости от напряженности поля в зо­не, где будет находиться человек (таблица 1).

Таблица 1. Нормы времени пребывания человека в электрическом поле

электроустановок промышленной частоты в течении одних суток

Напряженность электрического поля , включительно	Допустимое время пребывания человека в электрическом поле,
До 5 Свыше 5 до 10 Свыше 10 до 15 Свыше 15 до 20 Свыше 20 до 25	Не ограничивается Не более 180 Не более 90 Не более 10 Не более 5

Примечание. Нормативы по п.п. 2–5 Действительны при условии, что остальное время человек находился в местах, где .

Предельно допустимый уровень напряженности воздействия ЭП устанавливается равным 25 кВ/м.

Допустимое время пребывания в ЭП напряженней свыше 5 до 20 кВ/м вычисляют по формуле:

где – допустимое время пребывания в ЭП при соответствующем уровне напряженности, ч.

– напряженность воздействия ЭП в контролируемой зоне, .

При нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью ЭП время пребывания вычисляют по формуле:

,

где – время пребывания в контролируемых зонах с напряженностью … ч;

… – допустимое время пребывания в ЭП для соответствующих контролируемых зон, таблица 1. Приведенное время не должно превышать 8 часов.

Если требуется большая продолжительность пребывания в ЭП, чем указано в таблице 1, или если напряженность поля на рабочем месте превышает 25 кВ/м, работы должны производиться с применением средств защиты от воздействия поля - экранируемых костюмах или экранирующих устройств.

Контроль электрического поля на рабочих местах

Определение напряженности электрического поля на рабочих местах, а также определение границ зоны влияния производится измерением напряженности поля с помощью специального прибора – измерителя напряженности ближнего поля НФМ-1 или ИНЭП-1.

Принцип работы прибора следующий: в антенне прибора ЭП создает ЭДС, которая усиливается с помощью транзисторного усилителя, выпрямляется и измеряется стрелочным микроамперметром.

Антенна представляет собой симметричный диполь, выполненный в виде двух металлических пластин, размещенных одна над другой. Поскольку наведенная в симметричном диполе ЭДС пропорциональна напряженности ЭП, шкала миллиамперметра отградуирована в киловольтах, деленных на метр.

Напряженность ЭП должна измеряться в зоне нахожде­ния человека при выполнении им работы. Напряженность ЭП на рабочих местах персонала должна измеряться в сле­дующих случаях:

при приемке в эксплуатацию новых электроустановок;

при организации новых рабочих мест;

при изменении конструкции электроустановок и стационарных средств защиты от ЭП;

при применении новых схем коммутации и режимов работы электроустановки;

в порядке текущего санитарного надзора – 1 раз в 2 года.

Измерение напряженности должно производиться во всей зоне, где может находиться человек в процессе выполнения работы. При размещении рабочего места на земле измерение напряженности ЭП должно производиться:

при отсутствии защитных средств – на высоте от поверхности земли;

при наличии коллективных средств защиты на высоте от поверхности земли.

Время пребывания в контролируемой зоне устанавливается, исходя из наибольшего значения измеренной напряженности.

Результаты измерений следует оформлять в виде протокола.

В протоколе измерений рекомендуется приводить следующие сведения:

наименование электроустановки;

дату проведения измерений;

измерительные приборы (тип, номер и данные их проверки );

место измерения;

рабочее напряжение электроустановок в момент измерения;

температуру и относительную влажность воздуха;

точку измерения;

результаты измерения;

заключение;

фамилию и должность лица, проводившего измерения;

подпись.

Ход работы

1. Ознакомиться с расчетами ЭП на рабочих местах.

2. Оценить гигиенические нормативы ЭП по току, напряженности и по времени действия.

3. Ознакомиться с определением напряженности ЭП на рабочих местах.

1. Изучить устройство и принцип работы приборов НФМ-1 и ИНЭП-1.

2. Замерить ЭП в нескольких точках в лабораторных условиях.

4. Ознакомиться с мерами защиты персонала от воздействия ЭП.

4. Ознакомиться с формой протокола замеров ЭП.

Контрольные вопросы

1. В чем выражается опасность электрических полей для организма человека?

2. Объясните механизм биологического действия ЭП организм человека.

3. В чем сущность нормирования безопасных значений напряженности поля?

4. Приведите расчетные формулы для определения напряженности ЭП вблизи ВЛ.

5. Какой из перечисленных параметров (количество поглощаемой телом энергии ЭП; ток, проходящий через организм человека в землю; напряженность поля в местах нахождения человека) наиболее отрицательно влияет на организм человека?

6. Как оценивается допустимое время пребывания человека в ЭП при нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью ЭП?

7. Какой принцип работы используется в приборах НФМ-1 и ИНЭП-1?

8. В каких случаях на рабочих местах измеряют напряженность ЭП?

8. Периодичность замера напряженности ЭП.

10. Документация по контролю напряженности ЭП на рабочих местах.

Содержание отчета

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы. Оборудование и приборы.

3. Таблица замеров напряженности электрического поля.

4. Выводы по работе.