Средства защиты от воздействия электрического поля промышленной частоты (50 Г и.) в электроустановках выше 1000 В

Принимая во внимание то обстоятельство, что средства защиты делятся на средства индивидуальной зашиты (СИЗ) и средства коллективной защиты, в дальнейшем будем исходить из общепринятых положений.

Защитные комплекты (СИЗ) состоят из экранирующих костюмов, обуви, перчаток, специальных шлемов для защиты головы и лица. Экранирующий костюм является индивидуальным средством защиты от воздействия электрического поля при выполнении работ в действующих электроустановках промышленной частоты высокого и сверхвысокого напряжения, а также при работах на воздушных линиях электропередачи высокого напряжения.

Элементы комплекта: одежда, обувь и перчатки — выполнены с применением электропроводящих материалов и гальванически соединены между собой эластичными контактными выводами. Принцип действия комплекта состоит в шунтировании тока, протекающего через тело человека, попавшего, например, под наведенное напряжение. Комплект рассчитывается на протекание, минуя тело человека, в течение короткого времени (1—2 с) токов большого значения (100 А и более). Это достигается применением сложной схемы гальванических соединений с параллельными связями и специальными контактными соединениями.

Защитные свойства костюма основаны на принципе электростатического экранирования. При внесении проводящего тела в электрическое поле происходит перегруппировка, т.е. кратковременное движение электронов. В результате этого в очень тонком молекулярном слое на поверхности проводящего тела возникают заряды. На стороне тела, обращенной к внешнему заряду, создающему поле, заряд имеет знак противоположный знаку внешнего заряда, а на противоположной стороне заряд имеет знак внешнего заряда.

Рис. 13.34. Электростатический экран

Поле, создаваемое разделенными зарядами внутри проводящего тела, равно и противоположно по знаку внешнему полю. В результате этого напряженность результирующего поля внутри тела равна нулю, т.е. поле внутри проводящего тела независимо от того, сплошное это тело или полое, отсутствует (рис. 13.34).

Таким образом, для защиты проводящего тела от воздействия на него электрического поля достаточно поместить его в тонкую металлическую оболочку (экран).

Опытом установлено, что экран может быть не только сплошным, но и сетчатым. Если сетка имеет мелкую ячейку плетения, то силовые линии (линии напряженности) электрического поля замыкаются на ее проволочках и не проникают в огражденное сеткой пространство. Для надежности экранирования и устранения возникающего на экране потенциала экран заземляется. Экранирующие костюмы (рис. 13.35) изготавливаются из специальной токопроводящей ткани, в которой, например, наряду с обычными нитями содержатся металлические проводники, расположенные в виде сетки.

При производстве современных экранирующих комплектов используются принципиально новые материалы и технологии. Немалую роль играет особая многослойная, например трехслойная, конструкция комплекта — слой из электропроводящей ткани во всех его элементах «облачен» изнутри хлопчатобумажным материалом, а снаружи — тканыо общего назначения. Для обеспечения воздухообмена па куртке комплекта предусмотрены вентиляционные отверстия.

Отечественными исследователями и производителями комплектов для защиты от воздействия электромагнитного поля промышленной частоты созданы комплекты, электрические испытания которых показали способность шунтировать токи до 200 А. При этом нагрев элементов комплекта (около 40 °С) не только не вызывает разрушения защитных элементов, но и не приводит к ожогам или дискомфорту пользователя. Это свидетельствует о способности комплекта защищать персонал не только при попадании под напряжение, наведенное емкостным путем, но и в случае индуктивной (электромаг-

Рис. 13.35. Экранирующие комплекты типа Эп-4:

а — летний; б — зимний: 1 — обувь; 2 — комбинезон; 3 — перчатки; 4 — электрическая связь (проводник); 5 — страховочный ремень с карабином; 6 — куртка; 7 — капюшон; 8 — накасник; 9 — экран для лица с креплением на каске

нитной) наводки, когда значение тока может достигать сотен ампер. В этих разработках реализован принцип «клетки Фарадея», что позволяет обеспечить защиту пользователя и от вредного воздействия электрического поля промышленной частоты.

Все предметы экранирующего комплекта должны иметь между собой надежную электрическую связь, осуществляемую специальными проводниками (см. поз. 4 на рис. 13.35).

Куртка и комбинезон (полукомбинезон) одеваются на белье. При необходимости поверх костюма можно надевать другую одежду.

Для защиты человека от воздействия электрического тока воздушной линии электропередачи и, следовательно, для ограничения установившегося тока также применяют экранирующие комплекты (одежду, обувь) и средства защиты рук, лица и головы.

Экранирующие комплекты подвергаются электрическим испытаниям в специализированных лабораториях на соответствие требованиям действующих стандартов. Например, экранирующие свойства комплектов для защиты от воздействия электромагнитных полей проверяются с помощью специального манекена (фантома) (рис. 13.36). Фантом оборудован большим количеством миниатюрных датчиков, которые позволяют определять не только интегральные защитные характеристики комплектов (по току смещения), но и

Рис. 13.36. Испытательная установка:

а — фантом с датчиками; б — фантом в испытуемом костюме дифференциальные (по электрическому полю) на различных участках фантома.

Следует отметить, что все ткани, применяемые при производстве экранирующих комплектов, проходят токсикологическую и гигиеническую экспертизу, а также проверку стойкости к истиранию, разрывной нагрузки и других механических свойств.

В целях снижения в несколько раз емкостных токов до значений, не превышающих ощутимые токи, защитный костюм электрически соединяют с металлической рабочей площадкой изолирующего устройства.

Следует отметить, что при обслуживании электроустановок персонал может подвергаться воздействию электромагнитных полей радиочастотного диапазона, которые создаются мощными радиопередающими установками (антеннами сотовой и спутниковой связи, теле- и радиопередающими устройствами, радиолокаторами и др.). На практике обслуживание и ремонт электроустановок, в силу ряда технических и экономических причин, часто выполняются персоналом вблизи приемопередающих антенн без прерывания нормального функционирования систем.

Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что в этих случаях велик риск развития у персонала, обслуживающего указанные установки, ряда серьезных патологий, в том числе злокачественных опухолей, функциональных расстройств жизненно важных органов и систем организма.

В настоящее время разработаны комплекты одежды, включающие в себя обувь, средства защиты головы, лица и рук, для исключения вредного воздействия электромагнитного поля радиочастотного диапазона на организм пользователя.

Все элементы комплекта создают замкнутую оболочку (индивидуальную «клетку Фарадея») с эффективными проводящими уплотнениями в соединительных швах, а также между элементами комплекта, затрудняющими проникновение электромагнитного поля радиочастот внутрь экранированного пространства.

Эффективность непрерывного экрана для электромагнитного поля определяется формулой

где ?| — напряженность первичного поля, падающего на экран; ?₂ — напряженность поля, прошедшего через экран.

Поле ?(, проходя через экран, затухает при отражении на внешней границе экрана, затем поглощается материалом экрана и затухает при отражении на внутренней границе. Известно, что затухание при отражении определяется волновым и поверхностным сопротивлением экрана, его формой и формой падающей на него волны, наличием микронеровностей и покрытия на поверхности, что вызывает значительные трудности для его расчета.

На практике для его оценки используют формулу, полученную для отражения плоской волны от плоской поверхности экрана:

где а_{п 0Т||} — электропроводность материала экрана относительно меди; ц_отн — относительная магнитная проницаемость, которая для железа и стали равна 1000, а для алюминия и меди равна ^,f_j — частота поля, МГц.

На частотах свыше 300 МГц преобладает затухание за счет поглощения. Поглощение характеризуется толщиной скии-слоя, т.е. глубиной проникновения ЭМП в материал, при котором его напряженность уменьшается в е раз. Толщина скин-слоя не зависит от типа падающей волны, а определяется электромагнитными свойствами материала экрана.

Затухание при поглощении можно определить по формуле

где /_эк — толщина экрана, мкм.

При разработке экранирующих комплектов учитывается то, что разного рода щели, отверстия, стыки сопрягаемых деталей конструкции, диэлектрические прокладки и т.д. нарушают непрерывность экрана, за счет чего существенно уменьшается его эффективность.

Так как форма экранов, отверстий, щелей, их направления в экранах достаточно неопределенные и сложные, то оценка их экранирующих свойств представляет значительные трудности, особенно при математических расчетах.

Экранирующие комплекты для защиты от воздействия полей радиочастотного диапазона изготавливаются из специальной экранирующей ткани, выполненной по технологии гальванического нанесения электропроводящего слоя на тканевую основу.

Ткань, выполненная по данной технологии, обладает не только высокой электрической проводимостью и коэффициентом экранирования в широком диапазоне частот, но и хорошей воздухопроницаемостью и стойкостью к истиранию в течение длительного срока эксплуатации при внешних механических воздействиях.

Например, в комплектах, которые используются в электроэнергетике при эксплуатации установок высокого и сверхвысокого напряжения, все элементы соединены между собой гальванически поверхностями концевых участков одежды, перчаток и обуви (манжет рукавов и перчаток, голенищ ботинок, низа брюк комбинезона, шейной части экранирующего головного убора). Кроме того, шлем комплекта снабжен специальными электропроводящими клапанами для исключения проникновения поля через зазоры между экранирующей тканью и лицевым экраном. Благодаря этому отличию и достигается эффективное экранирование от поля высоких частот.

Кроме защитных комплектов на практике широко применяются различные изолирующие устройства и вспомогательные приспособления. Изолирующие устройства изготавливаются в виде раздвижных лестниц, смонтированных в кузове автомашины, а также в виде подвесной легкой лестницы, состоящей из нескольких отдельных звеньев. Изолирующим устройством может служить обычная телескопическая вышка, верхнее звено которой изготовлено из изоляционного материала, а также гидравлические подъемники, снабженные изолирующим звеном и установленные на самоходных шасси или автомашинах.

Каждое изолирующее устройство, как правило, имеет металлическую рабочую площадку, на которой располагается электромонтер и к которой присоединен гибкий медный проводник, оканчивающийся контактным зажимом, закрепленным на изолирующей штанге. Прежде чем прикоснуться к проводу воздушной линии электропередачи электромонтер, находящийся на рабочей площадке, накладывает зажим на провод линии и закрепляет его, перенося потенциал провода на рабочую площадку, т.е. на себя.

Защитные свойства экранирующих устройств основаны на эффекте ослабления напряженности и искажения электрического поля в пространстве вблизи заземленного металлического предмета.

Если в электрическое поле внести заземленный металлический предмет, произойдет разделение индуцированных на нем зарядов и стекапие в землю заряда одного знака, соответствующего знаку заряда проводника, создающего это поле. Оставшийся па предмете заряд неравномерно распределяется по всей поверхности заземленного металлического предмета, находящегося в электрическом поле,

Рис. 13.37. Искажение электрического поля при внесении в него заземленного (я) и незаземленного (б) металлических предметов

в результате чего вблизи этого предмета резко искажается картина электрического поля (рис. 13.37).

На стороне заземленного металлического предмета, обращенной к индуцирующему проводнику, напряженность поля значительно возрастает, а на противоположной стороне, как в пространстве, которое как бы отражается или экранируется внесенным предметом, резко ослабляется.

Следовательно, выбрав соответствующие размеры, конфигурацию и место расположения экранирующего устройства, можно обеспечить незначительную напряженность электрического поля в достаточно большом защищенном пространстве, что позволит безопасно выполнять работы.

Если устройство не заземлено, то индуцированные на нем заряды тоже вызывают искажение поля (см. рис. 13.37, б), но в значительно меньших размерах. При этом оба заряда сосредоточиваются па поверхностях противоположных сторон предмета (устройства) и напряженность электрического поля вокруг него почти не изменяется.

Таким образом, в пространстве, которое ограждается незаземлен- ным металлическим предметом (устройством), будет существовать практически то же самое, хотя и несколько искаженное, электрическое поле, которое существовало до внесения в него этого предмета, т.е. никакого экранирующего эффекта незаземленный предмет не создает.

Кроме этого, в отличие от заземленного экрана, потенциал которого практически равен нулю, незаземленный экран может иметь высокий потенциал и тем самым представлять собой известную опасность при касании к нему человека.