3.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Перечень оборудования и приборов.

3. Измерения при проведении экспериментов (см. рис. 3.1).

4. Таблицы А.3.1 – А.3.4 с результатами измерений.

5. Графики, построенные по результатам измерений.

6. Выводы о соответствии результатов действующим физическим процессам и законам, а также рекомендации (при необходимости) об устройстве защитного ограждения вокруг заземлителя.

3.6 Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите виды поражения человека электрическим током и дайте их определение.

2. Что является фактором опасности поражения человека электротоком, согласно ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. Ответ обоснуйте.

3. Какие существуют условия поражения человека в трехфазных сетях переменного тока?

4. Дайте определение понятий: «электрическая сеть», «электроус-тановка», «токоведущие части», «открытые проводящие части».

5. Дайте определение понятий: «защитное заземление», «заземляющее устройство», «заземлитель».

6. Дайте определение понятия «зона растекания», раскройте его физический смысл. Нарисуйте схему измерения потенциала на поверхности земли.

7. Дайте определение понятий «напряжение шага» и «напряжение прикосновения». Раскройте их физический смысл и изобразите схемы их измерения в реальных производственных условиях.

8. Напишите формулу и нарисуйте график распределения потенциала на поверхности земли при растекании тока через одиночный полусферический заземлитель.

9. Напишите формулы для расчета напряжения прикосновения и напряжения шага при растекании тока через одиночный полусферический заземлитель. Что называется коэффициентами напряжения и шага?

10. Нарисуйте схему контурного заземления. Приведите сравнительный анализ контурного и выносного заземления.

11. Нарисуйте схему выносного заземления. Приведите сравнительный анализ контурного и выносного заземления.

12. Какие материалы и конструкции могут быть использованы для искусственных и естественных заземлителей?

13. Какие меры применяются для защиты человека от напряжения шага?

14. Какие меры применяются для защиты человека от напряжения прикосновения?

4 Исследование методов и средств защиты человека от электромагнитного излучения

4.1 Цель работы

Изучение методики измерения электромагнитных полей (ЭМП), изучение закона распределения плотности потока энергии излучения сверхвысокой частоты (СВЧ) в производственном помещении, а также изучение методов защиты расстоянием, временем и экранированием.

4.2 Методические указания к самостоятельной работе студентов

При подготовке к лабораторной работе студент должен изучить следующие вопросы:

а) физические величины характеризующие ЭМП;

б) связь между векторами напряженности электрического и магнитного полей с вектором Умова-Пойтинга при излучении бегущей сферической волны;

в) действия ЭМП на человека и их последствия;

г) методика измерения ЭМП;

д) нормирование ЭМП;

е) методы и средства защиты от ЭМП.

В соответствии с законами Максвелла, ЭМП характеризуется векторами напряженности электрического поля (В/м) и напряженности магнитного поля(А/м). Векторыи бегущей сферической волны всегда взаимно перпендикулярны (рис. 4.1, а). Их векторное произведение называется вектором Умова- Пойтинга (вектором плотности потока энергии)

. (4.1)

а (векторы ,и) б (зоны излучения)

Рисунок 4.1 – Излучение сферической электромагнитной волны в пространстве

Длина электромагнитной волны , частотаи скорость распростра-ненияС (равна скорости света, см/с) связаны соотношением

. (4.2)

Вокруг источника ЭМП выделяют три зоны (рис. 4.1, б): ближнюю (зону индукции), промежуточную (зону дифракции) и дальнюю (волновую зону или зону излучения). Если в рабочей зоне (в пространстве, ограниченном по высоте 2 м над уровнем пола (площадки), на котором находятся места постоянного или временного пребывания работающих) имеется источник излучения ЭМП, то человек, в зависимости от частоты излучения и удаленности от источника, находится в одной из указанных зон.

Ближняя зона (зона индукции) находится на расстоянии от источника

. (4.3)

Неравенством (4.3) пользуются, когда излучатель (антенна) имеет линейные размеры намного меньше длины волны (например, антенны в мобильных телефонах). В тех случаях, когда максимальный линейный размер излучателя равен или больше длины волны, пользуются неравенством

(4.4)

В ближней зоне бегущая электромагнитная волна еще не сформировалась. Электрическое и магнитное поле можно считать независимыми друг от друга. Поэтому измерения в этой зоне ведутся отдельно по электрической и магнитной составляющей. Как правило, одна из них значительно преобладает над другой. Например, в мощных трансформаторах или соленоидах магнитная составляющая значительно превышает электрическую, а электрическая составляющая преобладает над магнитной в высоковольтных конденсаторах.

В промежуточной зоне (зоне дифракции) ЭМП носит волновой характер, но не может рассматриваться как бегущая сферическая волна. Множество потоков волн, распространяясь в разных направлениях, могут усиливать друг друга в одних местах, ослаблять в других, образовывая дифракционные максимумы и стоячие волны. Эта зона может возникать не только вблизи источника ЭМП, но и вблизи какого-либо объекта, отражающего электромагнитные волны.

Зона излучения (волновая зона) для излучателя с размерами намного меньше длины волны начинается на расстоянии от источника

. (4.5)

Для излучателей с размерами, не меньше длины волны, эта зона определяется неравенством

. (4.6)

Неравенства (4.5 и 4.6) становятся справедливы, если их левые части в несколько раз превышают правые части.

В зоне излучения электромагнитное поле существует в виде сформированных бегущих сферических волн, (рис. 4.1, а). Численное значение вектора Умова-Пойтинга равно плотности потока энергии (ППЭ), которая обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника

, (4.7)

где – мощность источника;

– коэффициент усиления антенны источника);

–площадь сферического фронта радиусом R.

Для бегущей волны

, (4.8)

где – характеристическое сопротивление среды; для вакуума и воздуха.

Плотность потока энергии для бегущей волны в зоне излучения связана с напряженностью электрического и магнитного поля соотношением

. (4.9)

Таким образом, для характеристики поля в зоне излучения достаточно указать одну из величин ППЭ, Е или Н.

При частотах до 100 МГц (м) ЭМП следует рассматривать как поле индукции. Человек находится, как правило, в зоне индукции.

При частотах более 300 МГц (м) человек может находиться в зоне излучения или в зоне дифракции.

Внутри производственного помещения следует учитывать возможность отражения и поглощения энергии электромагнитной волны стенами, перекрытиями, оборудованием и другими предметами.

Последствия воздействия электромагнитного поля на организм человека зависят от напряженности электрического и магнитного полей, интенсивности потока энергии, частоты колебаний, локализации облучений на поверхности тела и индивидуальных особенностей организма.

Существует два основных вида действия ЭМП на живые организмы: тепловое и биологическое.

Тепловое воздействие заключается в том, что под действием ЭМП происходит нагрев тканей, который можно разделить на две составляющие:

– поляризацию молекул и атомов. В электрическом поле молекулы и атомы поляризуются, а полярные молекулы (например, воды) еще ориентируются по направлению линий поля;

– выделение тепла вследствие протекания токов проводимости. Так как тело человека обладает электрической проводимостью, переменное ЭМП вследствие электромагнитной индукции возбуждает в нем электрические токи. По закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени действия. В электролитах, которыми являются жидкие составляющие тканей (кровь, межклеточная жидкость), под воздействием ЭМП возникают ионные токи.

Тепловой эффект наиболее опасен для органов со слабо развитой кровяной системой, играющей важную роль в терморегуляции. К таким органам относятся: мозг, глаза, желудочно-кишечный тракт, желчный и мочевой пузыри.

Биологическое действие ЭМП на организм проявляется в ориентации клеток или цепей молекул в направлении силовых линий поля и изменении биохимической активности белковых молекул и состава крови.

Негативное влияние ЭМП на организм проявляется в виде нарушений нервной, иммунной, эндокринной, половой и сердечнососудистой систем. Воздействие на человека ЭМП выше допустимых норм, как правило, приводит к общей слабости, повышенной потливости, сонливости, нарушению работы желудка, печени, селезенки, органов зрения, поджелудочной и половых желез. Возможна также патология сердечно-сосудистой системы, онкологические и другие заболевания.

В соответствии с ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ, в основе нормирования ЭМП лежит предельно допустимая энергетическая нагрузка на организм в зависимости от частоты излучения. В диапазоне частот 0-300 МГц (в ближней и промежуточной зонах) нормируемыми параметрами являются предельно допустимые напряженности электрического (, В/м) имагнитного (, А/м) полей, значения которых зависят от частоты. В диапазоне частот 300 МГц-300ГГц (в зоне излучения) нормируемым параметром является предельно допустимая плотность потока энергии (при 8-часовом рабочем дне мкВт/см²).

К методам защиты от ЭМП относятся:

– снижение мощности ЭМП в самом источнике. Одним из способов является замена мощных генераторов на менее мощные, если это возможно по технологическим соображениям. Другим способом является применение поглощающих нагрузок – эквивалентов антенн или аттенюаторов, которые полностью или частично поглощают энергию ЭМП на пути от генератора к излучающему устройству и препятствуют распространению в окружающую среду;

– защита расстоянием. Рабочие места размещают на расстоянии от источника, при котором ЭМП не превышает нормативных значений;

– защита временем. Ограничение длительности облучения человека, при котором энергетическая нагрузка не превышает допустимого значения. Допустимое время облучения определяется из соотношения

, (4.10)

где – длительность облучения;

– предельно допустимая энергетическая нагрузка в течение рабочей смены (2 Вт×ч/м²=200 мкВт×ч/см²);

–фактическая плотность потока энергии, мкВт/см.

– экранирование. Экранированием называется применение специальных оболочек, препятствующих распространению ЭМП. В экраны могут помещать как источник ЭМП, так и человека. В первом случае с помощью экрана защищают окружающую среду. Во втором случае – человека. При этом экран представляет собой кабину, внутри которой расположено рабочее место;

– применение средств индивидуальной защиты (защитных костюмов, бот, перчаток, шлемов, очков и др.).

В общем случае эффект экранирования создается за счет отражения поля от стенки экрана и поглощения его энергии с последующим рассеянием в виде тепла.

Эффективность экранирования характеризуется ослаблением излучения и выражается в децибелах (дБ):

, (4.11)

где и– плотность потока энергии, соответственно, падающей и прошедшей волны (рис. 4.2, а);

и – напряженности электрического поля, соответственно, падающей и прошедшей волны;

и – напряженности магнитного поля, соответственно, падающей и прошедшей волны.

а б

Рисунок 4.2 – Прохождение энергии ЭМП через бесконечный однослойный

металлический экран (а) и ослабление напряженности поля (б)

При распространении электромагнитной волны в однородной проводящей среде (например, в металлах) наблюдается поверхностный эффект, который проявляется в том, что напряженность электрического и магнитного поля убывает по экспоненциальному закону (рис. 4.2, б)

, (4.12)

где – напряженность электрического поля на поверхности экрана;

– глубина проникновения ЭМП в толщину материала, м;

– коэффициент затухания

, 1/м, (4.13)

где – круговая частота электромагнитных колебаний,;

– абсолютная магнитная проницаемость материала экрана

, Гн/м,

где – магнитная постоянная,Гн/м;

–относительная магнитная проницаемость, меди, латуни и алюминия равна 1, стали – 100, пермаллоя – 12000;

– удельная электрическая проводимость материала, меди – ; алюминия –, латуни –, стали –, пермаллоя –.

Глубина проникновения поля в металл, при которой напряженность электрического или магнитного поля уменьшается враз, называется скин-слоем (skin – кожа, оболочка). Вычисляется по формуле

, м. (4.14)

Эффективность экранирования ЭМП сплошным металлическим экраном бесконечных размеров равна

, (4.15)

где и– соответственно, характеристическое сопротивление воздуха (377 Ом) и металла, Ом

. (4.16)

В формуле (4.15) сомножитель описывает эффект затухания поля в материале экрана. Сомножительописывает эффект отражения волны на границах раздела двух сред («воздух-металл» и «металл-воздух»).

На рис. 4.3 показана зависимость эффективности экранирования от толщины экранов из разных материалов на частоте 100 КГц.

Рисунок 4.3 – Математическое моделирование экранирования (Mathcad)

Для изготовления отражающих экранов чаще всего применяются материалы с высокой магнитной проницаемостью и электрической проводимостью – сталь или пермаллой. Они наиболее эффективны на частотах выше 1 МГц. На более низких частотах используются медные или алюминиевые сплавы. Из соображений прочности и технологичности следует, что толщина листа должна быть в пределах 0,4…3 мм. Все металлические экраны должны быть заземлены.

Наиболее простыми и экономичными являются сетчатые экраны. Они применяются, когда требования к экранированию относительно невелики и требуется поступление свежего (охлаждающего) воздуха и наличие естественного освещения. Следует помнить, что эффективность сетчатого экрана увеличивается с уменьшением шага сетки. Однако при размере шага сетки, равном длине волны, эффективность экранирования минимальна (близка к нулю). Этот эффект объясняется тем, что ячейки сетки вследствие дифракционных явлений переизлучают электромагнитную волну.

Для изготовления поглощающих экранов применяются композици-онные материалы с низкой электрической проводимостью и с широкой петлей магнитного гистерезиса (керамика, резины или пластики, наполненные графитом, ферритом и другим материалами). Поглощающими экранами обычно покрывают отражающие поверхности стен, перекрытий или оборудования, когда на человека действует отраженное электромагнитное излучение.

По конструктивному исполнению экраны могут быть замкнутыми и незамкнутыми.

Эффективность экранирования рабочего места может быть определена по результатам измерений

, (4.17)

где и – плотность потока энергии, соответственно, без экрана и с экраном, мкВт/см.

Рекомендуемая литература [5…10].