ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА-МЕТОДИЧКА

Синтез моделей тіла людини при дії на неї довготривалих допустимих напруг:

Методичні вказівки до лабораторної роботи/ Укл. Л.О.Никонець, В.Г. Гапанович Д.М. Сіваков – Львів: Видавництво Національного університету “ Львівська політехніка” , 2002-14 с.

2

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

СИНТЕЗ МОДЕЛЕЙ ТІЛА ЛЮДИНИ ПРИ ДІЇ НА НЕЇ ДОВГОТРИВАЛИХ ДОПУСТИМИХ НАПРУГ

Мета роботи: Навчитись розраховувати параметри моделі тіла людини при дії на неї довготривалих допустимих напруг.

1.Зміст роботи

1.Вивчити дану інструкцію.

2.Ознайомитися із схемою.

3.Зняти частотні характеристики для шляху струму “ рука-рука” з використанням електродів із площами поверхні дотику 0,2, 0;8, 2,0 см2.

4.Обчислити параметри моделі тіла людини з використанням ЕОМ

5.Побудувати графіки Z=f(F).

6.Проаналізувати вплив площі поверхні дотику до електродів F на електричні параметри тіла і параметри його моделі. Зробити висновки по результатах роботи.

2.Загальні відомості

Дослідження дії електричного струму на людину непрямими методами в широкому діапазоні зміни факторів впливу можливо на основі моделювання явищ, що обумовлюють таку дію.

Експерименти на математичних моделях дозволяють значно скоротити необхідну кількість фізичних експериментів на людях, а також одержати результати в широкому діапазоні зміни параметрів, – як людини, так і факторів дії. Особливо важливими будуть результати математичних експериментів у діапазоні напруг, що при фізичному експерименті можуть бути небезпечними для життя і здоров'я людини.

Інформаційною базою для синтезу моделі будуть фізичні експерименти. Матеріали експериментальних досліджень використовуються у вигляді частотних, вольтамперних і вольтсекундних характеристик тіла людини.

Для одержання вихідних даних, достатніх для синтезу моделей тіла людини, що адекватно відображає електричні властивості тіла і дозволяє оцінити імовірність різних результатів електротравм, необхідно встановити взаємозв'язок між наступними параметрами впливу

lIh – шлях струму через тіло людини.

На базі отриманих експериментальних даних в обмеженому діапазоні параметрів необхідно вірогідно прогнозувати характер зміни параметрів у зоні недоступної для експериментів за умовою збереження життя і здоров'я людини, що є об'єктом дослідження.

Багатофакторна залежність струму через тіло людини ih обумовлена цілим спектром супроводжуючих процесів:

3

∙залежність струму ih від величини прикладеної напруги обумовлена зміною фізіологічних процесів і властивостей у тілі під дією зовнішнього збудження;

∙залежність струму ih від частоти f і площі електродів F обумовлена наявними властивостями тіла людини;

∙залежність струму ih від часу впливу напруги t обумовлена захисною реакцією організму на зовнішні збудження, а також нагромадженням необоротних змін у тілі людини.

У живому організмі, тканині якого відносяться до біополімерів, внаслідок обміну речовин відбуваються безупинні процеси дисоціації частини молекул на іони і рекомбінації іонів у нові молекули. Електрофізичні властивості живої тканини обумовлені дією двох компонентів - динамічного (проведення електрики) і психогенного (проведення збудження). Під дією напруги молекули живої тканини збуджуються. Це порушує обмін речовин і змінює електричні характеристики тканини, викликає перенос речовин, що змінює її хімічний склад і структуру.

Під дією прикладеної напруги в тілі людини відбуваються процеси, що впливають на напруженість електричного поля. Це - явище поляризації, під яким розуміють орієнтування в електричному полі диполів. Як диполі можуть бути атоми, молекули, частки з позитивними і негативними зарядами, між якими діють внутрішньоатомні, внутрімолекулярні чи міжмолекулярні сили. В електричному полі на заряджені частки діють сили. Унаслідок цього зв'язані заряди зміщуються. При цьому сили впливу електричного поля врівноважуються внутрішньоатомними чи внутрімолекулярними силами. Процес поляризації супроводжується витратами енергії.

Тіло людини, як елемент електричного кола, складається з декількох шарів з різними електричними характеристиками. Під дією електричного поля в тілі відбуваються процеси нагромадження зарядів на границях шарів (так званих зарядів абсорбції). Це явище називають міграційною поляризацією. Поляризація послабляє зовнішнє електричне поле. За інших рівних

умов напруженість електричного поля в тілі тим менше, чим вище його електрична проникність, що характеризує здатність тіла до поляризації.

З врахуванням сказаного, модель тіла людини повинна мати вигляд, представлений на мал.1.

Опору Ri і ємності Сi відповідають відповідно властивості електропровідності і поляризації окремих елементів тіла через які проходить електричний струм.

Опору Rn і ємності Сn відповідають властивості тих елементів тіла, що нормують так називаний залишковий опір при необмежено великій напрузі дотику.

Внутрішнє джерело uh відображає реакцію тіла людини на збудження, що з'явилося. Відповідно до біологічного закону Дюбуа-Реймона, дія на живу тканину обумовлено не

стільки значенням подразника (у даному випадку електричного струму), скільки його зміною в часі.

Людина в силу фізіологічних особливостей уловлює органами почуттів не саму величину впливу, а приріст впливу. Ця фізіологічна особливість узагальнена законом Вебера-Фехнера, що стосовно до звуку виглядає так:

J0

де L – рівень звукового чи тиску голосність у белах (б); J – рівень сили (інтенсивність) звуку (вм/м2);

J0 – рівень сили (інтенсивність) звуку на порозі відчуття (ледь чутний звук), (вм/м2).

4

Доцільно перевірити чи можна застосувати цю залежність (2) для оцінки дії електрики на

відслідковувати зміну миттєвих значень параметрів збудження і реагує на зміну інтегральних показників стану організму, у першу чергу, на зміну інтенсивності обміну речовин.

Реакція організму в цьому випадку повинна проявитися через зміни електропровідності і ступеня поляризації тканин тіла, що повинно знайти відображення в моделі тіла у виді

введенням коефіцієнта αi який у міру розвитку процесу поетапно змінюється від 1 до 0. Конкретні значення коефіцієнта αi для різних стадій процесу варто визначати по спеціально розроблених методиках на підставі експериментів.

Представлена на мал.1. модель не суперечить жодному з експериментальних фактів. Більш того, вона дозволяє в рамках єдиної методології усунути протиріччя між характером повного опору тіла на різних частотах.

Вплив постійної напруги і змінної дуже малої частоти приводить до зменшення інтенсивності обмінних процесів. Організм намагається відновити необхідну інтенсивність. У моделі це відбивається наявністю uh, що і обумовлює появу індуктивної складової струму і збільшенню активної складової.

Важливо, що при дослідах на частотах 4,8 і 11 Гц (шлях струму «палець-палець» однієї руки) при напрузі 1-2 В мали місце болеві відчуття і відзначалися появи судорожних симптомів.

При частотах більше 15 Гц – ніяких болеві симптомів не спостерігалося. Сказане корелюється з ефектом впливу інфразвуку. При значних потужностях звукові коливання менш 16 Гц мають небезпечний вплив на людину. Пояснюється це тим, що внутрішні органи людини мають власні частоти коливань порядку 6-9 Гц. Особливо небезпечна частота 7 Гц, очевидно, у зв'язку з тим, що вона відповідає частоті альфа-хвиль мозку.

При впливі напруги частотою більш 15 Гц інтенсивність обмінних процесів у тілі людини зростає, тому що дуже великі іони біополімерів тіла, що додатково утворилися внаслідок дії напруги не повинні встигнути залишити зону інтенсивного обміну речовин. Реакція організму в цьому випадку спрямована на зниження інтенсивності обміну речовин, що повинно згодом обумовити зменшення електропровідності тіла і збільшення ступеня його поляризації.

Якщо представлена на рис.1 модель після відповідного обґрунтування кількісних характеристик її елементів буде визнана адекватною по електрофізичним властивостям тілу людини, логічно буде з'ясувати чи існує який-небудь параметр режиму моделі що адекватно відображає вплив електричного струму на нервову систему людини.

5

dt dt

Рис. 1. Модель тіла людини як об'єкта захисту в електричній мережі.

Параметри відчуття дії електрики на тіло для конкретного шляху струму істотно залежать від частоти. Тобто різні по величині струми і напруги різної частоти однаково відчуваються нервовою системою, вони еквівалентні. Якщо в результаті досліджень на моделі тіла буде встановлено, що існує який-небудь постійний параметр режиму при струмах відчуття різної частоти, то можна буде стверджувати, що електробезпека як наука вперше одержала інструмент для кількісної оцінки дії електрики на людину.

Синтез моделі можливий тільки на основі експериментально знятих частотних характеристик Zh=f(f) при U, F=const.

Важливо, що принципово різні впливи (підвищення напруги Uh при f=const чи збільшення частоти f при Uh=const) на організм із різними наслідками для людини приводять до одного кінцевого результату – поступовому зменшенню модуля опору тіла |Zh| від високих початкових до малих залишкових значень. Структура тіла, що складається з окремих шарів, у якій кожен

6

шар відображається в моделі за допомогою ланки з конкретними значеннями резистанса Ri і ємності Ci дає принципово нову можливість проведення безпечних експериментів. Її суть полягає в тому, що, змінюючи частоту прикладеної напруги можна шунтувати визначені шари тіла за рахунок зменшення ємнісного опору і прикладати максимальні (із допустимих) напруги до заздалегідь обраних шарів і, тим самим, прогнозувати характер зміни параметрів у випадку дії реальної напруги дотику заданої частоти.

Запропонована модель тіла людини як елемента електричного кола являє собою ланцюгову n ланкову схему, кожне j ланка якої складається з паралельно з'єднаних резистора rj і конденсатора cj (мал.2), що дозволяє врахувати явища електропровідності і поляризації в окремих ділянках тіла.

Рис. 2. Схема заміщення (модель) тіла людини.

Параметри лінійної моделі визначаються по частотній характеристиці тіла людини шляхом порівняння отриманого експериментального значення модуля повного опору тіла

Частотні характеристики знімаються при напрузі до 5В, коли ще не виявляється природна нелінійність вольтамперних характеристик тіла людини, отримані моделі адекватно відтворюють параметри тіла людини в діапазоні малих напруг; у випадку дії великих напруг це відтворення буде наближеним.

Комплексна провідність однієї r-c ланки

Визначення параметрів n-ланкової моделі на базі частотної характеристики можна здійснювати двома методами. Першим це спроба рішення системи 2n рівнянь типу (6) для безлічі 2n частот характеристики. Другий метод - формування одного рівняння з 2n невідомими параметрами моделі (цільової функції) і його рішення методами оптимізації.

7

Для формування нелінійної системи рівнянь потрібні дослідні значення повного опору тіла для безлічі 2n частот; на формування цільової функції не накладається ніяких обмежень щодо кількості дослідів.

З зміною стану організму змінюються значення опору на всіх частотах. Найбільші зміни мають місце у випадку дії постійної напруги (напруги нульової частоти). Значна зміна опору тіла на постійній напрузі пояснюється тим, що основна частина резистанса тіла приходиться на верхній шар шкіри, стан якого зв'язаний зі зміною стану організму.

3.Зміст звіту

1.Схема моделі тіла людини та її опис.

2.Схема для зняття частотних характеристик.

3.Таблиця з експериментальними і розрахунковими значеннями. 4.Результати розрахунку на ЕОМ і пояснення до них. 5.Графіки 6.Висновки по результатах роботи.

4.Експериментальне зняття частотної характеристики тіла людини.

1.Зібрати схему лабораторної установки згідно рис.3.

V2

вольтметр В7-21А

Рис. 3. Схема лабораторної установки для зняття частотної характеристики тіла людини

2.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення генератора.

3.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення вольтметра V1, що використовується для реєстрації вихідної напруги генератора.

4.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення вольтметра V2, що використовується для реєстрації струму через тіло людини.

Перемикач дискретного вибору вихідної напруги встановити в положення 1,5В

5.Потенціометром плавного регулювання вихідної напруги встановити напругу на виході генератора рівну 2 В і проконтролювати її величину за показом вольтметра V1.

6.Ручку “ Множитель частоты ” встановити в положення 1 ручкою плавного регулювання частоти встановити вихідну частоту сигналу генератора рівну 20 Гц.

7.Піддослідному покласти долоні обох рук на електроди циліндричної форми з площею F=0,2 см2 і тримати їх до закінчення експерименту по зняттю частотної характеристики тіла з електродами даної площі.

8.Записати в таблицю 1 покази приладів.

9.Аналогічно провести виміри на інших вихідних частотах генератора Г3-100 При вимірюваннях вихідна частота генератора плавно змінюється ручкою плавного регулювання частоти, дискретно ручкою “ Множитель частоты”.

8

10. Повторити виміри для площі поверхні електродів F=0,8 і F=2,0 см2

11. Для кожного виміру порахувати опір тіла людини за виразом Z = U , дані записати в

I

табл. 1.

Таблиця 1

Результати експериментального зняття частотної характеристики тіла людини.

Прізвище, група піддослідного

5.Обробка даних на ЕОМ.

За допомогою розробленої програми на основі частотної характеристики Zh=f(F), знятої для визначеного шляху струму в тілі людини і заданої площі поверхні дотику до електродів F, визначається кількість ланок моделі і параметри її елементів з умови досягнення максимальної збіжності реальної частотної характеристики і частотної характеристики синтезованої моделі. Збіжність характеристик оцінюється за середньоквадратичною погрішністю A

Для визначення оптимальної кількості ланок моделі у початкових дані програми синтезу спочатку задається максимальна кількість ланок, а саме n=9. Обробка близько 40 частотних характеристик показала, що потреба в більшій кількості ланок не виникала. У результаті роботи програми одержимо rc параметри ланок, а також постійні часу ланок. Ланки з однаковими треба об'єднати в одну з додаванням опорів елементів. Таких ланок з однаковими може бути декілька. Це потрібно розуміти як “ роздроблення” ланок моделі у випадку їхнього кількісного надлишку. Після цього варто запустити програму синтезу вже зі зменшеною кількістю ланок. Така дія - об'єднання “ роздроблених ланок - поліпшує (прискорює) збіжність ітераційного процесу і підвищує його точність. Цей процес може бути повторений кілька разів до одержання оптимальної кількості ланок моделі. Примусове зменшення кількості ланок моделі негативно вплине на точність відтворення частотних характеристик синтезованими моделями.

9

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ МЕРЕЖІ З ГАРАНТОВАНИМ РІВНЕМ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ ЗА УМОВАМИ АВАРІЙНОГО РЕЖИМУ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК

Мета роботи: навчитись розраховувати параметри мережі, які забезпечували б гарантований рівень безпеки за умов аварійного режиму електроустановок.

1. Зміст роботи.

1.1.Вивчити дану інструкцію.

1.2.Ознайомитись із схемою мережі з гарантованим рівнем електробезпеки (рис. 1).

1.3.З використанням ЕОМ, для заданих параметрів мережі, підібрати значення опору заземлення для побутових і виробничих мереж з забезпеченням допустимих умов по струму через тіло людини і енергії розряду мережі.

1.4.Оцінити струм через тіло людини і енергію розряду мережі без опору заземлення.

1.5.Навести цифрограми режиму мережі з опором заземлення і без опору заземлення.

1.6.Проаналізувати ефективність використання опору заземлення і зробити висновки по результатах роботи.

2. Загальні відомості.

Загальновідомо, що нинішній стан електробезпеки, особливо в електроустановках споживачів, є незадовільним. Серед багатьох причин цього головними є:

1)невідповідність існуючих мереж, в першу чергу комунально-побутового призначення, чинним в Україні нормативним документам [1];

2)неповна відповідність [1] міжнародним нормам [2-5];

3)недостатність міжнародної нормативної бази [2-5] з електробезпеки.

Проведені нами дослідження [6] дозволили обґрунтувати необхідні для кардинального розв’язання проблеми електробезпеки первинні критерії та запропонувати схемно-технічні вирішення, що забезпечують виконання цих критеріїв. Суть пропонованого технічного вирішення полягає у застосуванні в загальному випадку живлення електроприймачів від трифазної шестипровідної мережі без гальванічних зв’язків між фазами та без уземлення в нормальному експлуатаційному режимі будь-якої точки електричного кола (рис. 1).

L1

L2

L3

L'1

L'2

L'3

Рис. 1. Принципова схема мережі з гарантованим рівнем електробезпеки.

(на рисунку показано - Zнав – навантаження споживачів, Сіз – ємність ізоляції провідників,

Rіз – активний опір ізоляції провідників)

10