ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА-МЕТОДИЧКА

4. Якщо відбувається необоротний процес лавинного зниження резистансу нелінійного резистора заступної схеми тіла людини, то для заданого моменту часу характер процесу не зміниться, якщо дію прикладеної напруги Uh на неушкоджену частину резистора замінити дією більшої за значенням напруги Uhекв на весь нелінійний резистор. Значення струмів Ih в обох випадках повинні бути однаковими.

Описаний підхід дозволяє замінити небезпечний для людини фізичний експеримент математичним експериментом.

По експериментальним даним будуємо вольтамперну характеристику тіла людини характер зміни якої описується рівнянням

в якому для зручності використовують параметр густини струму під електродами jh=Ih/F. Із даної вольтамперної характеристики необхідно виділити вольтамперну характеристику на нелінійному опорі, шляхом віднімання від загальної характеристики спад напруги на лінійному опорі Rhзал. Тоді нелінійна вольтамперна характеристика буде описуватись рівнянням Uhнл=A·ln(j)+B, де коефіцієнти рівняння А,В розраховуються для певної особи.

Для отримання еквівалентної напруги Uhекв=f(t) необхідно підставити в залежність Uhнл=A·ln(j)+B значення струму Ih для певного моменту часу t.

На рис.5 наведена зміна в часі еквівалентної напруги Uhекв, яку необхідно прикласти до нелінійного резистора схеми тіла людини, щоб зміна струму в моделі тіла людини була б такою ж, як у випадку реального лавинного процесу.

Рис.5. Зміна в часі еквівалентної напруги Uhекв нелінійної частини моделі тіла людини.

На основі розрахованої за (6) залежності Ih(t) для електродів із площею поверхні дотику F= 5 см2 у випадку дії постійної напруги Uh= 91,4 В і залежності, наведеної на рис.5, отримані залежності швидкості зміни лавинної складової струму через тіло людини від еквівалентної

напруги dIhлав/dt=f(Uhекв) (рис.6).

Для побудови залежності зміни лавинної складової струму через тіло людини Iлав=f(t) необхідно із залежності dIhлав/dt=f(Uhекв) для певного значення Uhекв в момент часу t знайти приріст ∆Ihлав. Тоді струм через тіло людини у випадку виникнення лавинного процесу зростає за інтервал часу ∆t від Ih до Ihлав1=Ih+ ∆Ihлав.

51

екв

екв

Рис. 6. Залежність швидкості зміни лавиннної складової струму через тіло людини від значення еквівалентної напруги Uhекв

Залежність dIhлав/dt=f(Uhекв) (рис.6) була використана під час аналізу впливу величини прикладеної напруги і площі дотику електродів на характер лавинного процесу в тілі людини

(рис.7).

Рис. 7. Зміна в часі лавинних складових Ілав(t) струму через тіло людини для різних значень прикладеної напруги і різних площ поверхні дотику до електродів F.

52

Процеси, що відбуваються у тілі людини під дією змінної напруги

Дія невеликої за значенням змінної напруги 0<Uh<Uhл.макс, – напруга, за якої вольтамперна характеристика тіла людини є лінійною) не змінює властивостей тіла людини,

тому можна очікувати, що значення змінного струму у часі за Uh=сonst не буде змінюватися. У випадку дії змінної напруги, значення якої Uh>Uhл.макс, електричне поле викликає

додаткову іонізацію молекул і, як наслідок, появу додаткових носіїв зарядів. Це приводить до прискореного росту значення струму в порівнянні зі збільшенням напруги. Організм одержує надлишкову стосовно необхідної для обміну речовин кількість вільних зарядів і перестає «генерувати» їх сам. Згодом це повинно привести до зменшення струму провідності (активної складової струму Iha).

Зменшення в часі (за Uh=сonst) кількості вільних зарядів (внаслідок їхньої рекомбінації) приводить до збільшення кількості складних нейтральних молекул в електричному полі, що повинно підсилити процеси поляризації в організмі, а, отже, реактивна складова струму Ihр у часі повинна збільшуватися і, як наслідок, ємності частини шарів схеми заміщення людини також повинні збільшуватися в часі. В цілому характер зміни повного струму Ih у тілі людини залежить від співвідношення активної і реактивної його складових. Чим більше значення напруги Uh за f=const тим більша складова Iha. З іншого боку, за Uh=сonst, з ростом частоти f прикладеної напруги буде збільшуватися складова Ihр. На великих частотах активна складова струму може зростати через збільшення втрат енергії на поляризацію молекул.

Для перевірки запропонованої гіпотези про механізм зміни параметрів тіла людини були проведені спеціальні досліди. Оскільки, тіло людини являє собою шарувату структуру, то для вивчення реакції на прикладену напругу різних шарів дослідження проведені в широкому діапазоні частот від 20 до 2000 Гц. На частоті 20 Гц і напрузі до 30 В струми в часі практично не змінюються, а зі збільшенням Uh до 70-90 В – зменшуються. Такий же ефект має місце для частоти 50 Гц. Під дією напруги до 50 В частотою 100 Гц струм у часі зростає, а на напрузі понад 50 В - зменшується. Починаючи з частоти 200 Гц, струми в часі завжди зростають незалежно від значення прикладеної напруги.

Результати дослідження необоротних процесів у тілі людини під дією на нього постійної напруги показали, що для кількісного аналізу процесів досить заступної схеми тіла, що складається з послідовно з'єднаних лінійного і нелінійного резисторів. Для дії змінної напруги необхідно враховувати, що різні частини (шари) тіла, через які проходить електричний струм, мають не тільки різну електропровідність, але і різну здатність до поляризації. Ця обставина враховується в схемі заміщення (моделі) тіла, кожна ланка якої (що відповідає певному шару тіла) містить паралельно з'єднані резистор ri і конденсатор сі. Це приводить до принципово іншого, ніж для дії постійної напруги, розподілу змінної напруги між ланками заступної схеми (шарами тіла людини). Розподіл залежить від частоти і значення прикладеної напруги, площі поверхні дотику тіла до струмовідних частин, а також шляху замикання струму в тілі людини (петлі струму).

Найінформативнішим параметром, напевно, слід вважати потужність початку відчуттів Ioh для електродів з різною поверхнею дотику F, особливо в зв'язку з уведеним нами раніше поняттям критичної потужності Phкр. Перевищення потужністю Ph, що виділяється в

тілі людини, її критичного значення Phкр викликає при дії на людину постійної напруги лавиноподібний характер зміни струму Ih, що обов'язково приводить до появи електротравми. Значення Soh зменшується зі збільшенням площі електродів F, у той час як значення Phкр

53

зростає. У більшості випадків повна потужність відчуття на змінному струмі Soh менша Phкр на постійному струмі, тобто Soh < Phкр.

Важливим результатом цієї частини досліджень слід вважати отримані експериментальні значення Pоh для частоти f = 20 Гц і F= 5 см2 (рис.8). Як видно з рис.8, середнє значення активної потужності Pоh істотно перевищує значення Pкр для постійного струму для тієї ж площі електродів. Доречно також нагадати, що найбільше миттєве значення активної потужності перевищує її середнє за період значення в 2 рази. Незважаючи на сказане, у випадку дії струму з частотою 20 Гц явища лавиноподібного наростання струму через тіло людини не зареєстровано, хоч перевищення активної потужності над її критичним значенням продовжувалося 270 секунд. Описане можна пояснити шунтуванням шару, що безпосередньо стикається з поверхнею електродів, його ємністю. Очевидно, що для виникнення лавини необхідно, щоб потужність, яка виділяється в першому шарі на змінному струмі Ph~1, була рівна потужності, яка виділяється в цьому шарі на постійному струмі Ph=1, тобто Ph~1=Ph=1. В цьому випадку Ph~>Ph=. Таким чином, для виникнення лавини на змінному струмі необхідна значно більше значення змінної напруги, ніж на постійному струмі, а, отже, постійна напруга небезпечніша за умовою появи місцевої електротравми, ніж змінна того ж значення.

Виникнення необоротних процесів на змінній напрузі, як і у випадку дії постійної напруги, має енергетичну природу [3]. З врахуванням сказаного раніше, можна стверджувати, що на змінній напрузі лавинний процес наростання струму через тіло людини починається, якщо потужність, що виділяється в першому шарі тіла (відповідно в ланці моделі з найбільшою сталою часу riсі) дорівнює потужності, що виділяється в цьому ж шарі на постійній напрузі в момент початку лавинного наростання струму.

Рис. 8. Зміна в часі активної потужності відчуття людиною дії струму. Шлях струму - “ рука – рука”.

Оскільки всі експериментальні дослідження, на базі яких встановлена основна залежність швидкості зміни лавинної складової струму diлав/dt від величини напруги Uhекв, прикладеної до нелінійної частини опору тіла людини, були за умовами безпеки проведені на

54

постійній напрузі, виникає проблема коректного використання залежності diлав/dt=f(Uhекв) у випадку дії змінної напруги. Для обґрунтування методики розрахунку процесу лавинного наростання струму на змінній напрузі використаємо заступну схему тіла людини, наведену на рис.9. Схема складається з n ланок, кожна з яких відповідає певному шару тіла людини зі своїми властивостями електропровідності і поляризації, що враховується в схемі (моделі) значеннями резистанса ri і ємності сі. У межах кожного шару можна вважати, що резистор ri еквівалентує ряд однакових рівномірно розподілених паралельно і послідовно з'єднаних елементарних резисторів. На рис. 9 це показано на прикладі резистора r1.

Рис. 9. Заступна схема тіла людини.

Під дією змінної напруги лавинний процес, наприклад, у першому шарі (r1 c1) залежить від значення прикладеної до цього шару напруги U1~. Для можливості використання залежностей, отриманих для постійної напруги приведемо напругу U1~ до еквівалентної постійної напруги на нелінійних резисторах моделі. Під дією постійної напруги через усі резистори ri заступної схеми рис. 9 проходять однакові струми Ih.

Для спрощених оцінних розрахунків замість моделей тіла людини можуть бути використані вольтамперні характеристики тіла для заданої частоти. У цьому випадку методика розрахунків ідентична методиці розрахунку на постійній напрузі.

3.Зміст звіту

1.Схема для зняття амперсекундних і вольтамперних характеристик.

2.Таблиці з експериментальними значеннями.

3.Результати розрахунку на ЕОМ та пояснення до них.

4.Графіки.

5.Висновки по результатах роботи.

55

4.Практична частина лабораторної роботи.

1.Зібрати схему лабораторної установки згідно рис.11.

2.Ввімкнути тумблером “ Сеть” напругу живлення джерела постійної напруги.

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

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

V2

вольтметр В7-21А

Рис. 11. Схема лабораторної установки.

5.Потенціометром плавного регулювання вихідної напруги встановити напругу на виході джерела постійної напруги почергово 30В, 50В, 70В, 90В і проконтролювати їх величину за показом вольтметра V1.

6.Покласти долоні обох рук на електроди циліндричної форми з площею F для зняття амперсекундної характеристики з кроком 5 секунд.

7.Зняти амперсекундні характеристики на кожній напрузі.

8.Записати в таблицю 1 покази приладів.

9.Для зняття вольтамперної характеристики потенціометром плавного регулювання вихідної напруги встановити задані викладачем напруги на виході генератора і проконтролювати їх величину за показом вольтметра V1. Фіксувати значення струму через тіло людини для кожного значення напруги.

10.Записати в таблицю 2 покази приладів.

Таблиця 1

Результати експериментального зняття амперсекундної характеристики тіла людини.

56

Таблиця 2

Результати експериментального зняття вольтамперної характеристики тіла людини.

5.Обробка даних на ЕОМ

1.На основі лабораторної роботи „ Синтез моделей тіла людини при дії на неї довготривалих допустимих напруг” будуємо в програмі GRAPHER залежність Rhзал=f(F) на частоті 20000 Гц, оскільки починаючи з частоти 10 – 20 кГц вольтамперні характеристики тіла людини стають лінійними. З апроксимаційної функції Rhзал=А2/(F+В2)+С2 визначають значення коефіцієнтів характерних для певної особи – А2, В2, С2.

2.За допомогою тієї ж програми будуємо амперсекундну характеристику по дослідних точках і апроксимуємо її. Від отриманої апроксимованої функції необхідно взяти похідну і на її основі побудувати залежність швидкості зміни струму від часу dI/dt=f(t).

3.В програмі GRAPHER будуємо вольтамперну характеристику тіла людини, яка описується рівнянням Uh=A·ln(I/F)+B+ Rhзал(I/F). З даної залежності виділяємо нелінійну вольтамперну характеристику і визначаємо коефіцієнти А та В.

4.Підставивши в рівняння нелінійної вольтамперної характеристики тіла людини Uhнл=A·ln(I/F)+B амперсекундну характеристику Ih=f(t), будуємо залежність Uhекв=f(t).

5.По залежностях dI/dt=f(t) і Uhекв=f(t) будуємо залежність dI/dt=f (Uhекв). Дана залежність буде описуватись апроксимаційним рівнянням Знаходимо коефіцієнти А1 і В1.

6. За допомогою розробленої програми розрахунку лавинного процесу розраховується і будується залежність можливого струму лавини і спаду напруги на нелінійному опорі від часу.

Впрограму необхідно задати:

-Uh, В- величину напруги дотику;

-F, см2 – площу дотику;

-A,C коефіцієнти pівняння Uhнел=A·ln(I/F)+C;

-A1,B1 коефіцієнти pівняння dI/dt=Exp(A1·ln(Uhекв)-B1);

-A2,B2,C2 коефіцієнти pівняння Rhзал=A2/(F+B2)+C2.

Під час роботи можливе коректування кроку струму розрахунку і розрахунковий інтервал часу.

Контрольні запитання

1.Які фактори впливають на чутливість організму до дії електричного струму.

2.За яких умов в тілі людини настають необоротні процеси.

3.Чим відрізняються моделі тіла людини на постійній і змінній напругах.

4.В чому полягає небезпека дії постійної напруги на тіло людини в порівнянні зі змінною напругою.

5.Для чого використовують методику обчислення лавинного струму в тілі людини.

57

Список літератури

До лабораторної роботі №1:

1. Никонець Л.О., Маліновський А.А. Основи теорії та практики електробезпеки. – Львів,

2002.

До лабораторної роботі №2:

1.ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов. Изменение: 1988.

2.IEC 364-4-41 (1992) Electrical installations of buildings. Part 4: Protection for safety. Chapter 41: Protection against electric schock.

3.IEC - Report 60479-1. Effeсts of current on human beings and livestock. Part 1. General aspects. (third edition 1994).

4.IEC - Report 60479-2. Effects of current on human beings and livestock. Part 2. Special aspects. (second edition 1987).

5.IEC - Report 60479-3. Effect of current passing through the body of livestock. (first edition,

1998).

6.L. Nykoniec, A. Malinowski, G. Lysiak. Zasady teorii ochrony przeciwporazeniowej// XIII Miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna Bezpieczenstwo elektryczne “ELSAF 2001”. –

Wroclaw, Politechnika Wroclawska, 2001. - С. 90-97.

7. Никонець Л.О., Маліновський А.А,, Лисяк Г.М., Лагутін Т.М. Методика визначення вольтамперних характеристик тіла людини за дослідними даними, знятими у безпечному діапазоні напруг// Вісник Інженерної Академії України. – 2002. – №1 .

8. Biegelmeier G. Die Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen und der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers. 2., völlig übe rarbeitete Aufgabe. VDE-verlag GMBH. Berlin und Offenbach, 1987. - 29 s.

До лабораторної роботі №3:

1.ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов. Изменение: 1988.

2.L. Nykoniec, A. Malinowski, G. Lysiak. Zasady teorii ochrony przeciwporazeniowej// XIII Miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna Bezpieczenstwo elektryczne “ELSAF 2001”. –

Wroclaw, Politechnika Wroclawska, 2001. - С. 90-97.

3.Гутаревич О.Т., Маліновський А.А., Никонець Л.О., Шелех Ю.Л., Обґрунтування параметрів мережі з гарантованим рівнем електробезпеки за умовами аварійного режиму електроустановок// Энегретика и электрофикация. – 2002. - № 7.

4.Biegelmeier G. Die Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen und der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers. 2., völlig übe rarbeitete Aufgabe. VDE-verlag GMBH. Berlin und Offenbach, 1987. - 29 s.

До лабораторної роботі №4:

1.Biegelmeier G. Die Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen und der elektrische Widerstand des menschlichen Körpers. 2., völlig übe rarbeitete Aufgabe. VDE-verlag GMBH. Berlin und Offenbach, 1987. - 29 s.

2.IEC - Report 60479-1. Effeсts of current on human beings and livestock. Part 1. General aspects. (third edition 1994).

58

До лабораторної роботі №5:

1.Матеріали фірми Merlin Gerin (Groupe Schneider).

2.Хохулін Б.К. Пристрої захисного вимкнення в мережах низької напруги. - Львів, 2000.

3.Электропанорама, электротехнический журнал. Май – июнь, 2000 г., Киев.

До лабораторної роботі №6:

1.Никонець Л.О., Маліновський А.А, Лисяк Г.М., Натальченко В.А., Крукеницький Т.П.: Дослідження дії постійного струму на організм людини та обгрунутування первинного критерію електробезпеки, Вісник Інженерної Академії України, Киев, № 3-4, 1998, с. 124-131.

2.Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. – 5- е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1991. –480 с.

3.Никонець Л.О., Маліновський А.А., Лисяк Г.М., Фещенко П.П., Комаров В.І.: Вольтамперні характеристики тіла людини на змінній напрузі довільної частоти та методика визначення параметрів тіла, Вісник Інженерної Академії України, Киев, № 2-3, 1999, с. 52-54.

59

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи з курсу «Теорія та практика основ електробезпеки»

для студентів електроенергетичних спеціальностей

Підписано до друку Формат 70х100 1/16. Папір офсетний

Друк на ізографі. Умовн.-друк. арк. . Обл.-вид.арк. Наклад. прим. Зам.

Поліграфічний центр Видавництво Національного університету “Львівська політехніка” вул. Ф. Колесси, 2, 79000, Львів.

60