Вопрос 2. Электробезопасность. Технические средства защиты от поражения электрическим током

Средства и способы защиты от неионизирующих электромагнитных излучений обусловливаются видом излучения, его интенсивностью, условиями окружающей среды и многими другими факторами. Условно все методы и средства защиты от ЭМИ радиочастот разделим на две большие группы: организационные и технические (рис.5.6) Организационные мероприятия по защите персонала от воздействия электромагнитных полей (ЭМП) включают в себя:

- нормирование времени и интенсивности действия ЭМП;

- выбор режимов работы излучающего оборудования;

- рациональное размещение облучающих и облучаемых объектов: увеличение расстояний между ними, подъем антенн или диаграмм направленности и т.д.(защита расстоянием);

- ограничение времени и места нахождения в зоне воздействия ЭМП (защита временем);

- обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМП;

- лечебно-профилактические мероприятия (табл. 5.2);

- обучение персонала безопасным приемам работы с источниками ЭМП.

Рисунок 5.6 – Виды защитных методов и средств защиты от электромагнитных излучений радиочастотного диапазона

Таблица 5.2 – Лечебно профилактические мероприятии по защите персонала от действия ЭМП

Защита расстоянием – основывается на падении интенсивности излучения, которое обратно пропорционально квадрату расстояния и применяется, если невозможно ослабить ЭМП другими мероприятиями, в том числе и защитой временем. Необходимо отметить, что:

1.Этот вид защиты положен в основу зон нормирования излучений для определения необходимого разрыва между источниками ЭМП и жилыми домами, служебными помещениями и т.д.

2. Для каждой установки, излучающей электромагнитную энергию, определяются санитарно-защитные зоны, в которых ЭМП не превышает ПДУ.

Так, например, защита расстоянием от ЭП промышленной частоты, создаваемого системами передачи электроэнергии, осуществляется путем установления СЗЗ для линий электропередачи. Вдоль трассы высоковольтных линий электропередач с горизонтальным расположением проводов и без средств снижения напряженности электрического поля по обе стороны от нее на следующих расстояниях от проекции на землю крайних фазных проводов в направлении, перпендикулярном к высоковольтной линии:

330 кВ – 20 м

500 кВ – 30 м

750 кВ – 40 м

1150 кВ – 55 м (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов, СанПиН 2971-84 защита населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты).

Защита временем – применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в данной точке до предельно допустимых уровней (ПДУ). В действующих санитарных нормах ПДУ предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения. ПДУ ЭМИ регламентируются:

· ГОСТ 12.1.002-84 ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах

· ГОСТ 12.1.045 – 84 ССБТ. Электростатические поля. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах

· ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля

· МУК 4.3.044-96 Определение уровней электромагнитного поля, границ санитарно-защитной зоны и зон ограничения застройки в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто и дециметрового диапазонов.

Расчет допустимого времени пребывания (Т) персонала в ЭМП промышленной частоты при напряженности от 5 до 20 кВ/м определяют по формуле:

(5.9)

где Е – напряженность электрического поля в контролируемой зоне, кВ/м.

Предельно допустимый уровень напряженности ЭП на рабочем месте в течение всей смены устанавливается равным 5 кВ/м (ГОСТ12.1.002-84 ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах. М.: Изд-во стандартов, 1984). При напряженности ЭП от 20 до 25 кВ/м допустимое время пребывания составляет 10 мин. Пребывание в ЭП с напряженностью более 25 кВ/м без средств защиты не допускается. Если персонал в течение рабочего дня вынужден находится в зонах с различной напряженностью, то время его безопасного пребывания определяется по формуле:

(5.10)

где Т_пр – приведенное время, эквивалентное биологическому эффекту пребывания в ЭП нижней границы нормируемой напряженности, ч;

t_Е1, t_Е2, t_Еn – время пребывания в контролируемых зонах с напряженностями Е_{1 ,} Е_2, Е_n, ч;

Т_Е1, Т_Е2, Т_Еn – допустимое время пребывание для соответствующих зон, ч.

Отметим, что приведенное время не должно превышать 8 ч.

Контроль за источниками ЭМИ РЧ осуществляют в соответствии с СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях». Оценку воздействия ЭМИ РЧ (60 кГц – 300 ГГц) осуществляют по энергетической экспозиции (ЭЭ), которая определяется интенсивностью ЭМИ РЧ и временем его воздействия на человека.

Рабочие места по обслуживанию радиотехнических и электронных устройств ВЧ и УВЧ находятся в ближней зоне и на оператора оказывают воздействие как электрическая, так и магнитная составляющая поля. Расчет напряженности поля в зоне излучения для электрической составляющей может производиться по формуле Шулейкина-Вандер-Поля:

(5.11)

Где E – напряженность электрической составляющей ЭМП, В/м

P – мощность передатчика, Вт

Ga – коэффициент усиления антенны

F – множитель ослабления для потерь электромагнитной энергии в почве, который зависит от параметров почвы, длины волны и расстояние от антенны до точки измерения.

Предельно допустимый уровень ЭМП для средств связи и телевизионного вещания определяется по формуле:

(5.12)

Е_пду – значение предельно допустимого уровня напряженности электрического поля, В/м;

f – частота, МГц.

В диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц (СВЧ) нормируется плотность потока энергии П_пд и энергетическая нагрузка на человека за рабочий день Э_пд.. Значение плотности потока энергии не должно превышать 10 Вт/м², даже при кратковременном нахождении людей в данной зоне, т.е. при плотности потока энергии больше 10 Вт/м² нахождение людей без средств защиты запрещается. В случае, если плотность потока меньше указанной величины, то можно рассчитать допустимое время (Т_пд) нахождения людей в этой зоне:

(5.13)

где Э_пд – нормативная величина энергетической нагрузки за рабочий день, Вт·ч/м²;

П – значение плотности потока энергии ЭМП в зоне нахождения человека, при равномерном распределении электромагнитного поля в пространстве, Вт/м²

Для уменьшения воздействия ЭМП радиочастот эффективно применение следующих мер:

- уменьшение напряженности и плотности потока энергии ЭМП путем согласования нагрузок и поглотителей мощности;

- экранирование рабочих мест;

- удаление рабочего места от источника ЭМП (дистанционное управление);

- рациональное размещение в рабочем помещении оборудования, излучающего электромагнитную энергию;

- установление рациональных режимов работы оборудования и обслуживающего персонала;

- применение предупреждающей сигнализации (световой, звуковой, цветовой).

Защита от ЭМП радиочастотного диапазонаосуществляется использованием коллективных и индивидуальных средств защиты, изготавливаемых из радиотражающих (ч.в. металлические сетки, их недостаток – создают отраженные волны, способные усилить облучение человека) и радиопоглощающих материалов (табл 5.3).

Таблица 5.3 – Характеристики некоторых радиопоглощающих материалов

Несмотря на то, что поглощающие материалы более надежны, чем отражающие, их применение ограничивается высокой стоимостью и узостью спектра поглощения.

Т.к. радиоизлучения могут проникать в помещение, где находятся люди через оконные и дверные проемы. Для их экранирования, застекления потолочных фонарей применяется металлизированное стекло. Экранирующие свойства такому стеклу придает тонкая прозрачная пленка оксида олова или пленка металлов (меди, никеля и их сочетаний). Нанесенная на одну сторону стекла она ослабляет интенсивность излучения в диапазоне 0.8-150 см на 30 дБ (т.е. в 1000 раз). При нанесении такой пленки на две стороны стекла, поглощающая способность возрастает до 40 дБ, т.е в 10 000 раз.

Для защиты населения от воздействия от ЭМП в строительных конструкциях в качестве защитных экранов применяется металлическая сетка или любое проводящее покрытие. Чаще всего достаточно использование заземленной металлической сетки, помещаемой под облицовочный или штукатурный слой. В целом, радиоэкранирующими свойствами обладают практически все строительные материалы.

Если ослабление ЭМП строительными конструкциями не достаточно, то в помещении должны быть экранированы стены, потолок, оконные и дверные проемы, вентиляционная система. Монтаж экранов производится прикреплением стальных или дюралевых листов к поверхностям помещения.

Инженерно-технические мероприятия по защите от ЭМП РЧ основываются на применении экранирования ЭМП непосредственно в местах пребывания человека. Обычно применяют 2 вида экранирования:

1) экранирование источников ЭМП от людей;

2) экранирование людей от источников ЭМП.

В диапазонах радиочастот определяющей оценкой материала для ЭМИ экранирования является произведение проводимости на его магнитную проницаемость σ × μ. Здесь главную роль играет поверхностный эффект, т.к. токи, протекающие в глубинных слоях толщи экрана значительно меньше поверхностных. Поверхностный эффект характеризуется глубиной проникновения δ:

(5.14)

Где δ –глубина проникновения, м

μ – магнитная проницаемость материала (Гн/м) (табл. 4)

σ – удельная проводимость (См/м)

ω – круговая частота (), Гц

Наибольшая эффективность защиты от ЭМП достигается локализацией ЭМП радиотехнического устройства с помощью корпуса или при помощи экрана. Обычно проектируют защиту от магнитного, электрического и электромагнитного полей. В большинстве случаев с двух сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая среда – воздух (рис. 5.7).

Рисунок 5.7 – Прохождение электромагнитной волны сквозь плоский экран

Рабочие места по обслуживанию СВЧ – аппаратуры практически всегда находятся в дальней зоне и воздействие ЭМП оценивается плотностью потока энергии. В области СВЧ (10⁹ – 10¹⁰ Гц) длина волны соизмерима с диаметром экрана и эффективность экранирования носит колебательный характер.

Защитные свойства экранов основаны на эффекте ослабления напряженности и искажения электрического поля в пространстве вблизи заземленного металлического предмета. Эффективность экранирования определяется:

а) структурой ЭМП (магнитные, электрические, плоская волна, поперечные волны ТЕ и т.д.), зависящей от конфигурации и расположения источника излучения;

б) конструкцией экрана:

1. конфигурацией (плоский, круговой, цилиндрический, рис.5.8);

Рисунок 5.8 – Конструкции экранов

2. толщиной (толстостенные h>0.1D и тонкостенные h < 0.1D, где D – наибольшее расстояние между точками оболочки);

3. степенью герметичности (герметичные и негерметичные, т.е. имеющие отверстия в результате нарушения технологического процесса производства или несовершенства самой конструкции);

4. материалом (немагнитные – медь, алюминий, свинец и т.д. и магнитные).

В качестве экранов обычно применяют металлические листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале, однако часто это экономически не выгодно. Поэтому были разработаны следующие не материалоемкие виды защиты от ЭМП:

- проволочные сетки

- фольговые материалы из диамагнитных материалов: алюминия, латуни, цинка

- токопроводящие краски – создают на основе пленкообразующего материала с добавлением проводящих составляющих (коллоидное серебро, графит, сажа, порошки меди, алюминия), пластификатора, отвердителя

- материалы с металлизированной поверхностью

- радиопоглощающие материалы изготавливают в виде эластичных и жестких пенопластов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы, керамико-пластические композиции

- многослойные материалы (экраны состоят из чередующихся немагнитных или магнитных слоев; на границе слоев осуществляется многократное отражение волн, что обусловливает высокую эффективность экранирования)

- перфорированные материалы используют для экранирования каналов

- сотовые решетки для экранирования в диапазоне до 35 ГГц (рис.5.9).

Рисунок 5.9 – Сотовые решетки, применяемые для экранирования ЭМП в частотных диапазонах: а) до 1 ГГц; б) до 10 ГГц; в) до 35 ГГц.

Методика расчета экранирующего устройства заключается в оценке эффективности применения материалов и конструкций. Исходными данными для проведения расчета являются:

- геометрические размеры экрана и технологических проемов,

- электрические и магнитные характеристики применяемого материала,
- длина волны излучения,

- напряженность поля в рабочей зоне,

- длительность пребывания человека в ЭМП.

Необходимые формулы для оценки эффективности различных видов технических средств для защиты от электромагнитных излучений приведены в «Методических указаниях к практическим работам». Приведем упрощённый порядок оценки эффективности средств защиты.

Алгоритм оценки эффективности сплошного экрана:

1. Определяем, в какой зоне находится рабочее место и уточняем формулу расчета эффективности экрана в зависимости от преобладающего воздействия составных электромагнитного поля.

2. Рассчитываем глубину проникновения ЭМП в материал экрана.

3. Вычисляем эквивалентный радиус экрана.

4. Рассчитываем волновое сопротивление.

5. Определяем эффективность экранирования.

Алгоритм принятия решения о виде инженерной защиты оператора

1. Определяем предельно допустимое значение плотности потока энергии в заданном диапазоне частот.

2. Рассчитываем радиус опасной зоны.

3. Вычисляем плотность потока энергии в месте нахождения оператора.

4. Определяем требуемую эффективность экранирования.

5. Осуществляем подбор мероприятий и средств в зависимости от требуемой эффективности.

Алгоритм определения размеров волновода технических отверстий в экране заданной эффективности

1. Определяем длину волны излучения.

2. Определяем снижение ЭМП в волноводе заданных размеров.

3. Определяем необходимую длину волновода (отношение необходимого снижения к фактическому). Если это отношение больше 1, то использовать данную конструкцию не получится. Поэтому может быть принято решение об использовании фильтра типа «сотовых решеток».

4. Принимаем размер ячеек.

5. Определяем количество ячеек.

6. Рассчитываем снижение плотности потока энергии на 1 м длины ячейки.

7. Определяем длину волновода «сотовая решетка».

К индивидуальным средствам защиты от ЭМИ радичастотного, сверхвысокочастотного излучения и излучений промышленной частоты относятся средства, указанные в таблице 5.4.

Таблица 5.4 – Специальные средства защиты от действия ЭМИ

Снижение интенсивности облучения ультрафиолетовым излучением (УФИ) и защита от его воздействия достигается:

- защитой «расстоянием» - удаление обслуживающего персонала от источников УФИ на расстояние, определяемое только экспериментально в зависимости от условий работы, состава производственной атмосферы, вида источника излучения, отражающих свойств конструкций и оборудования и т.д.;

- экранированием источников излучения светофильтрами;

- экранированием рабочих мест ширмами, щитками;

- средствами индивидуальной защиты – спецодежды, рукавиц, фартуков из специальных тканей, щитков со светофильтрами;

-специальной окраской помещений – краской светлых тонов с добавлением оксида цинка;

- рациональным размещением рабочих мест.

Особым видом электромагнитных излучений является лазерное излучение.

Основными техническими характеристиками лазеров являются: длина волны, мкм; интенсивность излучения лазеров, Вт/см²; энергетическая экспозиция, Дж/см²; длительность импульса, с; частота повторения импульсов, Гц. В основу классификации лазеров положена степень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала. Выделяют 4 класса лазеров:

1) безопасные – выходное излучение не опасно для глаз;

2) малоопасные – опасно для глаз прямое или зеркально отражённое излучение;

3) среднеопасные – опасно для глаз прямое, зеркально и диффузно отражённое излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отражённое излучение;

4) высокоопасные – опасно для кожи диффузно отражённое излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности. Использование лазеров в технологических процессах может сопровождаться действием ряда опасных и вредных факторов (табл. 5.5).

Таблица 5.5 – Вредные и опасные факторы, возникающие при работе лазеров

Наиболее значимыми факторами являются: диффузно отраженное лазерное излучение, импульсный шум и загрязнение воздуха рабочей зоны веществами, образующими при разрушении и испарении обрабатываемого материала. При эксплуатации лазеров в закрытых помещениях на персонал действуют рассеянное и отражённое излучения; в условиях открытого пространства возникает реальная опасность воздействия прямых лучей. Органами-мишенями для лазерного излучения являются кожа и глаза. Т.к. наибольшую опасность при работе лазера представляет отраженное излучение, следовательно, для обеспечения безопасности работать с лазерами можно только в помещении, внутренние поверхности которого должны быть матовыми и обеспечивать максимальное рассеяние излучения. Для окраски внутренних поверхностей помещений используют клеевые краски на основе мела.

В зависимости от длины волны снижение опасности лазерного излучения обеспечивают: ослабителями излучения (светофильтрами); временем воздействия, расстоянием и фоновой освещенностью роговицы глаза (табл. 5.6).

Таблица 5.6– Средства защиты от лазерного излучения

Гигиеническое нормирование лазерного излучения основано на критериях биологического действия, обусловленного областью электромагнитного спектра. В основу установления ПДУ положены минимальные пороговые повреждения в облучаемых тканях (сетчатке, роговице, коже). Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются: энергетическая экспозиция и облученность, устанавливаемых в соответствии с СН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазера» и ГОСТ 12.1.040-83 «Лазерная безопасность. Общие положения».

Для обеспечения лазерной безопасности любая лазерная установка должна быть максимально экранирована устройствами из непрозрачных теплостойких материалов (рис. 5.10):

Рисунок 5.10 – Классификация оградительных устройств защиты от лазерного излучения

- лазерный луч необходимо передавать к мишени по волноводу или по огражденному пространству;

- линзы, призмы и другие элементы с твёрдой зеркальной поверхностью предметы на пути луча должны снабжаться блендами;

- в конце луча устанавливают диафрагмы, предупреждающие отражение от мишени в стороны на большие расстояния.

Все работы с радионуклидами правила подразделяют на два вида: на работу с закрытыми источниками ионизирующих излучений и работу с открытыми радиоактивными источниками. Закрытыми источниками ионизирующих излучений называются лю­бые источники, устройство которых исключает попадание радиоактив­ных веществ в воздух рабочей зоны. Открытые источники ионизирующих излучений способны загрязнять воздух рабочей зоны. Поэтому отдельно разработаны требования к безопасной работе с закрытыми и открытыми источниками ионизирующих излучений на производстве.

Обеспечение радиационной безопасности требует комплекса мно­гообразных защитных мероприятий, зависящих от конкретных условий работы с источниками ионизирующих излучений, а также от типа источника.

Главной опасностью закрытых источников ионизирующих излуче­ний является внешнее облучение, определяемое видом излучения, активностью источника, плотностью потока излучения и создаваемой им дозой облучения и поглощенной дозой. Защитные мероприятия, позволяющие обеспечить условия радиационной безопасности при применении закрытых источников, основаны на знании законов рас­пространения ионизирующих излучений и характера их взаимодейст­вия с веществом. Главные из них следующие:

1. Доза внешнего облучения пропорциональна интенсивности из­лучения времени действия.

2. Интенсивность излучения от точечного источника пропорцио­нальна количеству квантов или частиц, возникающих в них в единицу времени, и обратно пропорционально квадрату расстояния.

3. Интенсивность излучения может быть уменьшена с помощью экранов.

Из этих закономерностей вытекают основные принци­пы обеспечения радиационной безопасности:

- уменьшение мощности источников до минимальных величин (защита количеством);

- сокращение времени работы с источниками (защита временем);

- увеличение расстояния от источника до работающих (за­щита расстоянием)$

- экранирование источников излучения материа­лами, поглощающими ионизирующие излучения (защита экранами).

Защита количеством подразумевает проведение работы с мини­мальными количествами радиоактивных веществ, т.е. пропорциональ­но сокращает мощность излучения. Однако требования техноло­гического процесса часто не позволяют сократить количество радио­активного вещества в источнике, что ограничивает на практике при­менение этого метода защиты.

Защита временем основана на сокращении времени работы с источником, что позволяет уменьшить дозы облучения персонала. Этот принцип особенно часто применяется при непосредственной работе персонала с малыми активностями.

Защита расстоянием – достаточно простой и надежный способ защиты. Это связано со способностью излучения терять свою энергию во взаимодействиях с веществом: чем больше расстояние от источника, тем больше процессов взаимодействия излучения с атомами и моле­кулами, что в конечном итоге приводит к снижению дозы облучения персонала.

Защита экранами наиболее эффективный способ защиты от излу­чений. В целом все коллективные средства защиты от ионизирующих излучений(рис. 5.11) должны обладать следующими свойствами:

- устойчивостью к механическим, химическим, температурным и атмосферным воздействиям;

- обладать стойкостью по отношению к применяемым веществам, реактивам, кислым и щелочным растворам;

- иметь гладкую поверхность и быть влагостойким и слабо сорбирующим покрытием, которое способно облегчить удаление радиоактивных загрязнений;

По своему назначению защитные экраны условно разделяются на пять групп:

1. Защитные экраны-контейнеры, в которые помещаются радио­активные препараты. Они широко используются при транспортировке радиоактивных веществ и источников излучений.

2. Защитные экраны для оборудования. В этом случае экранами полностью окружают все рабочее оборудование при положении радио­активного препарата в рабочем положении или при включении высо­кого (или ускоряющего) напряжения на источнике ионизирующей радиации.

3. Передвижные защитные экраны. Этот тип защитных экранов применяется для защиты рабочего места на различных участках рабочей

зоны.

4. Защитные экраны, монтируемые как части строительных конст­рукций (стены, перекрытия полов и потолков, специальные двери и т.д.). Такой вид защитных экранов предназначается для защиты поме­щений, в которых постоянно находится персонал, и прилегающей территории.

5. Экраны индивидуальных средств защиты (щиток из оргстекла, смотровые стекла пневмокостюмов, просвинцованные перчатки и др.).

Применение защитных экранов основано на свойстве материалов и веществ поглощать излучения. Толщина защитных экранов рассчитывается в зависимости от

Рисунок 5.11 – Классификация средств защиты от ионизирующих излучений (ГОСТ 12.4.120-83)

длины пробега частиц и плотности вещества. Для сооружения стационарных средств защиты (стен, перекрытий и т.д.) используют различные материалы (бетон, баритобетон, кирпич), при выборе которых наряду с физическими свойствами необходимо учитывать стоимость материала, его долговечность, габариты, технологию изготовления. В передвижных экранах, в основном, используют свинец, сталь, чугун (табл. 5.7). Для снижения уровня излучения на рабочем месте до допустимой величины применяют защитные экраны из различных материалов. Толщина экрана зависит от: характеристики излучения (вид и энергия излучения); свойств защитного материала; необходимой кратности ослабления излучения k, показывающей, во сколько раз следует уменьшить мощность экспозиционной дозы излучения X, чтобы получить нормативные значения X_н.:

5.15

Таблица 5.7 – Вещества, применяемых для защиты от ионизирующих излучений

На основе расчетов определяются вид и размеры защитного сооружения. Как показывает практика, для защиты от рентгеновских и γ – излучений используют экраны из свинца, вольфрама, чугуна. Защита от нейтронного излучения обеспечивается материалами, которые хорошо ослабляют быстрые нейтроны, т.е. вещества которые содержат водород, например, вода, парафин. Для защиты от заряженных α и β частиц экраны должны иметь толщину больше, чем максимальная длина пробега данного излучения в материале экрана. 10-сантиметровый слой воздуха, фольга, одежда полностью экранируют α – излучения, а для защиты β – излучений достаточны экраны на стёклах, фольги и плекисглаза, толщиной в мм.

Для индивидуальной защиты человека используют специальную одежду, рукавицы, обувь и многообразные средства защиты органов дыхания (респираторы, противогазы).