U - Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» СПбГПУ

Конспект лекций по БЖД
для студентов института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций (РФФ, ФТФ и др.) и
института компьютерных наук и нанотехнологий (ФТК)
2016
1
Рекомендуемая литература
Обязательная:
1.Н. Г. Занько, К. Р. Малаян, О. Н. Русак – «Безопасность жизнедеятельности». СПбГПУ.
2. «Безопасность жизнедеятельности» (под редакцией С. В. Белова)
3. П. А. Долин – «Основы техники безопасности в электроустановках».
М. Энергоиздат. 1984.
4. С.В.Ефремов, В.П.Малышев. «Безопасность жизнедеятельности в тестах и задачах». СПбГПУ, 2014.
5.Безопасность
жизнедеятельности.
Лабораторный
практикум.
С.В.Ефремов и др. – СПб. Изд-во СПбГПУ. 2011.
6. С.В.Ефремов. «Защита в чрезвычайных ситуациях». СПбГПУ. 2008.
Дополнительная:
1. Б. А. Князевский – «Охрана труда в электроустановках»
2. С.М.Апполонский, К. Р. Малаян – «Электромагнитная экология человека». СПбГПУ.
3. В. П. Машкович, А. М. Панченко – «Основы радиационной безопасности»
4. К. Р. Малаян – «Безопасность при работе с компьютером». СПбГПУ.
2
Лекция 1. Определение безопасности жизнедеятельности
(БЖД). Преобразование среды обитания - биосферы в техносферу.
Причины этого преобразования. Природные опасности (землетрясения, извержения вулканов, наводнения и т.д.). Техногенные опасности и их причины. Закон сохранения жизни (закон Куражковского). Понятие опасности. Структура БЖД. Охрана труда и ее составные части.
Человек в процессе жизнедеятельности все время взаимодействует со
средой обитания. Среда обитания – окружающая среда, обусловленная совокупностью факторов (физических, химических, биологических, информационных, социальных), способных оказывать прямое или косвенное немедленное или отдалённое воздействие на жизнедеятельность человека, его здоровье и потомство. На начальном этапе своего развития средой обитания человека служила биосфера – область распространения жизни на Земле, включающая нижний слой атмосферы, гидросферы и верхний слой литосферы, не
испытавшей техногенного воздействия. Поэтому человеку в этом случае
угрожали в основном природные опасности.
Опасности литосферы. К таким опасностям относятся землетрясения,
извержения вулканов, оползни, сели, снежные лавины. Все эти опасности
можно рассматривать как чрезвычайные ситуации, поскольку они могут сопровождаться большими материальными и людскими потерями. Наиболее
катастрофическими из них являются землетрясения и извержения вулканов.
Землетрясения – это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие вследствие внезапных смещений и разрывов в земной коре
или в верхней части мантии. Сила землетрясений оценивается по международной 12-ти бальной шкале MSK-64 или по шкале Рихтера, позволяющей
оценить энергию сейсмических волн в магнитудах (M). Энергия землетрясения E определяется в этом случае соотношением lg E=4+1,6M. За свою историю человечество неоднократно подвергалось мощным землетрясениям. Так,
например, при землетрясении в Спитаке в 1988 году магнитудой с М=7 энергия составила величину в 1015Дж, а на Аляске в 1964 году – 1018Дж. Разрушительное землетрясение произошло в Лиссабоне в 1755 году. Погибло более 70 тысяч жителей, город был практически полностью разрушен. В 1906
году землетрясение магнитудой 8,3 на треть разрушило Сан-Франциско. Землетрясение силой в 12 баллов (по шкале MSK) разрушило Токио и Иокагаму
в 1923 году и унесло жизни 150 тысяч человек.
3
Другим видом глобальных катастроф являются извержение вулканов,
что связано с перемещением магмы в земной коре и на ее поверхности. Самая страшная катастрофа произошла около 3,5 тысяч лет назад в Эгейском
море, когда взорвался остров вулкан Санторин. Во время взрыва по подсчетам геологов в воздух взлетело более 70 кубических километров горных пород. Следствием этого взрыва является гибель высокоразвитой минойской
цивилизации. Более близким к нашему времени является извержение вулкана
Кракатау, происшедшее в 1883 году. Наиболее сильный взрыв, сопровождавший извержение произошел 27 августа. Шум от взрыва был слышен в Австралии на расстоянии 3600 км. Было выброшено в воздух 18 кубических километров горных пород. Образовавшееся цунами высотой до 40 м обрушилось на побережье Явы и Суматры. В результате погибло 36 тысяч человек.
Было сметено с лица земли около 300 городов и селений.
Опасности гидросферы. К ним можно отнести наводнения и цунами.
Следует отметить, что наибольший ущерб жителям Земли наносят наводнения. В зависимости от причин возникновения наводнения подразделяются на
шесть типов: половодья, паводки, заторы, зажоры, ветровые нагоны и наводнения при прорыве плотин. С наводнениями связан миф о всемирном потопе,
изложенный в библии. Проводившиеся исследования подтвердили тот факт,
что около 10 тысяч лет произошло значительное повышение уровня воды.
Что послужило причиной? – Неясно. Существует целый ряд гипотез. Возможно, подъем воды произошел в результате некоторой космической катастрофы. Возможно, свою роль сыграло поле тяготения Луны, вследствие чего
произошел «кувырок» Земли в пространстве с последующим таянием льдов.
А возможно в результате дрейфа материков. Наиболее частыми причинами
наводнений являются паводковые наводнения и ветровые нагоны. Так,
например, вследствие сильного ветра в 1824 и 1924 годах произошли наводнения в Петербурге, приведшие к большим материальным и людским потерям. Аналогичные события произошли в Гамбурге в 1962 году. Наводнение
1931 года на реке Янцзы унесло жизни 140 тысяч человек. Во время наводнения во Флоренции в 1966 году вода поднялась до 6 метров.
Возникновение цунами обычно связано с подводными землетрясениями и извержением вулканов. Сила и степень воздействия цунами определяются по 5-ти балльной шкале - от очень слабого (1 балл) до очень сильного (5
баллов). Высота волн цунами может составлять величину в несколько десятков метров, а их скорость достигать нескольких сот километров в час. Рекордная высота цунами была отмечена на Аляске в заливе Литуйя и состав4
ляла величину 600 метров. Естественно, что такие цунами приводят к большим людским и материальным потерям. Так, цунами, обрушившееся на побережье Индонезии в 2004 году, унесло жизни 250 тысяч человек.
Опасности атмосферы. Это ураганы, бури, смерчи, туманы, гололед и
т.д. Наибольшую опасность для людей представляют ураганы и бури, т. е.
опасности, связанные с большой скоростью ветра. Скорость ветра оценивается по шкале Бофорта. Нулевому баллу соответствует штиль (скорость ветра
0 – 0,2 м в секунду). 12-му баллу соответствует ураган (скорость ветра более
32,7 м в секунду). Ущерб, наносимый ураганами, бурями и другими атмосферными опасностями может быть весьма значительным. Так, ураган «Катрина» в 2005 году обрушился на город Новый Орлеан. При этом погибло
1228 человек, а эвакуировано более 1 миллиона жителей.
Космические опасности. Астероиды, кометы и другие. Хотя вероятность столкновения нашей планеты с космическими телами невелика (10-810-5), но все-таки она не нулевая. По одной из гипотез столкновение Земли с
астероидом 65 млн. лет назад привело к гибели динозавров.
Человек во время своей жизни обязан решать две основные задачи: 1)
обеспечить свои потребности в пище, воде и воздухе; 2) обеспечить защиту
от негативного воздействия среды обитания и себе подобных. Решая эти задачи, человек был вынужден преобразовывать среду обитания. С середины
XIX в. влияние человека на среду обитания стало существенно возрастать. В
ХХ в. на Земле возникли зоны повышенного антропогенного и техногенного
влияния на природную среду. Этим изменениям во многом способствовали
следующие факторы:
1) Рост численности населения (демографический взрыв) на Земле и
его урбанизация. Динамика демографических процессов на планете показана
на рис. 1. К 1840 году население Земли составляло около 1 млрд. человек. На
увеличение численности населения в 2 раза потребовалось 90 лет, и к 1930
году население планеты составило 2 млрд. человек. Ещё вдвое численность
населения увеличилась к 1975 году, а в 2011 году на Земле родился 7миллиардный житель.
5
Рис. 1 – Увеличение численности населения.
По прогнозам специалистов, численность населения необходимо стабилизировать на уровне 10 млрд. человек, т.к. при существующем уровне
развития технологий жизнеобеспечения данный уровень населения будет соответствовать удовлетворению жизненных потребностей человека.
Одновременно с демографическим взрывом идёт процесс урбанизации
населения планеты. Так, если к 1830 году часть городского населения составляла 1,7% от числа всех жителей планеты, то к 1970 году это значение
увеличилось до 17%, а к 2000 году составляло порядка 85%.
Урбанизация оказывает негативное влияние на природную среду в регионах, так как для крупных городов и промышленных центров характерен
высокий уровень загрязнения компонент среды обитания.
2) Рост энерговооружённости. Потребление энергоресурсов имеет более высокие темпы роста, чем прирост населения, так как постоянно увеличивается их среднее потребление на душу населения. О колоссальных способностях к росту потребления энергии свидетельствует использование электроэнергии в США. По статистике, в 1970 году население США составляло
7% от населения планеты, а производство электроэнергии составляло 30% от
мирового уровня.
3) Интенсивное развитие промышленного и сельскохозяйственного
производства. К данной категории относятся рост промышлености и использование в сельском хозяйстве различных токсичных веществ. Развитие промышленного производства ведёт к увеличению объёма выброса загрязняю6
щих веществ в атмосферу. Избыточное количество вносимых удобрений, а
также средств борьбы с вредителями приводит к перенасыщению продуктов
питания токсичными веществами, нарушает способность почв к фильтрации,
ведёт к загрязнению водоёмов, особенно в паводковый период.
4) Массовое использование транспорта и развитие транспортной
сети. Постоянное увеличение количества автомобилей в мире негативно сказывается на качестве атмосферы. Так, если в 1986 на планете насчитывалось
около 500 млн автомобилей, то к 2010 году это количество превысило 1
млрд. Отрицательное влияние на атмосферу оказывают также вырубки лесов
для расширения транспортных сетей.
5) Развитие военной промышленности. Ядерное, химическое, бактериологическое оружие представляет потенциальную опасность для всей планеты. Сброс в водоёмы и захоронение в землю ядерных отходов наносит непоправимый вред биосфере Земли.
В результате произошло преобразование биосферы в техносферу - части биосферы, преобразованной человеком с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия своим потребностям. На планете остаётся всё меньше территорий с ненарушенными экосистемами (табл. 1).
Таблица 1
Континент
Ненарушенная территория, %
Европа
15,6
Азия
43,6
Северная Америка
56,3
Естественно, что в техносфере возникают свои опасности, инициированные как самим человеком, так созданным им техническими системами и
технологиями. Поэтому, основным фактором, влияющим на появление опасностей в техносфере, является человеческий фактор. Он может проявиться на
любых этапах разработки, использования технических систем и устройств. А
также при взаимодействии различных групп человеческого общества. Поэтому на опасности техносферы и их воздействие на человека большое влияние оказывают психические процессы, протекающие в человеке (память,
ощущения, эмоции и др.), психические свойства человека, в том числе его
темперамент (сангвиники, флегматики, холерики, меланхолики). Кроме того,
в процессе жизнедеятельности организм стремиться приспособиться к изменяющимся условиям. При этом возникает состояние психической напряженности, называемое стрессом. Все это приводит к тому, что в техносфере мо7
гут возникать аварии, катастрофы, наносящие большой материальный ущерб
и приводящие к гибели людей. Так, например, из-за ошибок в проектировании, связанных с вмешательством короля Густава II, в 1628 году утонул
надежда Швеции фрегат «Ваза». В 1912 году свой первый и последний рейс
совершил «Титаник». Причина – повышенная скорость при наличии айсбергов (шла борьба за Голубую ленту Атлантики), неверные действия капитана
во время столкновения. В результате погибло 1517 пассажиров и членов команды. В декабре 1917 года произошла трагедия в канадском городе Галифаксе. Вследствие нарушений правил судовождения взлетело на воздух
французское судно «Монблан», перевозящее около 2,5 тысяч тонн взрывчатых веществ. В результате было разрушено полностью или частично более
3000 домов. Погибло по официальным данным около двух тысяч жителей.
Столько же пропало без вести. До атомного взрыва в Хиросиме это был самый мощный взрыв. В апреле 1986 года произошла авария на 3-ем энергоблоке Чернобыльской АЭС. Причиной явились ошибки, совершенные при
проведении эксперимента на этом энергоблоке. В результате большая территория была заражена радиоактивными веществами. По подсчетам специалистов погибло, и было подвергнуто облучению 75 тысяч человек. Следующей
крупной аварией на АЭС является авария на японской АЭС в Фукусиме в
марте 2011 года. Последствия этой аварии по масштабам выбросов превзошли Чернобыльскую в 20 раз. Непосредственной причиной явилось мощное
землетрясение и возникшее в результате этого цунами. Однако, при проектировании АЭС не была учтена сейсмическая опасность района ее расположения. Таким образом, в данном случае наблюдается комбинированное действие опасностей биосферы и техногенного характера. Однако в любом случае взаимодействие человека со средой обитания имеет как положительный,
так обязательно и негативный характер. Поэтому можно сделать вывод о том,
что любая жизнедеятельность человека потенциально опасна (основная аксиома БЖД). Важным законом в БЖД является закон о неустранимости отходов, которые могут быть переведены из одной физико-химической формы в
другую или перемещены в пространстве.
В соответствии с законом сохранения жизни Ю. Н. Куражковского:
«Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело
потоков вещества, энергии и информации». Таким образом, при жизни человек связан с внешним миром (средой обитания) потоками вещества, энергии
и информации, поглощая (или излучая) их. С этой точки зрения различают
8
четыре состояния, которые возникают при взаимодействии человека с потоками энергии, вещества и информации:
1) Комфортное (оптимальное) состояние, при котором потоки вещества, энергии и информации таковы, что обеспечивается наилучшее состояние человека и природной среды.
2) Допустимое состояние, при котором потоки таковы, что человек
ощущает дискомфорт. При этом возможны некоторые обратимые изменения
здоровья человека, а также элементов природной среды.
3) Опасное состояние, при котором потоки таковы, что наблюдаются
необратимые изменения в организме человека и природной среде. При длительном воздействии возникают заболевания человека и происходит деградация элементов природной среды.
4) Чрезвычайно опасное состояние, при котором потоки таковы, что
могут привести к травмам человека вплоть до летального исхода. При этом
происходит разрушение элементов природной среды.
Стремительное развитие техносферы стало причиной возникновения
такой науки, как безопасность жизнедеятельности. Безопасность жизнедеятельности – это область научных знаний, изучающая опасности, угрожающие каждому человеку и разрабатывающая соответствующие способы защиты от них в любых условиях обитания человека. Таким образом, цель науки
БЖД – создание защиты человека в техносфере от внешних негативных воздействий антропогенного, техногенного и естественного происхождения.
Объектом защиты является человек. Предмет исследований в науке БЖД –
опасные факторы, влияющие на жизнедеятельность человека, а также средства и системы защиты от опасностей.
Как следует из вышесказанного, центральным понятием в БЖД является опасность. Опасность – это негативное свойство живой и неживой материи
способное причинять ущерб самой материи, человеку, природной среде. И
БЖД посвящена изучению опасностей, угрожающих человеку, закономерностям их проявления и способам защиты от них.
Безопасность жизнедеятельности подразделяется на две области: БЖД
в чрезвычайных ситуациях (ЧС) и БЖД в нормальных условиях (Рис. 2), которая в свою очередь на БЖД на производстве (охрана труда) и БЖД в быту.
В рамках данного курса в основном рассматривается БЖД на производстве, а
также БЖД в ЧС.
Охрана труда – это система законных актов,
социальноэкономических, организационно-технических и лечебно-профилактических
мероприятий, направленных на обеспечение безопасности, сохранение жиз9
ни, здоровья и работоспособности людей. Структура охраны труда приведена на рис.3.
Техника безопасности – раздел охраны труда, в котором изучаются
опасные производственные факторы и рассматриваются методы защиты от
них (система организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих воздействие опасных производственных факторов).
БЖД
БЖД в нормальных условиях
БЖД в
чрезвычайных
ситуациях
БЖД на
производстве
БЖД в бытовых условиях
Рис.2
Пожаробезопасность, взрывобезопасность
Охрана труда
Техника
безопасности
Промышленная санитария
Управление БЖД
Рис. 3
Промышленная санитария – система организационных мероприятий и
технических средств, предотвращающих воздействие вредных производственных факторов.
10
Пожарная и взрывобезопасность – система организационных мероприятий и технических средств, направленных на предотвращение, локализацию
и ликвидацию пожаров и взрывов.
Управление БЖД содержит правовые основы управления, контроля
БЖД.
Опасные производственные факторы – факторы, которые могут быть
причиной травмы или другого внезапного ухудшения здоровья, вплоть до летального исхода.
Вредные производственные факторы – факторы, которые могут приводить к профессиональным заболеваниям.
11
Лекция 2. Классификация опасностей. Основные характеристики, используемые в БЖД. Методы, принципы и средства обеспечения безопасности.
Во время своей жизнедеятельности человеку приходиться встречаться с
опасностями, либо уже существующими, либо генерированными самим человеком. Поэтому основными задачами, решаемыми в БЖД, являются задачи
идентификации опасностей и разработка защитных мероприятий. Кроме того, при реализации опасностей возникает задача возможных действий в условиях ЧС.
Классификация опасностей
Опасности могут классифицироваться по происхождению. В этом случае опасности бывают:
1) природными, связанными со стихийными явлениями, представляющими угрозу для жизни и здоровья людей;
2) техногенными опасностями, которые связаны с эксплуатацией тех
систем и устройств, которые разработаны человеком;
3) антропогенными опасностями, связанными с психофизиологическими характеристиками человека;
4) биологическими опасностями, которые связаны с эпидемиями;
5) экологическими опасностями, связанными с вещественным, энергетическим загрязнением природной среды. Как правило, в основе имеют техногенное происхождение;
6) социальными, связанными с военными конфликтами, террористическими актами, алкоголизмом и т.д.
По характеру воздействия на человека опасности делятся на;
1) физические (излучения, электрический ток);
2) механические;
3) химические;
4) биологические (опасности флоры и фауны);
5) психологические.
По локализации в пространстве опасности можно рассматривать:
1) в литосфере;
2) в гидросфере;
3) в атмосфере ;
4) в космическом пространстве.
С точки зрения времени воздействия опасности бывают постоянными,
непостоянными и импульсными.
В результате воздействия опасностей возникают заболевания, травмы,
летальные исходы.
12
По носителям энергии опасности могут быть:
1) активными, то есть опасности, возникающие за счет энергии, заключенной в самом факторе (ионизирующее излучение и .д.);
2) пассивными, то есть опасности, инициируемыми самим человеком.
Количественные характеристики в науке БЖД.
Одной из основных количественных характеристик является риск. С
риском связывают частоту или вероятность проявления опасности и тяжесть
последствий. Другими словами риск – это отношение числа негативных последствий к общему числу возможных последствий.
Примеры:
а) Риск погибнуть от удара молнии; 30000 - число человек, погибающих в год от удара молнии, 7 млрд. человек – население Земли.
3 ×104
R=
@ 4 × 10-6 , то есть риск показывает, что 4 человека из миллио9
7 × 10
на ежегодно гибнут от удара молнии.
б) Риск погибнуть в ДТП в РФ, 28000 – количество человек, погибающих в результате аварии, 140 млн. человек – население РФ.
28 × 103
R = = 7 2 ×10-4 , то есть двое из 10000 человек умирают ежегодно в
14 × 10
результате ДТП. Данные примеры относятся к индивидуальному риску, характеризуемому риск для отдельного индивидуума или вида. Средний риск
от профессиональной деятельности человека в РФ составляет около 6 ×10-4
на человека в год. В ряде случаев рассматривают групповой риск (количество
пораженных вследствие воздействия опасного фактора за определенное время) , величина которого зависит от количества людей в группе: Rгр = Rинд × N ,
где N – число человек в группе.
Пример: риск смерти от рака легких (для курильщиков):
Rинд = 3,5 ×10-3 , N = 140 × 106 × 0,4 , где 0,4(40%) – это процент курящих
людей от населения страны, Тогда
Rгр = 140 × 106 × 0,4 × 3,5 × 10 -3 = 196000 человек. Т.е. около 200 тыс. человек умирает от рака легких, вызванного курением. Кроме того, рассматривают риски производственные, социальные, территориальные.
Любой риск не является неизменной величиной. Риском в какой-то
степени можно управлять. Например, риск смерти в ДТП будет меньше, если
будут лучше дорожные условия, будут лучше подготовлены водители, будут
более современными и исправными автомобили и т.д. На производстве тоже
можно уменьшать риск, улучшая условия труда, повышая квалификацию
персонала и т.д. Поэтому в настоящее время используют концепцию приемлемого или допустимого риска, представляющего некий компромисс между
уровнем безопасности и возможностями его достижения. Дело в том, что
13
риск можно уменьшать, увеличивая материальные вложения на обеспечение
безопасности. И в принципе риск можно сделать очень маленьким (но не нулевым – абсолютная безопасность недостижима), затратив большие материальные средства. В результате на сферу охраны и безопасности труда придется брать деньги из других сфер, таких как образование, здравоохранение и
др., то есть возрастает социальная напряженность в обществе. Поэтому необходим некий оптимум между материальными вложениями в систему безопасности и степенью обеспечения этой безопасности, то есть надо подобрать некое соотношение, которое будет выражаться приемлемым риском.
Например, в Голландии приемлемый риск, который утвержден законодательно, примерно равен 10-6 . В России таких малых рисков нет, так как он
определяется теми возможностями, которые есть в стране, также ее уровнем
развития, доходами и т.д.
Кроме риска в охране труда используется следующие численные показатели на производстве:
Коэффициент частоты травматизма: Кч=1000*Ттр/С, где Ттр-число
травмированных людей в год, С- списочный состав работающих.
Коэффициент тяжести травматизма: Ктяж=Днт/Ттр, где Днт – число
дней, пропущенных по нетрудоспособности.
Показатель нетрудоспособности:
К т = К ч × К тяж = (1000 × Д нт ) / С .
Для характеристики условий жизни в той или иной стране используется
показатель СПЖ (снижение продолжительности жизни) – см. таблицу:
Страна (90-е годы)
Продолжительность
Для мужчин, лет
жизни для женщин, лет
Япония
81,7
75
Россия
71
58(60)
Построение систем безопасности
Как было сказано выше, одной из задач, решаемых в БЖД, является задача разработки защитных мероприятий – системы безопасности. Системы
безопасности могут быть разными, все зависит от того, какие факторы угрожают конкретно человеку и обществу в целом. Например, можно говорить об
опасностях, угрожающих на производстве, тогда система безопасности – это
охрана труда, а объектом защиты является человек. Если же возникают опасности космического происхождения (падение на Землю метеоритов, астероидов и т.п.), то в этом случае необходима система космической безопасности
для защиты человечества и всей планеты.
14
Для построения систем безопасности необходим процесс идентификации опасности, то есть обнаружение и установление количественных, качественных, временных и других характеристик опасностей с целью разработки
профилактических мероприятий, направленных на обеспечение жизнедеятельности. Построение систем безопасности осуществляется с помощью методов, принципов и средств.
Методы обеспечения безопасности
1.Пространственно-временное разделение гомосферы и ноксосферы.
Гомосфера – это то пространство, в котором осуществляет свою деятельность человек. Фактически, это техносфера, биосфера.
Ноксосфера – это пространство, в котором возникают или существуют
различные опасности.
Ситуация, когда эти пространства не пересекаются, встречается крайне
редко, потому что сложно отделить пространство, где находится человек, от
пространства, где есть опасности. Однако можно в данном случае использовать автоматизацию, применение роботов, дистанционного управления и т.д.
2. Снижение или ликвидации опасностей в самой ноксосфере. Ликвидировать какие-то опасности или понизить их степень где-то можно, а где-то
нельзя. Достигается путем создания техники с максимальным уровнем безопасности, средствами коллективной защиты и т.д. Если и этим методом
нельзя обеспечить необходимый уровень безопасности, тогда используют
следующий метод.
3. Адаптация человека к тем опасностям, которые находятся в ноксосфере. Здесь понимается облучение персонала, профессиональный отбор и
использование средств индивидуальной защиты.
Принципы обеспечения безопасности.
Под принципами обеспечения безопасности понимается основная идея
какого-либо решения. Все принципы делятся на 4 группы: ориентирующие,
технические, организационные и управленческие.
Ориентирующие принципы – принципы обеспечения безопасности,
направленные на поиск безопасных решений. В эту группу входят:
1) принцип системности. Воздействие любого вредного фактора рассматривается с позиции этого принципа. Например, чтобы возник пожар, как
опасный вредный фактор необходимо одновременное наличие целого ряда
элементов, такие как окислитель, горючее, источник зажигания, время, пространство, которые образуют систему. Так можно рассмотреть любой опасный фактор.
2) принцип деструкции. Он говорит о разрушении системы, то есть если
один из элементов той системы, которая приведена выше, будет отсутствовать, то пожар не возникнет.
15
3) принцип снижения опасности. Например, чтобы обеспечить безопасность, применяется пониженное напряжение вплоть до 6 В.
4) принцип ликвидации опасности.
5) принцип замены оператора (роботизация).
Здесь приведены лишь самые основные ориентирующие принципы.
Технические принципы– принципы, направленные на непосредственное устранение опасности.
1) принцип защиты расстоянием;
2) принцип прочности;
3) принцип блокировки;
4) принцип экранирования;
5) принцип слабого звена. В различных радиотехнических устройствах
применяются предохранители, которые позволяют при превышении какогото критического значения отключить установку. Кроме этих принципов в
данную группу входят принципы компрессии, вакуумирования и др.
Организационные принципы – принципы, которые реализуют в целях безопасности положения научной организации деятельности. К таким
принципам относятся:
1) принцип защиты временем;
2) принцип подбора кадров. Для выполнения какой-то работы требуются специально обученные люди, которые представляют себе специфику работы и те опасности, угрожающие при работе.
3) принцип резервирования. Обеспечивается при дополнительной изоляции на электрических устройствах, при использовании нескольких тормозных контуров в автомобиле.
4) принцип нормирования. Состоит в регламентации условий, при которых обеспечивается заданный уровень безопасности.
5) принцип несовместимости. Заключается в пространственном и временном разделении различных объектов, основанном на учете их взаимодействия с позиций безопасности (правила хранения различных веществ - горючего, окислителя и др.).
Управленческие принципы – принципы, которые отражают взаимосвязь между отдельными стадиями и этапами процесса обеспечения безопасности. К ним относятся:
1) принцип адекватности. Он связан с тем, что управляющая система
по сложности должна быть сопоставима с управляемой. Обеспечение безопасности труда должно сопоставляться с количеством работающих, условиями труда.
2) принцип контроля;
3) принцип планирования;
4) принцип ответственности. Означает регламентацию прав и обязанностей лиц, отвечающих за создание системы безопасности.
16
5) принцип эффективности, то есть насколько эффективны те меры,
которые используются, и есть ли необходимость в дополнительных мерах в
вопросах обеспечения безопасности труда.
Это принципы, которые можно использовать при разработке системы
охраны труда.
Средства обеспечения безопасности
Средства обеспечения безопасности - это конструктивное, материальное, организационное воплощение методов и принципов обеспечения безопасности. Они делятся на 2 группы – средства коллективной и индивидуальной защиты.
Средства коллективной защиты. Эти средства предназначены для
защиты группы людей. Например, к таким относятся общеобменная вентиляция, бомбоубежища, ограждения и т.д..
Средства индивидуальной защиты = предназначены для защиты одного индивидуума. Например, защитные очки, противогазы, рукавицы и т.д..
Все три рассмотренных вида: методы, принципы и средства позволяют
разработать систему безопасности. Для анализа систем безопасности используется так называемое «дерево опасности», которое позволяет выделить
причины возникновения опасности и по возможности их устранять. Построение «деревьев опасности» основано на элементарных логических соображениях.
Пример: «дерево опасности» в случае ДТП.
17
Лекция 3. Нормативно-правовые основы БЖД. Управление,
надзор и контроль за соблюдением законодательства по охране
труда. Условия труда на производстве. Травматизм и заболевания.
Учет и расследование несчастных случаев.
Правовой основой охраны труда и БЖД в РФ являются законы и подзаконные акты. Под законом понимают любые, установленные государством
общеобязательные правила. К законам, касающимся БЖД, относятся Конституция РФ, Трудовой кодекс и целый ряд других федеральных законов: закон об охране труда, закон о санитарно-эпидемиологическом благополучии
населения, закон о радиационной безопасности, закон о пожарной безопасности, закон об охране окружающей среды, об обязательной страховании от
несчастных случаев на производстве и др.
Подзаконные нормативные акты устанавливают нормы права, основанные на законах и не противоречащие им. Они развивают и конкретизируют
законы. В зависимости от органа, принявшего подзаконные нормативные акты, они могут быть общими, ведомственными, местными. Главное место в
системе общих подзаконных актов занимают указы, постановления президента страны. Далее по важности идут акты правительства и акты ведомств
в виде постановлений, указаний, приказов и т.д. Местные нормативные акты
принимаются органами самоуправления и действуют на определенной территории. Локальные нормативные акты принимаются администрацией предприятия в пределах своей компетенции. К подзаконным актам, кроме указанных выше, относятся различные межотраслевые правила по безопасности
труда. ГОСТы, СанПиНы, строительные нормы и правила (СНИПы), ГН (гигиенические нормативы), СП (санитарные правила), инструкции по охране
труда и техники безопасности на предприятии.
К государственным стандартам, имеющим отношение к БЖД, относятся следующие стандарты: система стандартов безопасности труда (ССБТ),
система стандартов в области охраны природы и система стандартов «Безопасность в ЧС».
Обозначаются стандарты следующим образом.
1) ССБТ – шифр системы №12:
18
Шифр подсистемы:
0 – общие положения и строение всей системы;
1 – допустимые значения опасных, вредных производственных факторов;
2 – стандарты требований безопасности к производственному оборудованию;
3 – стандарты требований безопасности к производственным процессам;
4 – стандарты требований безопасности к защитным средствам;
5 – стандарты требований безопасности для зданий и сооружений;
6 – 9 – резерв.
Выше указан стандарт по допустимым уровням электромагнитного излучения радиочастотного диапазона.
2) Классификация стандартов в области охраны природы - ССОП
№17.
Количество всех комплексов равно 10: 0 – организационнометодические стандарты; 1 – гидросфера; 2 - атмосфера; 3 – биоресурсы; 4 –
почвы; 5 – земля; 6 – флоры; 7 – фауны; 8 – ландшафты; 9 – недра. Шифр
группы включает в себя: 0 – основные положения; 1 – термины, определения,
классификация; 2 – параметры загрязняющих выбросов; 3 – правила охраны
природы; 4 – методы определения параметров состояния природных объектов; 5 – требования к средствам контроля этих параметров; 6 – требования к
19
средствам защиты от загрязнений окружающей природной среды; 7 – прочие
стандарты. Стандарт по выбросу СО – ГОСТ 17.2.3.02-87.
3) Классификация комплекса стандартов в области ЧС. Шифр комплекса – 22.
Шифр группы: всего их 10.
0 – основные положения; 1 – мониторинг и прогнозирование; 2 - безопасность объектов народного хозяйства; 3 – безопасность населения; 4 безопасность продовольствия; 5 – безопасность животных и растений; 6 безопасность воды; 7 – управление, связь; 8 – ликвидация ЧС; 9 –аварийноспасательные работы.
Управление и контроль безопасности жизнедеятельности.
Под управлением понимается функция организованных систем, обеспечивающих сохранение своей структуры, поддержание своей деятельности
и достижение указанной цели. Сознательное управление – это организованный процесс, направленный на достижение определенного результата с помощью методов и средств, образующих систему управления. В основе
управления БЖД лежат стандарты ГОСТ Р ИСО 9000 ( управление качеством) и ГОСТ Р ИСО 14000 ( управление окружающей средой). В 2002 году
введен в действие ГОСТ Р 12.0.006-2002 « Общие требования к управлению
охраной труда организации». Управление безопасностью осуществляется на
3-х уровнях - федеральном, уровне субъекта РФ и местном. Общий цикл
управления содержит следующие элементы:
1.Анализ и оценку состояния безопасности и систем управления безопасностью.
2. Определение целей и задач управления.
3. Прогнозирование и планирование мероприятий, направленных на
обеспечение безопасности.
4. Стимулирование.
5. Мониторинг – связан с коррекцией планов, мероприятий вследствие
изменения обстановки.
6.Организация управления.
7. Контроль управления.
20
8. Оценка эффективности управления. Используется показатель эффективности:
Зу
, где З у - затраты на улучшение условий труда, Зб Пэ =
З у + Зб + Зм
выплаты по больничным листам, Зм - материальные последствия аварий и
травм (кроме Зб ).
Структуры, которые занимаются вопросами управления БЖД
Государственное управление осуществляется Правительством РФ во
главе с председателем Правительства. Оно поручает Министерству труда и
социальной защиты вести работу по охране и безопасности труда. Министерство Т и СЗ в свою очередь вырабатывает различные постановления, доводит
их до соответствующих структур, разъясняет их, занимается также научноисследовательской деятельностью в вопросах охраны труда, осуществляет
международное сотрудничество. В общих вопросах безопасности жизнедеятельности участвуют другие органы: Министерство здравоохранения, Комитет по охране окружающей среды, Комитет по охране недр, МЧС, Межведомственная комиссия по вопросам охраны труда, Государственная экспертиза.
О контроле и об ответственности
Государственный надзор за соблюдением законодательства о труде
осуществляет федеральная инспекция труда и инспекции труда в субъектах
РФ. Создан новый исполнительный орган - Ростехнадзор вместо нескольких
структур, таких как Госэнергонадзор, ГосгорНадзор, Госатомнадзор и др.
Функции Санэпиднадзора переданы Роспотребнадзору. Кроме этих организаций в области обеспечения безопасности принимают участие: федеральная
служба по надзору в области здравоохранения; государственная экспертиза
условий труда; ГИБДД; Главное управление государственной противопожарной службы; Федеральное агентство по строительству и некоторые другие.
Министерства и ведомства осуществляют ведомственный контроль, к
которому относится также контроль, осуществляемый специалистами службы охраны труда данного предприятия.
В соответствии с нормативными документами на каждом предприятии
численностью более 50 человек создается служба охраны труда или вводится специалист по охране труда. Непосредственная работа этой службы связана со следующими мероприятиями:
1.Организация работы по обеспечению выполнения работниками требований охраны труда.
2. Контроль соблюдения законодательства по охране труда.
3. Организация профилактической работы по предупреждению травматизма и профзаболеваний.
21
4. Планирование мероприятий по улучшению условий труда.
5. Организация кабинета по охране труда и организация обучения и инструктирования.
6. Разработка инструкций по охране труда.
7.Определение компенсаций.
8. Расследование и учет несчастных случаев.
9. Аттестация рабочих мест.
Законодательством предусмотрены следующие виды ответственности
за нарушение правил охраны труда и безопасности жизнедеятельности на
производстве:
1. Дисциплинарная накладывается на работников работодателем, которые допустили нарушение. Её виды: замечание, выговор, увольнение.
2. Административная накладывается на руководителей подразделения,
должностных лиц и других ответственных работников вышестоящими организациями.
3. Материальная ответственность в виде штрафов накладывается на
любого работника, если произошедший случай связан с большими материальными потерями.
4. Уголовная предусмотрена рядом статей уголовного кодекса за нарушение правил охраны труда с отягчающими последствиями (ст. 143 - различные меры наказания вплоть до лишения свободы на срок до 5 лет). Также
применяются статьи 215 – 219 за нарушение правил пожарной безопасности,
на взрывоопасных объектах, объектах атомной энергетики и др.
Условия труда на производстве.
Под условиями труда понимается совокупность факторов трудового
процесса и рабочей среды при которых осуществляется деятельность человека. Основными характеристиками труда являются тяжесть и напряженность
труда. Тяжесть труда – характеристика трудового процесса, отражающая
нагрузку на опорно-двигательный аппарат и функциональные системы организма (сердечно-сосудистую, дыхательную и др.). Тяжесть труда зависит от
массы перемещаемого и поднимаемого груза, общим числом стереотипных
движений, величиной статической нагрузки, характером рабочей позы и т.д.
Напряженность труда связана с нагрузкой на центральную нервную систему, органы чувств, эмоциональную сферу работника. Напряженность труда характеризуют сенсорные, эмоциональные нагрузки, монотонность труда,
режим работы.
Опасный фактор рабочей среды – фактор, который может быть причиной острого заболевания, травмы, смерти.
Вредный фактор – фактор, который может вызвать профессиональное
заболевание, повреждение здоровья потомства. В зависимости от воздействия различных факторов условия труда могут стать вредными или опасны22
ми. Согласно гигиенической классификации условия труда делятся на 4 класса.
Оптимальные условия (1 класс) – условия, при которых сохраняется
здоровье работника, и создаются предпосылки для поддержания высокой
работоспособности (обычно не превышают ПДУ для населения).
Допустимые условия (2 класс) – условия, при которых уровни вредных
факторов не превышают гигиенических нормативов для рабочих мест. Возможные изменения функционального состояния организма восстанавливаются за время перерыва или к началу следующей смены и не оказывают неблагоприятного влияния на здоровье работника и его потомство.
Вредные условия труда (3 класс) – это условия, при которых уровни
вредных факторов превышают гигиенические нормативы (ГН) и оказывают
неблагоприятное воздействие на организм работника и/или его потомство.
Вредные условия разделяют на 4 степени вредности:
1 степень (3.1) – условия труда характеризуются такими отклонениями
уровней вредных факторов от ГН, которые вызывают функциональные изменения, которые исчезают при более длительном прерывании контакта (см.
класс 2) с вредными факторами.
2 степень (3.2) – условия труда, вызывающие стойкие функциональные
изменения, приводящие к профессионально обусловленной заболеваемости,
появлению начальных признаков или легких форм профессиональных заболеваний (временная утрата трудоспособности).
3 степень (3.3) – условия труда, характеризующиеся такими уровнями
факторов рабочей среды, при которых возникают профессиональные заболевания легкой и средней степеней тяжести с потерей профессиональной трудоспособности, наблюдается рост хронической патологии.
4 степень (3.4) – условия труда, при которых возникают профессиональные заболевания тяжелой формы с потерей общей трудоспособности,
отмечается рост числа хронических заболеваний.
Опасные условия труда (4 класс) характеризуется уровнем факторов
рабочей среды в течение смены, при которых возникают острые профессиональные заболевания, в том числе тяжелой формы.
Травматизм на производстве.
Травма – это нарушение анатомической целостности организма или
физиологических функций отдельных органов. Травмы делятся по своему
характеру на механические (переломы, вывихи и т.д.), химические (отравления), электрические, тепловые и комбинированные.
По степени тяжести травмы бывают:
легкие – в результате лечения полностью восстанавливается трудоспо
собность;
тяжелые – приводят к 1 или 2-й группе инвалидности;
смертельные;
групповые.
23
Причины травматизма и профессиональных заболеваний.
Причинами травматизма, а также профессиональных заболеваний могут быть:
организационные – эксплуатация неисправного оборудования, нарушение технологического процесса, неудовлетворительная организация производства работ, недостатки в обучении безопасным приемам труда, неприменение СИЗ, нарушение трудовой дисциплины, использование рабочих не по
специальности;
технические – конструктивные недостатки, низкая надежность оборудования, несовершенство технологического процесса;
эргономические – неудовлетворительное содержание рабочего места и
недостатки в его организации, несовершенство СИЗ;
психофизиологические – нарушение технологического процесса, неприменение СИЗ и СКЗ.
В результате приведенных причин возникают несчастные случаи на
производстве. К таким случаям относятся:
при выполнении трудовых обязанностей на рабочем месте при нахождении более 50% рабочей смены;
на территории предприятия;
на транспорте предприятия;
в рабочее время из-за нанесения телесных повреждений другим лицом
или преднамеренного убийства при выполнении работником трудовых обязанностей.
При несчастных случаев, в результате которых возникает потеря трудоспособности более чем на одну смену, оформляется акт по форме «Н-1».
При этом работодатель обязан оказать первую помощь и доставку при необходимости пострадавшего в медицинское учреждение; сохранить до начала
расследования обстановку, какой она была на момент происшествия или зафиксировать ее в случае невозможности сохранения; обеспечить своевременное расследование несчастного случая и постановке его на учет. При
групповом или смертельном несчастном случае необходимо сообщить в соответствующую Госинспекцию труда, прокуратуру, территориальное объединение профсоюзов и органы исполнительной власти. При несчастном
случае ( не тяжелый) создается комиссия из 3-х человек: специалист по
охране труда, представитель работодателя и представитель профсоюзной организации. При тяжелом несчастном случае дополнительно в комиссию входят государственный инспектор по охране труда, представители государственной власти и представитель территориального объединения профсоюзов.
При групповом несчастном случае (5 погибших и более) в комиссию
дополнительно входят представители федеральной инспекции труда, федерального органа исполнительной власти и всероссийского объединения
профсоюзов. Состав комиссии при крупных авариях с числом погибших бо24
лее 15 человек утверждается Правительством ПФ. Срок расследования легкого несчастного случая до 3-х дней, тяжелого – до 15 дней.
Организация безопасности труда.
В систему организации безопасности труда входят – проведение инструктажей (вводный, первичный, повторный, внеплановый – при введении
новых правил, при пересмотре инструкций, при замене сырья, оборудования,
после несчастного случая, при перерыве в работе более 30 дней, целевой),
обучение безопасным приемам труда, проверка знаний по охране труда и
техники безопасности ( не реже 1 раза в 3 года). Кроме того в число мероприятий по безопасности труда входит аттестация рабочих мест ( определение уровня вредных и опасных производственных факторов, оценка тяжести
и напряженности труда, оценка травмобезопасности рабочих мест), а также
обеспеченность работников СИЗ.
Одним из направлений государственной политики в области охраны
труда является установление льгот и компенсаций за работу в неустранимых
вредных и опасных условиях. В качестве льгот и компенсаций законодательством РФ (КЗОТ) предусмотрено сокращение продолжительности рабочего
дня, дополнительный оплачиваемый отпуск, доплаты к заработной плате,
льготное пенсионное обеспечение, бесплатная выдача молока, лечебнопрофилактическое питание.
;
25
Лекция 4.
Электробезопасность. Воздействие электрического
тока. Электрические травмы. Зависимость степени тяжести электротравм от различных факторов. Сопротивление человека и его эквивалентная электрическая схема. Схемы подключения человека к электрической сети.
Электробезопасность – ряд организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих вредное и опасное воздействие на человека
электрического тока, электрической дуги, электромагнитных полей и статического электричества.
Опасность электрического тока усугубляется тем, что человек не в состоянии без специальных приборов обнаружить и измерить напряжение.
По статистике, от электротравм погибает около 0,5-1% от всех пострадавших от несчастных случаев. При этом до 80% наблюдается в электроустановках напряжением до 1000 B .
Воздействие электрического тока на организм человека.
Рассмотрим виды воздействия электрического тока на организм человека:
1) Термическое – тело человека обладает электрическим сопротивлением. При прохождении тока через его сопротивление по закону Джоуля-Ленца
электрическая энергия превращается в тепловую. Проявляется в виде ожогов,
а также функциональных расстройств, вследствие повышенной температуры
отдельных органов.
2) Химическое (электролитическое) воздействие обусловлено процессами электролитической диссоциации, т.к. человек на 2/3 состоит из воды.
3) Биологическое воздействие выражается в раздражении и возбуждении тканей организма, а также нарушении биоэлектрических процессов, протекающих в организме. Биологическое воздействие может быть прямым или
косвенным. Прямое воздействие возникает в том случае, когда электрический ток проходит через мышцы, вызывая их сокращение. Т. е. играет роль
управляющего сигнала, который отличается от естественного, вырабатываемого центральной нервной системой. Косвенное воздействие возникает в
случае, когда электрический ток вызывает раздражение рецепторов. А они, в
свою очередь, вызывают возбуждение нервных окончаний. Образовавший
нервный импульс передается в центральную нервную систему, где вырабатывается исполнительная команда, поступающая к рабочим органам - мышцам, сосудам и т.д. Сигнал возбуждения, возникающий вследствие воздействия электрического тока, может отличаться от естественного, что вызывает
нецелесообразную реакцию исполнительных органов. Кроме того, электрический ток может искажать сам сигнал, поступающий к исполнительным ор26
ганам. В любом случае возникает нарушение функционирования различных
систем организма человека.
4) Механическое воздействие проявляется вследствие электродинамического эффекта и приводит к таким повреждениям, как расслоение тканей
кожи и органов или разрывы сухожилий.
Виды поражения электрическим током.
Местные электрические травмы. К местным электрическим травмам
относятся поражения тканей и органов электрическим током: ожоги, электрические знаки, электроофтальмия, металлизация кожи и механические повреждения.
1) Электрический ожог. Доля электрических ожогов составляет порядка 40% от общего числа электрических травм. Электрические ожоги подразделяются на контактные и дуговые. Контактные ожоги возникают при невысоких напряжениях (до 2 кВ) и являются следствием выделения тепловой
энергии на сопротивлении тех участков тела, через которые проходит ток.
Дуговые ожоги возникает обычно при высоких напряжениях. Действие дуги
на тело человека, помимо обширных ожогов, вызывает резкое сокращение
мышц, что приводит к опасности механических повреждений тканей и органов.
2) Электрические знаки представляют резко очерченные пятна серого
или желтовато-белого цвета круглой или овальной формы. Поврежденный
участок кожи затвердевает подобно мозоли. Электрические знаки являются
безболезненными и излечиваются с течением времени.
3) Электроофтальмия – воздействие ультрафиолетового излучения
электрической дуги на роговицу глаза, конъюнктиву, слизистую оболочку.
4) Металлизация кожи – проникновение под поверхность кожи частиц
металла вследствие разбрызгивания и испарения его под действием тока,
например, при горении дуги.
5) Механические повреждения (ушибы, переломы и пр.) возникают
вследствие резких непроизвольных движений или потере сознания, вызванных действием тока.
Общие электрические травмы. Общие электрические травмы возникают при воздействии тока на весь организм. К ним относятся электрический
удар и электрический шок.
Электрический удар – реакция организма на воздействие электрического тока, которое проявляется в виде судорожного сокращения мышц. Различают четыре степени тяжести электрического удара:
1. Сокращение мышц, боли, без потери сознания.
2. Судорожное сокращение мышц с потерей сознания без нарушения
деятельности сердечной мышцы и легких.
27
3. Потеря сознания, нарушение деятельности сердца или дыхания.
Аритмия, затрудненное дыхание.
4. Клиническая смерть, т.е. отсутствие кровообращения и дыхания.
Электрический шок – тяжелая нервно - рефлекторная реакция организма на чрезмерное раздражение биологических тканей электрическим током. Сопровождается расстройством систем дыхания и кровообращения.
Электрический шок проходит в две стадии: возбуждения и торможения.
Причины, влияющие на степень тяжести электрических травм.
1) Величина электрического тока – является основным фактором,
определяющим тяжесть электрических травм. Ток, в зависимости от величины, оказывает различное воздействие на организм человека (табл. 4.1).
Таблица 4.1 – Воздействие тока на организм человека
Значение
Название
Переменный
ток,
Постоянный
ток
Характер воздействия
5 - 7мА
Лёгкое покалывание,
ощущение тепла
50 - 80мА
Невозможность самостоятельного отсоединения рук от контакта.
вследствие судорожного
сокращения мышц,
сильная боль.
300 мА
Фибрилляция сердца хаотическое сокращение
волокон
сердечной
мышцы
f = 50 Гц
Пороговый
тимый ток
ощу-
0,6 - 1,5мА
Пороговый неот- 10 - 15мА
пускающий ток
Пороговый фибрилляционный ток
100мА
Следует отметить, что в табл. 4.1 приведены среднестатистические
данные, т.к. характер воздействия при одном и том же токе зависит от состояния нервной системы и всего организма в целом, а также от массы человека
и его физического развития. Отмечено, что пороговые значения тока для
женщин приблизительно в 1,5 раза ниже, чем для мужчин. Еще более низкие
значения у детей вследствие малого сопротивления. У одного и того же чело28
века пороговые значения тока изменяются в зависимости от состояния организма, утомления и т.п. Отмечено также, что значения порогового тока через
человека пропорциональны корню квадратному из его массы. Безвредным
для человека при длительном воздействии можно считать переменный ток
величиной до 50 мкА.
2) Время воздействия. Рассмотрим кардиоцикл человека (рис. 4.1). Период кардиоцикла Т ц составляет порядка 1 с . В первую часть периода,
называемую систолой, происходит сокращение сердечных мышц и, как следствие, кровь выталкивается в артериальные сосуды. Давление в этом промежутке кардиоцикла высокое. Во время части периода, называемой диастолой, происходит наполнение желудочков кровью.
Рис. 4.1 – Кардиоцикл человека
Во время фазы T, имеющей продолжительность ~ 0, 2 с , сердце оказывается наиболее чувствительным к воздействию тока. Если время действия
тока не совпадает с фазой T, что, например, возможно при длительности воздействия 0,1 с, то пороговое значение фибрилляционного тока достигает значений порядка 1500 мА .
Таким образом, чем меньше длительность действия тока на человека,
тем меньше вероятность совпадения времени, в течение которого через сердце проходит ток с фазой T и, следовательно, меньше вероятность получения
серьёзных электрических травм.
29
Рис 4.2 – Зависимость порогового неотпускающего тока от частоты.
3) Частота воздействия. Зависимость пороговых значений неотпускающего тока от частоты показана на рис 4.2. Самые низкие значения пороговый ток приобретает в диапазоне частот Df =50 ¸ 500 Гц – поэтому воздействия тока данных частот на человека является наиболее опасным.
4) Сопротивление тела человека. Сопротивление человека имеет сложный характер. Тело человека содержит значительное количество воды (до
двух третьих от его массы). Поэтому живую ткань можно рассматривать как
электролит, обладающей ионной проводимостью. Кроме того, в живой ткани
наблюдается перенос энергии от возбужденных клеток к невозбужденным.
Поэтому можно предполагать, что живая ткань обладает также электроннодырочной проводимостью, свойственной полупроводникам. Таким образом,
тело человека обладает и свойствами полупроводников и электролитов.
Сопротивление различных частей тела человека может значительно отличаться в зависимости от содержания в них воды. Наибольшим сопротивлением обладает кожа (до 20 кОм на метр). Наименьшим – кровь и спинномозговая жидкость (единицы ом на метр).
Кожа человека состоит и двух основных слоев: наружного слоя (эпидермиса) и внутреннего (дермы). Эпидермис состоит из 5 слоев. Верхний,
наиболее толстый слой называется роговой. Остальные слои объединены в
один слой – ростковый. Сопротивление различных частей кожи показано в
табл. 4.2. Наибольшим сопротивлением является роговой слой (несколько
30
рядов
ороговевших клеток) кожи, толщина которого составляет
0,05 - 0,2 мм .
Таблица 4.2 – Удельное сопротивление частей кожи человека
Участок тела
Удельное сопротивление,
Ом × м
Роговой слой кожи
~10 - 10
6
Ростковый слой кожи
~10 - 10
3
Внутренний слой кожи
~10 - 102
Внутренние органы
до 10
5
2
В основании росткового слоя происходит деление и развитие новых
клеток, а в верхней части – их ороговение.
Дерма состоит из прочных эластичных волокон, образующих сетку, которая служит основой кожи. Между ними проходят кровеносные сосуды,
нервные окончания, потовые железы и т.д. Cопротивление дермы, состоящей
из живых клеток незначительно.
Электрическая схема замещения тела человека. Схему измерения сопротивления тела человека можно изобразить следующим образом:
Рис. 4.3 – Схема измерения сопротивления тела человека
где: Э – эпидермис (роговой и ростковый слои кожи);
Д – дерма (внутренний слой кожи);
ВО – внутренние органы.
Как было отмечено выше, роговой слой кожи обладает высоким значением удельного сопротивления. Наличие большого активного сопротивления
между хорошо проводящими электрическими контактами (металлические
контакты измерительного стенда и внутренние органы) эквивалентно конденсатору. Таким образом, эквивалентную электрическую схему замещения
тела человека можно представить следующим образом:
31
Рис. 4.4 – Эквивалентная электрическая схема
замещения человека
Rн
Сн
Rв
Zн
Zh
- сопротивление наружного слоя кожи (эпидермиса);
- эквивалентная ёмкость между электрическими контактами;
- сопротивление внутреннего слоя кожи (дермы) и органов;
- наружный импеданс;
- полный импеданс тела человека.
Если d н - толщина эпидермиса, r н - удельное сопротивление эпидермиса, S н - площадь электрических контактов, e - диэлектрическая проницаемость среды, а e 0 - электрическая постоянная, то
Rн =
r н × dн
,
Sн
Сн =
e 0e S н
.
dн
Оценим значения Сн и Rн . Учитывая, что удельное сопротивление
кожи
r н = 105 Ом × м , площадь контактов S н = 20 см 2 , толщина кожи
d н = 0,05 мм , e 0 = 8,85 ×10-12 Ф / м , относительная диэлектрическая проницаемость кожи e = 200 , получим
32
105 × 0, 05 ×10 -3
Rн =
= 2,5 кОм ,
20 ×10 -4
8,85 ×10-12 × 200 × 20 ×10 -4
» 0,07 мкФ .
Сн =
0, 05 ×10-3
Величина С н , как правило, составляет 0,01 - 0,1 мкФ при площади контакта 20 – 30 кв.см.
Согласно эквивалентной схеме замещения, общий импеданс тела человека можно определить как
Z h = 2 × Z н + Rв .
Наружное сопротивление
Zн =
1
1
+ jw Cн
Rн
.
После элементарных преобразований для модуля полного импеданса
получим выражение:
Zh =
4 Rн ( Rн + Rв )
1 + (w × Cн Rн )
2
+ Rв2 .
Оценим предельные случаи:
1) w ® 0 : Z=h
2 Rн + Rв ;
2) w ® ¥; Z н = Rh .
В большинстве случаев значения Z h составляют 3 ¸ 100 кОм . Следует
также отметить, что сопротивление Rв представляет собой последовательное
соединение сопротивлений внутренних органов и дермы. Так,
Rвнутр . органов = 300 - 500 Ом , Rв = 500 - 700 Ом.
Рассмотрим факторы, влияющие на величину сопротивления тела человека:
Толщина кожи. Сопротивление человека прямо пропорционально толщине кожи. Поскольку в разных частях тела толщина кожи различна, то на
величину сопротивления человека оказывает влияние место приложения
электрических контактов.
33
Целостность кожи. Повреждённые участки кожи оказывают меньшее
сопротивление току, чем здоровые участки.
Влажность кожи. Влага создаёт дополнительную проводимость,
уменьшая общее сопротивление тела человека.
Температура кожи. При повышении температуры кожи сопротивление,
оказываемое телом человека электрическому току, уменьшается.
Напряжение, прикладываемое к телу человека. Зависимость сопротивления человека от прикладываемого напряжения показана на рис. 4.5.
Рис.4.5 – Зависимость сопротивления тела
от прикладываемого напряжения
При напряжении 50 - 60 B наблюдается пробой эпидермиса, и при
дальнейшем увеличении напряжения сопротивление стремится к величине
700 Ом . Расчётное значение сопротивления человека Rh расч , применяемое
для численных оценок, составляет 1 кОм при напряжениях U > 50 B и
6 кОм при напряжениях U £ 50 B .
5) Путь протекания тока через тело человека. Наиболее распространёнными петлями протекания тока через тело человека являются: рука - рука,
рука - нога, нога - нога. Наибольшую угрозу для жизни и здоровья человека
представляет прохождение тока через сердце и дыхательные мышцы, поэтому самыми опасными путями являются голова - ноги, голова - руки, правая
рука - ноги. Табл. 2.3 отражает зависимость процента ответвлённого в сердце
34
тока от петли протекания. Также приведён процент людей, терявших сознание.
Таблица 4.3
Петля
I отв , %
Количество, теряющих
сознание, людей, %
Голова – руки
7
до 92
Голова – ноги
6,8
до 88
Правая рука - ноги
6,7
до 87
Левая рука - ноги
3,8
до 71
6) Внешние условия. Рассмотрим классификацию помещений по категориям электробезопасности:
К помещениям без повышенной опасности относятся помещения, не
попадающие во вторую и третью категории опасности.
К помещениям с повышенной опасностью относятся помещения, в которых проявляется не более одного из следующих факторов:
-Повышенная влажность ( > 75% );
-Проводящая запылённая среда;
-Токопроводящие полы;
-Высокая температура ( 35°C и выше) в течение рабочей смены;
-Возможность одновременного прикосновения человека к корпусам
приборов и заземлённым конструкциям зданий.
К особо опасным относятся:
-Помещения с повышенной сыростью (относительная влажность стремится к 100% );
-Помещение с наличием химически активной среды, разрушающей
изоляцию;
-Помещения, соответствующие двум и более факторам помещений с
повышенной опасностью.
Помещения, не относящиеся к помещениям перечисленных категорий,
являются помещениям без повышенной опасности. Любые работы вне помещений относятся к особо опасным.
7) Схема подключения человека к электрической цепи.
·
Двухфазное прикосновение. Схематично двухфазное прикосновение изображено на рис. 4.6.
35
рис. 4.6 – Двухфазное прикосновение
В данном случае человек оказывается под рабочим напряжением сети U раб .
Ток, протекающий через человека
Ih =
U раб
Rh
Rh – сопротивление тела человека.
Рассмотрим промышленную сеть
.
220 B .
Если
сопротивление
Rh = 1 кОм , то значение тока, протекающего через человека при двухфазном
прикосновении:
Ih =
220 В
= 220 мА .
1 кОм
Данное значение превышает пороговый фибрилляционный ток более чем в 2
раза. Таким образом, двухфазное прикосновение представляет повышенную
опасность для жизни человека.
·
Однофазное прикосновение. Если человек, стоя на земле, касается одной из фаз (рис. 4.7), то цепь тока замыкается через землю и далее через сопротивления фаз R1 и R2 относительно земли.
36
рис. 4.7 – Однофазное прикосновение
Предполагаем, что R1 и R2 равны и представляют собой сопротивление
изоляции фаз R И . Тогда ток через человека
Ih =
U раб
2 Rh + RИ
.
Значения R И достигают порядка 105 кОм , поэтому RИ
Rh , и однофазное прикосновение представляет меньшую опасность для человека, чем
двухфазное.
Полученные результаты справедливы для сетей, в которых влиянием
эквивалентных емкостей фаз можно пренебречь (сетей малой протяжённости). Перейдём к рассмотрению длинных линий, в которых на величину общего тока будут оказывать влияние дополнительные емкостные токи.
·
Двухфазное прикосновение к длинной линии. Схематично двухфазное
прикосновение к длинной линии показано на рис. 4.8. Примем RИ ® ¥ , а эквивалентную ёмкость С12 между фазами – заряженной до рабочего напряжения сети U раб .
37
рис. 4.8 – Двухфазное прикосновение к длинной линии
Сопротивление тела человека Rh включено параллельно ёмкости С12 –
через это сопротивление происходит процесс разряда ёмкости. Ток через человека в данном случае будет определяться как
Ih =
U раб
-
t
tр
×e ,
Rh
где t p = RhC12 . Таким образом, при двухфазном прикосновении к
длинной линии наибольший ток через человека протекает в начальный момент. Данный ток, как было отмечено выше, представляет для человека
смертельную опасность.
·
Однофазное прикосновение к длинной линии. Человек, стоя на
земле, касается одной из фаз (рис. 4.9). В данном случае, помимо ёмкости
между фазами С12 , следует учитывать эквивалентные ёмкости С11 и С 22
между соответствующей фазой и землёй.
38
рис. 4.9 – Однофазное прикосновение к длинной линии
Ток через человека будет равен
Ih =
U раб
-
t
t ¢р
×e ,
2 Rh
где t ¢p = Rh ( 2C12 + C11 ) . Из данных выражений следует, что постоянная времени разряда в данном случае больше, чем в случае двухфазного прикосновения к длинной линии – следовательно, разряд эквивалентной ёмкости
будет происходить дольше; напряжение в начальный момент времени – в два
раза меньше. Тем не менее, однофазное прикосновение к длинной линии
представляет смертельную опасность для человека.
39
Лекция 5. Явление стекания тока в
землю. Напряжение прикосновения. Напряжение шага. Влияние характеристик грунта на напряжения
прикосновения и шага. Групповой заземлитель.
Стекание тока в землю. Стекание тока в землю происходит при электрическом соединении находящихся под напряжением частей электроустановки непосредственно с землёй или с металлическими нетоковедущими частями, не изолированными от земли. Заземлитель – специальный металлический электрод, по которому ток стекает в землю. Причинами этого явления
может быть замыкание токоведущих частей на заземленный корпус электроустановки, падение провода на землю и др. При стекании тока в землю в месте, где заземлитель соединён с землёй, происходит падение потенциала –
снижения напряжения относительно земли. Это явление весьма благоприятное с точки зрения обеспечения безопасности имеет свою отрицательную
сторону, так как появляется потенциал на заземлителе и на грунте вблизи заземлителя. Разность потенциалов в различных точках земли может достигать
больших значений и представлять опасность для человека. Для определения
значения этих потенциалов необходимо знать уравнение потенциальной кривой.
Для этого проведём анализ стекания тока в землю через широко распространенный полусферический заземлитель (рис. 5.1). Для этого найдём
потенциал в точке A относительно бесконечно удалённой точки. С целью
упрощения предположим, что грунт является однородным и изотропным.
Будем также считать, что удельное сопротивление грунта r много больше
удельного сопротивления материала заземлителя r З .
Рис. 5.1 – Стекание тока в грунте
через полусферический заземлитель
40
Линии тока направлены по радиусам от центральной оси полусферы.
при этом линии тока перпендикулярны к поверхности заземлителя. В однородном изотропном грунте распределение тока будет равномерным. Плотность тока в точке A на поверхности грунта на расстоянии x от заземлителя
определяется как
j=
IЗ
.
2p x 2
В силу принятых допущений, эта поверхность является эквипотенциальной. Для определения потенциала точки A, лежащей на поверхности радиусом x , относительно бесконечно удалённой точки, выделим элементарный слой толщиной dx . Падение напряжение в этом слое
dU = Edx .
Потенциал точки A равен
¥
jA = U A = ò Edx .
x
Напряжённость потенциального поля в точке А определяется из закона
Ома в дифференциальной форме:
E = jr .
Таким образом, потенциал в точке A относительно бесконечно удалённой точки будет равен
¥
IЗ r
I r
dx = З .
2
2p x
2p x
x
jA = ò
Из последнего соотношения следует, что потенциальное поле изменяется по гиперболическому закону.
Пусть r – радиус заземлителя. Тогда
IЗ r r
r
× =j 0 × ,
2p r x
x
I r
где j0 = З – потенциал полусферического заземлителя. Для зазем2p r
jA =
лителей другой формы потенциальное поле также будет убывать по гиперболическому закону на расстояниях, больших радиуса заземлителя.
На практике принято считать j = 0 при х > 20 м , т.е. радиус области
растекания токов принимается равным 20 м . Величина сопротивления растеканию токов определяется как
Rраст =
r
.
2p x
41
Напряжение прикосновения. Напряжением прикосновения называется разность потенциалов между двумя точками электрической сети, которых
одновременно касается человек.
Рассмотрим случай прикосновения человека к корпусу заземлённой
электроустановки (рис. 5.2). Из рисунка видно, что
j руки = j0 , j ноги = j A .
Напряжение прикосновения оказывается равным
IЗ r IЗ r
=
2p r 2p x
r
r
I З RЗ (1 - ) U
= З (1 - ) ,
x
x
U пр = j pуки - jноги =
IЗ r ( x - r )
×
=
2p r
x
r
– сопротивление заземлителя.
RЗ =
2p r
=
Рис. 5.2. Прикосновение к корпусу заземлённой электроустановки
r
Величина (1 - ) º a1 представляет собой коэффициент напряжения
x
прикосновения. Таким образом,
U пр = U З × a 1 .
Из данного выражения следует, что U пр £ U З , поскольку a1 £ 1 . В полученной формуле для напряжения прикосновения не были учтены дополни42
тельные сопротивления: Rоб - сопротивление обуви и Rп - сопротивление пола. Влияние данных сопротивлений учитывается при введении коэффициента
a2 =
Rh
.
Rh + Rоб + Rп
Тогда
U пр = U З × a1 × a 2 .
Ток, протекающий через человека в случае прикосновения к заземлённой электроустановке:
Ih =
U пр
=
Rh
U З × a1 × a 2
=
Rh
I З × RЗ
× a1 × a 2 .
Rh
Рассмотрим факторы, влияющие на удельное сопротивление грунта,
поскольку его величина сильно влияет на напряжение прикосновения:
1) Влажность грунта. Удельное сопротивление грунта очень сильно
зависит от его влажности. Сухой грунт обладает высоким удельным сопротивлением r – до 10 4 Ом м. Увлажнение его приводит к снижению удельного сопротивления в десятки и сотни раз за счет растворения в воде содержащихся в грунте солей и оснований. Практически снижение r происходит
при увеличении его влажности до 15-20%. При увеличении влажности грунта
более 80% r возрастает вследствие снижения концентрации растворенных в
нем веществ..
2) Температура. Зависимость удельного сопротивления грунта от температуры имеет неоднородный характер (рис. 5.3). На графике отмечены характерные точки данной зависимости.
Рис. 5.3. Зависимость удельного сопротивления грунта
от температуры окружающей среды
43
При высоких значениях температуры происходит высыхание грунта, и
удельное сопротивление увеличивается. При уменьшении температуры
от 0°C происходит скачкообразное увеличение удельного сопротивления r
вследствие промерзания грунта. При дальнейшем уменьшении температуры
наблюдается дальнейший рост удельного сопротивления грунта.
3) Сезонность. Удельное сопротивление грунта изменяется в течение
год, что связано с погодными условиями. В связи с этим вводится коэффициент сезонности. В соответствии с рис. 3.7, r достигает наибольших значений
в самый холодный (при отрицательных температурах) и самый тёплый (при
положительных температурах) периоды года. Поэтому напряжение прикосновения принимает наибольшие значения летом или зимой.
4) Вид грунта. Удельное сопротивление r принимает различные значения в зависимости от вида грунта. Так, например, песок обладает достаточно большим значением удельного сопротивления, а глина – большим значением удельной проводимости, что объясняется содержанием воды в том
или ином виде грунта.
5) Уплотненность грунта. Чем более сильно уплотнён грунт, тем
меньше воздушные промежутки между частицами гранта. Поэтому менее
уплотнённый грунт обладает более высоким значением удельного сопротивления.
Групповой заземлитель. Для системы из N заземлителей потенциал
электрического поля равен
N
j Гр ( x) = j01 ( x) + åjn ( x) .
n= 2
В данном соотношении j01 ( x) - потенциал заземлителя, относительно
которого считается групповой потенциал; jn ( x) , n > 1 потенциалы остальных заземлителей. На практике, влиянием заземлителя, находящегося на расстоянии S > 40 м от отсчётного, можно пренебречь. В качестве примера рассмотрим групповой заземлитель, состоящий из двух одиночных полусферических заземлителей.
Схема такого группового заземлителя приведена на рис. 5.4.
Потенциал электрического поля в данной системе в произвольной точке на расстоянии x между двумя заземлителями
I r
IЗ r
j Гр ( x ) = j1 ( x ) + j 2 ( x )= З +
.
2p х 2p ( S - х )
После элементарных преобразований получим
I r
r×S
r×S
I r
j Гр ( x) = З × =
j0 ×
, где jO = з .
2p r
2p r х × ( S - х)
х × ( S - х)
44
Рис. 5.4. Групповой заземлитель.
Введём в рассмотрение потенциал j Гр 0 :
j Гр 0 = j Гр=(r ) j 0 ×
r ×S
=
r × (S - r )
j0 ×
S
.
(S - r )
Из данного соотношения следует, что
S -r
.
j 0 = j Гр 0 ×
S
Таким образом, окончательно получаем
j Гр ( x ) = j Гр 0 ×
r × (S - r )
.
х × ( S - х)
Перейдём к рассмотрению напряжения прикосновения в системе, изображённой на рис. 5.4 при условии расположения человека в точке x между
двумя заземлителями:
æ r (S - r ) ö
U пр = j Гр 0 - j Гр ( x) j=Гр 0 × ç1 ÷×
х
(
S
х
)
è
ø
Напряжение прикосновения максимально, когда человек находится посередине между заземлителями, т.е. х = S / 2 . В этом случае
æ 4r ( S - r ) ö
U пр = j Гр 0 - j Гр ( x ) j Гр=0 × ç 1 ÷×
S2
è
ø
Пусть S = 5 r . Тогда
45
æ 16r 2 ö
U пр = j Гр 0 × ç1 ×
2 ÷
25
r
è
ø
16r 2
= 0,36 . Для одиночВ данном выражении коэффициент a1 = 1 25r 2
ного заземлителя данный коэффициент составляет a1 = 1 - r / 5r = 0,8 .
Таким образом, для группового заземлителя напряжение прикосновения значительно меньше, чем для одиночного. На практике групповой заземлитель содержит от 20 до 30 одиночных заземлителей.
Напряжение шага. Напряжением шага называется напряжение между
двумя точками цепи электрического тока, которых касается человек, на расстоянии шага. Человек, находящийся в электрическом поле заземлителя, оказывается под напряжением шага, если он одновременно касается двух точек с
разными потенциалами (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Напряжение шага
Напряжение шага определяется как
IЗ r
IЗ r
U Ш = jА - jВ
-=
=
2p х 2p ( х + а )
I r
r ×a
U З × b1 ,
= З ×
=
2p r x × ( х + а )
где b1 =
r ×a
– коэффициент напряжения шага. Величина а –
x × ( х + а)
расстояние шага, а = 1 м .
Значение b1 меняется от 0 до 1, поскольку
46
b1 1 при x = r ;
b1 0 при x ® ¥ ,
Как правило, значения b1 лежат в интервале 0,15 ¸ 0,30 . Также вво-
дится коэффициент b2 , учитывающий дополнительные сопротивления обуви
и грунта Rгр в цепи протекания тока:
b2 =
Rh
.
Rh + Rоб + Rгр
Таким образом, окончательно
U Ш = U З × b1 × b2 .
Сравним напряжение прикосновения и напряжение шага. В случае
напряжения прикосновения цепь протекания тока проходит от обеих ног человека к заземлителю. В случае шагового напряжения цепь тока замыкается
между ногами. Таким образом, в общем случае при действии напряжения
прикосновения площадь растекания токов оказывается большей (примерно в
4 раза), чем в случае напряжения шага. Поэтому величина шагового напряжения оказывается меньше величины напряжения прикосновения. Оценочное соотношение между a1 и b1
b1 »
a1
.
4
Естественно, что на величине напряжения шага сказываются параметры грунта, так же как и случае напряжения прикосновения.
В заключение рассмотрим следующий практический пример:
на воздушной линии электропередач возникло замыкание фазы на металлическую опору. Определить потенциал опоры вследствие стекания тока в
землю и потенциал металлического забора, находящегося на расстоянии 4 м
от оси опоры, если радиус опоры 0,2 м, ток замыкания 20 А, удельное сопротивление грунта 100 Ом м.
Ir
Используя соотношение для потенциала j = з при x=0,2 м и x=4 м
2p x
получаем: Uоп=1592 В; Uз=79,6 В.
47
Лекция 6.
Виды 3 -х фазных сетей. Опасности в электрических
сетях с изолированной нейтралью.. Опасности в электрических сетях с
заземленной нейтралью. Сравнение различных сетей по степени опасности.
Причины поражения человека электрическим током.
3-х фазные сети подразделяются по режиму нейтрали и количеству
проводов. Рассмотрим схемы трёхфазных электрических сетей:
1) Трехфазная сеть с изолированной нейтралью. В этом случае
нейтраль источника изолирована от земли или заземлена через большое сопротивление. В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) данная сеть
имеет обозначение IT.
Рис. 6.1 – Трёхфазная сеть с изолированной нейтралью
Векторная диаграмма фазных напряжений представлена на рис. 6.2.
Напряжения фаз определяются следующим образом:
U& A = U ф , U& B = U ф × a 2 , U& C = U ф × a ,
где U ф – фазное напряжение сети, U ф = U лин / 3 ; фазный множитель
a=e
j×
2p
3
. U& a + U& b + U& c = 0 .
Рис. 6.2 – Векторная диаграмма фазных напряжений.
2) Трехфазная цепь с заземлённой нейтралью (TN). В таких сетях
нейтраль источника тока соединена с землей через малое сопротивление или
48
с заземлителем непосредственно. Схема данной сети представлена на рис.
6.3. Векторная диаграмма фазных напряжений соответствует рис. 6.2.
Рис. 6.3 – Трёхфазная сеть с заземлённой нейтралью
3) Четырёхпроводная сеть с изолированной нейтралью (IT). Схема сети показана на рис. 6.4. N – нулевой провод . В нормальном режиме работы
напряжение нулевого провода U 0 = 0 .
Рис. 6.4 – Четырёхпроводная сеть с изолированной нейтралью
4) Четырёхпроводная (пятипроводная) сеть с заземлённой нейтралью
(TN-C – четырёхпроводная, TN-S – пятипроводная). Схема сети изображена
на рис. 6.5. N – нулевой рабочий проводник, PE – нулевой защитный проводник. В четырёхпроводной сети рабочий и защитный нулевые проводники
объединены.
49
Рис. 6.5 – Четырёхпроводная (пятипроводная) сеть с заземлённой нейтралью
Возможен вариант построения сети, при котором нулевой и защитный
проводники проходят раздельно лишь часть линии (рис. 6.6).
Рис. 6.6
Тип применяемой сети зависит от напряжения. Так, при напряжениях
U < 1000 B используются, как правило, сети типа IT или TN-C, TN-S. В сетях напряжением U > 1000 B применяются трёхпроводные сети IT или TN,
поскольку передача энергии осуществляется на значительные расстояния.
Опасность в сетях с изолированной нейтралью.
Рассмотрим прикосновение человека к четырёхпроводной сети с изолированной нейтралью (Рис. 6.7).
50
Рис. 6.7 – прикосновение человека к четырёхпроводной сети
с изолированной нейтралью
При работе сети до момента прикосновения векторная диаграмма
напряжений на фазах соответствовала рис 4.2, а U 0 было равно нулю.
Для определённости, будем рассматривать прикосновение человека к
фазе А. В момент прикосновения между фазой А и землёй возникает разность потенциалов U& А З , и векторная диаграмма фазных напряжений изменяется (рис. 6.8). Напряжение нулевого провода U& 0 ¹ 0 .
\\
Рис. 6.8 – Векторная диаграмма фазных напряжений
после замыкания фазы А на землю.
Ток через человека
I&h =
U& A З
Rh
= U& A З × g h .
51
Для простоты не будем учитывать дополнительные сопротивления Rоб
и Rп в цепи протекания тока ( Rоб – сопротивление обуви, а Rп – сопротивление пола). В общем случае Rh следует заменить на сумму Rh + Rоб + Rп .
В соответствии с рис. 6.7 запишем проводимости сети:
Y&A = g A + jbA ,
Y&B = g B + jbB ,
Y&C = g C + jbC ,
Y&0 = g 0 + jb0 .
Для напряжения нулевого провода относительно земли после замыкания фазы А через проводимость человека на землю используем соотношение
из теории электротехники:
Y&B × a 2 + Y&C × a + Y&A + g h
&
,
U0 = Uф ×
Y&A + Y&B + Y&C + Y&0 + g h
1
- проводимость тела человека. Величина напряжения загде g h =
Rh
мыкания
Y&B × (1 - a 2 ) + Y&C × (1 - a ) + Y&0
&
&
&
.
U AЗ = U A - U 0 = U ф ×
Y&A + Y&B + Y&C + Y&0 + g h
Таким образом, величина тока, протекающего через человека,
2
&
&
&
&I = U × g × YB × (1 - a ) + YC × (1 - a ) + Y0 .
h
ф
h
Y&A + Y&B + Y&C + Y&0 + g h
Проанализируем выражение для I& при следующих допущениях:
h
Y&A = Y&B = Y&C = Y& , Y&0 = 0 .
В соответствии с данными допущениями
I&h = U ф × g h ×
3Y&
=
3Y& + g h
Uф ×
1
=
1
1
+ &
g h 3Y
Uф ×
1
Z
Rh + И
3
,
где Z И – импеданс изоляции. Величина значения модуля тока, проходящего через человека, определяется из следующего соотношения:
I&h =
Uф
r × (r + 6 R )
Rh × 1 + и2 и 2 2h 2
9 Rh (1 + w C rи )
,
где rи – активная составляющая сопротивления изоляции. В случае достаточно короткой линии можно полагать C = 0 , и
52
I&h =
Uф
r
Rh + и
3
.
Из данного выражения следует, что чем больше значение сопротивления изоляции rи , тем меньший ток будет протекать через человека касания
фазного провода. Согласно ПУЭ сопротивление изоляции не должно быть
менее 500 кОм. К подобному выводу можно прийти, рассматривая схему на
рис.6.7. При прикосновении человека к фазе А ток пройдет через человека,
затем по земле. И через сопротивления фаз В и С относительно земли вернется на фазу А. Т.е. решающую роль в данном случае играет сопротивление
изоляции. В воздушных линиях электропередач (ЛЭП) сопротивлением изоляции является сопротивление воздуха между землей и фазными проводниками.
Перейдём к численным оценкам. Рассмотрим промышленную сеть с
фазным напряжением U ф = 220 В . Сопротивление изоляции rи примем равным 90 кОм , а сопротивление тела человека – Rh = 1 кОм . Рассчитаем значение I&h для помещений 1-ой и 3-ей категорий по электробезопасности в
случае короткой и длинной линий.
Сначала рассмотрим случай короткой линии, т.е. ёмкости фаз относительно земли полагаем равными нулю.
В общем случае, Rh следует заменить на сумму Rh + Rоб + Rп . Приняв
Rоб = 30 кОм , Rп = 20 кОм , получим значение тока, протекающего через
человека в помещении 1-й категории по электробезопасности
I&h =
220
90
1 + 30 + 20 +
3
» 3 мА .
В помещении третьей категории опасности значения Rоб и Rп пренебрежимо малы по сравнению с Rh , поэтому значение тока
220
» 7 мА .
I&h =
90
1+
3
Данные значения несколько превышают уровни пороговых ощутимых
значений переменного тока, но меньше не отпускающих.
В случае длинной линии полагаем С ¹ 0 , а rи ® ¥ . В помещении первой категории опасности величина тока определяется как
53
Uф
I&h =
(
)
Rh + Rоб + Rп
2
æX ö
+ç C ÷
è 3 ø
2
.
Рассмотрим 3-х фазную сеть длиной 1 км. Погонная емкость для воздушных ЛЭП составляет величину 0,6 мкФ/км. Тогда X C = 5,3 кОм , и получаем
I&h =
220
(
1 + 30 + 20
)
2
+ 1,8
» 4 мА .
2
В данном случае ток, проходящий через человека, имеет большее значение, чем аналогичный ток в короткой линии. Это объясняется наличием
дополнительных ёмкостных токов, протекающих в длинной линии. Тем не
менее, значение тока остаётся в пределах пороговых ощутимых значений.
В помещении третьей категории опасности
I&h =
220
1 + 1,7
2
2
» 110 мА .
В данном случае значение тока превышает значение порогового фибрилляционного тока. Поэтому прикосновение к фазному проводу в помещении третьей категории опасности в сетях с большой протяжённостью представляет смертельную опасность для человека.
Рис. 6.9 – Аварийная ситуация в четырёхпроводной трёхфазной
сети с изолированной нейтралью
Рассмотрим аварийную ситуацию – короткое замыкание одной из фаз
на землю. Для определённости будем полагать замыкание фазы C. В этом
случае замыкание происходит через сопротивление замыкания rЗ (рис. 6.9).
54
Учитывая, что Y&З Y&А,В,С,0 , получим следующее выражение для тока,
проходящего через человека, касающегося одной из фаз при аварийном режиме работы сети:
&
&I = U × g × YЗ (1 - a) .
h
ф
h
Y&З + g h
Величина тока
Uф 3
UЛ
I&h =
.
=
Rh + rЗ Rh + rЗ
Напряжение прикосновения
U пр = U Л ×
Rh
.
Rh + rЗ
Таким образом, поскольку rЗ мало, напряжение прикосновения при
аварийном режиме работы оказывается сравнимо с линейным напряжением
сети. Следовательно, в данном случае прикосновение к токоведущим частям
сети является весьма опасным для жизни и здоровья человека.
Опасность в сетях с заземлённой нейтралью. Рассмотрим прикосновение человека к фазе А в сети с заземленной нейтралью (рис. 6.10).
Величина сопротивления заземления нейтрали R0¢ зависит от линейного напряжения сети:
R0¢ < 8 Ом в сетях с U Л = 220 B (U ф = 127 B );
R0¢ < 4 Ом в сетях с U Л = 380 B (U ф = 220 B );
R0¢ < 2 Ом в сетях с U Л = 660 B (U ф = 380 B ).
Рис. 6.10 – Эквивалентная схема четырёхпроводной сети
с заземлённой нейтралью
55
Рассмотрим случай прикосновения человека к одной из фаз (для определённости будем рассматривать прикосновение к фазе А). Выражение для
тока, протекающего через человека, будет аналогично выражению, полученному для сетей с изолированной нейтралью. Однако, в данном случае необ-
1
:
R0¢
2
&
&
&
&I = U × g × YB × (1 - a ) + YC × (1 - a ) + Y0 + Y0¢ .
h
ф
h
Y&A + Y&B + Y&C + Y&0 + g h + Y0¢
Поскольку сопротивление R0¢ мало, будем считать Y0¢
ходимо учитывать проводимость Y0¢ =
Y&A,B,C,0 . Тогда
ток через человека будет равен
I&h = I&h = U ф × g h ×
Y0¢
1
Uф ×
=
.
g h + Y0¢
Rh + R0¢
Как следует из полученного выражения, ток через человека в данном
случае не зависит от сопротивления изоляции. Также никакой роли не играет
длина сети, т.е. величина емкости. Если рассмотреть схему на рис.6.10, то
при прикосновении человека к фазе А ток пройдет через человека. Затем по
земле, и через малое сопротивление заземления нейтрали вернется на фазу А,
поскольку сопротивление изоляции много больше.
Сделаем численные оценки величины I&h аналогично тому, как это
было сделано для сетей с изолированной нейтралью. Учитывая, что
R0¢ Rh , Rоб , Rп , получим
I&h =
220
» 4 мА –
1 + 30 + 20
для помещений первой категории по электробезопасности;
220
= 220 мА –
I&h =
1
для помещений третьей категории по электробезопасности. Последнее
значение превышает пороговый фибрилляционный ток более, чем в два раза,
– касание фазного провода сети с заземлённой нейтралью в помещении третьей категории опасности представляет смертельную угрозу жизни человека.
В аварийном режиме, т.е. при замыкании на землю фазы С
&
&I = U × g × YЗ (1 - а ) + Y0¢ ,
h
ф
h
g h + Y&З + Y0¢
I&h = U ф ×
rЗ + R0¢ 3
.
rЗ R0¢ + Rh ( rЗ + R0¢ )
Оценим пределы изменения величины данного тока:
56
Uф 3
I&h =
при rЗ = 0 ;
Rh
Uф
при R0¢ = 0 .
I&h =
Rh
Напряжение прикосновения U пр = I&h × Rh принимает значения от U ф
до U Л = U ф 3 . Таким образом, в аварийном режиме опасность поражения
человека электрическим током возрастает. Если сравнить аварийные режимы
в случае сетей с различным режимом нейтрали, то оказывается, что при одинаковых значениях сопротивлений заземления нейтрали и замыкания фазы
токи через человека больше для 3-х фазной сети с изолированной нейтралью.
Прикосновение к нулевому проводу. Проведём анализ опасности
прикосновения человека к нулевому проводу в четырёхпроводной сети с заземлённой нейтралью (рис. 6.11). В нормальном режиме работы сети будем
считать нагрузки одинаковыми , и векторная диаграмма фазных напряжений
соответствует рис. 6.2. Напряжение прикосновения в данном режиме
U пр = U а - U б и как правило не превышает 0,05U Ф .
Для промышленной сети с фазным напряжением 220 В , U пр = 11 В .
Приняв Rh = 6 кОм , получим значение тока, протекающего через человека в
случае касания нулевого провода
Ih =
U пр
Rh
» 2 мA .
Рис. 6.11 – Прикосновение к нулевому проводу
57
При несимметричном распределении нагрузки по фазам или аварийной
ситуации
U пр ~ 0,5 × U ф .
Ток через человека в помещении первой категории опасности
U пр
110
=
» 2 мA .
Rh + Rоб + Rп 1 + 30 + 20
В помещении третьей категории опасности ток
U пр 110
Ih =
=
= 110 мA .
1
Rh
Ih =
Таким образом, касание нулевого провода в помещении третьей категории опасности способно причинить вред жизни и здоровью человека.
В результате проведенного анализа 3-х фазных сетей по степени опасности от наиболее к наименее опасной различные варианты прикосновения
можно расположить в следующем порядке:
1)
Двухфазное прикосновение в любой сети;
2)
Однофазное прикосновение в аварийном случае к сети с изолированной нейтралью;
3)
Однофазное прикосновение в аварийном случае к сети с заземленной нейтралью;
4)
Однофазное прикосновение к протяженной сети с изолированной
нейтралью;
5)
Однофазное прикосновение к сети с заземленной нейтралью;
6)
Прикосновение к нулевому проводу в аварийной ситуации;
7)
Прикосновение к сети с изолированной нейтралью малой длины.
Причины поражения человека электрическим током.
Основными причинами поражения человека электрическим током являются:
1.
Случайное прикосновение
к токоведущим частям или фазному проводу.
2.
Неисправность
электроустановки, приводящая к аварийной ситуации.
3.
Появление
наведённых
напряжений, ошибочное включение.
4.
Появление
шаговых
напряжений.
5.
Неправильное применение
средств индивидуальной защиты или их неисправность.
58
Нарушение правил элек-
6.
тробезопасности.
Отсутствие
7.
контроля
напряжений.
Низкая квалификация пер-
8.
сонала.
Лекция 7. Виды прикосновения к сетям. Защитные меры в электроустановках (применение сверхнизких напряжений, использование компенсационной индуктивности, двойной изоляции, выравнивание потенциалов,
уравнивание потенциалов, защитное заземление и зануление, устройства
защитного отключения).
Прямое прикосновение – электрический контакт человека с токоведущими частями, находящимися под напряжением.
Косвенное прикосновение – электрический контакт человека с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением при повреждении изоляции.
Защитой от прямого прикосновения служит создание условий, при которых исключается возможность касания токоведущих частей, а также использование устройств защитного отключения. Защитой от косвенного прикосновения являются меры, понижающие вероятность опасного удара током.
Меры защиты от прямого и косвенного прикосновения.
1) Применение сверхнизких напряжений. Согласно ГОСТ
12.1.038.82(92), устанавливаются следующие допустимые значения токов и
напряжений (при пути протекания тока «рука – рука» и «рука – ноги»):
Таблица 5.1
Тип здания
Режим
Время возI доп , мА
U доп , В
Работы
действия
Производственное
Нормальный
~ 10 мин
0,3
2
помещение
Аварийный
>1с
6
20
Бытовое помещеАварийный
>1с
2
12
ние
(электроустановка
неисправна)
Значения сверхнизкого напряжения 12 В, 36 В, 42 В используются при
эксплуатации переносного электроинструмента, переносных ламп в помещениях различной категории по электробезопасности.
59
2) Электрическое разделение сетей – применяется в сетях большой
протяжённости, т.е. в сетях, обладающих большой ёмкостью.
3) Использование компенсационной индуктивности. Компенсационная индуктивность используется с целью снижения емкостной составляющей
тока замыкания на землю. В качестве примера рассмотрим трёхфазную сеть с
изолированной нейтралью. В данном случае компенсационная индуктивность включается между нейтралью и землёй
Рис. 7.1 – Компенсирующая катушка в
трёхфазной сети с изолированной нейтралью
Катушка настраивается в резонанс с распределенной емкостью сети C .
Эквивалентное сопротивление контура определяется выражением
Rэкв = r Q ,
Lк
- волновое сопротивление, а Q – добротность контура.
С
Компенсационная индуктивность определяется соотношением
1
1
,
Lк = 2 =
w0 C (2p f 0 ) 2 C
где w 0 - частота напряжения сети.
Пример. Распределенная емкость воздушных линий электропередач
составляет примерно
0,6 мкФ / км . Тогда в сети переменного напряжения
частотой f = 50 Гц, имеющей протяжённость l = 1 км , значение компенсационной индуктивности составит Lк » 16,8 Гн . Значение волнового сопротивления r » 5,3 кОм . Добротность полагаем Q = 10 . Таким образом, эквивалентное сопротивление контура Rэкв » 53 кОм .
4) Сопротивление изоляции. Значение сопротивления изоляции должно составлять не менее 0,5 МОм на фазу. Проверка сопротивления изоляции
производится раз в год.
где r =
60
5) Применение принципа недоступности – использование защитных
ограждений, размещение токоведущих частей на недоступной высоте с целью исключения прямого и косвенного прикосновения.
6) Двойная изоляция – электрическая изоляция, состоящая из рабочей
и дополнительной изоляции. Наиболее просто двойная изоляция осуществляется путем покрытия металлических корпусов и рукояток электрооборудования слоем электроизоляционного материала и применением изолирующих
ручек.
7) Использование блокировок. Блокировки осуществляют отключение
электроустановки от сети при помощи специальных контактов. Возможная
схема блокировки представлена на рис. 7.2.
Рис. 7.2 – Система блокировки
Если дверь открыта, то автомат А не подключен к сети, и контакты, соединяющие фазные провода с установкой, разомкнуты. Когда дверь закрыта,
автомат оказывается частично подключен к питанию. При нажатии кнопки
«Пуск», цепь питания автомата окажется замкнутой – автомат сработает, замкнув нормально разомкнутые контакты, соединяющие ЭУ с сетью. При открывании двери цепь питания А разомкнется, и установка окажется отключенной от сети.
8) Выравнивание потенциалов (см. раздел Групповой заземлитель) снижение разности потенциалов на поверхности земли или пола..
9) Уравнивание потенциалов – подключение к общей шине всех токопроводящих частей (PE и PEN проводников, заземляющих проводников,
присоединенных к заземлителю повторного сопротивления при вводе в здание, металлических труб коммуникаций и др.) для достижения равенства их
потенциалов.
61
10) Изолированные помещения – помещения, в которых отсутствуют
проводящие конструкции.
11) Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение нетоковедущих частей установки, на которых могут оказаться напряжения, с землёй или её эквивалентом. Принцип работы защитного заземления
заключается в уменьшении напряжения прикосновения и напряжения шага
за счёт уменьшения сопротивления заземлителя.
Рассмотрим защитное заземление в трёхфазной сети с изолированной
нейтралью (рис.7.3 а).
Рис. 7.3 а – Защитное заземление
в сети с изолированной нейтралью
Рис. 7.3 б – Действие защитного заземления
в сети с изолированной нейтралью
при замыкании фазы на корпус
При замыкании фазы на землю (рис. 7.3 б) из общего соотношения для
напряжения прикосновения следует:
U пр = U Зa1a 2 = I З RЗa1a 2 .
В общем случае ток замыкания зависит от сопротивления заземлителя.
Поэтому, чтобы уменьшить напряжение прикосновения, необходимо уменьшать сопротивление заземлителя таким образом, чтобы значение тока замыкания не увеличивалось.
В рассматриваемом случае сопротивление заземлителя равняется RЗ .
Рассмотрим замыкание фазы на корпус установки (для определённости будем рассматривать замыкание фазы А). Ток замыкания в данном случае будет
определяться соотношением
Y&B (1 - a 2 ) + Y&C (1 - a) + Y&0
,
IЗ = U ф gЗ &
YA + Y&B + Y&C + Y&0 + g З
62
где g З =
1
. Поскольку значение RЗ мало, то g з
RЗ
Y&A , Y&B , Y&C , Y&0 . Тогда
ток замыкания
I З = U ф (Y&B (1 - a 2 ) + Y&C (1 - a) + Y&0 ) .
Таким образом, I З не зависит от g З , а, следовательно, и от RЗ . Следовательно, при уменьшении сопротивления RЗ уменьшается напряжение
прикосновения. Из схемы на рис.7.3.б следует
UФ
IЗ =
,
RЗ + rИЗ / 3
RЗ
а напряжение прикосновения U ПР = U Ф ×
. И при сопротивлеRЗ + rиз / 3
нии RЗ = 4 Ома, U Ф = 220 В, rиз = 0,5 Мом напряжение прикосновения
U пр = 5,26 мВ. Поэтому защитное заземление является эффективной мерой
защиты в сетях с изолированной нейтралью.
Рассмотрим защитное заземление в сети с заземлённой нейтралью
(рис. 7.4).
Рис. 7.4 – Защитное заземление
в сети с заземлённой нейтралью
В данном случае
IЗ =
Uф
R0 + RЗ
,
поэтому уменьшение RЗ вызовет увеличение I З , и значение напряжения
прикосновения может увеличиться. Таким образом, применение защитного
заземления в сетях с заземлённой нейтралью не является эффективной мерой
защиты. Однако при напряжениях свыше 1 кВ в сетях с заземленной нейтралью применяют защитное заземление. В этом случае используют конструкции заземляющих устройств, позволяющих понизить значение напряжения
прикосновения до допустимой величины (с RЗ менее 0,5 Ом). А также при63
меняют автоматическую защиту для отключения поврежденного участка сети. Поэтому защитное заземление применяется в сетях с изолированной
нейтралью при U < 1000 B , а в сетях с U > 1000 B – независимо от режима
нейтрали. В случае короткой линии система защиты срабатывает мгновенно,
поскольку емкостями фаз можно пренебречь. Тем не менее, защитное заземление не обеспечивает безопасности в случае прямого прикосновения.
Устройства защитного заземления бывают по форме выносного и контурного типов (рис. 7.5 а и 7.5 б).
Рис. 7.5 а – Заземляющее
ство выносного типа
устрой-
Рис. 7.5 б – Заземляющее
устройство контурного типа
В случае применения заземления выносного типа имеется больше возможностей для выбора места установки устройства, чем для заземления контурного
типа. Однако коэффициент напряжения прикосновения при применении
устройств контурного типа оказывается существенно ниже
( a1 ~ 0,3 ), чем
тот же коэффициент при применении устройств выносного типа ( a1 ~ 1 ).
Допустимые значения сопротивления заземления RЗ приведены в табл. 7.1,
Таблица 7.1
Напряжение
До 1000 В
Выше 1000 В
Р < 100 кВ × А
Р ³ 100 кВ × А
I З > 500 A
I З £ 500 A
Rдоп
RЗ доп
£ 10 Ом
£ 4 Ом
£ 0,5 Ом
250
=
£ 10 Ом
I зам
где P - мощность питающих генераторов, трансформаторов.
Факторы, от которых зависит эффективность устройства защитного заземления:
1)
Свойства грунта;
2)
Конструктивные размеры заземляющего устройства;
64
3)
4)
5)
6)
Материал заземляющего устройства;
Количество заземлителей;
Форма заземлителей и заземляющего устройства;
Климатические условия.
12) Защитное зануление – преднамеренное электрическое соединение
нетоковедущих частей установки, на которых могут оказаться напряжения, с
нулевым проводом. Данная мера защиты используется в сетях с заземлённой
нейтралью напряжением до 1000 В . Принцип работы защитного зануления
заключается в том, что при замыкании фазы на корпус занулённой электроустановки, возникающий ток короткого замыкания отключает установку от
сети.
Рассмотрим замыкание фазы четырёхпроводной сети с заземлённой
нейтралью на корпус электроустановки (рис. 7.6).
Рис. 7.6 – Схема защитного зануления.
Ток замыкания
I&З =
U& ф
Z& ф + Z& 0
,
где Z ф , Z0 - сопротивления фазного и нулевого провода, соответственно.
Значение знаменателя Z& ф + Z& 0 ~ 0, 2 Ом , поэтому в промышленной сети с
фазным напряжением 220 В значения тока замыкания I З ~ 1100 А .
Предохранители срабатывают при условии
I З = k × I ном .
Значения k и I ном – номинального тока для предохранителя – зависят от типа предохранителя. Так, для предохранителей - плавких вставок k = 3 , для
65
предохранителей-автоматов k = 1, 4 . Время срабатывания отключающих
устройств в сетях напряжением 220 В не превышает 0, 4 c .
Напряжение на корпусе электроустановки при замыкании фазы на корпус (см. рис. 7.6):
Uк = Uф ×
r0
.
Rф + r0
На практике можно считать, что r0 » 2 Rф . Тогда
2
Uк » Uф .
3
В сети 220 В значение U к » 147 B . Таким образом, касание корпуса электроустановки в случае замыкания фазы на корпус представляет угрозу для
жизни и здоровья человека, поскольку человек оказывается под напряжением
147 B в течение 0, 4 c .
В случае обрыва нулевого провода при замыкании фазы на корпус
установки напряжение на корпусе U к = U ф . Чтобы уменьшить U к при возникновении данной ситуации, применяется повторное заземление нулевого
провода (рис. 7.7).
Рис. 7.7 – Применение повторного заземления нулевого провода
Напряжение на корпусе относительно земли зависит от соотношения величин
сопротивлений заземления нейтрали и повторного сопротивления
U к¢ = U к ×
rповт
.
R0 + rповт
66
При rповт = R0 получаем
Uк
.
2
В общем случае, при использовании n повторных сопротивлений, равU к¢ =
ных сопротивлению заземления нейтрали напряжение на корпусе установки
U к¢ =
Uк
.
n +1
На практике повторные сопротивления устанавливаются с интервалом
200 м . Следует отметить, что защитное зануление обеспечивает безопасность человека только при косвенном прикосновении. Кроме того, если у части установок корпуса заземлены, а у другой части - занулены, то в этом
случае на этих корпусах может возникнуть высокое напряжение. Автоматическая защита вследствие малости тока замыкания не сработает, что создаст
угрозу для жизни человека. Одновременное заземление и зануление всех
корпусов установок не только не опасно, а наоборот, повысит безопасность,
т.к. произойдет дополнительное заземление нулевого провода.
Устройства защитного отключения.
Устройство защитного отключения (УЗО) – быстродействующая автоматическая защита, позволяющая отключить электроустановку при возникновении аварийной ситуации, а также обеспечить безопасность человека
в случае прикосновения к токоведущим частям установки или фазному проводу.
УЗО содержит две основные части:
1) Датчик, реагирующий на изменение электрических параметров
установки.
2) Исполнительное устройство, обеспечивающее отключение электроустановки от сети при получении сигнала с датчика.
УЗО может содержать также дополнительные устройства (например,
усилитель, предназначенный для усиления сигнала датчика, если он оказывается недостаточно мощным, сигнальные лампы, измерительные приборы и
др.).
К УЗО предъявляются следующим основные требования:
1) Высокая чувствительность – способность УЗО реагировать на малые изменения входной величины. Наперед установленное значение входного сигнала, при котором УЗО срабатывает, т.е. обеспечивает безопасность
человека при прикосновении к фазе или возникновения аварийной обстановки, называется уставкой.
2) Быстродействие – интервал времени, за которое произойдёт отключение электроустановки от сети, равный времени действия датчика t Д и
времени действия исполнительного устройства УЗО t ИУ :
67
tоткл = t Д + tИУ .
Значение tоткл , как правило, находится в пределах 0, 06 - 0, 2 с .
3) Селективность действия – способность УЗО отключать лишь те
объекты сети, в которых возникла опасность поражения человека током.
4) Самоконтроль – способность реагировать на неисправности в собственной схеме путём отключения защищаемого объекта.
5) Достаточная надёжность;
6) Простота исполнения.
Типы УЗО.
1) УЗО, реагирующие на потенциал корпуса. Схема УЗО данного типа
представлена на рис. 7.8. Датчиком в этой схеме служит реле напряжения РН,
исполнительным устройством – отключающая катушка ОК автоматического
выключателя. Устройства отключения данного типа применяются в сетях до
U < 1000 B независимо от вида нейтрали.
Рис. 7.8 – УЗО, реагирующие на потенциал корпуса
При замыкании фазы на заземлённый (или занулённый) корпус, на нём
возникает напряжение U К = I З × RЗ . Если это напряжение превысит напряжение срабатывания УЗО U с , то реле замкнёт нормально разомкнутый контакт
отключающей катушки. Катушка окажется подключенной к питанию и разомкнёт нормально замкнутые контакты, соединяющие установку с сетью.
Напряжение срабатывания защитного отключения при a1 = a 2 = 1 определяется следующим образом:
U с = U пр доп ×
Z& реле
Z& реле + Rвсп
68
,
где U пр доп – предельно допустимое напряжение. Напряжение уставки
U У совпадает в этом случае с U с при a 1 = a 2 = 1 . В противном случае
U с < UУ .
Достоинством УЗО, реагирующих на потенциал корпуса, является простота их реализации. Недостатками являются отсутствие самоконтроля исправности, отсутствие селективности отключения в случае присоединения
нескольких корпусов к одному заземлителю, необходимость иметь вспомогательное заземление, а также непостоянство уставки при изменениях сопротивления Rвсп . Также к недостаткам следует отнести меньшую надёжность
реле, управляемых напряжением, чем реле, управляемых током.
УЗО, реагирующие на потенциал корпуса, не защищают от прямого
прикосновения, поэтому УЗО данного типа не могут применяться как самостоятельная мера защиты от поражения человека током.
2) УЗО, реагирующие на ток замыкания. Это УЗО позволяет обеспечить безопасность человека при его прикосновении к заземленному корпусу
в момент замыкания на него фазы. Схема устройства отключения данного
типа приведена на рис. 7.9. Датчиком является реле тока РТ, имеющее малое
сопротивление и подключенное последовательно между установкой и заземляющим сопротивлением (сопротивлением нулевого провода).
Рис. 7.9 – УЗО, реагирующие на ток замыкания
При замыкании фазы на корпус ток, стекающий в землю, если он превышает ток срабатывания реле I c , вызывает отключение установки от сети.
В данном случае при a1 = a 2 = 1
I уст = I c
I=з.доп
69
U пр доп
=
.
Z& реле + Rз
Достоинствами данных устройств является простота конструкции, относительно высокая надёжность токового реле, а также селективность отключения при отсутствии металлической связи между защищаемыми корпусами. Недостатками являются отсутствие самоконтроля исправности и выход
из строя при обрыве заземляющего проводника.
Данные УЗО могут применяться в сетях с любым видом нейтрали
напряжением до 1000 В . Тем не менее, область использования их довольно
узка, т.к. корпуса электроустановок, как правило, имеют связь через металлические конструкции зданий и сооружений, что не позволяет обеспечивать
селективность. УЗО данного типа способно защитить лишь от косвенных
прикосновений. Поэтому устройства отключения, реагирующие на ток замыкания на землю, используются в качестве дополнительных мер защиты и
активно применяются в электроинструментах и переносных лампах.
3) УЗО, реагирующие на напряжение нулевой последовательности.
Данный тип устройств защитного отключения применяется в непротяженных
сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В . Такие УЗО срабатывают при замыкании фаз на землю или на заземленный корпус. Датчиком является фильтр нулевой последовательности. Схема УЗО рассматриваемого типа приведена на рис 7.10. В качестве фильтра нулевой последовательности напряжения применяются три конденсатора (могут применяться и
другие устройства, например трансформаторы, резисторы и т.д.).
Рис. 7.10 – УЗО, реагирющие на напряжение
нулевой последовательности
70
При нормальной работе суммарное напряжение фаз – напряжение нулевой последовательности U& 0 = U& A + U& B + U& C = 0 . При замыкании фаз на
землю напряжение нулевой последовательности не равно 0. Реле напряжения
срабатывает, когда абсолютное значение напряжения U& 0 превысит порог
срабатывания устройства U с . При замыкании на землю одной фазы
U с = U ф ; при замыкании двух фаз U с = 0,5U ф при Z p Z ф .
Достоинствами УЗО, реагирующего на напряжение нулевой последовательности, является простота его схемы и надёжность срабатывания при замыканиях на землю.
Недостатками являются возможность ложных отключений при больших сопротивлениях реле и фильтров, отсутствие самоконтроля исправности
и селективности срабатывания. Также данное устройство является нечувствительным к одновременному симметричному изменению напряжений
U& A , U& B и U& С . УЗО, реагирующие на напряжение нулевой последовательности, защищают лишь от косвенного прикосновения, и применяются в качестве дополнительных мер защиты.
4) УЗО, реагирующие на ток нулевой последовательности . Схема данного типа устройств представлена на рис. 7.11. УЗО, реагирующие на ток
нулевой последовательности, могут применяться в сетях с любым напряжением независимо от вида нейтрали, но наиболее широко используются в 3-х
фазных сетях с заземлённой нейтралью.
Рис. 7.11 – УЗО, реагирующие на ток
нулевой последовательности
При нормальной работе сети сумма токов, проходящих по фазным проводам сети, а, следовательно, и ток нулевой последовательности через реле,
равны нулю:
I&0 = I&A + I&B + I&C = 0 , I p = 0 .
71
При возникновении аварийной ситуации, например при замыкании фазы на землю или прикосновении человека к фазе, возникает асимметрия проводимостей фаз относительно земли, в результате чего ток I&0 становится отличным от нуля. Этот ток, достигнув порога срабатывания реле, вызовет отключение защищаемого участка сети от источника питания. Уставкой в этом
случае будет ток нулевой последовательности I ОУ , определяемый как
I ОУ =
U пр.доп
I ОУ =
U пр.доп
rк
при прикосновении человека к заземленному корпусу, или
при прикосновении человека к токоведущим частям
Rh
(при a1= a 2= 1 ).
Достоинствами УЗО, реагирующим на ток нулевой последовательности, являются способность обеспечить безопасность человека при прикосновении к фазному проводу сети, находящемуся под рабочим напряжением,
независимость работы устройства от сопротивления заземления и сопротивления нулевого проводника, селективность отключения (УЗО ставится непосредственно перед защищаемой установкой).
Недостатками являются нечувствительность к симметричным изменениям фазных токов, а также отсутствие самоконтроля исправности. Однако
следует отметить, что симметричные изменения фазных токов возможны
сравнительно редко.
5) УЗО, реагирующие на дифференциальный ток. Близким по принципу
действия к УЗО, реагирующим на ток нулевой последовательности, является
УЗО, реагирующие на дифференциальный ток. В качестве примера рассмотрим двухполюсные УЗО, реагирующие на дифференциальный ток. Устройство подключено к четырёхпроводной сети с заземлённой нейтралью (рис.
7.12).
72
Рис. 7.12 – Двухполюсное УЗО
При нормальной работе исправной установки векторы токов, протекающих
в обмотках w1 и w2 , направлены встречно и равны между собой:
ìw1 = w2 , I1 = I 2 ,
í
î| F1=| | F 2 |, DF = 0,
где F i - соответствующий магнитный поток. В аварийной ситуации DF ¹ 0
- возникает ЭДС самоиндукции E = -w0
dF
а, следовательно, и дифференdt
циальный ток. Если значение этого тока превысит значение тока срабатывания реле РТ, то УЗО сработает и отключит установку от сети.
6) УЗО, реагирующие на оперативный ток. Достоинствами данного
типа УЗО являются обеспечение высокой степени безопасности человека в
случае как прямого, так и косвенного прикосновения, а также возможность
самоконтроля исправности. Недостатками являются сравнительная сложность, не селективность работы и ограниченность применения: данные УЗО
применяются в коротких сетях (сетях с относительно небольшими значениями емкостной проводимости) с изолированной нейтралью.
Средства защиты от поражения электрическим током.
Средства защиты от электрической опасности подразделяются на основные и дополнительные.
1) Основные – средства защиты с изоляцией, способной длительно выдерживать рабочее напряжение. В электроустановках напряжением до
73
1000 В к основным средствам защиты относятся: изолирующие и электроизмерительные клещи, указатели напряжения, диэлектрические перчатки,
слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками. В электроустановках напряжением свыше 1000 В – изолирующие штанги, указатели
напряжения, изолирующие устройства и приспособления для работ на воздушных линиях с непосредственным прикосновением к токоведущим частям.
2) Дополнительные – не обладают вышеуказанной изоляцией и способны усиливать защитное действие основных средств. К дополнительным
средствам защиты в электроустановках напряжением до 1000 В относятся:
диэлектрические галоши и ковры, переносные заземления, изолирующие
подставки и накладки, плакаты и знаки безопасности, оградительные устройства. В электроустановках напряжением свыше 1000 В – диэлектрические
перчатки, боты, ковры, индивидуальные экранирующие комплекты, изолирующие подставки и накладки, переносные заземления, оградительные
устройства, плакаты и знаки безопасности.
Лекция 8-9. Характеристики электромагнитных излучений (ЭМИ).
Естественные источники ЭМИ. Искусственные источники ЭМИ. Электромагнитные поля человека. Воздействие ЭМИ на человека. Нормирование
ЭМИ. Защита от воздействия ЭМИ.
Основные характеристики электромагнитных излучений.
Электромагнитные излучения (ЭМИ) представляют собой электромагнитные волны, существование которых было предсказано шотландским физиком Дж. Максвеллом. экспериментально подтвержденным в 1887 году
Генрихом Герцем. В простейшем для ЭМИ справедливо соотношение
a = A sin (w × t + j ) , где A – амплитуда колебаний, w = 2p f - круговая частота
колебаний (f – частота, измеряемая в герцах (Гц)), j - начальный фазовый
сдвиг. ЭМИ – вид материи, представляющей собой совокупность изменяющихся во времени электрических и магнитных полей. Поля связаны между
собой непрерывным взаимным превращением, происходящим в процессе
движения ЭМИ. Длина волны l определяется в общем случае соотношениc
ем l =
, где c = 3 ×108 м/с – скорость света, e - относительная диэлекf em
трическая проницаемость, m относительная магнитная проницаемость. В
c
воздухе l = . По частоте ЭМИ делятся на ряд диапазонов, приведенных в
f
таблице 1 (также приведены названия диапазонов и источники, области применения этих ЭМИ).
Таблица 1.
74
Наименова- Граница
NN Наимено- Границы
п/п вание ди- диапазона ние
вида диапазона
волн
апазона
частот
Источники излучения или область
применения
1.
Крайне
низкие
(КНЧ)
3 – 30 Гц
2.
Сверхнизкие
(СНЧ)
30–300 Гц Мегаметровые
10–1 Мм
Преобразователи
энергии, электрооборудование, источники энергии,
станки, электроинструмент, бытовая техника
3.
Инфранизкие
(ИНЧ)
0,3–3кГц
Гектокилометровые
1000–100
км
Источники энергии,
электроинструмент, бытовая
техника ламповые
генераторы
4.
Очень
низкие
частоты
(ОНЧ)
3–30 кГц
Мириаметровые
100–10 км
Радионавигация,
радио-телефонная
связь, подвижная
связь
5.
Низкие
частоты
(НЧ)
30–
300кГц
Километро- 10–1 км
вые (длинные)
Радионавигация,
многопрограммное
радиовещание, подвижная и
фиксированная
связь
6.
Средние
частоты
(СЧ)
0,3–3 МГц Гектометро- 1–0,1 км
вые
(средние)
Радионавигация,
воздушная, морская, сухопутная и
железнодорожная
радиосвязь, радиолокация, космические исследования
Декамегаметровые
75
100–10Мм Преобразователи
энергии, электрооборудование, источники энергии
7.
Высокие
частоты
(ВЧ)
3–30 МГц
100–10 м
Декаметровые (короткие)
Подвижная связь,
метеорология,
охранная сигнализация,
служба
космических исследований
8.
Очень
высокие
частоты
(ОВЧ)
30–300
МГц
Метровые
10–1 м
Телевидение, метеорология,
подвижная
радиосвязь,
радиоастрономия, ж/д и
с/х
радиосвязь,
служба космических исследовний
9.
Ультра-
0,3–3 ГГц
Дециметровые
1–0,1 м
Телевидение, метеорология,
радиолокация, сотовая связь, радиоастрономия, спутниковая
связь,
служба космических исследований
высокие
частоты
(УВЧ)
10.
Сверхвы- 3–30 ГГц
сокие частоты
(СВЧ)
Сантиметровые
10–1 см
Спутниковое телевидение, радиолокация, спутниковая связь, радионавигация,
радиоастрономия,
служба космических исследований
11.
Крайне
высокие
частоты
(КВЧ)
Миллиметровые
10–1 мм
Радиоастрономия,
радиолокация, радионавигация,
служба космических исследований, спутниковые
службы
30–300
ГГц
76
ЭМИ частот от 3 Гц до 300 ГГц относят к радиочастотному диапазону, а ЭМИ частот свыше 300 МГц носят общее название – СВЧ излучения.
В однородных и изотропных средах электромагнитная волна распространяется прямолинейно. А при наличии препятствий с размерами соизмеримыми с длиной волны она огибает это препятствие (явление дифракции). Для
электромагнитных волн характерно также явление интерференции.
В качестве основных характеристик ЭМИ используют также: напряженность электрического поля, которое возникает около любого электрического заряда, E, измеряемая в вольтах на метр. Под напряженностью электрического поля понимают силу, действующую на единичный заряд q:
r
r FæВö
E=
ç ÷ . Электромагнитную волну (поле (ЭМП)) характеризует также
q è мø
напряженность магнитного поля H, измеряемая в амперах на метр (А/м)
или магнитную индукцию B, измеряемую в теслах (1 мкТл=0,8 А/м). Под
r
напряженностью H понимают силу F , с которой магнитное поле в вакууме
действует на проводник длиной 1 м с протекающим по нему током в 1 А,
расположенный перпендикулярно к направлению поля. Магнитная индукция B учитывает магнитные свойства среды и связана с напряженностью H
r
r
соотношением B = m m H , где m 0 = 4p ×10-7 Гн / м - магнитная постоянная,
о
учитывающая свойства вакуума; m - относительная магнитная проницаемость (в вакууме и воздухе m = 1 ).
Напряженности электрического и магнитного полей изменяются в
пространстве по различным законам, в зависимости от расстояния до источника излучения. С этой точки зрения различают ближнюю зону излучения (зона индукции) и дальнюю (волновую) зону (рис.8.1)
77
Рис.8.1. Зоны излучения.
. Зона индукции в зависимости от расстояния R определяется соотношением R l / 2p , а волновая зона из условия R l / 2p . В ближней зоне
напряженность электрического поля обратно пропорциональна кубу расстояния до источника. А напряженность магнитного поля – квадрату расстояния. Если размеры источника излучения (антенны) сравнимы с длиной
волны, то граница волновой зоны рассчитывается по формуле R = 2L2 / l ,
макс
где Lмакс - максимальный размер антенны. В волновой зоне в качестве основной характеристики используют плотность потока энергии (ППЭ), измеряемую в ваттах на квадратный метр и определяемую соотношением
PG æ Вт ö
ППЭ =
ç 2 ÷ , где G - коэффициент направленного действия антенны.
4p R 2 è м ø
Это соотношение позволяет рассчитать плотность потока энергии в произвольной точке пространства, расположенной на расстоянии R от источника.
Плотность потока энергии можно также измерить на рабочем месте, котоP
Вт
рая в данном случае будет определяться соотношением ППЭр. м. = изм æç 2 ö÷ ,
S эффh è м ø
где Pизм - измеряемая мощность на рабочем месте, S
- эффективная
эфф
площадь антенны измерителя, h - коэффициент преобразования измерителя.
78
Естественные источники ЭМИ.
Жизнь живых существ на Земле проходит под непрерывным воздействием электромагнитных полей различного частотного диапазона. Это могут быть поля естественного происхождения: электрическое и магнитное поля Земли, электрические поля, образуемые в ее атмосфере, радиоизлучение
Солнца и галактик. Магнитные поля (МП) в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Средняя напряженность МП на поверхности Земли составляет около 40 А/м (индукция МП - 5·10–5 Тл). На поверхности Земли вертикальная составляющая
индукции МП достигает максимума на магнитных полюсах, составляя примерно 6,02 × 10 -5 Тл (напряженность 49 А/м) в районе северного магнитного
полюса; 7,03 × 10 -5 Тл (напряженность 57,2 А/м) в районе южного магнитного
полюса и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная составляющая
достигает максимума на магнитном экваторе, составляя около 4,0 × 10 -5 Тл
(напряженность 32,6 А/м), и равна нулю на магнитном полюсе. Многолетние
измерения напряженностей МП Земли показали, что все они не остаются постоянными ни в пространстве, ни во времени. Эти изменения напряженности
МП Земли называются вариациями. Медленные изменения МП, происходящие в промежутке времени от 100 лет и более, называются вековыми вариациями. Спектр наблюдаемых вариаций МП Земли показывает, что основная
часть вариаций имеет период порядка 10 тысячи лет. Амплитуда вековых вариаций в среднем составляет 5,0·10―8 Тл. Южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен в Северной
Гренландии. Его координаты 78° северной широты, 70° западной долготы.
Координаты северного магнитного полюса - 75 0 южной широты, 120 0 восточной долготы (в Антарктиде). В результате вековых вариаций геомагнитный полюс смещается относительно географического полюса с периодом
около 1200 лет. На больших расстояниях от Земли ее МП несимметрично.
Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) МП
Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который
простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны. Происхождение МП Земли связывают с конвективными движениями проводящего
жидкого вещества в земном ядре. Собственное МП Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие основные части:
79
1. Основное МП Земли, испытывающее медленные изменения во
времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет.
2. Мировые аномалии ― отклонения от эквивалентного диполя до
20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до
10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие
к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская.
3. МП локальных областей внешних оболочек с протяженностью
от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко
к поверхности. Одна из наиболее мощных ― Курская магнитная аномалия.
4. Переменное МП Земли (называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и ее атмосферы. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки намагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и
форму земной магнитосферы.
Структура МП земной атмосферы. МП Земли находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного МП, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы
постоянно меняются, и возникает переменное МП, определяемое внешними
источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы
до магнитопаузы. Изменения МП Земли во времени, вызванные различными
причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются
как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.
Магнитосфера ― область околоземного космического пространства,
контролируемая МП Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и МП Земли..
Солнечный ветер ― истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.
80
Магнитная буря. Локальные характеристики МП изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто
начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.
Геомагнитные вариации. Изменение МП Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями - разность между наблюдаемой величиной напряженности МП и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или
год. Различают следующие основные вариации:
Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.
Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации МП возникают
вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а также изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.
27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция
к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней,
соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных
областей на Солнце, наблюдаемых в течение нескольких оборотов Солнца.
Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.
11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности.
Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных
пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту
солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.
Радиационные пояса и космические лучи. Радиационные пояса Земли
– две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю. В них сосредо
точены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным
МП Земли. МП Земли оказывает сильное влияние на электрически заряжен81
ные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть
два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е.
энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов,
приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных
частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем. Геомагнитное поле экранирует
поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного
ветра и частично космических лучей. В околоземном пространстве МП Земли образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий и
образует радиационный пояс Земли.
Помимо магнитных полей Земля характеризуется наличием электрических полей различного уровня и диапазонов частот. Электрические поля существуют в атмосфере и характеризуют ее состояние. Изменение потенциала околоземного электрического поля (ЭП) в зависимости от высоты различно в разное время года и для разных местностей и имеет напряжённость в
среднем вблизи земной поверхности около 130 В/м. По мере подъема над
Землей это поле быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряжённость его
равна только 40 В/м, а на высоте 9 км составляет уже величину 5 В/м. Годовые изменения напряженности электрического поля Земли максимальны зимой (150 – 250 В/м в январе – феврале) и минимальны летом (100 – 120 В/м).
Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в 0,5 × 10 6 Кл. Этот заряд поддерживается приблизительно
неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне её.
Положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли,
находится на высоте от 100 до 200 км и представляет собой слой положительно заряженных (ионизированных) молекул ионосферы. Линии земного
электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли. Емкость такого
конденсатора оценивается примерно в 0,02…0,03 фарады.
Из атмосферного электричества наиболее опасным для человека являются разряды молний, которые создают электромагнитные поля (ЭМП), назы
ваемые атмосфериками. Частотный диапазон атмосфериков – от сотен Гц до
десятков МГц, а их уровень электрической составляющей ЭМП максимален
на частоте 10 кГц и может достигать величины несколько десятков кВ/м.
Наибольшая интенсивность атмосфериков характерна для континентов тропического пояса и убывает к более высоким широтам. Во время вспышек на
82
Солнце атмосферики усиливаются. Следует также отметить, что поскольку
разряды молнии стремятся достигнуть Земли по пути наименьшего сопротивления, то попадают в самую верхнюю точку предметов, имеющих контакт
с Землей (деревьев, строений и т.д.). Поэтому заземленный молниеотвод,
находящийся выше защищаемых объектов, принимает весь удар на себя,
предотвращая, таким образом, строения и людей от поражения молнией.
Кроме вышеупомянутых, к естественным источникам ЭМИ следует
отнести излучения Солнца и галактик радиочастотного диапазона (10 МГц –
10 ГГц), уровень которых составляет 10-10 - 10-8 Вт/ м 2 × МГц . Во время активизации солнечной деятельности излучение возрастает в несколько десятков
раз и, соответственно, может оказывать влияние на самочувствие человека.
1.3. Искусственные источники ЭМИ.
Кроме естественных, к настоящему времени создано множество искусственных источников электромагнитных полей, уровень которых может
существенно превышать поля естественного происхождения. Эти источники
условно можно поделить на две группы:
- источники, генерирующие излучения диапазонов КНЧ, СНЧ и ОНЧ
(до 30 кГц). К ним относятся линии электропередач, трансформаторные подстанции, железнодорожный, городской электротранспорт и др.;
- источники, генерирующие ЭМИ в радиочастотном диапазоне (30 кГц
– 300 ГГц). Это радиопередающие и радиоприемные устройства различного
назначения (радиолокаторы, телевидение, мобильная связь и т.д.), измерительная, медицинская аппаратура, промышленные установки ВЧ диапазона и
др.
Как было сказано выше, уровень ЭМИ, создаваемый искусственными
источниками, может быть весьма значительным и превышать уровни ЭМП,
создаваемые естественными источниками. Следует также учитывать, что целый ряд источников находится в непосредственной близости от человека.
Так, для линий электропередач (ЛЭП) напряжением 330 кВ у опоры создается электрическое поле напряженностью в диапазоне 1 – 50 кВ/м и магнитное
поле с индукцией 8 – 80 мкТл. Для ЛЭП напряжением 1150 кВ напряженность электрического поля на расстоянии 100 м от оси линии составляет величину 0,5 кВ/м. Во влажную погоду напряженность поля возрастает вслед83
ствие увеличения концентрации ионов вблизи ЛЭП. Длительное пребывание
человека в условиях высоких уровнях электрических полей ( свыше 15 кВ/м)
вызывает функциональные расстройства. Особую обеспокоенность вызывает высокий уровень магнитных полей, в первую очередь в жилых зданиях.
Тем более, что внешнее магнитное поле в них не экранировано, а его индукция (для кабелей электропитания подъезда дома) может достигать значения
до 20 мкТл (предельно допустимый уровень, принятый в Швеции равен 0,2
мкТл). Значительные уровни электромагнитных полей возникают при использовании бытовой аппаратуры. Так на расстоянии 0,2 м уровень МП от
электроплиты, электрического утюга, электрочайника, электропроводки, холодильника достигает 0,2 – 0,6 мкТл. Наибольшее магнитное поле возникает
при пользовании электрической бритвой – несколько сотен мкТл.
Высокий уровень магнитного поля создается в электротранспорте. Так
во время стоянки в кабине водителя трамвая зафиксировано поле с индукцией до 40 мкТл. Величина магнитного поля увеличивается при разгоне или
торможении. Так, на платформе метрополитена при прибытии или отправления поезда возникает магнитное поле с индукцией до 400 мкТл, а при его
движении – до 150 мкТл. При разгоне троллейбуса поле может достигать величины 1200 мкТл. Такие же магнитные поля образуются при движении
трамваев, пригородных электропоездов.
ЭМИ радиочастотного диапазона, создаваемые искусственными источниками могут также достигать очень больших значений. При работе установок диэлектрического нагрева с выходной мощностью до 30 кВт в диапазоне
3 – 100 МГц электрическая составляющая поля составляет величину до 100
В/м. Существенные ЭМП возникают при
работе
радиопередающих
устройств. Так при работе радиопередатчика ДВ диапазона мощностью 100
кВт и более на расстоянии от 100 до 1000 м возникает ЭМП с электрической
напряженностью 10 – 300 В/м. При работе КВ радиостанции мощностью 5
кВт величина напряженности электрического поля на расстоянии 25 – 80 м
составляла 1-60 В/м. Следует отметить, что городская застройка существенно
влияет на уровень ЭМП. Так, в кирпичных зданиях уровень ЭМП ослабляется в 2-5 раз. Еще большее ослабление будет в железобетонных зданиях. На
уровень ЭМП существенное влияние будет оказывать направленность излучения, т.е. ее диаграмма направленности, а также высота расположения антенны. Вышеуказанные источники, как правило, находятся на значительном
84
расстоянии от жилых зданий, а возникающие поля в ряде случаев воздействуют незначительное время на окружающую среду.
В последние десятилетия значительно увеличилось число используемых устройств, работающих в СВЧ диапазоне, как персоналом, так и населением. Это в первую очередь устройства мобильной связи частотных диапазонов 900 и 1800 МГц. А также компьютеры (тактовая частота несколько ГГц),
микроволновые печи (2450 МГц), радары (до 100 ГГц), космическое телевидение, медицинская и измерительная аппаратура и др. Несмотря на невысокую мощность, излучаемую мобильными телефонами (до 2-х Вт), эффект
воздействия СВЧ ЭМП на организм человека может быть весьма значительным. Это связано с тем, что телефон находится в непосредственной близости от головы человека. Кроме того, время воздействия излучения может
быть достаточно длительным при частом пользовании телефоном. Следует
отметить, что излучаемая мощность возрастает при удалении от базовой
станции, а также при плохих условиях приема, например, в экранированном
помещении (телефон работает в режиме максимальной мощности). Несколько меньшим уровнем излучения обладают телефоны, работающие в диапазоне 1800 МГц (GSM – 1800), по сравнению с более НЧ диапазонами. Сами
базовые станции представляют определенную опасность для населения при
их расположении на крышах жилых зданий. Другие бытовые СВЧ устройства
(компьютеры, микроволновые печи), как правило, не оказывают вредного
воздействия вследствие либо малых мощностей, либо малого времени воздействия и большого расстояния от объекта облучения. Высокую выходную
мощность имеют радиолокационные станции (РЛС). Например, обзорные
радиолокаторы, расположенные вблизи населенных пунктов, могут создавать
на расстоянии до 5 км СВЧ ЭМП с уровнем до нескольких сотен мкВт/кв.см.
Однако их расположение, кроме РЛС, расположенных на судах и самолетах,
позволяет избежать облучения населения и персонала СВЧ ЭМП. Следует
также учитывать, что при расположении СВЧ источников в небольших помещениях вследствие отражений и явления интерференции могут возникать
в пространстве пучности ЭМП. И, следовательно, в некоторых точках пространства уровень СВЧ ЭМП может превышать допустимый.
1.4. ЭМП человека.
ЭМП человека создаются различными источниками - сердцем, мозгом,
центральной нервной системой и другими органами. Создаваемые поля мо85
гут значительно отличаться по частоте. Это могут быть ЭМП низкочастотного диапазона от 1 до 1000 Гц. А могут принадлежать СВЧ и ИК диапазонам. Интенсивность этих полей, особенно, в СВЧ и ИК диапазонах очень мала, что приводит к необходимости разработки специальных методов измерений. Генерация ЭМП в НЧ диапазоне осуществляется в биологических мембранах. Уровень сигнала составляет несколько милливольт. Следует отметить, что ЭМП образующееся в больных органах, отличается от ЭМП здоровых органов. Люди – экстрасенсы, обладающие высокой чувствительностью
к изменениям ЭМП, используют свои возможности для проведения диагностики и последующего лечения.
1.5 Воздействие ЭМИ на организм человека.
Первые сведения о вредном воздействии ЭМП появились с началом создания и эксплуатации КВ и УКВ передатчиков (30-тые годы). Обслуживающий персонал жаловался на головную боль, сонливость, ослабление памяти, выпадение волос и другие функциональные расстройства. Отмечалось и
повышение температуры до 38-400С. Следует отметить, что на начальном
этапе исследования влияния ЭМП на организм человека основное внимание
уделялось тепловому воздействию. При облучении электромагнитным полем
живого организма часть его энергии проникает в поверхностные ткани, что
приводит к колебанию содержащихся в них ионов и дипольных молекул воды. Ионы тканей под воздействием электромагнитного поля приходят в движение, т. е. в тканях возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся
тепловым эффектом. На частотах свыше 100 кГц возрастает поляризация молекул, что приводит к появлению токов смещения. Этот эффект усиливается
с повышением частоты и становится преобладающим на частотах 1–10 ГГц.
Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию. Количество тепла, выделяемое в теле человека при частотах
ниже 300 МГц, связано с составляющими электрического и магнитного полей соотношениями:
Q = 2 ×10-20 rср f 2 E 2 , кал / мин ,
E
Q = 2 ×10-16 rср f 2 H 2 , кал / мин ,
H
где rСР - среднее удельное сопротивление тканей человека.
86
Поглощенная энергия W на частотах свыше 300 МГц зависит от эффективной поверхности тела S, плотности потока энергии, падающей на эту
поверхность (ППЭ), расстояния r, пройденного волной от поверхности кожи
в глубь тела, коэффициента отражения от границы сред (воздух–кожа, кожа–жир, кожа–мышцы) g и приближенно описывается соотношением:
-r
W = ППЭ × S (1 - g ) × t × e x , Дж,
где x–глубина проникновения до ослабления в e раз, t – время воздействия.
Следует отметить, что поскольку эффективная поверхность тела, глубина
проникновения x и коэффициент отражения сильно зависят от частоты, то
поглощенная энергия СВЧ поля также будет определяться частотным диапазоном. Примерные значения коэффициентов g и c приведены в таблицах 1 и
2.
Таблица 1.
l , см
g , кожа-жир
10
300
0,19
0,34
Таблица 2.
λ, см
Глубина проникновения
c в мышечную ткань, см
30 – 100
1,5 – 2,3
3 – 30
0,13 – 1,5
Наибольшее поглощение наблюдается при длинах волн 10–30 см (до 100 %).
Однако, хотя и поглощение энергии при длинах волн 30–100 см несколько
меньше (30–40 %), вред может быть нанесен больший, так как воздействию
подвергаются в этом случае внутренние органы вследствие более глубокого
проникновения излучения в тело человека. Наибольшему тепловому воздействию СВЧ полей подвержены органы человека, обладающие наилучшей поглощающей способностью и наихудшим теплоотводом, например, спинной и
головной мозг, семенники, глаза.
Однако влияние на живой организм электромагнитных полей СВЧ обнаруживается и при интенсивностях, существенно ниже тепловых порогов
(100 Вт/м2 в СВЧ диапазоне и 4 Вт/кг веса в остальных диапазонах). Длительное и систематическое воздействие ЭМП различных частотных диапазо87
нов на обслуживающий персонал даже с малыми интенсивностями приводит
к функциональным изменениям в организме. Наблюдались повышенная
утомляемость, головная боль, расстройство сердечно – сосудистой и пищеварительной систем. Эти изменения связаны с электрическими микропроцессами, протекающими в организме под воздействием полей. Так, например,
эритроциты и лейкоциты крови выстраиваются в цепочки, вытянутые параллельно силовым линиям поля. Поляризуются и ориентируются по силовым
линиям поля боковые цепи макромолекул тканей и т. д. В результате может
происходить разрыв межмолекулярных связей, нарушаться структура и
функции тканей, их химический состав. Эти изменения наибольшим образом
связаны с тканями периферической и центральной нервных систем. Нарушаются нервные связи в организме, даже изменяется структура нервных клеток. Это приводит к нарушению ранее выработанных условных рефлексов,
изменению характера и интенсивности физиологических, биологических
процессов в организме, нервной регуляции сердечно-сосудистой системы и
т.д. Вследствие этого, замедляется пульс (брадикардия), понижается кровяное давление (гипотония), изменяется состав крови. Кроме того, появляется
головная боль, нарушается сон, повышается раздражительность. При облучении глаз возможна катаракта (помутнение хрусталика глаза). Степень воздействия электромагнитных полей СВЧ зависит от интенсивности облучения, его длительности, диапазона частот, формы сигнала, режима облучения
(непрерывного, импульсного), коэффициента направленного действия излучателя, расстояния от источника и индивидуальной чувствительности организма.
Исследования в области биологического действия ЭМП показали, что
наиболее чувствительными к его воздействию являются мозг, центральная
нервная система, половая, иммунная. Особенно актуальным стал вопрос о
воздействии СВЧ ЭМП в последние десятилетия в связи активным развитием
мобильной связи. При пользовании мобильным телефоном его ЭМИ проникает в голову человека и оказывает воздействие на мозг. И хотя в настоящее
время не представляется возможным определить степень риска, наносимого
излучением мобильных телефонов взрослым пользователям, следует учесть
целый ряд факторов при облучении головы человека. Очевидный наибольший вред излучение мобильного телефона наносит детям (до 15 лет), поскольку у них не сформирована окончательно черепная коробка, ослабляющая ЭМИ. Величина энергии СВЧ ЭМП, воздействующей на мозг, зависит от
88
электрических свойств черепной коробки, размеров и структуры мозговой
ткани, направления падения, поляризации электромагнитной волны и т.д.
При облучении мозга возможны резонансные явления, поскольку организм
человека, в том числе и мозг, содержит множество колебательных систем.
Колебательный контур может быть образован в первом приближении липидной мембраной (емкость) и петлями кровеносных сосудов (катушки индуктивности). Ориентировочные расчеты показывают на возможное совпадение
собственных частот и внешнего воздействия. Следует также учесть, что
спектр излучения мобильного телефона кроме СВЧ колебаний содержит
также акустические колебания инфразвукового и звукового диапазонов (0 –
20000 Гц). В том числе содержатся колебания на частотах 0,5 – 3,5 Гц, 8 – 13
Гц, 14 – 35 Гц, т.е. соответствующие дельта, альфа и бета ритмам мозга. При
изменении интенсивности колебаний внешних источников на этих частотах
при наличии резонанса возможно нарушение функционирования соответствующих систем организма вплоть до летального исхода.
За последнее время согласно данным статистики увеличилось число
родившихся детей с различными патологиями. Кроме того, возникают случаи
смертей людей без всяких видимых причин. Одной из гипотез, объясняющих
эти случаи, является гипотеза о волновой природе гена. Развитие организма
происходит по программе, заложенной в генном аппарате, и управляется с
помощью волновых процессов. При наличии значительного внешнего электромагнитного фона возможно существенное изменение управляющих сигналов и, соответственно, отклонение от заданной программы. Вследствие чего возникает нарушение естественного развития организма.
Информацию о собственных ЭМП человека можно получить, как показано в ряде работ, с помощью аппаратуры, выполненной на основе эффекта
Кирлиан. При приложении высоковольтного импульса к рукам человека вокруг его пальцев возникает свечение, форма которого зависит от ЭМП, генерируемого конкретным органом. По форме свечения можно определять состояние органа или функциональной системы человека, поскольку собственное ЭМП различных органов и систем человека зависят от их состояния.
1.5. Нормирование ЭМИ.
Под нормированием можно понимать установление такого уровня
опасного или вредного фактора при воздействии которого не возникает от89
клонений в состоянии здоровья , обнаруживаемого современными методами
в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Нормирование ЭМИ представляет очень большую проблему по целому ряду причин.
Во-первых, в отличие от других опасных и вредных факторов, например,
электрического тока или шума затруднительно определить вредное воздействие исключительно ЭМП. Во-вторых, сложно выбрать критерий, по величине которого можно считать воздействие ЭМП наносящим ущерб з доровью
человека. Первоначально предельно допустимым уровнем в диапазоне частот от 10 МГц до 100 ГГц было предложено считать величину ЭМИ, при
котором возникает повышение температуры облучаемого объекта или участка не более, чем на 1оС. Этому условию соответствовала величина ППЭ в
100мВт/см2. Однако, впоследствии учитывая нетепловое воздействие ЭМИ
это значение существенно уменьшили. В настоящее время для большинства
зарубежных стран предельно допустимые уровни ППЭ находятся в пределах
1 – 10 мВт/см2. Для предупреждения профессиональных заболеваний в нашей
стране установлены предельно допустимые значения ППЭ для персонала
предприятий и для населения согласно ГОСТ 12.1.006–84, СанПиН
2.1.8/2.2.4.1383-03 и СанПиН 2.1.8/2.2.4.1191-03. Предельно допустимую
в СВЧ диапазоне на рабочих местах устанавливают, исходя из доППЭ
доп
пустимого значения энергетической экспозиции ЭЭ
и времени пребывадоп
ния в зоне облучения. Однако во всех случаях она не должна превышать 10
Вт/м2 для персонала или 0,1 Вт/м2 для населения. При наличии рентгеновского излучения или высокой температуры воздуха в рабочих помещениях
(выше 28ОС) предельно допустимая ППЭ не превышает 1 Вт/м2. Предельно
допустимая ППЭ
в зависимости от времени определяется по формуле
ЭЭ
доп , где ЭЭдоп– нормированное значение допустимой энергетиT
ческой экспозиции, равное 2 Вт× час/м2 для всех случаев облучения, исключая облучение от вращающихся и сканирующих антенн, и 20 Вт× час/м2 для
облучения от вращающихся и сканирующих антенн, T – время пребывания в
зоне облучения, час. Однако, как было сказано выше, запрещена работа без
применения защитных средств при превышении ППЭ 10 Вт/м2 . Вышеприведенное соотношение можно использовать для определения допустимого времени работы при заданной ППЭ на рабочем месте: T
.
= 2 / ППЭ
доп
зад
ППЭ
доп
=
90
В низкочастотной части радиочастотного диапазона нормирование
ЭМИ происходит по оставляющим напряженностей электрического и магнитного полей. Ниже в таблице приведены их допустимые значения согласно
ГОСТ 12.1.006-84.
Таблица 3.
Частота
E (В/м)
H (А/м)
60 – 3000 кГц
50
5
3 -- 30 МГц
20
-
30 – 50 МГц
10
0,3
50 – 300 МГц
5
-
Для населения допустимые значения полей в 2 – 2,5 раза ниже. Для
расчета безопасного времени работы в этом случае также используют значения энергетической экспозиции:
ЭЭE = E 2T (В2час/м2) ; ЭЭH = H 2T (А2час/м2)
Предельно допустимые значения энергетической экспозиции приведены в таблице 2.
Таблица 4.
Диапазон частот
Предельно допустимая энергетическая экспозиция
По эл. состав-й (В/м)2ч
По маг. состав-й (А/м)2ч
30 кГц – 3 МГц
20000
200
3 – 30 МГц
7000
-
30 – 50 МГц
800
0,72
50 – 300 МГц
800
-
.
91
При облучении от нескольких источников должны соблюдаться соотношения:
æ ЭЭi
çç
å
i = 1 è ЭЭпду
ö
÷÷ £ 1;
ø
æ Ei
ç
å
ç
i = 1 è Eпдуi
2
n
n
n æ
ö
H
÷÷ + å çç i
ø i = 1 è H пдуi
2
ö
÷÷ £ 1.
ø
Для электростатических полей допустимое значение напряженности
определяется согласно ГОСТ 12.1.045-84 по формуле:
Едоп = 60 / t (кВ/м),
где t – время воздействия не более 9 час. Для постоянных магнитных
полей согласно СН 1742-77 напряженность Hдоп не должна превышать 8 кА/м
в течение всей рабочей смены.
Для полей промышленной частоты предельно допустимое значение Eljg
составляет величину 5 кВ/м при работе в течение всей рабочей смены. Время
работы при больших напряженностях электрического поля E рассчитывается
50
- 2(час.) . При непрерывном воздействии магнитного
по формуле: t =
E
поля промышленной частоты напряженность H не должна превышать величины 1,4 кА/м при 8-ми часовом рабочем дне.
В заключение можно привести допустимые значения параметров ЭМП
для некоторых устройств бытового назначения. Для микроволновых печей,
сотовой связи ППЭдоп=1Вт/м2. Интересен допустимый параметр, который
используется на Западе для мобильной связи: коэффициент SAR – удельная
поглощаемая мощность. Максимально допустимое значение SAR в Америке
равно 1,6 Вт/кг, для Европы – 2 Вт/кг.
1.6. Защитные меры от воздействия ЭМИ.
При несоответствии уровня ЭМП на рабочем месте персонала или в
местах проживания людей требованиям нормативных документов необходимо применять защитные меры. Все защитные мероприятия делятся на коллективные и индивидуальные, которые в свою очередь могут быть организационными, инженерно-техническими и лечебно-профилактическими.
К организационным мероприятиям можно отнести следующие меры:
92
1. Защита расстоянием. Понимается удаление рабочего места от источника излучения или удаление источника от рабочего места ли персонала.
Как следует из рассмотренных ранее соотношений, уровень ЭМП существенно убывает с увеличением расстояния до источника. Так, например, при
увеличении расстояния в 10 раз, ППЭ уменьшается в 100 раз. Это позволяет
повысить безопасность человека. Поэтому мощные СВЧ передатчики, СВЧ
комплексы, физиотерапевтические аппараты и др. с мощностью более 100 Вт
удаляются от рабочих мест и располагаются в экранированных помещениях.
При нахождении нескольких источников в одном помещении следует учитывать их местоположение, чтобы исключить образование пучностей ЭМП на
рабочих местах вследствие интерференции электромагнитных волн. Кроме
непосредственного удаления человека от источника ЭМИ используют выделение опасных зон, маршрутов для безопасного перемещения персонала. При
пользовании мобильным телефоном применяют устройства (HF), позволяющие разговаривать с абонентом, не поднося телефон к голове. Допустимое
расстояние можно определить, используя соотношение:
Rдоп =
PG
4p × ППЭ рм
2. Естественной мерой защиты является ограничение времени пребывания в зоне облучения. Допустимое время работы при наличии, например,
СВЧ излучения определяется соотношением
Tдоп = ЭЭдоп / ППЭ рм час.
где ППЭ рм - ППЭ на рабочем месте, но не должно превышать ППЭдоп .
3. Выбор рациональных режимов работы оборудования и обслуживающего персонала.
4. Использование информационных знаков безопасности (предупреждающих и др.), а также звуковой и световой сигнализации. Рабочие места,
участки территории, зоны возможного нахождения людей с уровнем ППЭ
более 500 мкВт/см2 обозначаются запрещающим знаком безопасности «СВЧ
излучение. Посторонним вход воспрещен». В случае ППЭ более 1000
мкВт/см2 устанавливают знак «Осторожно! Опасность СВЧ излучения».
5. Требования соблюдения правил эксплуатации источников ЭМИ.
Инженерно-технические мероприятия используют с целью уменьшения
уровня ЭМП на рабочем месте персонала, при непосредственной эксплуата93
ции устройства, генерирующего ЭМИ и т.д. К таким мероприятиям можно
отнести следующие:
1. Уменьшение выходной мощности источника. Данная мера защиты
может широко применяться при настройке электро и радиоаппаратуры. Однако при эксплуатации самих устройств данная мера защиты не применима,
поскольку приводит к ухудшению их технических характеристик. Например,
при снижении выходной мощности мобильного телефона уменьшается дальность связи.
2. Работа на эквивалент антенны. При настройке радиопередающих
устройств, особенно повышенной мощности, нет необходимости излучать
энергию электромагнитных волн в пространство. Так же как и вышеприведенном случае, можно использовать эту меру при настройке радиотехнических устройств.
3. Применение индивидуальных средств защиты. В качестве таких
средств, применяют защитные очки, защитные комбинезоны. Защитные очки представляют собой обычные очки, покрытые тонким слоем двуокиси
олова, что обеспечивает затухание до 30 дБ. Ткань защитных комбинезонов
содержит металлические нити, которые экранируют тело человека от воздействия ЭМП.
4. Конструктивные меры защиты. Во-первых, при проводимых работах, особенно с СВЧ аппаратурой, стараются обеспечить надежное сочленение элементов тракта. Это позволяет исключить излучение в открытое пространство. Во-вторых, характеристики диаграммы направленности антенны
должна быть такими, чтобы избегать значительного облучения персонала
или пользователя.
5. Контроль за уровнем ЭМИ. В настоящее время во всех крупных городах проводится мониторинг электромагнитной обстановки с целью выявления наиболее загрязненных электромагнитным «смогом» районов. Для
определения уровня ЭМП используются измерители напряженности электрического и магнитного полей и измерители ППЭ, напр. П3-41.
6. Экранирование.
Эффективным средством защиты от ЭМИ, в первую очередь в СВЧ
диапазоне, является применение экранирующих устройств. Суть экранирования сводится к тому, что между источником ЭМИ и защищаемым объектом располагается преграда – экран, уменьшающая уровень ЭМИ в месте
94
расположения объекта. Степень ослабления уровня ЭМИ в случае применения экранов определяется соотношением
ППЭ
L = 10lg
( дБ ) ,
ППЭЭ
где ППЭ и ППЭЭ - плотности потока энергии при отсутствии экрана и при
его наличии.
Экраны бывают отражающего или поглощающего типа, устанавливаемые на пути излучения. Принцип действия экранов отражающего типа состоит в том, что под воздействием ЭМП в материале экрана наводятся токи,
поля которых во внешнем пространстве по величине близки, а по направлению противоположны экранируемому полю. В результате происходит взаимная компенсация полей. Экранирующие устройства выполняются в виде
сплошных или сетчатых заземленных экранов, изготовленных из меди, латуни, алюминия и других материалов. Эффективность сплошных экранов L
связана с глубиной проникновения ЭМП в экранирующий материал d соотношением
d = ln L / p f mg ,
где m - магнитная проницаемость материала экрана (Гн/м); g - диэлектрическая проводимость материала (См/м); f – частота электромагнитного
поля. Сплошные экраны обеспечивают затухание уровня ЭМИ в 50 дБ и более. Поскольку электромагнитная волна проникает в экранирующий материал на очень небольшую глубину, то толщина сплошных экранов в основном
определяется конструктивными соображениями.
Сетчатые экраны обладают меньшими экранирующими свойствами.
Хотя и они могут обеспечивать достаточно хорошую экранировку. Защитные
свойства сеток изменяются в зависимости от размера ячеек , а также толщины проволоки из которой изготовлен экран.. Эффективность сетчатых
экранов можно оценить по эмпирической формуле:
2
æ
ö
çl
1 ÷
L = 0, 25 ç
÷ ,
çç a ln 0,8k ÷÷
k -1 ø
è
где l = c / f - длина волны в воздухе, c - скорость света, a - расстояние
между центрами ячеек, k = e2p r / a ( r - диаметр проволоки, рис.1).
95
Рис.8.1
Чем меньше размеры ячейки сетки по отношению к длине волны излучения, тем выше эффективность экранирования. Так, например, использование латунной сетки с количеством ячеек 9х9 на 1 кв.см обеспечивает затухание 48 дБ в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн.
Для повышения степени экранирования применяют сетку в два слоя,
а также стекла, покрытые пленками металлов или их окислов. Подобные
экраны позволяют снизить вредные СВЧ излучения на несколько десятков
децибел.
Поглощающие экраны используются для снижения уровня сигнала
источников СВЧ излучения, а также для уменьшения отраженного сигнала,
возникающего при применении экранирующих устройств отражающего типа. Их действие основано на преобразовании части электромагнитной энергии в тепловую. В качестве материалов, применяемых при изготовлении
поглощающих устройств в СВЧ диапазоне, используются материалы на основе графита, например, марки ХВ (магнитодиэлектрические пластины),
ВКФ-1 (сосковая резина со специальным заполнителем) и др. Наилучшую
защиту обеспечивают многослойные экраны (рис.2), причем удобно сначала
располагать поглощающий экран, затем – отражающий.
96
Рис.2
Пример задач, которые даются на экзамене:
Мобильный телефон работает на частоте f=900МГц с выходной мощностью P0=0.1Вт. Коэффициент напряженности действия излучателя
КНД=0.4, расстояние от уха до телефона R=0.002м. Чему равно время, в течение которого можно разговаривать по телефону.
Решение:
Сначала вычислим ППЭрас=Р0*КНД/(4πR2)=8В/м2
Далее из формулы для экспозиции выразим время Т, возьмем допустимое значение для экспозиции из ГОСТа и проведем расчет:
Т=ЭЭдоп/ППЭрас =2/8=15 мин. То есть при таких исходных данных можно
разговаривать по телефону в течение 15 мин.
Лекция 10. Основные характеристики лазерного излучения. Воздействие лазерного излучения на организм человека. Классы лазеров по степени
опасности. Защита от лазерного излучения.
В 1964 г. Советским физикам Басову Н.Г. и Прохорову А.М. и американскому физику Ч.Таунсу была вручена Нобелевская премия за разработку
оптического квантового генератора – лазера. Так была воплощена фантастическая идея инженера Гарина, описанная Алексеем Толстым в романе «Гиперболоид инженера Гарина». Благодаря уникальным свойствам лазерного
излучения таким, как когерентность, малая угловая расходимость, монохроматичность и возможность концентрации энергии на малой площади, опти97
ческие квантовые генераторы нашли широкое применение в науке и технике.
Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей
различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазеры широко применяются в медицине, связи, в военной технике и т.д. Маломощные
лазерные установки широко используются в быту современного человека
(компьютерные мыши, лазерные принтеры, сканеры штрих-кодов в супермаркетах, лазерные указки и др.).
9.1 Основные характеристики лазерного излучения.
В основе работы лазера лежит открытое А. Энштейном явление индуцированного излучения, заключающееся в том, что наряду с обычным процессом испускания, известным как спонтанное (самопроизвольное) испускание, наблюдается процесс испускания, происходящий не самопроизвольно, а
под воздействием излучения окружающей молекулу среды. Возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн
впервые была отмечена В. А. Фабрикантом.
Известно, что энергия атома, как и молекулы, квантуется, т.е. принимает лишь некоторые определенные значения. Этим значениям энергии соответствуют так называемые энергетические уровни. Переход атома или молекулы с одного энергетического уровня на другой совершается скачком; при
этом поглощается или испускается соответствующая порция энергии – квант
света, или, иначе, фотон. При переходе атома на более высокий энергетический уровень (с E1 на E2) фотон поглощается; при переходе на более низкий
(с E2 на E1) происходит испускание фотона (рис.9.1).
Рис.9.1
Энергия поглощаемого или испускаемого фотона Eν равна разности
энергий уровней атома DW , между которыми совершается переход. Частота
излучения определяется из соотношения DW = hn , где h - постоянная План98
ка, n - частота. Вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на
уровне E1 равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся на уровне E2. Если атомов больше на уровне
E1, то чаще будут происходить акты поглощения фотонов атомами – световой пучок будет ослабляться. Если же большинство атомов находится на
уровне E2, то чаще будут происходить акты вынужденного испускания фотонов, и световой пучок будет усиливаться. Обычно чем выше уровень энергии, тем меньше на нем атомов и молекул. В обычных условиях световой пучок ослабляется при прохождении сквозь вещество. Для усиления пучка надо
создать ситуацию, когда число атомов или молекул на более высоком уровне
энергии больше, чем на нижнем, т.е. создать инверсную населенность энергетических уровней в веществе.
Принципиальная схема лазера (рис.9.2) включает в себя активный элемент (активную среду), устройство накачки активного элемента, зеркала оптического резонатора, а так же систему охлаждения.
Рис.9.2. Устройство лазера.
Одним из важнейших элементов лазера является его активный элемент.
Инверсная населенность уровней создается с помощью накачки различного
вида (оптической, химической и др.)http://ru.wikipedia.org/wiki/Laser - cite_notephysical_dictionary-16. Для упорядочивания бурно развивающихся в активном
элементе процессов вынужденного испускания, инициированных спонтанно
родившимися фотонами, используют оптический резонатор. В простейшем
случае оптический резонатор – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует пространственное направление лазерного луча. Зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление,
вдоль которого реализуется наиболее благоприятное условие для развития
лазерного луча.
Излучение лазера можно характеризовать двумя группами параметров.
К первой группе относят энергетические параметры, ко второй – геометрические. К энергетическим параметрам относятся, облученность, количественно
равная отношению потока излучения, падающего на малый участок поверх99
ности, к площади этого участка - Н (Вт/см2) и энергетическая экспозиция
W(Дж/см2). Для лазеров эти характеристики могут принимать очень большие
значения: величина облученности может доходить до значений 10 22 Вт/см2 ,
а экспозиция - до 10 13 Дж/см2. Общими для обеих групп являются длина
волны. В зависимости от длины волны согласно нормативным документам
различают следующие частотные диапазоны:
ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,18-0,38 мкм;
диапазон видимого излучения
0,38-0,76 мкм;
ближнее инфракрасное излучение - 0,76 -1,4 мкм;
дальнее инфракрасное излучение - 1,4 – 100 мкм.
Лазерное излучение бывает двух видов: коллимированное – прямое и зеркально отраженное и неколлимированное – диффузно отраженное и рассеянное. Диффузно отраженное излучение возникает при отражении лазерного
излучения от поверхности под различными углами. Рассеянное излучение
возникает при прохождении излучения сквозь среду, содержащую рассеивающие частицы.
Одной из особенностей лазерного излучения является его когерентность. Степень когерентности оценивается временем когерентности, в течение которого все фазовые характеристики волны остаются постоянными.
Время когерентности не лазерных источников колебаний, например, тепловых, составляет 10-8 с, для лазеров это время доходит до 10-2 с. Когерентность лазерного луча проявляется, в частности, в исключительно высокой
степени его монохроматичности. Отношение Δν/ν, где Δν – отклонение частоты светового пучка от среднего значения частоты излучения ν составляет
всего 10-8…10-10 . Высокая степень когерентности проявляется также в очень
малой расходимости лазерного луча. Теоретически минимальная расходимость пространственно-когерентного светового пучка определяется формулой θ = 1,22λ/2r, где λ – длина волны излучения; r – радиус выходного зрачка
лазера (апертура). Однако в реальных условиях она оказывается в 2 – 3 раза
больше теоретических значений.
Когерентный луч может быть весьма хорошо сфокусирован. Реально
сфокусировать лазерный пучок в пятно, диаметром порядка длины волны излучения, т.е. порядка нескольких микрометров.
Существующее многообразие лазеров (лазерных установок) можно
разделить на отдельные группы по наиболее существенным техническим
признакам. В основу классификации отдельных групп лазеров положено восемь основных признаков: активный элемент, мощность (энергия) излучения,
режим работы, длина генерируемой волны, метод накачки, назначение, способ отвода теплоты, конструктивное исполнение.
По активному элементу лазеры разделяют на твердотельные, газовые,
жидкостные, полупроводниковые, газодинамические.
100
К твердотельным лазерам относятся лазеры на рубине, стекле, активированном неодимом, иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ); пластмассах и
других диэлектрических кристаллах и кристаллах с ионной структурой.
Спектр излучения твердотельных лазеров лежит в основном в видимой и
ближней инфракрасной области. Наибольшее промышленное применение
нашли активные элементы из рубина, стекла, активированного неодимом, и
иттрий-алюминиевого граната.
Газовые лазеры объединяют лазеры на нейтральных атомах, на ионизированных газах, на двухатомных и многоатомных молекулах. Среди молекулярных лазеров наибольшее распространение получили лазеры на молекулах
CO и CO2, генерирующие излучение в ИК-диапазоне и характеризуемые высоким значением коэффициента усиления, выходной мощности и КПД как в
импульсном, так и в непрерывном режимах.
Жидкостные лазеры характеризуются использованием в качестве активного элемента жидких сред – металлоорганических и неорганических.
Эти лазеры генерируют излучение в видимом, ультрафиолетовом, и ближнем
инфракрасном диапазонах спектра.
Выделение в отдельную группу полупроводниковых лазеров, хотя используемые в них полупроводники являются твердыми телами, объясняются
существенным отличием характера генерации излучения. Длина волны излучения, генерируемого полупроводниковыми лазерами, лежит в интервале от
ближнего ультрафиолетового до инфракрасного диапазона спектра. Полупроводниковые лазеры отличаются малыми габаритами и энергопотреблением.
По мощности (энергии) генерируемого излучения лазеры разделяют на
маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные.
По режиму работы лазеры разделяют в зависимости от процесса генерации излучения. Лазеры в зависимости от продолжительности активизации
активной среды могут генерировать непрерывное или импульсное излучение.
Метод создания инверсной населенности (метод накачки) зависит от
активного элемента. В различных лазерах используются следующие методы
накачки: электрический разряд (самостоятельный, тлеющий, дуговой), который осуществляется либо постоянным током, либо полем высокой частоты,
либо с помощью внешнего ионизатора, например пучка быстрых электронов;
оптическую накачку с помощью ксеноновых или криптоновых ламп; накачку
с помощью химических реакций; тепловую накачку.
Способы отвода теплоты делят на естественное и принудительное
охлаждение. Для принудительного охлаждения в зависимости от технических характеристик лазера применяют воздух, воду или специальные жидкости. Использование для охлаждения жидкостей может в ряде случаев являться дополнительным источником опасных и вредных производственных факторов.
101
Таким образом, при работе лазерных установок возникают опасные и
вредные производственные факторы (таблица 1).
Таблица1.
Опасные производственные факторы, ожидаемые при эксплуатации лазеров
Опасные производственные факторы
Класс лазера
I
II
III
IV
прямое, зеркально отраженное
-
+
+
+
диффузно отраженное
-
-
+
+
- (+)
+
+
+
-
-
- (+)
+
Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации
-
-
- (+)
+
Повышенная яркость света
-
-
- (+)
+
Повышенный уровень шума и вибрации
-
-
- (+)
- (+)
Повышенный уровень ионизирующих излучений
-
-
- (+)
- (+)
-
-
- (+)
- (+)
Повышенный уровень инфракрасной радиации
-
-
- (+)
+
Повышенная температура поверхностей оборудования
-
-
- (+)
+
Лазерное излучение:
Повышенное напряжение
Повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны
Повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧи СВЧ-диапазонов
Химические опасные и вредные производственные факторы
При работе с токсическими
веществам
Примечание: знак “+” имеют место всегда; “-” отсутствуют; “- (+)” зависит от конкретных
технических признаков.
Наличие этих факторов требует серьезного отношения к разработке защитных мер, что будет рассмотрено ниже.
9.2 Воздействие лазерного излучения на организм человека
При работе с лазерными установками человек может подвергаться воздействию прямого (коллимированного), рассеянного и отраженного излучения. Энергия лазерного излучения, поглощенная тканями, преобразуется в
другие виды энергии: тепловую механическую, энергию фотохимических
процессов, что может вызвать ряд эффектов: тепловой, ударный, светового
102
давления и пр., способных оказать негативное действие на организм человека
или отдельные его органы и в первую очередь на глаза и кожу.
При воздействии излучения на сложные биологические структуры различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.
На первой стадии происходят элементарные взаимодействия излучения
с веществом. Характер взаимодействия зависит от анатомических, оптикофизических и функциональных особенностей облучаемых тканей, а так же от
энергетических и пространственных характеристик излучения. На этой стадии наблюдаются такие физические процессы как нагревание вещества, фазовые переходы в материале клетки, кавитация в физиологических жидкостях, преобразование энергии излучения в энергию механических колебаний,
ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных
уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. Некоторые из этих явлений имеют пороги по интенсивности излучения или
энергии квантов излучения. Так кавитация и фазовые переходы могут
наблюдаться только в том случае, когда интенсивность излучения достаточна
для достижения в ткани критической температуры. А ионизация атомов и
молекул — при энергии квантов больше энергии химических связей веществ,
входящих в состав ткани.
При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, следствием которого является коагуляция (свертывание белка), а при больших мощностях – испарение биоткани.
Часть энергии импульсного излучения (при длительности импульса меньше
10-2 с) преобразуется в механические колебания среды, в частности ударную
волну. При мощности излучения в импульсе свыше 107 Вт и высокой степени
фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.
Появление ударной волны обусловлено возникновением градиентов
давления внутри облучаемой системы за счет объемного расширения (как с
изменением фазового состояния, так и без него), вызванного кратковременным локальным нагревом ткани, а так же импульсом отдачи при испарении
биоткани с поверхности. Тепловое расширение может возникать или на поверхности, или во внутренней зоне облучаемой ткани; механические нагрузки при этом характеризуются величинами порядка десятков паскалей.
Ударная волна состоит из групп импульсов различной длительности и
амплитуды. Максимальную амплитуду имеет первый импульс сжатия, кото103
рый является определяющим в возникновении глубинных повреждений тканей. Возникающие при этом зоны сжатия и разряжения характеризуются механическими напряжениями в сотни паскалей.
По мере уменьшения интенсивности излучения тепловой механизм повреждения облучаемой ткани уступает место квантовым эффектам, которые
проявляются при поглощении излучения и переносе энергии во всех структурах, входящих в состав биологической ткани.
Поглощение излучения может сопровождаться многократным отражением от поверхности раздела оптически неоднородных сред в пределах специфических макро- или микроскопической области, особенно если имеются
изменения в длине волны и в среде в течение облучения. Для того чтобы
определить механизм воздействия в каждом конкретном случае, необходимо
знать спектр поглощения облучаемого вещества.
На второй стадии воздействия излучения из ионов и возбужденных
молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.
На третьей стадии свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав биологической ткани, и при этом возникают те молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом.
Обычно различают локальные и общие повреждения организма. К локальным относят повреждения отдельных органов или тканей
Биологическое воздействие лазерного излучения определяют различные факторы. Определяющими являются: биологические свойства ткани,
время экспозиции, функциональные особенности облучаемой ткани, частота
и длительность импульсов, а так же поглощенная доза. Поглощенная доза зависит от оптических свойств ткани, длины волны и энергии излучения в импульсе.
Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тех
тканей, которые непосредственно поглощают излучение. И, в первую очередь, воздействию лазерного излучения подвергаются органы зрения, а также
кожный покров. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика
глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различных длин
волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность
энергии (мощности) излучения видимого и ближнего инфракрасного диапа104
зона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уязвимый орган.
Степень повреждения глаза главным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина
волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза. При попадании лазерного луча на поверхность
глаза (рис.9.3) он последовательно проходит через роговицу, зрачок, хрусталик, стекловидное тело и достигает сетчатки.
Рис. 9.3. Строение глаза.
Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения в основном
приводит к поражению роговицы (кератит). Наибольшим фотокератическим
действием обладает излучение с длиной волны 288 нм. Излучение с длиной
волны меньше 320 нм почти полностью поглощается в роговице и водянистой влаге передней камеры глаза, а с длинами волн 320…390 нм — в хрусталике. За счет высокого коэффициента поглощения излучения в роговице и
водянистой влаге передней камеры даже на длине волны 320 нм минимальная величина энергии, необходимая для возникновения нежелательных реакций в хрусталике, в 2...3 раза больше, чем соответствующая энергия для роговицы. Поэтому помутнение хрусталика (катаракта) под влиянием ультрафиолетового излучения практически никогда не наблюдается. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в процессе самозаживления.
Для лазерного излучения с длиной волны 0,4…1,4 мкм критическим
элементом органа зрения является сетчатка. Световое излучение этого диапазона, прошедшее через оптические среды глаза, фокусируется на ней, создавая облученность, во много раз превышающую облученность роговицы. Коэффициент усиления глаза, определенный как отношение облученности сет105
чатки к облученности роговицы, может достигать величин порядка 104…105.
Для длин волн вне видимого диапазона оптические среды глаза являются непрозрачными, поэтому фокусирующее действие не имеет места. Кроме того
сетчатка обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам
видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения излучений видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой
областей.
Повреждение сетчатки может изменяться от слабых ожогов сетчатки,
сопровождающиеся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных случаев, приводящих к ухудшению зрения и даже полной его потере.
Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не
намного меньших порога ожога, может вызвать необратимые изменения в
ней. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика.
Повреждение сетчатки обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки, как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не восстанавливаются. Повреждения сетчатки под влиянием лазерного излучения можно разделить на две группы. К первой относятся
временные нарушения зрительной функции глаза без видимых изменений
глазного дна. Примером такого повреждения является ослепление от яркости
световой вспышки. Ко второй относятся повреждения, проявляющиеся в виде термического повреждения ожогового или «взрывного» характера.
Ослепление от яркости световой вспышки является самым слабым проявлением поражающего действия лазерного излучения. Оно носит обратимый характер и выражается в возникновении «слепого пятна» в поле зрения.
Результатом такого ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки под действием видимого света большой яркости. Ослепление наступает при наблюдении источника яркого света, который
создает на роговице плотность излучения порядка 150 Вт/см2. Восстановление зрительного пигмента в фоторецепторах иногда затягивается на несколько минут.
Воздействие на глаз сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает тепловой ожог глазного дна с необратимым повреждением сетчатки.
Минимальное повреждение проявляется мельчайшим, видимым в офтальмоскоп изменением сетчатки, представляющим собой небольшое белое пятно,
106
из свернувшихся белков с областью кровоизлияния в центре. Поврежденный
участок окружен зоной отека. Спустя несколько дней на месте повреждения
появляется рубец из соединительной ткани, не способный к зрительному
восприятию.
Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем
непрерывное, так как в этом случае повреждение глазного дна вызывается
комбинированным действием — термическим и механическим. Механическое действие излучения проявляется в виде «взрыва» зерен меланина, причем сила «взрыва» такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело.
Облучение менее интенсивными уровнями может вызывать начальные
изменения, при которых восстановление зрительной функции возможно, однако считается, что повторное облучение при таких же, достаточно низких
энергетических уровнях, может привести к невосстанавливающимся повреждениям.
Непроизвольные движения глазного яблока приводят к тому . что отдельные участки сетчатки изменяют свое положение относительно падающего излучения много раз в секунду. Поэтому, непрерывное и импульснопериодическое излучения вызывают повреждения сетчатки в области большей, чем площадь сфокусированного на ней изображения, даже в том случае,
если во время облучения пучок не отклоняется от прямой линии видения. В
стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры задерживается около
5 % проходящей через них энергии электромагнитных волн видимой области
спектра.
Поглощение энергии излучения различными структурами глаза растет
с увеличением длины волны излучения в ближней инфракрасной области.
Излучение с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощается в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных
повреждениях эти среды глаза способны само восстанавливаться. Небольшие
ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением и не вызывают постоянных нарушений зрения. Тяжелые ожоги приводят к образованию рубцовой ткани, деформации радужной оболочки с потерей остроты
зрения. Степень повреждения радужной оболочки в значительной мере зависит от её окраски. Например, зеленые и голубые глаза более чувствительны к
повреждениям, чем карие.
107
Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может
причинить тяжелое повреждение роговице, сопровождающееся денатурацией
белков и полной потерей прозрачности (образованием бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного излучения — тепловой. Степень теплового повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы излучения, причем
травмируется не сосудистая оболочка, расположенная глубже, а тонкий эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти полное
разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением радужной
оболочки (из-за коагуляции белка) и хрусталика, развиться катаракта. Хрусталик повреждается около обожженных участков радужной оболочки. Это
свидетельствует о том, что изменения в хрусталике носят вторичный характер, т.е. инфракрасное излучение поглощается пигментным эпителием радужной оболочки и, превращаясь в теплоту, приводит к повреждению соседних участков хрусталика.
Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие
на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждения — тепловой.
Кожа является первой линией защиты организма от повреждения лазерным излучением. Кожа представляет собой не просто механический барьер, а важный, физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели организма.
Степень повреждения кожи зависит от первоначально поглощенной
энергии. Повреждение кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть
различными: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном счете, да образования глубоких дефектов кожи.
Эффект воздействия на кожные покровы определяется, с одной стороны, параметрами излучения лазера (длина волны, частота следования импульсов, интенсивность излучения и т.д.), а с другой — степенью пигментации кожи, состоянием кровообращения. Установлено, что при прочих равных
условиях темнопигментированная кожа (особенно родимые пятна) значительно больше поглощает лазерных лучей, чем светлая кожа. Однако отсутствие достаточно выраженной пигментации создает условия для более глубокого проникновения лазерных лучей в кожу и даже под кожу, вследствие чего поражения могут носить более выраженный характер, затрагивая и некоторые образования, расположенные под кожей: сосуды, нервы. Следовательно, пигмент является защитным экраном от глубокого проникновения лучей.
108
Порог повреждения темнопигментированной кожи значительно ниже, чем
светлой кожи. Особенно опасно излучение инфракрасного диапазона. Пороговые уровни энергии излучения, при которых возникают видимые изменения в коже, колеблются в сравнительно широких пределах (от 15 до 50
Дж/см2).
Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения,
близки по характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что поврежденный участок имеет четкую границу, за которой находится небольшая
область покраснения. Пузыри, образующиеся при воздействии лазерного излучения, располагаются в эпидермисе, а не под ним. Вблизи поврежденных
участков обнаруживаются свободные радикалы и другие признаки ионизации, что позволяет предполагать наличие кроме теплового других повреждений кожи.
С повышением энергии излучения происходит увеличение размеров
очагов поражения. Облучение кожи несфокусированным излучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствительности облученного участка
на несколько дней (без видимого повреждения). Под влиянием облучения
изменяется активность некоторых ферментов, наблюдается образование в
коже свободных радикалов. Гистохимические и люминесцентномикроскопические исследования кожных покровов после воздействия лазерного излучения позволяют обнаружить определенные нарушения в углеводном и липидном обменах кожи.
Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения ускоряет её старение и может служить предпосылкой для злокачественного перерождения клеток. Облучение обширных участков кожи вызывает определенные сдвиги в обмене веществ, системе кроветворения, внутренних органах.
Пороговые уровни энергии лазерного излучения, воздействующие на кожу,
значительно выше уровней, воздействующих на глаза.
Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения УФ-диапазона спектра с плотностью энергии 0,1…1 Дж/см2 (в
зависимости от степени пигментации кожи и экспозиции). Наибольшее биологическое воздействие оказывает лазерное излучение с длинами волн
280..320 нм. Оно наиболее глубоко проникает в кожу и обладает выраженным канцерогенным действием. Биологические эффекты, возникающие при
облучении кожи лазерным излучением, различаются в зависимости от длины
волны. Для ультрафиолетовой области характерны различные фотохимиче109
ские реакции, эритема, разрыв химических связей у большинства молекул,
входящих в состав живой ткани, различные перерождения, стимулирование
появления новообразований, образование свободных радикалов, действие на
внутренние органы. Лазерное излучение видимого диапазона вызывает, в основном, термическое воздействие. При облучении инфракрасными лазерами
возникают выраженные деструктивные изменения термического характера,
микроскопические изменения кожи, поражения внутренних органов. Кроме
того могут возникать изменения со стороны органов дыхания, пищеварения,
сердечно сосудистой и эндокринной систем, нарушение обмена веществ.
Лазерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра)
способно проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими
структурами на значительной глубине, повреждая внутренние органы. Механизм образования повреждений объясняется тепловым действием фокусированного излучения или влиянием ударной волны.
Важной особенностью воздействия лазерного излучения на внутренние
органы является чередование поврежденных и неповрежденных слоев ткани.
Согласно одной из гипотез, это явление связано с эффектом стоячих волн,
которые образуются в результате отражения падающего излучения от костных поверхностей или границ между различными тканями. Поврежденные
участки ткани совпадают с пучностями, где плотность потока энергии многократно возрастает по сравнению с плотностью потока энергии падающего
излучения. Подобные повреждения могут не вызывать боли непосредственно
после облучения и выявляться при внешнем осмотре.
Наибольшую опасность для внутренних органов представляет сфокусированное лазерное излучение. Однако необходимо учитывать, что и не
сфокусированное излучение может сфокусироваться в глубине ткани тела
человека. Степень повреждения внутренних органов в значительной мере
определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа.
Так, печень является одним из наиболее уязвимых органов. Тяжесть повреждения внутренних органов также зависит от длины волны падающего излучения. Наибольшую опасность представляют излучения с длинами волн,
близкими к спектру поглощения химических связей органических молекул,
входящих в состав биологических тканей.
В опытах на животных и при клиническом обследовании лиц, работающих с лазерами и подвергающихся воздействию малых доз излучения, по110
казана возможность неблагоприятного воздействия лазерного излучения на
организм в целом.
У части работающих наблюдается патологические изменения, проявляющиеся в виде функциональных расстройств в деятельности центральной
нервной системы, что выражается в повышенной возбудимости нервных
процессов, наличии сдвигов в стволовых структурах мозга и т. п. имеют место также явления вегетативно-сосудистой дисфункции, нарушения сердечнососудистой рефляции. Это проявляется в неустойчивости артериального
давления крови, повышенной потливости, склонности пульса к замедлению.
У операторов лазерных установок иногда наблюдают повышенную
раздражительность, утомляемость глаз и всего организма. Имеются данные
об определенных изменениях периферической крови, выражающемся в общем уменьшении клеточных элементов и в первую очередь гемоглобина,
тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов.
Все это свидетельствует о том, что у людей, работающих с лазерными
установками, могут возникать как патологические изменения, обусловленные
тепловым механизмом воздействия, так и различного характера функциональные изменения, обусловленные скрытыми биологическими эффектами.
В ряде случаев функциональные нарушения самостоятельно не проходят и
требуют медицинского вмешательства.
При решении задачи защиты от вредного воздействия лазерного излучения на рабочем месте в первую очередь необходимо определить физические параметры излучения. На основе данных о длине волны, мощности и
степени фокусировки излучения можно сделать вывод о характере его влияния на организм и определить критические для воздействия органы. Затем
следует разработать эффективные организационные и технические методы
защиты и профилактики от неблагоприятного воздействия с учетом особенностей рабочего места.
1.3 Нормирование воздействия лазерного излучения
Для обеспечения безопасности персонала, эксплуатирующего лазерные
установки, необходимо, чтобы уровень лазерного излучения не превосходил
предельно допустимые значения, установленные в СанПиН 5804 — 91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» и ГОСТ Р
50723 — 94 «Лазерная безопасность», требования которого, соответствуют
111
установленным в международном стандарте МЭК 825 — 1 «Безопасность лазерных изделий»
Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физико-технических характеристик лазера и условий облучения – плотности
мощности (энергии) излучения, длины волны, апертуры, расходимости луча,
времени облучения, длительности и периодичности импульсов, площади облучаемой поверхности.
Предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения устанавливаются для двух условий облучения — однократного и хронического для
трех диапазонов длин волн:
I 180 < λ <= 380 нм
II 380 < λ <= 1400 нм
III 1400 < λ <= 105 нм
Однократным считают случайное воздействие лазерного излучения с
длительностью не превышающей 3·104 с, хроническим же — систематически
повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди, профессионально связанные с лазерным излучением. Под ПДУ при однократном воздействии понимается уровень излучения, при котором существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме работающих. А ПДУ при хроническом воздействии - уровень излучения, при воздействии которого при работе установленной продолжительности в течение
трудового стажа не возникает отклонений в состоянии здоровья в процессе
работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.
Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются: энергетическая экспозиция H (физическая величина, определяемая интегралом облученности по времени) и облученность E (отношение потока излучения, падающего на малый участок поверхности, содержащий рассматриваемую точку,
к площади этого участка), усредненные по ограничивающей апертуре, а также мощность P и энергия W.
Указанные выше энергетические параметры связаны соотношениями:
(1.1)
где S – площадь ограничивающей апертуры.
Для определения предельно допустимых уровней Hпду и Eпду при воздействии лазерного излучения на кожу усреднение производится по ограничивающей апертуре диаметром 1,1·10-3 м (площадь апертуры Sа = 10-6 м2), при
воздействии на глаза в диапазонах I и III усреднение производится также по
апертуре диаметром 1,1·10-3 м, а в диапазоне II — по апертуре диаметром
7·10-3 м.
112
При оценке воздействия на глаза лазерного излучения в диапазоне II
(380 < λ <= 1400 нм) нормирование энергии и мощности лазерного излучения, прошедшего через ограничивающую апертуру диаметром 7·10-3 м, является первостепенным. Следует отметить, что ПДУ лазерного излучения кроме зависимости от апертуры, длины волны и времени также зависит от органа, по которому оно определяется, и от режима работы лазера.
В соответствии с нормативными документами, лазеры по степени
опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этом
класс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемого в нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности
проводит предприятие – изготовитель путем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) при однократном
воздействии. Определяя принадлежность к тому или иному классу опасности, необходимо учитывать воздействие прямого или отраженного лазерного
пучка на глаза и кожу человека и пространственные характеристики лазерного излучения, при этом, как было указано выше, различают коллимированное излучение и неколлимированное, то есть рассеянное или диффузноотраженное.
Лазерные изделия различных классов опасности имеют следующие характеристики:
Класс1: лазерное изделие безопасно при предполагаемых условиях
эксплуатации;
Класс 2: лазерное изделие, генерирующее видимое излучение в диапазоне λ= 400 .. 700 нм. Коллимированное лазерное излучение представляет
опасность для глаз. Защита глаз, помимо изложенных ниже, обеспечивается
естественными реакциями, включая рефлекс мигания;
Класс 3: к лазерам 3-гокласса опасности относятся лазеры, коллимированное излучение которых опасно для глаз и кожи, а диффузно отраженное
излучение опасно для глаз на расстоянии 10 см от отражающей поверхности;
согласно ГОСТу 3-ий класс делят на два класса – 3А и 3В.
Класс 3А: лазерное излучение, безопасное для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерного излучения λ= 400 .. 700 нм защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Непосредственное наблюдение лазерного излучения при помощи оптических приборов может быть опасным. Практически лазеры класса 3А близки по своему воздействию к лазерам 2-го класса опасности;
Класс 3В: непосредственное наблюдение излучения таких лазеров
всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно;
Класс 4: лазерные изделия, диффузно отраженное излучение которых
опасно для кожи на расстоянии 10 см от отражающей поверхности. Согласно
ГОСТу - создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызывать поражение кожи, а также создавать опасность пожара.
113
Классификацию лазеров проводят по выходным характеристикам излучения расчетным методом в соответствии с табл. 2 (приведены расчетные соотношения для определения граничных значений выходной мощности в случае непрерывного лазерного излучения), и осуществляют следующим образом: во-первых определяют уровни HПДУ, EПДУ, WПДУ, или PПДУ в заданном
диапазоне длин волн (табл.3); во-вторых, определяют граничные значения
для данного типа излучения согласно приведенным в таблице 2 соотношениям и сравнивают с характеристиками лазерного излучения. Далее делают вывод о принадлежности лазерной установки к тому или иному классу опасности.
Таблица 2
Определение класса опасности лазерной установки
Спектральный интервал,
нм
180<λ≤380
1400<λ≤105
Класс
опасности
Мощность лазерного излучения,
Вт
I
II
IV
I
II
IV
P(t)≤EПДУ(t)·Sn
P(t)≤π·10-2 EПДУ(t)
P(t)>π·10-2·EПДУ(t)
P(t)≤EПДУ(t)·Sn
P(t)≤π·10-2 EПДУ(t)
P(t)>π·10-2 EПДУ(t)
I
380<λ≤750
≤8·102·PПДУ(t)
≤π·104 PПДУ(t)
>π·104 PПДУ(t)
II
III
IV
I
750<λ≤1400
≤8·102·PПДУ(t)
≤π·104 PПДУ(t)
>π·104·PПДУ(t)
II
III
IV
где P ( t ) - выходная мощность излучения, PПДУ ( t ) и EПДУ ( t ) - предельно допустимыt уровни мощности и энергии однократного воздействия данного излучения (приведены в таблице 3).
Таблица 3
Соотношение для определения WПДУ при однократном воздействии на глаза
коллимированного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (600 < λ
<= 750 нм). Длительность воздействия меньше 1 с
114
Длина волны λ, нм
Длительность облучения t, с
Предельно допустимые значения энергии
Wпду, Дж
t≤6,5·10-11
600-750
6,5·10-11 – 5,0·10-5
5,0·10-5 – 1,0
1,6·10-7
1,2·10-4
В заключение можно отметить, что расчет граничных значений энергетических характеристик лазеров по СанПиНу и ГОСТу несколько отличаются.
Так для диапазона 400 – 700 нм согласно ГОСТу есть определенные значения граничных мощностей. Например, все лазеры с мощностью от 5 мВт до
0,5 Вт относятся к классу 3В, а лазеры с мощностью более 0,5 Вт – к классу
4.
Защитные меры при эксплуатации лазерных установок.
При эксплуатации лазерных установок должна быть обеспечена защита
персонала от воздействия лазерного излучения и других вредных и опасных
факторов, связанных с пребыванием в рабочей зоне. Все защитные мероприятия можно разделить на 3 группы: конструктивную, эксплуатационную и
организационную.
Конструкция лазера должна обеспечивать безопасность обслуживающего персонала. В группу конструктивных мер защиты входят:
1) Наличие паспорта на лазерное изделие (формуляр), в котором должно быть указано:
длина волны излучения,
выходная мощность (энергия),
длительность импульса,
частота следования импульсов,
длительность серии импульсов,
начальный диаметр пучка излучения по уровню exp(-2),
расходимость пучка по уровню exp(-2),
класс опасности лазера,
сопутствующие опасные и вредные факторы.
2) Лазер, независимо от класса, должен иметь защитный корпус (кожух).
3) Защитный корпус (кожух) или его части, снимаемые при техническом обслуживании и открывающие доступ к лазерному излучению и высокому напряжению в цепях электропитания, должны иметь защитную блокировку.
115
4) Срабатывание блокировки на работающем лазерном изделии или
при не полностью разряженной батарее конденсаторов должно сопровождаться четким визуальным или звуковым сигналом тревоги.
5) Пульт управления лазерных изделий III и IV классов должен оснащаться съемным ключом.
6) Лазеры III и IV классов, генерирующие излучение в видимом диапазоне, и лазеры IV класса с генерацией в ультрафиолетовом и инфракрасном
диапазонах должны снабжаться световыми сигнальными устройствами, работающими с момента начала генерации и до ее окончания. Световой предупредительный сигнал должен быть хорошо виден через защитные очки.
7) Пульт (панель) управления лазерными изделиями, независимо от
класса, должен размещаться так, чтобы при регулировке и работе не происходило облучения персонала лазерным излучением. Конструкция лазерных
изделий III, IV классов должна обеспечивать возможность дистанционного
управления.
8) Лазеры III, IV классов должны содержать дозиметрическую аппаратуру.
9) Лазерные изделия III, IV классов должны иметь прерыватель пучка
или аттенюатор для ограничения распространения излучения.
10) В лазерных изделиях III, IV классов необходимо предусматривать
возможность снижения выходной мощности (энергии) излучения при их техническом обслуживании.
11) Лазерные изделия III, IV классов, генерирующие излучение в невидимой части спектра, должны иметь встроенные лазеры I, II класса с видимым излучением для визуализации основного лазерного пучка.
В группу эксплуатационных мероприятий входят следующие:
1) В пределах рабочей зоны уровни воздействия лазерного излучения
не должны превышать значений, установленных нормативными документами.
2) По окончании работы на лазерных изделиях III, IV класса ключ
управления должен быть удален из гнезда.
3) Запрещается отключать блокировку и сигнализацию во время работы лазера или зарядки конденсаторных батарей.
4) Пучок излучения лазеров II — IV класса должен ограничиваться на
конце своей полезной траектории диффузным отражателем или поглотителем.
5) Для предотвращения пожара при эксплуатации лазерных изделий IV
класса в качестве ограничителей следует применять хорошо охлаждаемые
неплоские металлические мишени или огнеупорные материалы достаточной
толщины. При этом следует соблюдать осторожность, так как оплавление
этих материалов может приводить к зеркальному отражению излучения.
116
6) При транспортировании излучения от лазеров III, IV класса должны
использоваться специальные системы, исключающие попадание в рабочие
помещения прямого и зеркально отраженного излучения.
7) Защитные экраны систем транспортирования не должны разрушаться при случайном кратковременном воздействии на них транспортируемого
лазерного излучения.
8) Открытые траектории излучения лазеров II класса должны располагаться значительно выше уровня глаз работающих (минимальная высота 2,2
м).
9) Зеркала, линзы и делители пучков должны быть жестко закреплены
для предотвращения случайных зеркальных отражений излучения лазерных
изделий II — IV класса в рабочую зону; перемещение их может производиться во время работы лазера только под контролем ответственного лица с обязательным применением средств индивидуальной защиты.
10) При проведении визуальной юстировки лазеров II —IV класса, а
так же в других случаях, когда невозможно исключить присутствие человека
в опасной зоне, необходимо использование средств защиты, к которым также
выдвинуты следующие требования:
А) средства защиты должны снижать уровни лазерного излучения, действующего на человека, до величин ниже ПДУ 1 класса. Они не должны
уменьшать эффективность технологического процесса и работоспособность
человека. Их защитные характеристики должны оставаться неизменными в
течение установленного срока эксплуатации;
Б) средства индивидуальной защиты от лазерного излучения включают
в себя средства защиты глаз и лица (защитные очки, щитки, насадки), средства защиты рук, специальную одежду.
При выборе средств индивидуальной защиты необходимо учитывать:
- рабочую длину волны излучения;
- оптическую плотность светофильтра.
Оптическая плотность светофильтров, применяемых в защитных очках,
щитках и насадках, должна удовлетворять требованиям:
или (для диапазона 380< l <=1400 нм):
где Hmax, Emax, Wmax, Pmax- максимальные значения энергетических параметров лазерного излучения в рабочей зоне, Hпду, Eпду, Wпду, Pпду предельно допустимые уровни энергетических параметров при хроническом
облучении.
117
Защитные лицевые щитки необходимо применять в тех случаях, когда
лазерное излучение представляет опасность не только для глаз, но и для кожи
лица.
11) Зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться
знаками лазерной опасности. Если лазерный пучок выходит за пределы контролируемой зоны, в конце его полезной траектории должен быть ограничитель.
Организационные мероприятия и требования к персоналу содержат
следующие основные меры:
1) Лазерные изделия III— IV класса до начала их эксплуатации должны
быть приняты комиссией, назначенной администрацией учреждения, с обязательным включением в ее состав представителей Ростехнадзора. Комиссия
устанавливает выполнение требований настоящих Правил, решает вопрос о
вводе лазерных изделий в эксплуатацию. Решение комиссии оформляется актом.
2) Для ввода лазерного изделия III и IV класса в эксплуатацию комиссии должна быть представлена следующая документация:
- паспорт на лазерное изделие;
- инструкция по эксплуатации и технике безопасности;
- утвержденный план размещения лазерных изделий;
- санитарный паспорт.
3) Персонал, допускаемый к работе с лазерными изделиями, должен
пройти инструктаж и специальное обучение безопасным приемам и методам
работы.
4). При эксплуатации лазеров 3-го и 4-го классов опасности должно
назначаться лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.
5) Персонал, обслуживающий лазерные изделия, обязан изучить техническую документацию, инструкцию по эксплуатации, настоящие Правила;
ознакомиться со средствами защиты и инструкцией по оказанию первой помощи при несчастных случаях.
6) Персонал, занятый монтажом, наладкой, ремонтом и эксплуатацией
лазеров, должен иметь квалификационную группу по технике безопасности в
соответствии с "Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭ) и "Правилами техники безопасности при эксплуатации
электроустановок потребителей" (ПТБ).
7) При изменении технических параметров лазеров или характера выполняемых работ проводится внеочередной инструктаж по технике безопасности и производственной санитарии.
8) Лица, временно привлекаемые к работе с лазерами, должны быть
ознакомлены с инструкцией по технике безопасности и производственной
санитарии при работе с лазерами и прикреплены к ответственному лицу из
постоянного персонала подразделения.
9) Персоналу запрещается:
118
осуществлять наблюдение прямого и зеркально отраженного лазерного
излучения при эксплуатации лазеров II — IV класса без средств индивидуальной защиты;
размещать в зоне лазерного пучка предметы, вызывающие его зеркальное отражение, если это не связано с производственной необходимостью.
10) В случае подозрения или очевидного облучения глаз лазерным излучением следует немедленно обратиться к врачу для специального обследования.
11) О всех нарушениях в работе лазера, несоответствии средств индивидуальной защиты предъявленным к ним требованиям и других отступлениях от нормального режима работы персонал обязан немедленно доложить
администрации и записать в журнале оперативных записей по эксплуатации
и ремонту лазерной установки.
12) К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие 18
лет и не имеющие, в соответствии с приказом Министерства здравоохранения СССР N 555 от 27.09.89 г., следующих медицинских противопоказаний:
хронические рецидивирующие заболевания кожи;
понижение остроты зрения — ниже 0,6 на одном глазу и ниже 0,5 — на
другом (острота зрения определяется с коррекцией).
13) Персонал, связанный с обслуживанием и эксплуатацией лазеров,
должен проходить предварительные и периодические медицинские осмотры
в соответствии с вышеупомянутым приказом. Периодичность осмотров — 1
раз в год. В случае очевидного или подозреваемого опасного облучения глаз
работающих должно проводиться внеочередное медицинское обследование
пострадавшего специально подготовленными специалистами. Медицинское
обследование должно дополняться гигиенической оценкой обстоятельств,
при которых произошло опасное облучение..
14) Оценка степени опасности лазера определяется путем дозиметрического контроля. Контроль параметров лазерного излучения следует проводить при приемке в эксплуатацию новых изделий, их сертификации или изменении конструкции действующих изделий. Дозиметрический контроль
может быть предупредительный (определение значений параметров излучения в точках границы рабочей зоны, находящихся на минимально возможных
расстояниях от источника) и индивидуальный (определение значений параметров излучения, воздействующего на глаза (кожу) работающего в течение
рабочего дня.
119
Лекция 11-12. Виды ионизирующих излучений (ИИ) и их характеристики. Воздействие ИИ на организм человека. Дозы ИИ.
Источники ИИ. Нормирование ИИ. Защитные меры от воздействия ИИ.
В 1895 году, 28 августа немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген,
исследуя катодные лучи, заметил интересный эффект. Когда он случайно поместил свою руку между экраном и источником лучей, он увидел скелет своей руки на экране. Далее он провел целый ряд исследований и 28 декабря
1895 года опубликовал на Королевском ученом совете свой доклад об открытии Х-лучей (в настоящее время они называются рентгеновскими лучами).
После этого доклада началось активное исследование различных излучений,
и французский физик Беккерель в феврале 1896 года сделал сообщение, которое подтверждало исследования Рентгена. Однако Беккерель ошибался. В
результате его исследований была открыта естественная радиоактивность. В
1896 году после открытий Рентгена и Беккереля американский практик Эдисон разработал аппарат, излучающий Х-лучи. С этим аппаратом он и его помощник участвовали в выставке, где помощник показывал скелет своей руки
и тому подобное. Закончилось это тем, что помощник умер от ожогов. За все
время в течение исследования излучений погибло более 200 ученых от воздействия ионизирующих излучений.
В настоящее время объектов, имеющих радиационную опасность достаточно много. Всего в мире 430 атомных блоков. В России, например, есть
31 ядерный реактор, имеются еще порядка трех десятков ядерных энергетических установок, которые используются при запуске ракет в космос, а также
суда и атомные подводные лодки, которые используют ИИ, как источник питания. И еще порядка 12000 радиоактивных объектов, имеющих свои источники ИИ. Поэтому вопрос радиационной безопасности встает очень серьезно.
Тем более, что уже произошли 2 глобальные аварии: это аварии на Фукусиме и в Чернобыле, где немалую роль сыграли природные условия и человеческий фактор. Результатом был огромный вред, нанесенный окружающей среде. Все аварии по шкале INES делятся на 8 уровней (0 – 7). Аварии на Фукусиме и Чернобыле относятся к 7-му уровню, то есть к крупнейшим авариям и
самыми серьезными последствиями.
120
Общие характеристики ионизирующего излучения
1) Фотонное излучение.
К нему относятся, гамма-лучи и рентгеновское, которое в свою очередь
подразделяется на характеристическое и тормозное.
Характеристическое излучение связано с переходом из одного энергетического состояния в другое. Согласно теории Бора, вокруг ядра имеется
целый ряд электронных оболочек, где электроны вращаются по стационарной орбитам. При переходе электрона с ближайших оболочек на более отдаленные, происходит поглощение энергии, а обратный переход сопровождается испусканием фотонов света. Вид излучения зависит от того, с каких
оболочек и как осуществляется переход. Если на ближайшие оболочки, то
возникает рентгеновское излучение, если на удаленные, то гамма-излучение.
Эти излучения представляют собой электромагнитные волны, но с очень маленькой длиной волны: Рентгеновское излучение – 3*1017 – 3*1020 Гц; Гаммаизлучение – 3*1020 – 3*1022 Гц. На таких частотах длины волн измеряются в
ангстремах: 1Å=10-10 м. Если взять видимое излучение, например, зеленый
свет с длиной волны 0,55 мкм, то в Å длина будет равна 5500 Å. Для гаммаизлучения это доли Å, то есть очень коротковолновые излучения.
2) Корпускулярное излучение – это излучение, состоящее из отдельных
частиц (корпускул). Обычно возникает при ядерных реакциях. К ним относятся, альфа- и бета- частицы, протоны, нейтроны и т.д. Всего их более 30.
Пример образования корпускулярного излучения:
Ra22688→He42+Rn22286
Co6027→β-+N6028
К основным характеристикам ИИ относятся: энергия ионизирующего
излучения, единица измерения – электрон-Вольт (эВ); ионизирующая способность; проникающая способность; активность – способность распадаться
с образованием новых видов излучения, новых элементов. Если распад самопроизвольный, то это частный случай, который называется радиоактивностью. Единица измерения – Беккерель (Бк). 1Бк=1распад/сек – это величина
очень маленькая, поэтому ввели единицу измерения больше 1Кю=3.7*1010
Бк.
Период полураспада - это время, за которое активность радионуклида
уменьшается в 2 раза. Может быть самым разным. Например, у йода I131 период полураспада Т1/2 равен 8 суткам, у стронция Sr90 период полураспада
равен 28 лет, а у урана U 238 – 4.5 млрд. лет. Это очень важный параметр, который позволяет определить, например, во сколько раз и за какое время упадет уровень радиационного заражения в местности, где произошла катастрофа.
121
Изменение количества радиоактивных атомных ядер со временем описывается законом радиоактивного распада: N ( t ) = N exp -0,693t / T
, где
0
1/2
N0 – начальное число ядер, T1.2 – период полураспада.
(
)
Характеристики некоторых видов излучений
1) Альфа-излучение, то есть ядра гелия. Рассмотрим альфа – излучение
с энергией E=4-10 МэВ, тогда для такой энергии скорость частицы равна
14000 - 20000 км/c, что является небольшой скоростью относительно скорости света. Это связано с тем, что частицы имеют большую массу. Пролетая в
среде, она постоянно сталкивается с другими частицами, теряет энергию и
останавливается. Этот путь называется длиной свободного пробега l.
Например, l в воздухе примерно равна 10 см, в биологической ткани – 0.10.15 мм. Поэтому защититься от воздействия альфа излучения легко. Достаточно листа газеты или отойти от источника излучения на расстояние более
10 см. При внешнем облучении проникает только в верхние слои кожи. При
взаимодействии с частицами среды альфа-излучение оказывает следующее
воздействие:
а) ионизация, причем ионизирующая способность достаточно высокая
и образуется до 250 тыс. пар ионов на длине свободного пробега. Это связано с тем, что скорость альфа-частиц низкая, масса большая, поэтому происходит активное взаимодействие со средой.
б) переход атомов среды в возбужденное состояние. Этот период продолжается малое время до 10-6 с и даже меньше. Возбужденные атомы отдают свою энергию путем высвечивания или путем образования химически активных соединений и радикалов (ОН, атомарного водорода и т.д.).
2) Бета-излучение. Рассмотрим характеристики при том же уровне
энергии. В отличие от альфа-излучения скорость гораздо выше и достигает
297000 км/с, что сравнимо со скоростью света, поэтому и длина свободного
пробега больше. В воздухе она составляет 10-15 м, в биологических тканях –
10-15 мм, то есть бета-излучение достаточно глубоко проникает вглубь организма. Особенно надо учитывать те органы, которые находятся на поверхности, например, глаза. Поскольку .электроны имеют большую скорость и малую массу, то ионизирующая способность ниже, чем у альфа-излучения и составляет 1 -25 тыс. пар ионов на длине свободного пробега.
3) Гамма-излучение. Это электромагнитное излучение, поэтому говорить о длине свободного пробега нет смысла. Проникающая способность
больше, чем в альфа- и бета- излучениях. В воздухе она составляет десятки и
122
сотни метров. Передача энергии при прохождении гамма излучения через
вещество происходит в результате следующих процессов:
- фотоэлектронное поглощение, то есть в этом случае гамма-квант выбивает электрон с одной из орбит и передает ему всю энергию. Этот электрон
при своем движении производит ионизацию атомов и молекул среды. В элементах с большим атомным номером происходит более сильное ослабление
излучения за счет фотоэлектрического поглощения. С увеличением энергии
излучения вероятность фотоэлектрического поглощения уменьшается.
- процесс когерентного рассеивания. В этом случае гамма-квант падает
на ядро, не отдавая ему энергии, он меняет направление и удаляется от ядра.
Процесс ионизации несущественен, так как нет передачи энергии.
- некогерентное рассеивание или эффект Комптона. В этом случае
гамма-квант, взаимодействуя с ядром, часть энергии отдает ядру, в результате возникает «вторичный» электрон, который производит ионизацию, а часть
энергии остается у гамма-кванта, и он меняет направление движения. Эффект
ионизации за счет эффекта Комптона наиболее важный при рассмотрении
воздействия гамма-излучения на окружающую среду, то есть на то вещество,
через которое проходит.
- образование электронно-позитронных пар. При большой энергия
гамма-квантов при их взаимодействии с веществом в поле атомных ядер может образовываться пара электрон-позитрон: hn = e-1 + e+1 . Через короткое
время (10-8 сек) происходит обратный процесс с выделением опять же гаммаквантов - анигиляция, то есть влияние этого процесса на процесс ионизации
несущественно.
4) Нейтронное излучение. Вопрос взаимодействия нейтронов с веществом имеет сложный характер, так как там возникает целый ряд процессов, в
зависимости от энергии нейтрона. Нейтрон сам по себе нейтрален, поэтому
проникающая способность высокая.
Воздействие ионизирующего излучения на человека
При прохождении ионизирующих излучений через биологическую
ткань происходит передача его энергии атомам и молекулам, что приводит к
образованию ионов и возбужденных молекул. При этом рассматривается:
1) прямое воздействие, когда непосредственно ионизирующее излучение приводит к распаду атомов и молекул;
123
2) косвенное воздействие – это, когда в распаде атомов, молекул участвуют не сами ионизирующие излучения, а продукты распада, которые произошли до этого.
В этом состоит физическая стадия воздействия ионизирующего излучения.
Следующий этап – химическая стадия соответствует химическим процессам в нашем организме. Для того чтобы понять рассмотрим различие
между прямым и косвенным воздействием. Наше тело состоит из воды на
2/3, поэтому при облучении могут возникнуть следующие химические реакции. Так молекула воды ионизируется заряженной частицей, в результате чего теряет электрон:
Н2О→е-+Н2О+
Дальше ионизированная молекула реагирует с другой нейтральной молекулой:
Н2О++ Н2О→ Н3О++ОН*,
где ОН*- это так называемый высоко реактивный радикал, который
может инициировать химические реакции, не свойственные нашему организму.
Далее вырванный электрон передает свою энергию окружающим молекулам, что приводит к образованию возбужденной молекулы с участием которой, возникает целый ряд химических образований:
е-+ Н2О+→ Н2О*,
Н2О*+ Н2О*→ Н2О2+2Н*,
где Н – атомарный водород, являющийся активным участником химических
реакций. Возможен еще один вид реакции:
Н2О*→ ОН*+Н*,
где и ОН* и Н* являются высоко реактивными радикалами.
Даже из одного прямого воздействия ионизирующего излучения образуется несколько реакций, которые приведены выше. На самом деле таких
реакций возникает гораздо больше, причем в организме есть органические
молекулы и, как следствие, образуются органические радикалы, которые тоже принимают активное участие в тех химических реакциях, которые могут
возникнуть в нашем теле. В результате, рост и обновление тканей замедляется. Подавляется работа ферментных систем. Нарушаются обменные процессы в организме, образуются токсины, что приводит к нарушению функционирования отдельных систем и организма в целом
124
Специфика ионизирующего излучения заключается в том, что в химические реакции, происходящие в нашем теле, вовлекаются сотни и тысячи
молекул, которые непосредственно излучением не были затронуты. Никакой другой вид энергии поглощенной биологическим объектом в том же количестве не вызывает таких изменений в организме. Поэтому если взять
смертельную дозу ИИ для млекопитающего, то соответствующей поглощенной энергии в виде тепла достаточно, чтобы повысить температуру тела всего на 0.001оС.
Виды воздействий.
Результаты воздействия ионизирующих излучений условно делят на:
1) Соматическое - это воздействие связано непосредственно с воздействием, при котором возникает лучевая болезнь и другие поражения.
2) Генетическое - это воздействие на генетический аппарат, которое
может сказаться через одно – два поколения.
К соматическим эффектам относятся лучевая болезнь, локальные лучевые поражения.
К генетическим относятся врожденные уродства и нарушения у потомства облученных, передающиеся по наследству.
Следует отметить следующее, что воздействие может быть
1) Стохастическим. Вероятность негативных последствий существует
со сколь угодно малых доз и возрастает с дозой. К стохастическим эффектам
относятся лейкемия, генетические повреждения и др.
2) Нестохастическим. Вредные эффекты выявляются с некоторого порогового значения. К нестохастическим эффектам относятся лучевая катаракта, нарушение воспроизводительной функции и др.
Лучевое поражение.
Острая лучевая болезнь начинается с 1Гр (Грей). Степени лучевой болезни, они приведены в табл.1
Табл.1
Степень лу- Доза, Гр
Характеристика
чевой болезни
1
1-2
- появление лейкопении (уменьшение числа
лейкоцитов)
-рвота (1-ые сутки)
- излечивается 100% облученных
2
2-4
- выраженная лейкопения
- рвота, тошнота (1-ые сутки)
125
3
4-6
4
>6
- подкожные кровоизлияния
- 20% облученных погибает
- тошнота, рвота
- сильно меняется состав крови
- 50% облученных погибает
- подкожные кровоизлияния, изъязвления
- кровавы й понос (через час после облучения)
- в крови почти нет лейкоцитов
- рвота, тошнота
- подкожные кровоизлияния
- 100% погибших
Данные, указанные в таблице, верны в случае отсутствия лечения. В настоящее время пороговая доза, превышение которой гарантирует смерть в 100%
случаев, равна 10 Гр (причины смерти - . потеря иммунитета, потеря крови
от подкожных кровоизлияний, то есть все внутренние органы начинают кровоточить).
Дозы ионизирующих излучений
1) Экспозиционная доза, которая характеризует сам источник ионизирующего излучения.
Dэксп=dQ/dm (Кл/кг)
Физический смысл: это доза такого фотонного излучения, при воздействии которого на один кг сухого воздуха при нормальных условиях (Т= 0оС,
р=760 мм. рт. ст.) образуются ионы, несущие заряд в 1Кл одного знака при
полном торможении всех «вторичных» электронов. Фотонное излучение само ионизации не производит, поэтому процесс ионизации происходит за счет
«вторичных» электронов. Доза применяется только для фотонного излучения до энергии 3МэВ.
Доза также измеряется внесистемной единицей в рентгенах.
Под дозой в 1Р имеется в виду доза такого фотонного излучения, при
воздействии которого на 0.00129 г (1 см3) сухого воздуха при нормальных
условиях образуется заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака
при полном торможении всех «вторичных» электронов.
В ряде случаев используют энергетический эквивалент рентгена. Дело
в том, что на образование одной пары ионов необходимо 34 эВ. И если взять
число ионов, которое содержится в 1 см3, и пересчитать, то получим, что
126
энергетическом эквиваленте рентгена равен 0.113 эрг, то есть та энергия, которую нужно затрачивать, чтобы получить дозу в 1Р.
2) Поглощенная доза, которая характеризует энергию, переданную
единице массе того вещества, на которое действует излучение, то есть
Дпогл=dE/dm (Дж/кг), где
1Дж/кг=1Гр=100 рад
Когда ионизирующее излучение воздействует на человека, то, скорее
всего, не вся энергии поглощается, поэтому поглощенная доза, по-видимому,
будет не соответствовать экспозиционной дозе. Если брать биологическую
ткань, то здесь наблюдается совпадение до 5%, то есть 1Р=0.95 рад.
3) Чтобы учитывать воздействие различных видов ионизирующих излучений вводится эквивалентная доза. Эквивалентная доза определяется соотношением:
n
Dэкв = å Dпоглi × K i (Зиверт),
i =1
где Кi – коэффициент качества, связан со способностью ионизировать вещество.
Табл.2
Вид излучения
АльфаБетаГаммаНейтронное
Позитронное
К, коэффициент качества
20
1
1
10
10
Так как К зависит от энергии, то его значения могут колебаться.
1 Зв=100 бэр (биологический эквивалент рентгена).
Экспозиционная доза связана с эквивалентной дозой соотношением:
1 Р=0.013 Зв.
Разные ткани организма человека, разные его органы обладают различной чувствительностью к воздействию ионизирующих излучений. Это может
быть связано с различным распределением воды в тканях организма, с видом воздействия (соматическое или генетическое). Так облучение гонад (половых желез) особенно опасно из-за генетических повреждений. Поэтому в
случае неравномерного облучения различных органов используют эффективную эквивалентную дозу:
127
n
Dэфф = å Dэкв j ×h j (Зв),
j =1
где η – коэффициент, представляющий отношение стохастического риска
смерти в результате облучения j-того органа к риску смерти от равномерного
облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах. Некоторые значения
приведены в табл. 3
Табл.3
Орган
Гонады
Молочные железы
Костный мозг, легкие
Кожа, кости
η
0.25
0,15
0.12
0.01
Кроме доз часто используются их мощности:
dDэкв
dD
dDпогл
(Гр/час); Pэкв =
(Зв/час).
Pэксп = эксп (Р/час); Pпогл =
dt
dt
dt
Источники ионизированного излучения.
Источники ионизированного излучения бывают естественного происхождения и искусственного (техногенные). Естественные источники излучения делятся на две основные группы: космическое излучение и излучение
за счет радиоактивного распада радионуклидов.
Космическое излучение возникает вследствие воздействия на земную
атмосферу высокоэнергичных протонов и альфа частиц. В результате целого
ряда ядерных превращений у поверхности земли образуется ряд элементарных частиц и, в основном, гамма излучение (до высоты 25 км). Эффективная
эквивалентная доза, создаваемая космическим излучением, составляет 0,32
мЗв в год. С удалением от поверхности земли интенсивность космического
излучения возрастает. Так на высоте 4 – 5 км доза составляет величину до 5
мЗв/год. А в салоне самолета на высоте 10000 м экспозиционная доза равна
143 мкР/час. Космонавты за время орбитальных полетов получают дозу
около 0,05 мЗв за сутки или 18 мЗв в год.
Из-за наличия радионуклидов с большим периодом полураспада в
земной коре человек в среднем получает 0,35 мЗв в год. В первую очередь к
таким элементам относятся калий-40 (Т1/2=1,48 млрд. лет), уран-238 (Т1/2=4,5
128
млрд. лет), торий-232 (Т1/2=14 млрд. лет). При распаде этих и других радионуклидов до стабильного свинца образуется целая цепочка радиоактивных
изотопов, создающих природный радиационный фон. В ряде местностей
земного шара уровень этого фона может существенно превосходить 0,35 мЗв
вследствие более высокого содержания радионуклидов в земной коре. Так,
например, на пляжах бразильского города Гуарапара годовая эквивалентная
доза может достигать величины 17 мЗв. Таким образом, годовая эффективная эквивалентная доза, обусловленная внешним облучением составляет 0,67
мЗв/год.
Человек наряду с внешним облучением подвергается и внутреннему
облучению, которое формируется за счет поступления в организм человека
радионуклидов, содержащихся в пище, питьевой воде, вдыхаемом воздухе.
В организме взрослого человека содержится целый ряд таких веществ. Больше всего в организме человека массой 70 кг содержится тория -232 (до 700
мг) и калия-40 (до 3 мг). Содержится также уран-238, уран-235, полоний-210
и др. Годовая эффективная доза, обусловленная облучением за счет полония
210, составляет 40% от общей годовой нормы внутреннего облучения. За
счет калия -40 – 50%. В целом доза внутреннего облучения составляет 0,33
мЗв. В итоге от естественных источников излучения человек получает за год
1мЗв.
Техногенный радиационный фон.
Более всего человек подвергается дополнительному облучению, находясь в помещении, за счет поступления радиоактивного газа радона. Его концентрация может превышать установленные допустимые концентрации для
урановых рудников в десятки раз. Мощность эффективной дозы создаваемого гамма излучения не должна превышать мощность дозы на открытой местности более, чем на 0,2 мЗв/час.
Другим источником, создающим техногенный фон, являются радионуклиды, используемые в строительных материалах. В зависимости от
назначения все строительные материалы делятся на 4 класса и характеризуются эффективной удельной активностью Аэфф, измеряемой в Бк/кг. Так, для
материалов, используемых при строительстве жилых и общественных зданий
Аэфф не должна превосходить 370 Бк/кг (1 класс).
Работа АЭС сопровождается газо-аэрозольными выбросами, сбросами
дебалансных вод. Однако при безаварийном режиме работы АЭС, как свидетельствуют международные оценки, доза облучения каждого индивидуума за
129
время жизни не превосходит 1% годовой дозы, получаемой за счет естественного радиационного фона.
При медицинских процедурах основную дозу облучения население
получает при проведении рентгеновских исследований. В целом эффективная доза облучения в этом случае может превышать дозы, получаемые от
других техногенных источников. В настоящее время доза, получаемая населением РФ от естественных и техногенных источников, составляет величину
порядка 4мЗв в год. При этом естественный радиационный фон оставляет
27%, радон в помещениях – 39% и рентгеновские процедуры – 34%.
Нормирование ионизирующих излучений
В начале 60-х годов допустимая эквивалентная доза составляла 0,5 Зв,
при этом наблюдались раковые заболевания. Потом норма была снижена до
0,15 Зв, но все же наблюдались отклонения в состоянии здоровья. В 1965 году по рекомендации МКРЗ допустимые значение были снижены до 0,05 Зв.
При рассмотрении вопроса о допустимых уровнях ионизирующих излучений
МКРЗ предложила учитывать следующее:
Любое значение ионизирующего излучения может привести к отклонению в состоянии здоровья и новообразованиям.
С увеличением дозы излучения линейно возрастает и вероятность возникновения отдаленных последствий.
Также МКРЗ рекомендует при нормировании радиационного фактора
оценивать приемлемый риск путем сравнения с риском от других видов профессиональной деятельности.
Нормативные документы:
НРБ-99/2010 (нормы радиационной безопасности) и ОСПОРБ-99/2010
(основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности).
Согласно нормативным документам всех людей делят на три категории:
Категория А – персонал, которые непосредственно работает вблизи
источника ионизирующих излучений. Ниже приведены основные пределы
доз (ПД).
Dэф= 20мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50мЗв в год.
Dэкв=150мЗв/год для хрусталика глаза
Dэкв=500мЗв/год для кожи и костей
Категория Б- персонал, который не работает непосредственно с источниками излучений , но может по условиям работы или проживания (для
населения) подвергаться облучению .
Dэф=1/4DэфА
130
Dэкв=1/4DэквА
Категория Н- население.
Dэф= 1мЗв/год в среднем в течении 5 лет, или 5мЗв в какой-нибудь год.
Dэкв=15мЗв/год для хрусталика
Dэкв=50мЗв/год для кожи и костей
Предельно допустимая зона ионизирующего излучения-это доза такого
излучения, при воздействии которой в течении 50 лет не наблюдается отклонений от состояния здоровья ни у персонала ни у последующих поколений
обнаруживаемых современными медицинскими методами. Если говорить о
населении, то воздействие рассматривается в течении 70 лет. Таким образом,
суммарная эффективная доза для персонала за период трудовой деятельности
составляет 1000 мЗв, а для населения за период жизни – 70 мЗв.
Кроме ПД в нормативных документах приводятся так же допустимые
уровни монофакторного (одного вида радионуклида) воздействия и контрольные уровни.
Защита от воздействия ионизирующего излучения.
Защита – это любая среда, размещенная между источником излучения
и зоной размещения персонала или оборудования с целью уменьшения интенсивности излучения. Защиту классифицируют по назначению. Рассматривают биологическую защиту – уменьшение дозы облучения персонала до допустимых уровней; радиационную защиту - уменьшение степени радиационных повреждений объектов до допустимых уровней; тепловую защиту –
снижение радиационного энерговыделения в защитных композициях до допустимого уровня.
По типу защиты она бывает сплошная, когда источник излучения
окружен полностью; раздельная – в этом случае она состоит из первичной и
вторичной (предназначается для защиты от источников, расположенных
между ней и первичной защитой); теневая и частичная.
По компоновке защита может состоять из одного материала - гомогенная и из нескольких – гетерогенная.
Для защиты от воздействия ионизирующих излучений, как и в случае
воздействия ЭМИ можно применять следующие общие меры защиты:
1.Защиту расстоянием.
2. Защиту временем.
3. Снижение уровня ионизирующего излучения.
4. Экранирование. Защита от воздействия ионизирующих излучений
путем экранирования несколько сложнее вследствие сложного характера самих излучений. Так, например, для защиты от альфа - излучения достаточно
131
использовать экран, выполненный из оргстекла. Для защиты от бета - излучения необходимо применять экраны, выполненные из легких металлов,
например, из алюминия. При облучении электронами свинца возникает сильное вторичное излучение Для защиты от гамма – излучения следует применять свинцовые экраны. Эффективность экранов оценивается соотношением
K = D / Dэкр , где D и Dэкр - дозы излучения без экрана и при наличии экрана. Обычно говорят о десятикратном ослаблении. Такое ослабление гамма
излучения с энергией в 1,25 МэВ обеспечивает свинцовый экран толщиной
4,7 см, бетон 32 см. При энергии в 4 МэВ такое ослабление создается экраном толщиной 6,4 см или слоем бетона в 48 см.
5. Контроль уровня ионизирующего излучения. Используется ионизационный метод (камера Вильсона, счетчик Гейгера); сцинтилляционный метод; фотографический; химический и калориметрический методы. Наиболее
широко для контроля уровня ионизирующего излучения применяются дозиметры и радиометры различного типа. Наибольшее распространение получили сцинтилляционные счетчики типа СРП-68.
6. Использование средств индивидуальной защиты. К средствам индивидуальной защиты от воздействия ионизирующих излучений относятся халаты, комбинезоны, противопылевые респираторы, спецобувь и др. Для работы в условиях наличия ионизирующего излучения используют различные
радиопротекторы в зависимости от начала и длительности предполагаемой
работы. Так, например, радиопротекторы типа РС-1 обеспечивают защиту в
течении 4 - 6 час. при их приеме за 40-60 мин. до начала работы, а РДД-77 –
10-12 суток при их приеме за 2-е суток.
Особенности защиты от воздействия ионизирующих излучений.
В отличие от других видов излучений защита от воздействия ионизирующих излучений имеет целый ряд особенностей. Это связано с тем, что
источники ионизирующих излучений могут быть закрытого и открытого видов. Если используется закрытый источник, то дополнительно необходимо:
1. Их размещение в отдельном помещении.
2. Помещение должно быть оборудовано системой сигнализации о
наличии ионизирующего излучения.
3. При входе в помещение, а также в нерабочем положении, источник
излучения должен быть помещен за защитный экран и должно быть снято
напряжение с ускорителя.
4. Должен быть обеспечен дозиметрический контроль.
5. Запрещается прикасаться руками к источнику.
132
6. Запрещается использовать источники в случае нарушения их герметичности и истечения срока эксплуатации.
7. Мощность дозы излучения не должно превышать 3 мкГр/час на расстоянии 1м от источника при их использовании в общих помещениях.
Если используется открытый источник ионизирующего излучения,
например, при эксплуатации АЭС, то возможно выделение радионуклида из
их смеси и др. Поэтому в связи с вероятностью внешнего и внутреннего облучения дополнительно необходимо:
1.Источник должен располагаться в отдельном здании, в котором
должны быть выделены три зоны: 1 зона – место расположения радиоактивных материалов. Эта зона является необслуживаемой. 2-я зона предназначена для временного хранения сырья, радиоактивных отходов и т.д. В ней человек бывает периодически. 3-я зона – зона постоянного пребывания персонала. Здесь находятся пульты управления работой энергоблоков и др.
2. Здание должно быть оборудовано санпропускником. Он необходим
для смены одежды, обуви, санитарной обработки персонала, контроля загрязнения кожного покрова. Планировка санпропускника должна обеспечивать раздельное прохождение персонала в прямом и обратном направлениях.
3. Здание должно быть оборудовано кладовыми для загрязненной
одежды, душем, камерами дезактивации.
Указанные меры обязательны при выполнении работ 1 класса. Класс
работ определяется по минимально значимой активности (МЗА). Так, для работ 1 класса МЗА более 108 Бк, для 3-го класса МЗА 103 – 105 Бк..
133
Лекция 13. Микроклимат на рабочем месте. Нормирование
параметров микроклимата. Защитные мероприятия. Вредные вещества, их классификация. Воздействие вредных веществ на организм человека. Нормирование вредных веществ. Защита от воздействия вредных веществ.
Рабочее место — место, где работник должен находиться и где
он выполняет работу в режиме и условиях, предусмотренных нормативнотехнической документацией.
Рабочая зона — пространство, ограниченное по высоте 2 м над уровнем пола или площадки, на которых находятся места постоянного
или непостоянного (временного) пребывания работающих.
Основными параметрами микроклимата являются: температура внешней среды; относительная влажность; скорость движения воздуха и давление.
Во время своей жизнедеятельности человек потребляет пищу, которая в
результате химических процессов в организме переходит в тепло. Чтобы не
происходил перегрев организма это тепло (в среднем 2600 ккал в сутки)
необходимо отводить в окружающую среду. Повышение температуры внутри
тела человека до 43оС или охлаждение до 25оС и ниже на длительное время
может привести к летальному исходу. Поэтому все время происходит процесс обмена теплом с окружающей средой, т.е. справедливо уравнение теплового баланса: Qтп=Qтс , где Qтп - тепло, что выделяется телом человека, Qтс –
тепло, поглощаемое окружающей средой. Если тепло не полностью передается окружающей среде, происходит повышение температуры внутри тела
человека. Ему становиться жарко. И наоборот, если окружающая среда воспринимает больше тепла, чем ее образуется в теле человека, может наступить переохлаждение организма – человеку холодно. Поскольку на Земле
температура меняется в широких пределах (-88 - +60оС) возможны оба процесса. Тепло от тела человека передается окружающей среде за счет трех основных процессов: теплоизлучения, конвекции и испарения. Т.е.
Qтп= Qизл+ Qконв+ Qисп
Передача тепла другими процессами незначительна и составляет менее
4%. При температуре 20оС за счет конвекции от тела человека отводится порядка 30% тепла, которое согласно соотношению Qконв=αSэфф(tпов-tср) зависит
от разности температур тела человека и среды, эффективной поверхности
тела человека (в среднем 1,8 кв.м) и коэффициента теплоотдачи конвекцией
α, который в свою очередь является функцией скорости движения воздуха,
134
относительной влажности и давления. Следует отметить, что скорость движения воздуха приводит к более существенной передаче тепла в окружающую среду. Так, например, температура -12оС при скорости в 9 м/с воспринимаются как -32оС. При высокой относительной влажности также отводится
от тела человека больше тепла.
Больше всего (более 44%) при упомянутой температуре от тела человека отводится тепла за счет процесса теплоизлучения. Согласно закона Стефана - Больцмана Qизл=βSизл((
4
4
), где Тпов и Тср - температуры тела
-(
человека и среды в градусах Кельвина, Sизл - площадь излучающей поверхности, β – коэффициент теплоизлучения (для расчетов β=4,9 Вт/(м2К-4)) .
Тепло, передаваемое в окружающую среду за счет процесса испарения,
зависит от массы выделяемого пота и удельной теплоты испарения q согласно соотношению Qисп =mпq и составляет обычно порядка 21% от общего количества отводимого тепла. Кроме того, на количество теплоты, отдаваемое
в окружающую среду за счет процесса испарения, влияет температура среды, физическая нагрузка, а также скорость движения воздуха и относительная влажность . При температурах более 30оС практически все тепло отводится от тела человека за счет испарения, что ведет к обезвоживанию организма. Уже при температуре 37,8оС выделение пота идет со скоростью 300 г
в минуту. Обезвоживание организма на 6% приводит к нарушению умственной деятельности, снижению остроты зрения. При потере воды более 15% от
массы тела возможен летальный исход. Следует отметить, что вместе с водой
из тела человека выводится также ряд необходимых организму веществ,
например, NaCl и др. Длительное воздействие высоких температур может
привести к перегреву организма – гипертермии. В этом случае наблюдается
головная боль, головокружение, искажение цветового восприятия, тошнота,
учащение пульса. И как следствие, возникает тепловой удар, характеризуемый потерей сознания, расширением зрачков. При пониженных температурах, сопровождаемых большой влажностью и подвижностью воздуха, может
возникнуть состояние переохлаждения – гипотермии.
Большую роль в жизнедеятельности человека играет давление, что связано с нагрузкой на дыхательный аппарат. Величина атмосферного давления
на земном шаре колеблется в интервале от 680 до 810 мм рт.ст. Но основную
роль играет парциальное давление кислорода, определяемое соотношением:
V
PO2 = ( P - 47 ) O2 - PCO2 ,
100
135
где P - атмосферное давление вдыхаемого воздуха, VО2 - объем кислорода,.
содержащийся в альвеолярном воздухе, PCО2 - парциальное давление углекислого газа в воздухе
Парциальное давление кислорода в 90-120 мм рт.ст. является наиболее
благоприятным для человека. При его снижении, например, при подъеме в
гору на высоту 4-5 км оно падает до 60 мм рт.ст, Вследствие этого снижается
диффузия кислорода из легких в кровь, что приводит к учащению дыхания и
излишней нагрузке на сердце. С другой стороны при проведении подводных
работ парциальное давление повышается. И при дыхании возрастает усилие
дыхательного аппарата и сердечной мышцы. Кроме того, важным в этом
случае является период декомпрессии, необходимым для вывода азота, которым насыщается кровь при повышенном давлении.
Нормирование параметров микроклимата.
В ГОСТ 12.1.005-88(с изменениями 2000 г.) определены оптимальные и
допустимые параметры микроклимата. Под оптимальными понимается такое
сочетание параметров микроклимата, которое при постоянном и непрерывном воздействии на организм человека обеспечивает ощущение теплового
комфорта и создают предпосылки для высокой работоспособности. При допустимых параметрах может возникнуть состояние теплового дискомфорта,
ухудшение самочувствия и снижение работоспособности. Это состояние обратимо. Оптимальная относительная влажность согласно ГОСТу составляет
40-60%, допустимое значение относительной влажности – 75%. Оптимальные значения температуры и скорости движения связаны с категорией работ,
а также с периодом года. Категории работ определяются энергозатратами:
Работы первой (лёгкой) категории, в свою очередь, разделяются на
подкатегории 1А и 1Б. Энергозатраты подкатегории 1А составляют менее
120 ккал/час, подкатегории 1Б – 120-150 ккал/час. Такие энергозатраты связаны с «сидячей» работой, при которой человек не выполняет никакого физического труда.
Работы второй (средней) категории также разделяются на две подкатегории. Энергозатраты в подкатегории 2А составляют 150-200 ккал/час. Такое количество энергии соответствует ходьбе и переносу небольших тяжестей. Энергозатраты в подкатегории 2Б – 200-250 ккал/час соответствуют переноске грузов до 10 кг.
Работам третьей (тяжёлой) категории соответствуют энергозатраты
выше 250 ккал/час. Такое количество энергии выделяется при выполнении
тяжелого физического труда. Энергозатраты могут приводиться в ваттах (1
Вт= 0,864 ккал/час).
136
При определении оптимальных параметров микроклимата необходимо
учитывать период года. Он считается холодным, если среднесуточная температура менее 10оС. В остальных случаях это теплый период года.
Оптимальные значения температуры и скорости движения связаны
также с категорией помещений по объёму тепловыделения (оптимальный
уровень относительной влажности тот же, что и выше).
В зависимости от объёма тепловыделения различают помещения с малым объёмом тепловыделения ( VT < 20 ккал × час / м3 ) и помещения с большим объёмом тепловыделения ( VT ³ 20 ккал × час / м3 ).
Согласно нормативным документам оптимальная температура при выполнении работ категории 1А в холодный период года составляет 22-24оС, а
3-ей категории - 16-18оС. При этом скорость движения воздуха не должна
быть более 0,1 и 0,3 м/с, соответственно.
Целый ряд работ проводится при наличии интенсивного инфракрасного (теплового) излучения. При превышении допустимых уровней возникает
негативное воздействие на организм человека. Так, например, при интенсивности в 1050 Вт/м2 через несколько минут на поверхности кожи возникает
жжение, а при интенсивности 3500 Вт/м2 через несколько секунд возможен
ожог.
Согласно санитарным нормам СН-245-71 допустимая интенсивность
теплоизлучения зависит от облучаемой поверхности:
Таблица 11.1
Облучаемая поверхность, %
Допустимая
интенсивность излучения, Вт / м 2
> 50
25 - 50
< 25
35
70
100
Защитные мероприятия.
Во- первых, у самого организма человека имеются возможности для
регулирования процесса обмена теплом с окружающей средой. Это достигается с помощью процесса испарения при повышенных температурах. Система кровообращения при расширении и сужении сосудов позволяет регулировать температуру внутри тела при его нагреве и охлаждении. В этом случае
изменяются потоки крови, которая является теплоносителем, из внутренних
органов к поверхности тела. При охлаждении тела человека возникает дрожь,
при которой активизируются биохимические окислительные процессы в организме, способствующие повышению температуры.
137
Для создания оптимальных параметров микроклимата используются
системы кондиционирования, системы отопления помещений, вентиляция,
тепловые завесы, душирование. При наличии интенсивных инфракрасных
излучений используют экраны различного типа (отражающие, поглощающие,
теплоотводящие). Применяются также различные средства индивидуальной
защиты (спецодежда, очки, маски и т.д.).
Измерение параметров микроклимата. Измерения температуры производятся термометрами, давления – барометрами, теплового излучения – актинометрами.
Воздействие вредных веществ и защита от них.
Производственный процесс можно представить следующим образом:
Добыча
полезных
Производство
сырья и его переработка
Отходы
ископаемых
Производство
средств производства и предметов
потребления
Отходы
Использование предметов потребле-
Отходы
Согласно закону о неустранимости отходов их невозможно уничтожить, можно только переместить в пространстве или перевести из одной
формы в другую. Следовательно, отходы накапливаются, что приводит к
негативному воздействию на здоровье людей и загрязнению экосистем. За
счет антропогенной деятельности в атмосферу Земли ежегодно поступает до
20000 млн. тонн химических веществ (диоксид, оксид углерода, оксиды серы
и др.). В гидросферу со стоками воды попадает ежегодно только свинца до
138
200 тыс. тонн. Загрязняются также земли при добыче полезных ископаемых,
за счет бытовых отходов, при внесении удобрений и пестицидов.
Анализ воздействия вредных веществ. Существует 3 способа поступления вредных веществ в организм. Они могут поступать в организм через:
1.дыхательные пути;
2. желудочно-кишечный тракт;
3. кожу.
Вредные вещества классифицируются в зависимости от области их
применения:
1.Промышленные яды;
2. Ядохимикаты, используемые в сельском хозяйстве;
3.Лекарственные средства;
4. Бытовые химикаты;
5.Боевые отравляющие вещества (зарин, хлор и др.);
6.Биологические и растительные яды.
Согласно ГОСТ 12.1.007-76 (с изм. от 1990 г.), вредные вещества классифицируются по воздействию на организм:
1.Токсические (воздействуют на ЦНС, на органы кровообращения) –
наркотики, алкоголь, мышьяк, никотин, никель, ртуть, ядовитые грибы и др.;
2. Раздражающие (воздействуют на слизистые оболочки - хлор);
3. Канцерогенные (вызывают возникновение раковых опухолей) – пищевые добавки Е130, Е142 и др., асбест, никель, хром;
4. Мутагенные – марганец, свинец;
5. Фиброгенные – каменно-угольная пыль (т.н. «болезнь шахтёров»),
аэрозоли кокса, алмазов и т.д.;
6. Аллергенные (сенсибилизирующие) – формальдегид, растворители.
7. Влияющие на репродуктивную функцию (свинец, ртуть).
По происхождению вредные вещества делятся на органические и неорганические.
Рассмотрим факторы, влияющие на степень воздействия вредных веществ:
1.Физико-химический состав вещества – «одно дело – бытовая пыль,
другое – цианистый калий или ботулин!»;
2. Концентрация вещества – «этиловый спирт – 96%, водка – 40%, сухое красное вино – 11%: при одном и том же количестве выпитого эффект
воздействия – совершенно различный!»;
3. Дисперсность вещества. Рассмотрим данное свойство на примере
бытовой пыли. Частицы пыли диаметром > 5 мкм оседают в носоглотке; частицы диаметром 1 - 5 мкм оседают в лёгких, а частицы диаметром < 1 мкм
выдыхаются наружу. Таким образом, самое неблагоприятное воздействие
139
оказывают частицы пыли диаметром 1 - 5 мкм , т.е. частицы, оседающие в
лёгких.
4. Время воздействия;
5. Время вывода из организма.
Нормирование. Нормирование вредных веществ приведено в
ГОСТ 12.1.005-88 (2000). Основные параметры, используемые при нормировании:
1) Предельно допустимая концентрация (ПДК) – такая концентрация
вещества в воздухе, при которой при ежедневной работе в течение установленного рабочего дня на протяжении всего рабочего стажа не вызовет нарушений здоровья настоящего и последующих поколений. ПДК измеряется в
мг / м3 .
2) Предельная доза вещества, вводимая в желудок (ПДЖ), измеряется
в мг / кг .
ГОСТ классифицирует вредные вещества на 4 категории опасности
(табл. 9.2):
Таблица 11.2
Категория
Название
ПДК,
ПДЖ,
Примеры
3
В еществ
мг / кг
мг / м
I
Чрезвычайно
Ртуть, никель, хлор.
< 0,1
< 15
опасные
свинец
II
Высоко
0,1 - 1
15 - 150 Кислоты: серная,
опасные
азотная; тяжёлые
металлы (медь, марганец, хром, цинк,
сурьма)
III
Умеренно
1,1 - 10
151 - 5000 Борная кислота, лёгопасные
кие металлы (алюминий), метиловый
спирт, пропан, бутан
IV
Малоопасные
Этиловый спирт,
> 10
> 5000
ацетон, пыль
Защитные меры от воздействия вредных веществ.
1) Автоматизация и роботизация производства – основной целью
применения данной меры является исключение непосредственного участия
человека при работе с вредными веществами.
140
2) Модернизация производственных процессов – замена вредных веществ безопасными.
3) Модернизация оборудования (например, система очистки топлива
Евро-5, применяемая в Европе).
4) Контроль (в первую очередь – качества воздушной среды, контроль
качества воды и пищи). Существуют две группы методов контроля - количественная (массовый и счетный) и качественная (фотохимический, оптический, радиационный,
5) Вентиляция. При уровне вредных веществ в приточном воздухе
< 30% ПДК допустимо использование естественной вентиляции. В противном случае необходимо применение искусственной вентиляции. По принципу действия искусственная вентиляция разделяется на приточную (воздух
нагнетается за счёт работы вентиляторов), вытяжную (воздух поступает
извне через специальные каналы) и приточно-вытяжную. По назначению:
общая (воздух циркулирует во всём помещении) и местная (воздух меняется
в части помещения). Объём воздуха в единицу времени, вырабатываемый
приточной вентиляцией, составляет
æ м3 ö
mв
Lп ç
=
,
÷
с
C
С
è
ø
ПДК
п
где mв - масса вредных веществ, выделяемых в единицу времени; CПДК и Cп
соответственно ПДК и концентрация приточного воздуха. Для вентиляции
вытяжного типа
æ м3 ö
Lвыт ç ÷ = S × v ,
è с ø
где S – площадь отверстия вытяжного устройства, v – скорость высасывания воздуха (зависит от вещества). Кратность обмена воздуха (количество
полной смены воздуха в помещении за час) определяется следующим образом:
æ м3 ö
L ç ÷ = k ×V ,
è с ø
где V - объём помещения, k - коэффициент кратности (показывает, сколько
раз в час воздух сменится в помещении единичного объёма). В ряде случаев
перед выводом воздуха в окружающую среду необходима его фильтрация.
6) Использование средств индивидуальной защиты:
141
- Для защиты от проникновения вредных веществ через дыхательные
пути применяются респираторы, ватно-марлевые повязки;
- Для защиты от проникновения вредных веществ через пищевой
тракт нужно употреблять безопасные пищу и напитки;
- Для защиты от проникновения вредных веществ через кожу применяются прорезиненные халаты и перчатки.
7) Выделение опасных и вредных производств в отдельные помещения,
здания.
142
Лекция 14. Основные характеристики освещенности. Системы освещения. Нормирование освещенности. Источники искусственного освещения. Методы расчета освещенности.
Подавляющий объем информации (более 80%) человек получает с помощью органов зрения. Следовательно, вопрос об освещенности на рабочем
месте весьма важен
Основные светотехнические характеристики:
- световой поток Ф (лм, люмен) – это энергия электромагнитного излучения через произвольную площадь в единицу времени, лежащего в видимом диапазоне (λ=0,36 – 0,76 мкм);
- освещенность Е=Ф/S (лк, люкс), S – площадь;
- сила света (кД, кандел) – пространственная плотность светового потока I=Ф/Ω, где Ω - телесный угол (отношение площади, которую конус вырезает на поверхности сферы к квадрату радиуса этой сферы);
- световая отдача ψ= Ф/Р(лм/Вт) , где Р – подводимая мощность;
I
- яркость L =
(кД/м2) , где a – угол между направлением изS cosa
лучения и нормалью к излучающей плоскости.
- контрастность (безразмерная) К=|Lф-Lо|/Lф, где Lф – яркость фона,
Lо – яркость объекта:
при 0,5 ≤ К ≤ 1 – большой контраст;
при 0,2 ≤ К ≤ 0,5 - средний контраст;
при К ≤ 0,2 – малый контраст;
- коэффициент отражения (характеризует фон) σ – отношение падающего потока к отраженному потоку:
при 0,4 ≤ σ ≤ 1 – светлый фон;
при 0,2 ≤ σ ≤ 0,4 – средний фон;
при σ ≤ 0,2 – темный фон;
- Eмин
E
× 100% , где
- коэффициент пульсаций освещенности K п = макс
2 Eсред
E макс ,E мин , Eсред - максимальная, минимальная и средняя освещенности за период колебания напряжения питания..
Воздействие нерациональной освещенности на рабочем месте на организм человека.
Важнейшим источником информации, поступающей в мозг человека из
внешней среды, является зрение. Зрительный анализатор (130 млн. палочек и
7 млн. колбочек) позволяет получить представление о размерах, цвете
143
наблюдаемого объекта, о его состоянии, о потенциальной опасности, которую он несет. Для переработки световых сигналов необходимо, чтобы зрительный анализатор обладал способностью приспосабливаться к внешним
условиям. Поэтому важна способность глаза к аккомодации (приспосабливаемость к изменению расстояния) и адаптации (приспосабливаемость к изменению условий освещенности). Такая способность обеспечивает остроту зрения, контрастную чувствительность и т.д. Качество информации, получаемое
посредством зрения, во многом зависит от освещения. Освещение, удовлетворяющее гигиеническим и экологическим требованиям, называется рациональным. Рациональное освещение производственных помещений оказывает
положительное психофизиологическое воздействие на работающих. Способствует повышению производительности труда, обеспечению его безопасности, сохранению высокой работоспособности человека в процессе труда.
Свет оказывает положительное влияние на эмоциональное состояние
человека, воздействует на обмен веществ, сердечно-сосудистую систему,
нервно-психическую сферу. Он является важным стимулятором не только
зрительного анализатора, но и организма в целом.
При недостаточной освещенности и плохом качестве освещения состояние зрительных функций находится на низком исходном уровне, повышается утомление зрения в процессе выполнения работы, возрастает опасность
получения травм, особенно, если учесть инерцию зрения (0,1 – 0,3 с). С другой стороны, существует опасность отрицательного влияния на органы зрения слишком большой яркости (блескости) источников света. Следствием
этого может явиться временное нарушение зрительных функций глаза (явление слепимости). Кроме того, следует учитывать, что основная обработка
изображения происходит в мозгу. Поэтому при нерациональной освещенности зрительный аппарат, центральная нервная система и мозг функционируют в перенапряженном режиме, что сказывается на самочувствии человека.
Системы освещения
Производственное (рабочее) освещение бывает естественным, искусственным и совмещенным.
Естественное освещение обусловлено прямыми солнечными лучами и
рассеянным светом небосвода и меняется в зависимости от географической
широты, времени суток, времени года, степени облачности, прозрачности атмосферы. Основной характеристикой естественной освещенности является
коэффициент естественной освещенности (КЕО), определяемый соотношением:
КЕО =
144
Eвнут
Eвнеш
100% ,
где Eвнут - освещенность в данной точке помещения; Eвнеш - освещенность на горизонтальной поверхности под открытым небосводом. КЕО зависит, очевидно, от размеров оконных проемов, от удаленности рабочего места
от окна, от наличия препятствий для света перед окнами. И если есть зеленые
насаждения, то КЕО будет меняться от этажа к этажу. На нижних этажах он
более низкий. Также КЕО меняется от географической широты. КЕО в Петербурге будет отличаться от КЕО в Москве, хоть и на доли процента; от коэффициента отражения от стен (для готового помещения). Естественное
освещение может быть верхним, боковым и комбинированным (верхнее и
боковое).
Искусственное освещение применяется при недостаточности естественного освещения или при отсутствии его (в темное время суток). По
функциональному назначению искусственное освещение разделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное и дежурное. Искусственное
освещение создается искусственными источниками света: лампами накаливания или газоразрядными лампами
Совмещенное освещение представляет собой дополнение естественного освещения искусственным в светлое время суток при недостаточном по
нормам естественном освещении.
Искусственное освещение может быть общим и местным. При общем
освещении светильники размещают в верхней зоне равномерно (равномерное
освещение) или применительно к расположению оборудования (локализованное освещение).
При местном освещении световой поток от светильников концентрируется непосредственно на рабочих местах. При дополнении общего освещения
местным оно называется комбинированным освещением.
Для искусственного освещения помещений рекомендуется применение
газоразрядных ламп (люминесцентных, дуговых ртутных, металлогалогенных и др.).
Как правило, на рабочих местах должно использоваться естественное и
искусственное освещение. Одно местное освещение в производственных
условиях не применяется, так как резкий контраст между ярко освещенными
и неосвещенными участками утомляет глаз, замедляет процесс работы и может послужить причиной несчастных случаев и аварий. Минимальная величина освещенности, создаваемая общим освещением в системе комбинированного освещения, должна быть не менее 10% от нормированной величины.
Нормирование производственного освещения
Нормирование освещенности рабочего места производится в зависимости от точности зрительной работы, характеризуемой размерами объекта раз145
личения. На условия зрительной работы, ее разряд кроме размеров объекта
различения (деталь предмета с минимальными размерами) влияют также
контраст с фоном, яркость фона и система освещения. Значения нормативных данных освещенности рабочего места определяются по СНиП 23–05–03
(2003) Строительные нормы и правила «Естественное и искусственное освещение»; СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных
зданий» и другими, в том числе ведомственными нормативными документами.
Для естественного освещения регламентирован КЕО, для искусственного – наименьшая освещенность на рабочих поверхностях в производственных
помещениях.
Согласно СНиП зрительные работы делятся на 8 разрядов в зависимости
от размера различаемой детали (1 разряд наивысшей точности – размеры
объектов менее 0,15 мм). 7 разряд связан со светящимися объектами. 8 разряд
связан с проведением общих работ. Разряды разбиваются на подразряды (а,
б, в, г) в зависимости от контраста детали различения с фоном и от коэффициента отражения фона. Для каждого подразряда установлены определенные
наименьшие значения освещенности, понижающиеся по мере увеличения
размера деталей, увеличения контраста с фоном, увеличения коэффициента
отражения и др. Данные приводятся для комбинированного освещения и общего.
В нормативных документах кроме значений нормированной освещенности приведены коэффициенты пульсаций, показатели ослеплённости и комфорта, а также КЕО, что необходимо для проектирования зданий и сооружений. Показатель ослепленности p=1000(s-1), где s=v1/v2, v1 – видимость при
отсутствии блестящих предметов в поле зрении, v2 – при их наличии.
Например, для нормированной освещенности в 500 лк, для средней яркости и темного фона коэффициент ослепленности равен 10. Если проводятся
более точные работы, то все параметры принимают большие значения.
Пульсация связана с пульсацией напряжения питания. Частота пульсаций
равна удвоенной частоте питающего напряжения. По нормативным документам Кп<10% в учебных заведениях, а при работе на компьютере Кп<5%.
Источники искусственного освещения.
Электрические лампы — источники оптического излучения, создаваемого в результате преобразования электрической энергии. Электрические
лампы подразделяются на лампы накаливания (ЛН), в которых свет создается
146
телом накала, раскаленным в результате прохождения по нему электрического тока. В разрядных лампах (РЛ свет создается в результате электрического
разряда в газе, парах металлов или в газовой среде, содержащей пары металлов. Внутренняя поверхность этих ламп покрыта люминофором при облучении которого ультрафиолетовым излучением, согласно правилу Стокса возникает видимое излучение.
ЛН относятся к тепловым источникам света, в которых свечение возникает путем нагревания нити накала до высоких температур. Они просты и
надежны в эксплуатации. Недостатками их являются: низкая световая отдача
(до 20 лм/Вт), ограниченный срок службы (до 1000 часов), преобладание излучения в желто-красной части спектра, что искажает цветовое восприятие.
Определенными преимуществами обладают галогеновые лампы накаливания. В колбе данных ламп наряду с вольфрамовой спиралью содержатся пары элементов галогеновой группы, например, йода, что повышает температуру накала нити и существенно уменьшает ее испарение. Срок службы данного типа ламп составляет величину до 3000 часов, а световая отдача – до 30
лм/Вт.
РЛ имеют более высокую световую отдачу (более 100 лм/Вт) и в 5 ÷ 10
раз больше срок службы (до 15000 ч) по сравнению с ЛН, а также более широкий диапазон мощностей при весьма разнообразных спектрах излучения.
Соответствующий подбор среды и условий разряда позволяет создавать высокоэффективные источники излучений во всех областях оптического диапазона. Все указанное обусловило широкое применение РЛ не только для
освещения, но и для многочисленных специальных целей. Например, для
дальнометрии, аэрофотосъемки, накачки лазеров, в облучающих установках,
а также для изучения перемещающихся объектов и быстропротекающих
процессов.
РЛ присущ и ряд недостатков. Прежде всего, это определенная сложность включения их в электрическую сеть, связанная с особенностями разряда, так как для его зажигания требуется более высокое напряжение, чем для
поддержания устойчивого горения; пульсация светового потока (до 30 %);
длительное время (от нескольких секунд до нескольких минут) выхода на оптимальный режим работы, а так же сложность утилизации.
Значительную опасность при использовании газоразрядных ламп представляет так называемый стробоскопический эффект – явление искажения
зрительного восприятия вращающихся объектов в мелькающем свете, возникающее при совпадении кратности частотных характеристик движения объ147
ектов и изменения светового потока во времени. По экономическим и светотехническим характеристикам преимущество следует отдавать РЛ.
Газоразрядные лампы бывают низкого и высокого (давления.
Лампы низкого давления или
люминесцентные применяются
для освещения внутреннего помещения
ЛБ – лампа белого света
Лампы высокого давления используются для освещения больших площадей.
ДРЛ – дуговая ртутная лампа
ЛД – лампа дневного света
ДNaТ- дуговая натриевая лампа (имеет минимальный коэффициент пульсации)
ЛДЦ – лампа с улучшенной
светопередачей
ДКсТ – дуговая ксеноновая
лампа
ЛХБ – Лампа холодного белого
света
В настоящее время широкое применение получили светодиодные источники света. Практически все недостатки, присущие лампам накаливания и газоразрядным лампам, у них отсутствуют. К преимуществам светодиодных
источников можно отнести следующие: большой срок службы (до 60
тыс.час.), высокая световая отдача (до 80 лм/Вт), низкое рабочее напряжение
и малый потребляемый ток, экологическая и пожарная безопасность, чистота
и насыщенность цветовой гаммы, лучшая направленность светового потока,
отсутствие влияния низких и высоких температур окружающей среды на их
эксплуатацию и др.
Для освещения больших площадей, тоннелей в настоящее время получили распространение индукционные лампы, представляющие собой бесконтактный источник света, в котором используется явление электромагнитной индукции. Имеет два диапазона использования: 130-180 кГц и 2.65 МГц.
Срок службы таких ламп составляет до 100 тыс. часов, а световая отдача 60-80 лм/Вт
Лампа с арматурой называется светильником. Основное назначение
светильников заключается в распределении светового потока источников
света в требуемых для осветительных установок направлениях и защите
148
ламп, оптических элементов и электрических аппаратов светильников от воздействия окружающей среды.
Осветительные приборы за счет наличия арматуры испускают в окружающую среду меньшую величину светового потока Фс, чем сам источник
света Фл. Отношение этих величин определяет коэффициент полезного действия светильника
h = Фс /Фл
Отношение светового потока Фрасч, падающего на расчетную плоскость
(плоскость с нормированной освещенностью Енорм), к световому потоку источника света Фл называется коэффициентом использования светильника:
Кисп=Фрасч/Фл
Кроме того, каждый светильник характеризуется кривой распределения
силы света в пространстве (сила света в полярных координатах), а также защитным углом светильника (угол между горизонталью и линией, соединяющей нить накала (поверхность лампы) с противоположным краем отражателя).
Методы расчета освещенности
Метод удельной мощности – приближенный метод. Для расчета удельной мощности используется соотношение
ån Pn
Pуд =
,
S
где суммарная мощность источников света относится к освещаемой
площади данного помещения (выбирается по справочникам в зависимости
от типа светильника, высоты подвеса, требуемой освещенности).
Точечный метод используется для расчета местного освещения по соотношению
I cosa
Eтреб =
,
R2
где I – сила света, которая выбирается из справочника, R – расстояние, α –
угол между направлением луча падающего света и нормалью к рабочей поверхности (см. рисунок)
149
Наиболее распространенный метод расчета освещенности – метод использование светового потока. Общий световой поток в данном помещении
при выполнении определенной работы определяется соотношением
Фобщ = Фтреб / h ,
где Фтреб - требуемый световой поток, а h - коэффициент использования
светового потока. Тогда число ламп можно найти по формуле:
Ф
n = общ , где Фл - световой поток лампы, выбираемой по справочнику. ТреФл
буемый световой поток рассчитывается по соотношению:
Фтреб = Eнорм × S × K з × z ,
где Eнорм - требуемая освещенность согласно нормативным документам, S –
площадь помещения, z~1.1 – коэффициент минимальной освещенности, который зависит от типа источника света, K з - коэффициент запаса, равный 1,2
– 1,6 для ЛН и 1,4 – 1,8 для РЛ. Коэффициент использования светового потока определяется из справочника и зависит от коэффициентов отражения от
стен, потолка и индекса помещения i, который определяется соотношением
ab
,
i=
(a + b) H
где a и b – ширина и длина помещения, H – высота на рабочей поверхностью. Количество светильников находится путем деления общего числа ламп
на число ламп в светильнике. Обычно точное число ламп по ряду причин
трудно подобрать, то производится округление в ту или иную сторону. Затем
проводится проверочный расчет требуемой освещенности, которая должна
быть в пределах -10% - +20% от нормированного значения.
150
Лекция 15. Безопасность работы с ПК
Развитие ЭВМ сразу началось после Второй Мировой Войны, когда американские ученые сделали машину для расчета полета баллистических снарядов. Она имела вес в 50 тонн и занимала площадь в несколько этажей здания. В наше время ПК получил широкое распространение, а вследствие этого
возник целый ряд заболеваний, связанный с частым использование их.
Особенности, возникающие при эксплуатации ПК:
1) повышенное зрительное напряжение.
Повышенное зрительное напряжение возникает вследствие целого ряда
причин. Глаз человека воспринимает изображения объектов, как правило, в
отраженном свете в отличие от восприятия изображения с экрана монитора.
Кроме того, на функционирование зрительного аппарата влияет нечеткость и
дискретность изображения, неравномерность яркости экрана монитора, малая контрастность изображения, размеры пикселя и т.д. Спектр источника
света в данном случае не совпадает со спектром солнечного света, к которому за время эволюции приспособился глаз человека. Световой климат на рабочем месте пользователя ПК также может приводить к повышенному зрительному напряжению, утомляемости глаз - астенопии. В результате, согласно проведенным обследованиям школьников различных стран, наблюдается
ухудшение зрения к 16 годам у 40% учащихся.
2) повышенное психологическое напряжение:
повышенное психологическое напряжение может возникать в связи с
высокой степенью ответственности за результаты работы. Она возникает с
появлением физической опасности, например, при ошибке авиадиспетчера.
Или при возможной материальной опасности (ошибка работника банка или
ошибки при проектировании). Ошибки при выполнении текущей работы могут вызывать недовольство со стороны руководителя работы, коллег (лишение премии). Во всех случаях происходит мобилизация центральной нервной системы работника, стимулирование физиологических и психологических процессов, направленных на качественное выполнение своих обязанностей. Однако такое состояние не может продолжаться очень долго. И возникает запредельное психическое состояние, которое у людей различного типа
проявляется по разному. У человека тормозного типа наблюдается скованность в движениях, снижается скорость ответной реакции, замедляется скорость мышления и т.д. У людей возбудимого типа такое состояние проявляется в суетливости, легкой отвлекаемости, раздражительности, принятию
поверхностных решений и т.д. Пребывание человека длительное время в таком состоянии приводит в конечном итоге к невротическим заболеваниям,
гипертонии, язве желудка, атеросклерозу сосудов головного мозга и др. В со151
стоянии утомления повышается вероятность получения травмы, вследствие
ослабления внимания, снижения скорости двигательной реакции.,
На психику человека может оказывать воздействие определенных программ. Так, например, чередование ярких вспышек на экране монитора привело к нервному истощению японских детей в 1998г. при просмотре мультфильма. Возможна также обработка человеческого сознания на психологическом уровне с помощью техники «25 кадра». Следует отметить еще один
аспект воздействия ПК на психику человека. Использование различных игровых программ позволяет человеку «погружаться» в виртуальный мир, уходить от реальной действительности. Так, в США были арестованы и подверглись большому штрафу молодые супруги, забывшие за игрой на ПК на длительное время о своих детях.
3)Повышенное костно-мышечное напряжение.
Большинство офисных работников проводит за компьютером около
10-12 часов, выполняя множество монотонных операций. Это негативно сказывается на плечевом аппарате, на кистях рук, на позвоночнике. Болезненные, ощущения в мышцах возникают вследствие их постоянного сокращения, ухудшения кровоснабжения. В мышечных тканях накапливаются продукты распада , что приводит к болезненности. При работе на клавиатуре с
высокой скоростью пальцы и кисти рук совершают одни и те же движения.
Что, в конечном итоге, проводит к воспалительным процессам. В результате
этого развивается СДСН – синдром длительных статических нагрузок. К основной причине, по которой возникает повышенное костно-мышечное
напряжение, относят несоответствие параметров мебели антропометрическим характеристикам человека. Длительный дискомфорт в условиях недостаточной подвижности способствует развитию общего утомления, снижению работоспособности, возникновению болей в области спины, шеи, поясницы, а при систематической, длительной работе к заболеваниям опорнодвигательного аппарата, периферической нервной системы: радикулитам,
невритам и т.п.
4)повышенный уровень электромагнитных полей.
Воздействию ЭМП рассматривалось в предыдущих лекциях.
Гигиенические нормативы при работе на ЭВМ и защитные меры.
Требования по работе с компьютерами изложены в СанПиН 2.2.2/2.41340-03. Санитарные правила впервые были составлены в Швеции. Шведы
впервые обратили внимание на проблему безопасной работы на ПК. Ими были разработаны соответствующие нормативные документы MPR-II, TCO-99.
В СанПиНе РФ изложены основные положения шведских стандартов с соответствующей их корректурой. В правилах приведены требования по освещенности, организации рабочего места, требования к монитору того или иного типа, допустимые уровни ЭМП, шума. Приводятся также требования по
режиму работы и различные виды профилактических упражнений. При этом
152
рассматриваются требования к различным группам пользователей - школьникам, студентам и взрослым пользователям.
Некоторые требования по освещенности рабочего места:
Едоп=300-500лк в области размещения рабочего документа. Освещенность экрана монитора не более Еэкр≤300лк. Желательно, чтобы естественный
свет падал на экран с левой стороны. Яркость слепящих поверхностей в поле
зрения не должна превышать 200 кд/м2. Показатель пульсаций не должен
превышать 5%.
При выполнении работ на персональном компьютере важны требования к характеристикам монитора. Качественный монитор должен обладать
высокой четкостью и резкостью изображения, отсутствием мерцания изображения, оптимальной яркостью экрана и т.д. Разрешающая способность монитора, определяющая четкость и резкость изображения связана с количеством строк по горизонтали и вертикали и задается стандартами. Например,
для стандарта Full HD 1080 количество строк, соответственно, 1920 на 1080.
На четкость изображения влияют также размеры пикселя. При выполнении
графических работ желательно использовать монитор с пикселями не более
0,21 мм. Минимизация мерцания изображения достигается увеличением частоты кадровой развертки до 100-120 Гц.
Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя не ближе 0,5 м. Высота рабочего стола, кресло пользователя должны иметь регулировки и удовлетворять его антропометрическим характеристикам.
Требования СанПиН по ЭМП представлены ниже:
При f=5 Гц - 2 кГц Еэдоп=25 В/м Вдоп=250 нТл
При f=2-400 кГц Еэдоп=2,5 В/м Вдоп=25нТл
Уровень шума при творческой работе Lдоп=50 dBA.
В зависимости от выполняемой работы они делятся на группы А, Б и
В, которые в зависимости от напряженности делятся на 3 категории. Ниже
приведено время регламентированных перерывов для указанных категорий.
I
II
III
А(считывание
инф.) знаков за
смену
До 20000
До 40000
До 60000
Б(ввод информации) знаков за
смену
до15000
До 30000
До 40000
153
В(творческий
режим), час.
2
4
6 часов
Сум.время перерыва при 8
час.смене
50
70
90
Если в помещении располагается несколько компьютеров, то необходимо, что бы на каждое рабочее место пользователя приходилось не менее
4,5 м2 в случае ЖК-мониторов.
154
Лекция 16. Основные характеристики вибраций и шумов.
Воздействие вибраций и шумов на организм человека. Нормирование вибраций и шумов. Защита от вибраций и шумов
Вибрация - механические колебания, которые возникают при работе
технических приборов, устройств, транспорта. К основным характеристикам
вибраций относятся:
амплитуда смещения;
виброскорость;
виброускорени ;
частота (диапазон ∆F=1Гц-2000Гц).
Вибрации возникают вследствие несовершенства технических
устройств, их неправильной и длительной эксплуатации или в специально созданных устройствах ( ударная дрель, отбойный молоток и др.). Причинами
вибраций могут быть нарушение центровки, неуравновешенность, вращающихся масс, пульсации давления и т.д. Вибрация быть вызвана естественными причинами – волнением на море, «болтанкой» самолета и др.
Классификация вибраций.
По способу передачи на человека вибрации делятся на общие (действует на все тело человека, например, вибрация, полученная на платформе или в
транспорте) и местные или локальные, действующие в основном на руки человека.
По времени воздействия рассматривают вибрации постоянные (контролируемый параметр вибраций изменяется менее чем в 2 раза на протяжении 1 минуты) и непостоянные (контролируемый параметр вибраций изменяется более чем в 2 раза на протяжении 1 минуты). В свою очередь непостоянные вибрации могут быть колеблющимися, прерывистыми (длительность
контакта с источником вибраций больше 1 сек) и импульсными (менее 1 сек).
Вибрации также классифицируются по источнику возникновения. В
этом случае рассматривают общую вибрацию, транспортную, транспортнотехнологическую, технологическую и локальную.
По направлению общие вибрации могут быть горизонтальными (возмущающая сила действует от правого плеча к левому или от спины к груди)
и вертикальными.
155
Воздействие вибрации на органы человека
При воздействии общих вибраций на организм человека возможно совпадение их частоты с собственной частотой органов и функциональных систем. Это приводит к нарушению их функционирования. Когда частота
возмущающей силы (от машины) приближается к собственной частоте колебаний внутренних органов и отдельных частей тела, действие вибраций становится весьма опасным, так как возможно повреждение отдельных частей
тела или нарушение их функционирования вследствие резонанса. Особенно
опасны вибрации для отдельных органов, прежде всего для головного мозга с частотой 6 - 9 Гц, а для рук — 30 - 80 Гц, для всего тела 4 – 6 Гц. При
виброскорости порядка 1м/с может возникнуть болевой эффект
Общие вибрации воздействует на вестибулярный аппарат, что может
привести к тошноте, головокружению, потери равновесия. При наличии вибраций частотой 60 – 90 Гц идет воздействие на зрительный аппарат, что приводит к снижению остроты зрения. Также общая вибрация воздействует на
центральную нервную систему, что приводит к повышению артериального
давления. При частотах вибраций 35 – 250 Гц наблюдаются спазматические
явления. Длительное воздействие вибраций приводит к стойким патологическим нарушениям (виброболезни). Особенно часто возникает виброболезнь
при воздействии локальных вибраций. Ее симптомами являются сужение сосудов, ухудшение снабжения кровью конечностей, отложения солей в суставах, что приводит к снижению подвижности. Нарушается тактильная, кожная, вибрационная чувствительность. Все эти симптомы усугубляются при
большой физической нагрузке и неоптимальных параметрах микроклимата.
Данная болезнь в тяжелой форме плохо поддается лечению.
Нормирование вибраций
Допустимые значения параметров вибраций приведены в нормативных
документах
ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4/2.1.8.566-96. При частотном
(спектральном) анализе нормируемыми являются кинематические параметры: средние квадратичные значения виброскорости (или их логарифмические уровни Lv) или виброускорения для локальной вибрации - в октавных
полосах частот; для общей вибрации в октавных и 1/3-октавных полосах
частот.
Уровень вибраций L=20lg(V/V0), где V- виброcкорость вибрации,
V0=5*10-8 – опорное значение. Весь частотный диапазон разбивается на ряд
октав со среднегеометрическими частотами 1Гц, 2 Гц,… 31,5 Гц, 63 Гц, 125
156
Гц, 250 Гц, 500 Гц и 1000 Гц. Среднегеометрическая частота определяется
из
f сг =
fв × f н ,
где верхняя и нижняя частоты октавной полосы связаны соотношением
f в = 2 f н . Например, если fcг=100Гц, то fн~70Гц и fв~140Гц. В случае использования третьоктавных полос f в / f н = 3 2 .
Допустимый уровень вибрации зависит от вида вибрации и от средней
геометрической частоты, направления вибраций. Так для местной вибрации
допустимый уровень виброскорости составляет 109 – 115 дБ в диапазоне частот 8-1000 Гц, а для транспортно-технологической – 101 – 117 дБ в диапазоне частот 4 – 63 Гц.
Методы и средства защиты от вибрации
Классификация средств и методов защиты от вибрации определяется
соответствующими нормативными документами (Средства измерения и
контроля вибрации на рабочих местах. Технические требования.). Средства
защиты от вибрации делятся на коллективные и индивидуальные. Средства
коллективной защиты, в свою очередь, делятся на средства защиты, воздействующие на источник возбуждения и средства защиты от вибрации на путях ее распространения.
К первым относятся динамическое уравновешивание, антифазная
синхронизация, изменение характера возмущающих воздействий, изменение
конструктивных элементов источника возбуждения, изменение частоты колебаний. Используются, как правило, на этапе проектирования или изготовления машины.
Средства защиты от вибрации на путях ее распространения (виброизоляция, виброгашение, вибропоглощение) могут быть заложены в проекты
машин и производственных участков, а могут быть применены на этапе
их эксплуатации.
Одним из распространенных способов защиты работающих от вибрации
является виброизоляция машин. Под виброизоляцией понимают установку
машины на амортизаторы, т. е. на упругие элементы, пружинные или резиновые, обладающие небольшой жесткостью. С применением амортизаторов
уменьшается передача вибраций от машины на основание. Передача вибраций
зависит от соотношения частот — собственной частоты колебаний системы и
частоты вынужденных колебаний. Собственная частота колебаний машины,
157
установленной на амортизаторы, определяется свободными колебаниями, возникающими при отсутствии возмущающих сил. Свободные колебания происходят с собственной частотой ωо, которая зависит только от параметров системы:
w0 = К / m ,
где К — жесткость амортизаторов, Н/м; т — масса машины, кг.
Частота вынужденных колебаний определяется частотой возмущающей
силы. Если возмущающая сила возникает из-за вращения неуравновешенной массы с угловой скоростью ω, то частота вынужденных колебаний равна ω, при этом смещение машины изменяется по гармоническому закону y=Ymsinωt, где y — смещение машины, м; Ym -амплитуда смещения, м;
ω — частота вынужденных колебаний, 1/с.
Амплитуда колебаний в установившемся режиме
Ym =
Fm
Fm
1
×
=
m
,
К
w2 К
1- 2
w0
где Fm – амплитуда возмущающей силы, Н; µ - коэффициент передачи.
Коэффициент передачи — это отношение амплитуды силы, передающейся через пружины на основание, к амплитуде возмущающей силы. Коэффициент передачи зависит от соотношения частот:
-1
w2
m = 1w2
0
При изменении частоты вынужденных колебаний от 0 (машина не
работает) до определенной постоянной величины (заданная скорость вращения вала двигателя) коэффициент передачи сначала увеличивается и при
совпадении частот ω/ωо =1 стремится теоретически к бесконечности. При
этом возникает резонанс колебаний, а амплитуда резко возрастает. Затем
коэффициент передачи с ростом частоты ω уменьшается, амплитуда колебаний при этом также уменьшается. Коэффициент передачи дважды принимает значение µ=1 при ω=0 и при ω/ω о = 2 .
Когда w / wо > 2 , коэффициент передачи µ<1, при этом вибрации, передающиеся на основание через амортизаторы (пружины), становятся
меньше вибраций, передающихся от машины, установленной без амортизаторов на основание. Амортизаторы подбирают с запасом, чтобы отноше158
ние частот получалось ω/ωо ≥ 3. Тогда работа амортизаторов считается
эффективной, а коэффициент передачи принимает значение µ < 1/8.
Благодаря виброизоляции машин уменьшаются вибрации на рабочих
местах, расположенных вблизи от машины, но вибрации самой машины
могут оставаться достаточно большими. Поскольку собственная частота колебаний определяется соотношением
wо =
К (m1 + m2 )
,
m1m2
где m1 — масса машины с основанием, кг; т2 — масса фундаментной плиты, кг,
то коэффициент передачи можно уменьшить уменьшая жесткость амортизаторов
К=
Gd 4 n
,
8D 3i
где G — модуль сдвига стали, Н/м2; d — диаметр проволоки пружины, м; D
— диаметр пружины, м; i — число витков пружины; n— число пружин.
В качестве средств индивидуальной защиты используются виброгасящие перчатки, обувь на резиновой или войлочной подошве.
Основные характеристики шума.
Работа производственного оборудования, транспорта, бытовой техники часто сопровождается излучением шума чрезмерно высокого уровня,
вредно воздействующего на человека. Поэтому, для создания безопасных
условий жизнедеятельности необходимо применение мер защиты от шума.
Под шумом понимают беспорядочное сочетание звуков различных по
силе и частоте, возникающих в результате колебательного процесса в упругой среде в диапазоне частот, воспринимаемых ухом человека (f от 16 Гц до
20 кГц). Различные по частоте (высоте тона) и интенсивности (громкости)
звуки распространяются со звуковой скоростью в виде продольных колебаний в упругой воздушной среде. Звуковые волны подчиняются законам интерференции (наложения) и дифракции.
В большинстве случаев шум возникает в результате механических колебаний деталей машин и образования при этом волн разрежения-сжатия в
прилегающих к колеблющимся поверхностям слоях воздуха. Причиной звукообразования могут быть динамические процессы в газах и жидкостях в
проточных частях энергетических машин, приводящие к образованию удар159
ных волн, «гидравлических ударов» и турбулентных вихрей (аэродинамические шумы). При работе различных электрических устройств – принтеров,
генераторов и др. возникают электрические шумы. К шуму относят звуковые
колебания в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц (более низкие частоты относятся к инфразвуку, а более высокие – к ультразвуку, которые также могут
вредно воздействовать на здоровье человека). Кроме частоты шум характеризуется звуковым давлением. Звуковое давление - это разность между мгновенным звуковым давлением и средним значением звукового давления и измеряется в паскалях (Па).
Амплитуду звукового давления величиной 2•10-5 Па (Н/м2) на частоте
1000 Гц называют порогом слышимости p0 , а амплитуда величиной 20 - 200
Па (болевой порог) вызывает болевые ощущения и повреждения слухового
аппарата (в зависимости от времени воздействия).
Кроме звукового давления шум характеризуется интенсивностью I,
определяемой соотношением:
I=
p2 æ
rc
ç
ç
è
Вт ö
÷
м 2 ÷ø
где r – плотность воздуха, кг/м3, с – скорость звука в среде (для воздуха 340
м/с, для воды 1500 м/с, для стали 5000 м/с). В качестве характеристик шума
p
используют также уровни звукового давления: L ( дБ ) = 20lg и интенсивноp0
I
сти: L ( дБ ) = 10lg , где индекс “0” относится к соответствующим порогоIо
(
)
вым значениям I = 10-12 Вт / м 2 .
0
Шумы классифицируют по спектральным характеристикам (широкополосные и тональные) и по временным (постоянные и непостоянные). К непостоянным шумам относятся колеблющиеся, прерывистые и импульсные.
Широкополосными шумами являются шумы с непрерывным спектром, превышающим размеры октавы. В спектре тонального шума имеются дискретные тона. К постоянным шумам относятся шумы, уровень которых за рабочую смену изменяется не более, чем на 5 дБ. Колеблющийся шум – это
непрерывно изменяющийся более, чем на 5 дБ (по шкале шумомера «медленно»). Прерывистый шум – шум с резко меняющимся уровнем за время
более 1 с. Импульсный шум один или несколько звуков с уровнем более 7 дБ
за время менее 1 с.
160
Поскольку интенсивность звука нескольких источников является суммой интенсивностей звука каждого источника звука I i , то соответственно
уровень равен:
n
L = 10lg å
i =1
Ii
I0
Отсюда для двух равных источников шума I1=I0 будем иметь:
ΣL=10lg (2I0/I0)=L0+10lg2
Например: если L1=80 дБ, число равных источников N=2, то ΣL=83 дБ
(но не 160дБ). При источниках неодинаковой «шумности» суммарный эффект будет определять, как правило, самый сильный источник; это утверждение тем верней, чем больше разница по шуму источников. Одной из характе
ристик шума является его направленность, определяемая как Ф=
, а показа-
тель направленности Кнапр=10lgФ.
Воздействие шума на человека.
Человек все время находится под воздействием шумов различной интенсивности. Это может быть шум автомобильного двигателя (до 80 дБ),
трамвая при его движении (70 – 80 дБ), громкой музыки (70 дБ), разговорной
речи (50 – 60 дБ) и т.д. Шум становится негативным фактором, когда он
начинает мешать человеку во время его жизнедеятельности. Слуховой орган
человека является сложным устройством со своими характеристиками, позволяющими анализировать частоту, определять направленность, регулировать уровень звука и т.д. Длительное воздействие шума большой интенсивности приводит к утомлению слухового органа, снижению чувствительности,
способности к адаптации. При уровне шума порядка 40-70 дБ создается значительная нагрузка на нервную систему человека, что ухудшает самочувствие и является причиной неврозов, стрессов. Негативное воздействие шума
связано с его интенсивностью, длительностью воздействия, а также с индивидуальной чувствительностью к шумовому раздражителю.. При уровне шума 75 дБ и более может произойти снижение и потеря слуха. Снижение слуха
на 10 дБ практически не ощутимо. При снижении слуха на 20 дБ нарушается
способность различать звуковые сигналы, возникает ослабление разборчивости речи. При воздействии шума свыше 140 дБ возможен разрыва барабанных перепонок, а при уровне в 160 дБ возможен летальный исход. Кроме па161
тологии слуха возможно нарушение обмена веществ, возникновение сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонии и т.д.
Орган слуха человека неравномерно воспринимает низкочастотные и
высокочастотные звуки: звуки, воспринимаемые на слух одинаково громкими, могут различаться по давлению в 10 раз и более. Поэтому вредное воздействие шума на человека: с увеличением частоты возрастает.
Нормирование шумов.
В нормативных документах (ГОСТ 12.1.003-89, СН 2.2.4/2.1.8 562-96)
приведены предельно допустимые уровни звукового давления, уменьшающиеся с повышением частоты шума. Эти значения рассматриваются в 9-ти
октавных полосах со среднегеометрическими частотами: fсг=31,5; 63; 125;
250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц, ограниченных сверху и снизу соответственно верхней fв и нижней fн граничными частотами. При этом значения fв,
fн, и fсг связаны между собой соотношениями: fв=2fн; и fсг = fв × f н .
Октавные уровни звукового давления выражаются в децибелах (дБ) и
вычисляются по формуле:
L =20 lg (pср/pо),
где рср – среднеквадратическое звуковое давление, Па.
Таким образом, уровень интенсивности шума от порога слышимости до
порога болевого ощущения изменяется в пределах: 0-140 дБ. Шумомер (измерительный прибор) в режиме измерений октавного уровня звукового давления показывает значение энергетической суммы звуковых давлений, создаваемых в расчетной точке (РТ) всеми частотными составляющими шума в
данной октавной полосе. Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления в указанных выше 9-ти октавных
полосах.
Для ориентировочной оценки шумовой обстановки нормативные документы предлагают использовать показатель, называемый уровнем звука, который выражается в “децибелах А” (дБА) и вычисляется по формуле:
LA = 20 lg (pA/po),
где рА – скорректированное по шкале «А» шумомера звуковое давление, Па.
Практически LA = ( L1000 Гц + 5 ) дБ .
В режиме измерений уровня звука шумомер показывает энергетическую
сумму всех частотных составляющих шума от 22,5 до 11300 Гц, скорректированных следующим образом: в уровень каждой частотной составляющей
вносится поправка, зависящая от значения частоты. Считается, что уровни
162
звука, выраженные в дБА, соответствуют субъективному воздействию шума
на человека.
Формула энергетического суммирования, по которой определяется суммарный октавный уровень звукового давления (дБ) или звука (дБА) имеет
вид:
æ n
ö
Lå = 10 lg ç å 100,1 Li ÷
è i= 1
ø
где n - общее число суммируемых уровней октав; Li - уровень звукового давления или звука i-го члена суммы.
Для случаев, когда действие шума на человека носит изменяющийся во
времени характер, нормативные документы требуют определения дозы шума
или эквивалентного уровня звукового давления:
(4)
æ1 n
ö
Le = 10 lg ç å ti 10 0,1 Li ÷ ,
è T i =1
ø
где Т – период времени действия шума; Li – октавный уровень звукового
давления, действующий в течение временного отрезка ti;
n
T = å ti
i =1
.
Эквивалентный уровень звука, выражаемый в дБА, вычисляется по той
же формуле (4) где под знак суммы подставляются значения LAi эквивалентного уровня звука, дБА.
Установленные нормативными документами допустимые октавные
уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука зависят от вида трудовой деятельности человека. Так, например, при выполнении творческой работы уровень звука не должен превышать 50 дБА, а при
проведении экспериментальных работ – 80 дБА. Также они зависят от времени суток для жилых и общественных зданий и вида шума. Для тональных и
импульсных шумов допустимый уровень шума ниже на 5 дБ по сравнению с
другими видами шумов.
Меры защиты.
В качестве защитных мероприятий, позволяющих снизить вредное воз
действие шума являются следующие:
Уменьшение шума в самом источнике за счет изменения конструкции
машин.
Уменьшение шума технологического процесса.
163
Звукоизоляция: источника шума, одного помещения от другого, конкретного человека.
Защита временем и расстоянием.
Изменение направленности шума.
Использование средств индивидуальной защиты (беруши, наушники).
Воздействие ультразвука и защита от него.
Ультразвук (УЗ) – это звуковые колебания с частотой, превышающей
диапазон слышимых звуков. УЗ может быть низкочастотным с частотами
11,2 – 100 кГц и высокочастотным с частотами 100 кГц – 1 ГГц. Низкочастотный УЗ распространяется воздушным и контактным путем, высокочастотный – только контактным. Длительное и систематическое воздействие
УЗ оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему, сердечно-сосудистую систему, слуховые, вестибулярные анализаторы и т.д. В
результате воздействия УЗ возникает чувство страха в темноте и ограниченном пространстве, спазмы в желудке, учащение пульса, торможение мыслительного процесса. При контактном воздействии УЗ возможно нарушение
капиллярного кровообращения, а также разрежение плотности костной ткани.
Допустимые уровни звукового давления приведены в ГОСТ 12.1.001-89
в зависимости от среднегеометрических частот третьоктавных полос. Так,
например, в диапазоне частот 31,5 – 100 кГц допустимый уровень звукового
давления составляет 110 дБ.
В качестве защитных мер от воздействия УЗ можно применять дистанционное управление, снижение интенсивности УЗ установок, применение
звукоизолирующих устройств, кожухов экранов, покрытых специальной мастикой, резиной. При невозможности снизить уровень УЗ до допустимого
уровня следует применять средства индивидуальной зашиты.
Воздействие инфразвука (ИЗ) на человека и защита от него.
ИЗ - акустические колебания с частотой ниже 20 Гц. Часто сочетается
с низкочастотным шумом и низкочастотными вибрациями. Источниками ИЗ
могут быть многие природные явления – грозовые разряды, колебания земной коры, штормовой ветер и др. При воздействии на человека ИЗ повышенного уровня (110 – 115 дБ) возможны нарушения работы центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. Может возникнуть чувство страха,
164
нарушение равновесия, снижение внимания и работоспособности, а при
продолжительном воздействии – кашель, удушье, нарушение психики. Следует отметить, что ИЗ на частоте 8 Гц может повлиять на альфа ритм биотоков мозга, частотой 1-3 Гц нарушать ритм дыхания. Учитывая, что ритмы,
характерные для человеческого организма, лежат в ИЗ диапазоне, возможно
негативное влияние ИЗ на функционирование целого ряда его органов и систем (сердца, желудка, почек, вестибулярного аппарата и др.). Негативное
воздействие ИЗ используется для создания акустического оружия. Ведутся
разработки в США, Англии.
Нормируемыми параметрами ИЗ согласно нормативным документам
(СН 2.2.4/2.1.8.583-96) являются уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2,4,8 и 16 Гц.
Практически единственным средством защиты от воздействия ИЗ является его снижение в источнике. Это может быть достигнуто при использовании малогабаритных устройств большой жесткости, их быстроходности,
снижение интенсивности аэродинамических процессов.
165
Лекция 17. Безопасность в чрезвычайных ситуациях (основные понятия). Классификация ЧС. Этапы развития ЧС. Характеристики ЧС. Органы управления ЧС. Проведение АС и ДР.
Чрезвычайная ситуация (ЧС) – обстановка, при которой складывается бедственное положение вследствие аварий, катастроф, которые повлекли
или могут повлечь за собой человеческие жертвы, большие материальные
потери, нарушение условий жизнедеятельности. Авария - это повреждения
оборудования и сооружений сопровождающиеся нарушением производственного процесса и связанное с опасностью для человеческих жизней. Катастрофа - это крупная авария с большим числом человеческих жертв, материальным ущербом, разрушением окружающей среды. За период с 1980 по
2008 г. погибло более 2 млн. человек, а суммарный ущерб составил 2 триллиона долларов.
Классификация ЧС.
1) По природе возникновения:
техногенные (75% всех ЧС на 2005 г.). К таковым относятся пожары,
взрывы, выбросы радиоактивных, химических веществ, транспортные аварии
и т.д. Только в Ленинградской области сосредоточено 17 химически опасных объектов (ХОО), ЛАЭС и 14 радиационных опасных объектов. В СПб и
ЛО имеется сильно действующих ядовитых веществ 20000 тонн (аммиака
3000 т., хлора 1500 т. и т.д.), что предполагает при определенных условиях
возникновение ЧС.
природные (до 20%). Природные ЧС или стихийные бедствия - это
природные явления, приводящие к угрозе здоровью людей, материальным
потерям, разрушению элементов природной среды. Они возникают при
наличии 3-х факторов: геофизического (географического) события, вызванного им на поверхности Земли явления и неспособности населения противостоять этому явлению. Так, например, действующих вулканов на нашей планете свыше 500. Наибольший ущерб возникает от наводнений (более 40% от
общего ущерба при природных катастрофах). Существует 6 типов наводнений – половодье, паводок, затор, зажор, ветровой нагон и наводнения при
прорыве плотин. Ущерб от землетрясений – до 15%. От ураганов и бурь –
20%.
социальные (военные конфликты, теракты);
биологические (эпидемии, эпизоотии, эпифитотии);
экологические (загрязнение биосферы и т.д.);
комбинированные.
2) По месту возникновения:
в зданиях, сооружениях;
166
в гидротехнических сооружениях;
в природных сферах;
в транспорте.
3) По скорости развития ЧС делят на:
внезапные (землетрясения, взрывы и т.д.);
стремительные (пожары, выбросы ядовитых веществ и т.д.);
умеренные (наводнения, паводки и т.д.).
4) По причине возникновения ЧС бывают непреднамеренные и преднамеренные (террористические акты).
5) По масштабам последствий:
Название
Описание
Материальный Человеческие
ущерб
жертвы
Локальные
ЧС на террито- до 100 тыс. руб.
до 10 чел
(местные)
рии объекта
10-50
Муниципальные ЧС в одном му- до 5 млн. руб.
ниципальном
образовании
до 5 млн. руб.
10-50
МежмунициЧС в нескольПальные
ких муниципальных
образованиях
до 500 млн. руб.
Региональные
ЧС в пределах
50-500
территории одного субъекта
РФ
Межрегиональные ЧС затрагивает до 500 млн. руб.
50-500
несколько объектов РФ
Федеральные
>500 млн. руб.
>500
Характеристики ЧС.
1. Очаг ЧС – территория, на которой действует поражающий фактор
(основная разрушающая сила при ЧС).
2. Район ЧС – совокупность нескольких очагов.
По виду поражающих факторов ЧС делят на ЧС, связанные с пожарами
и взрывами; на ЧС, связанные с обрушением зданий и сооружений; на ЧС,
связанные с ионизирующими излучениями и ЧС, связанные с токсическими
нагрузками.
Этапы развития ЧС.
1) Накопление факторов риска;
167
2) Стадия инициирования (начало) ЧС;
3) Основной процесс;
4) Стадия затухания;
5) Стадия ликвидации последствий.
В настоящее время наблюдается тенденция к росту числа ЧС. В РФ более 90% потенциально опасных объектов не соответствуют уровню требований по обеспечению безопасности по сравнению с развитыми странами.
Причинами повышения опасности на производстве являются:
- конструктивная недостаточность (снижение уровня проектно- конструкторской стадии разработки);
- недостаточная надежность производственного оборудования, его качество, внесение изменений без согласования с разработчиком и т.д.;
- технологическая недостаточность (применение опасных технологий);
- эксплуатационная недостаточность (нарушение правил, режимов эксплуатации);
- моральный и технологический износ оборудования;
- некомпетентность работников;
- отсутствие, низкое качество, малое количество противоаварийных
средств.
Основная задача систем безопасности в ЧС – предупреждение ЧС и
ликвидация их последствий. Для защиты населения и территории от ЧС в РФ
создана Единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС
(РСЧС).
Основные задачи, решаемые РСЧС:
1. Проведение единой государственной политики в области обеспечения безопасности.
2. Формирование системы правовых и экономических мер по обеспечению безопасности.
3. Осуществление государственных целевых и научно-технических
программ в области безопасности.
4. Обеспечение высокой готовности к действиям во время ЧС и к проведению работ по ликвидации ЧС.
5. Прогнозирование и оценка социально- экономических последствий
ЧС.
6. Организация жизнеобеспечения пострадавшего населения.
7. Обучение и подготовка населения к действиям в ЧС.
РСЧС реализует следующие основные три функции:
- предотвращение возникновения ЧС;
168
- снижение потерь и ущерба от ЧС;
- ликвидацию последствий ЧС.
РСЧС состоит з федеральных и региональных подсистем и имеет5
уровней. Основной орган управления – МЧС.
Устойчивость функционирования объектов экономики.
Под устойчивостью понимается способность объектов выполнять свои
функции в ЧС. Для обеспечения их устойчивости необходимо:
1. Обеспечить защищённость персонала, в определенной степени инженерно-технических комплексов от воздействия поражающих факторов.
2. Сохранение возможности управления объектом в ЧС.
3. Способность функционирования в условиях воздействия вторичных
поражающих факторов.
4. Способность обеспечить проведение аварийно-спасательных и других неотложных работ (АС и ДНР).
Для обеспечения устойчивости объектов экономики в условиях ЧС
проводятся организационные, инженерно-технические, технологические,
экономические и социальные мероприятия. При проведении инженернотехнических мероприятий объекты экономики размещаются за зонами возможных разрушений (ЗВР), зонами возможного сильного радиационного заражения (ЗВСРЗ), зонами возможного химического заражения (ЗВХЗ) и зонами возможного катастрофического затопления (ЗВКЗ).
Этапы АС и ДНР.
Организация АС и ДР содержит следующие основные этапы:
1) Принятие экстренных мер – оповещение населения и властей о ЧС,
неотложная помощь пострадавшим, оценка обстановки в зоне бедствия, отдача распоряжений о задействовании всех сил и средств для оказания неотложной помощи, мероприятия по противорадиационной, противохимической, противобактериологической защите.
2) Овладение ЧС – уточнение обстановки в зоне ЧС, организация взаимодействия сил и средств в зоне ЧС, принятие решений и расчет сил,
средств, необходимых ресурсов для ликвидации последствий ЧС.
3) Стадия спасения и жизнеобеспечения – развертывание спасательных
работ на всех объектах до полного завершения, оказание материальной, медицинской помощи пострадавшим, обеспечение электро- газо- водоснабжения, эвакуация населения и обеспечение его жизнедеятельности в местах
временного проживания, работа службы охраны.
4) Стадия восстановления – экономическая, социальная, экологическая, культурная реанимация объектов в зоне бедствия (ремонт систем
169
электро-, газо-, водоснабжения, обрушение конструкций зданий и сооружений, угрожающих обвалом, санитарная обработка техники, территорий и
т.п.).
170
Лекция 18. Пожароопасные свойства материалов. Горючие
вещества. Причины пожаров. Классификация пожаров, их основные характеристики. Категории помещений и зданий по пожарной
безопасности. Защитные мероприятия.
Пожары всегда представляли большую опасность для человечества. На
Земле ежегодно происходит до 7 – 8 млн. пожаров. До конца XV века Москва
выгорала по разным причинам 17 раз. Большие пожары возникали в Риме,
Лондоне, Чикаго и других больших городах различных стран. Согласно статистическим данным, с 2002 по 2006 годы пожары в США случались чаще,
чем в России (см. таблицу), однако в нашей стране при пожарах наблюдалось
большее количество человеческих жертв, что говорит неудовлетворительном
состоянии пожарной безопасности.
Россия
США
237 000
1 613 000
Пожаров
13
1,2
Жертв (на 100000 чел.)
Пожар – неконтролируемое горение на большой территории. Горение –
быстропротекающая химическая реакция с выделением тепла и лучистой
энергии. Для возникновения процесса горения необходимо горючее вещество, окислитель, а также источника зажигания. При нагревании большинство веществ переходит в газообразное или парообразное состояние, образуя
горючую смесь. Хорошо перемешанная (однородная) горючая смесь способствует протеканию кинетического (быстрого) горения. Неоднородная смесь
– к протеканию диффузионного (медленного) горения. Кинетическое горение
в замкнутом объеме – это взрывное горение (время сгорания 10-7 – 10-8 с.).
Под возгоранием понимается процесс воспламенения – возгорание, сопровождающееся появлением пламени. Самовозгорание – возгорание в результате резкого увеличения скорости экзотермической реакции и повышения температуры. Возникает при отсутствии источника зажигания.
По скорости распространения пламени различают дефлаграционное горение – несколько метров в секунду; взрыв – сотни метров в секунду и детонационное горение – скорость распространения пламени 1 - 4 км/с. Горение
может быть полным – при достаточном или избыточном количестве окислителя. В противном случае оно будет неполным, при котором образуются ядовитые, горючие и взрывоопасные вещества. Если при сгорании горючей сме171
си не остается ни одного из ее компонентов, то такое их соотношение называется стехиометрическим.
Характеристики горючих веществ.
1) Температура вспышки – наименьшая температура, при которой скорость образования сжатых газов над поверхностью горючего вещества недостаточна для продолжительного горения. Под вспышкой понимается быстрое
сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.
2) Температура воспламенения – наименьшая температура, при которой скорость образования сжатых газов над поверхностью горючего вещества является достаточной для продолжительного горения.
2) Температура самовоспламенения – наименьшая температура, при
которой скорость протекания экзотермических реакций такова, что происходит процесс воспламенения горючего вещества. Самовоспламенение может
быть вследствие причин теплового характера (дизель), микробиологического
характера (торф) или химического характера (смесь ацетилена и хлора).
Согласно ГОСТ 12.1.011-78 по температуре самовоспламенения вещества делятся на 6 групп от Т1 (больше 4500С) до Т6 (85 – 1000С).
Горючее вещество характеризуется областью воспламенения – область
концентраций, внутри которой его смесь с окислителем способна воспламеняться от источника зажигания с дальнейшим распространением пламени по
смеси. Область воспламенения характеризуется нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения. Так, для этилового спирта область
воспламенения составляет 3,3 -18,4% по объему.
Горючие вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Некоторые их характеристики приведены в таблице..
Вещества
Жидкости
Газообразные
Название
Легковоспламеняющиеся
Горючие
Характеристика
Горючие
Т восплам < 55°C
Т вспыш £ 61°C
Т вспыш > 61°C
Примеры веществ
Бензин, ацетон, метиловый спирт
Масла, краски, гудрон, мазут
Ацетилен, хлор
Зоны пожара.
При пожаре возникает несколько зон, отличающихся своими характеристиками. Это:
зона активного горения - очаг (температура Т > 900°C ),
172
зона теплового воздействия (температура лежит в пределах 80-900ОС);
зона задымления.
Наибольшее число людей при пожаре, как правило, погибает в зоне задымления, что связано с использованием современных строительных материалов, обладающих большой токсичностью при их возгорании, а также пониженной концентрацией кислорода.
Классификация пожаров.
Пожары классифицируются по месту возникновения:
- в зданиях/сооружениях;
- транспортные;
- лесные;
- степные;
- подземные;
по интенсивности:
- отдельный пожар;
- сплошной пожар;
- огненный шторм – скорость притока воздуха к очагу > 50 км / ч ;
- массовый пожар.
Причины пожаров.
Различают электрический и неэлектрический характер возникновения
пожаров. Причины электрического характера:
1. Короткие замыкания (КЗ) в результате плохого качества изоляции;
2. Большие переходные сопротивления;
3. Несоответствие нагрузки и параметров проводников электрической
сети;
4. Статическое электричество (когда в воздухе – горючие вещества);
5. Низкое качество электрических контактов (возникновение искрения,
электрической дуги);
6. Неисправность электроустановок;
7. Отсутствие молниезащиты.
К причинам неэлектрического характера относятся следующие:
1.Нарушение правил безопасности при проведении газо- и электросварочных работ;
2. Нарушение правил хранения и использования пожароопасных материалов. Все пожароопасные материалы подразделяются на 8 групп. Запрещено совместное хранение горючих материалов разных групп, например, горючее и окислитель.
3. Неправильная работа систем вытяжной вентиляции, что может привести к образованию пожароопасных смесей в воздуховодах.
173
4. Нарушение правил пожарной безопасности.
5. Использование самодельных отопительных приборов.
Классификация помещений по пожарной безопасности.
Согласно нормам пожарной безопасности НПБ-105-03, выделяют 5 категорий помещений: к взрыво- и пожароопасным относятся помещения категорий А и Б, к пожароопасным – помещения категорий В, Г, Д. Основным
критерием классификации является избыточное давление.
К помещениям категории А относятся помещения, где хранятся и используются горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости с
Т вспыш < 28°C при воспламенении которых образуется избыточное давление
Ризб > 5 кПа ;
В помещениях категории Б хранятся и используются легковоспламеняющиеся вещества (жидкости, горючие пыли или волокна) с Т вспыш > 28°C .
Расчетное избыточное давление при их воспламенении Ризб > 5 кПа ;
В помещениях категории В хранятся и используются горючие материалы (твердые, жидкие, пыли, волокна) способные только гореть, но избыточное давление Ризб £ 5 кПа . По содержанию твёрдых горючих материалов категория В делится на подкатегории В1 – В4;
В помещениях категории Г имеются и используются негорючие вещества и материалы в горячем, расплавленном состоянии;
В помещениях категории Д используются и применяются негорючие
вещества в холодном состоянии.
Классификация зданий по пожарной безопасности. Здания классифицируются по пожарной безопасности согласно СНИП 21-01-97 «Пожарная
безопасность зданий и сооружений». В нормативном документе вводится
понятие огнестойкости, под которой понимают способность зданий и сооружений сопротивляться воздействию высоких температур. Предел огнестойкости - время в минутах от начала воздействия высоких температур до момента, когда конструкция теряет свой несущие или ограждающие функции,
характеризуется 3 параметрами:
Потеря несущей способности (R). Пример обозначения: R120. Цифрой
обозначено максимальное время (в минутах), за которое при воздействии огня не происходит обрушение конструкции.
Потеря целостности (E) связана с проникновением продуктов горения
за изолирующую преграду. Пример обозначения: E45. Цифра указывает время (в минутах), в течение которого не происходит проникновения продуктов
горения в соседние помещения.
174
Потеря теплоизолирующей способности (I) связана с повышением
температуры на необогреваемой поверхности в среднем на 1400С и более.
Пример обозначения: I 60. Цифрой обозначено время (в минутах), в течение
которого конструкция не пропускает сквозь себя тепло.
По НПБ все здания делятся на 5 категорий. Пределы огнестойкости для
зданий 1 категории приведены ниже.
Категория
Несущие
стены
I
R120
Перекрытия междуэтажные
REI 60
Внутренние стены
лестничных клеток
REI 120
Для категорий II– IV установлены менее жёсткие требования. Для V категории пределы огнестойкости не нормируются.
Противопожарные мероприятия:
В целях предупреждения, локализации и ликвидации пожаров используются следующие защитные мероприятия.
Организационные – лекции, беседы, инструктажи;
Эксплуатационные – эксплуатация оборудования согласно правилам и
инструкциям;
Режимные меры – курение в отведенных местах и т.д.;
Технические меры:
1.Использование калиброванных предохранителей и автоматических
выключателей от КЗ и перегрузок.
2.Использование пайки, скрутки в качестве защиты от больших переходных сопротивлений.
3. Шлифование коллекторов.
4.Увлажнение воздуха, заземление токопроводящих частей установки.
5. Использование молниеотводов.
Огнегасительные средства.
Для локализации и ликвидации пожара огнегасительные
должны:
Понижать температуру зоны горения;
Разбавлять концентрацию горючей смеси;
175
средства
Ограничивать приток окислителя к очагу горения.
Химически тормозить процесс горения.
Основным средством огнетушения является вода, которая охлаждает
температуру зоны реакции. Образующийся пар препятствует притоку кислорода воздуха к очагу пожара. Однако в некоторых случаях её применение невозможно. Например, водой нельзя тушить карбиды, вступающие в химическую реакцию с водой. легковоспламеняющиеся жидкости, вес которых
меньше удельного веса воды и не смешивающиеся с водой. Металлы с температурой нагретых до температуры Т ³ 1300°C (при этих температурах вода разлагается на водород и кислород, образуя гремучую смесь), металлы,
быстро соединяющиеся с кислородом, а также электроустановки под
напряжением..
Для тушения пожаров активно применяются углекислотные огнетушители. 1 кг твердой углекислоты образует более 500 л углекислого газа, который используется для изоляции очага пожара. Пример маркировки: ОУ-2, где
«ОУ» обозначает «огнетушитель углекислотный», а цифра указывает на массу (в кг). Применяются также порошковые и пенные огнетушители. В пенных
огнетушителях большое количество пены образуется при соединении серной
кислоты и щелочного раствора двууглекислой соды. В качестве порошка в
порошковых огнетушителях применяют различные минеральные соли (фосфорноаммонийные соли, бикарбонат натрия и др.). Маркировка А, В, С, Е- в
зависимости от класса порошка.
Для предупреждения пожаров применяется пожарная сигнализация
различного типа, отличающаяся датчиками (дымовыми, световыми).
176
Вопросы для сдачи зачета или экзамена по дисциплине
"Безопасность жизнедеятельности"
1. Цель, задачи и содержание курса "Безопасность жизнедеятельности".
2. Классификация опасных и вредных факторов.
3. Принципы, методы и средства обеспечения безопасности.
4. Правовые, нормативно-технические и организационные основы БЖД.
5. Классификация помещений по электробезопасности.
6. Действие электрического тока на человека.
7. Напряжение прикосновения.
8. Напряжение шага.
9. Схемы прикосновения человека к электрической сети.
10. Прикосновение в сети с глухозаземленной нейтралью.
11. Прикосновение в сети с изолированной нейтралью.
12. Защитные меры в электрических установках.
13. Защитное заземление.
14. Защитное зануление.
15. Устройства защитного отключения.
16. Электромагнитное излучение. Его воздействие на организм.
17. Нормирование и защита от электромагнитных излучений.
18. Лазерное излучение, его воздействие на организм.
19. Классы опасности лазеров. Защита от лазерного излучения.
20. Ионизирующие излучения, особенности их воздействия на организм.
21. Нормирование ионизирующих излучений.
22. Защита от ионизирующих излучений.
23. Микроклимат на рабочем месте.
24. Теплоизлучение, меры защиты.
25. Воздействие вредных веществ на организм человека.
26. Нормирование вредных веществ. Меры защиты от вредных веществ.
27. Производственное освещение. Системы освещения.
28. Нормирование освещенности.
29. Источники искусственного света.
30. Вибрации, их воздействие на организм.
31. Нормирование вибраций. Защитные меры от вибраций.
32. Шум, его воздействие на организм.
33. Нормирование шума. Защитные меры от шума.
177
34. Особенности труда операторов при работе на видеотерминалах.
35. Обеспечение безопасности труда операторов при работе на видеотерминалах.
36. Общие сведения о пожарах. Характеристики пожароопасных материалов.
37. Причины пожаров. Классификация пожаров. Меры противопожарной
защиты.
38. Категории помещений по пожарной безопасности. Категории огнестойкости зданий.
39. Условия труда на производстве. Травматизм на производстве.
40. Основные сведения о ЧС. Классификация ЧС.
41. Устойчивость работы объектов энергетики в ЧС.
42. Ликвидация последствий в ЧС.
178
179