Система защиты от электромагнитных полей персонала электроустановок тягового электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Система защиты от электромагнитных полей персонала электроустановок тягового электроснабжения

Специальность 05.26.01 - «Охрана труда (электроэнергетика)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Белинский Станислав Олегович

Челябинск2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО УрГУПС) на кафедре «Безопасность жизнедеятельности».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Кузнецов Константин Борисович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бухтояров Василий Федорович;

кандидат технических наук, доцент Окраинская Ирина Сергеевна.

Ведущее предприятие - ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ».

Защита состоится 26 октября 2006 г., в 14 часов, в ауд. 1001 на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ЮУрГУ. Факс (351) 267-94-49.

С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 22 » сентября 2006 г.

Отзыв на автореферат, в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, диссертационный совет ЮУрГУ.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Ю.С. Усынин

электрический магнитный тяговый защита

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большое значение в экономике страны имеют электрифицированные железные дороги России, так как при протяженности 49,5% от общей протяженности электрифицированными линиями выполняется 82,3% объема перевозок. Эксплуатацию электроустановок (ЭУ) тягового электроснабжения - техногенных источников электромагнитного поля (ЭМП) - только в ОАО «РЖД» осуществляют 166 дистанций электроснабжения с эксплуатационным персоналом численностью 47 тыс. человек.

Персонал электроустановок тягового электроснабжения подвергается воздействию комплекса вредных факторов производственной среды (тяжесть и напряженность труда, неблагоприятный микроклимат, вредное воздействие ЭМП и др.), что сказывается на состоянии здоровья, производительности и безопасности труда. Исследования вредного воздействия электромагнитных полей на персонал в распределительных устройствах тягового электроснабжения до сих пор не дают полного представления о риске повреждения здоровья.

Вредное воздействие электромагнитных полей на персонал и повышение риска повреждения здоровья от этого фактора связано с длительным нахождением персонала (ежесменно, иногда и более 8 часов) в электроустановках разного класса напряжений (220;110;35;27,5;10;6 кВ переменного тока и 3,3 кВ постоянного тока) с резко изменяющимися уровнями напряженности магнитного поля промышленной частоты и ЭМП широкополосного спектра частот до 10 кГц на рабочих местах, возникающих в результате преобразования в устройствах тягового электроснабжения электрической энергии переменного тока в энергию выпрямленного тока. В нормативных документах России отсутствуют предельно-допустимые уровни, регламентирующие воздействие низкочастотного электромагнитного поля в диапазоне частот более 50 Гц до 10 кГц, поэтому исследование их параметров и установление принципов нормирования для персонала электроустановок, в том числе и тягового электроснабжения, актуально. Актуальность работы подтверждается перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники до 2010 года и международными и российскими научно-техническими конференциями по проблеме «Электромагнитная безопасность и совместимость технических средств и биологических объектов».

Цель работы - снижение риска повреждения здоровья эксплуатационного персонала электроустановок тягового электроснабжения, обусловленного воздействием электромагнитного поля промышленной частоты и до 10 кГц, с помощью подсистемы (системы) защиты.

Идея работы - обеспечить снижение риска повреждения здоровья путем включения в систему защиты подсистемы нормирования одновременного (далее по терминологии системы санитарно-эпидемиологического нормирования «сочетанного») воздействия электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, подсистемы организационно-технических мероприятий, включающей устройство контроля и сигнализации вредного воздействия электромагнитных полей на рабочих местах персонала электроустановок.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- выявлены распределения уровней напряженности электрического и магнитного полей на рабочих местах персонала электроустановок;

- исследованы спектральные характеристики магнитного поля и параметры ЭМП частотой до 10 кГц в электроустановках тягового электроснабжения с разработкой и обоснованием принципов его нормирования;

- теоретически и экспериментально оценены уровни напряженности электрического и магнитного полей при сочетанном воздействии;

- разработана подсистема защиты от вредного воздействия ЭМП на персонал, включающая принципы нормирования сочетанного воздействия электрического и магнитного полей и устройство контроля и сигнализации превышения допустимого уровня параметров ЭМП на рабочих местах персонала электроустановок.

Объектом исследования является система обеспечения электробезопасности персонала электроустановок тягового электроснабжения.

Предметом исследования является подсистема (система) защиты от вредного воздействия электромагнитных полей персонала электроустановок тягового электроснабжения, включающая устройство контроля и сигнализации.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Теоретическая модель расчета с достаточной степенью точности позволяет определить напряженность электрического и магнитного полей на рабочих местах персонала электроустановок тягового электроснабжения.

2. Экспериментальные исследования подтверждают теоретические зависимости и определяют наличие рабочих зон электроустановок тягового электроснабжения с уровнями напряженности электрического и магнитного полей выше нормируемых предельно-допустимых.

3. Одновременное воздействие напряженности электрического и магнитного полей на персонал электроустановок тягового электроснабжения увеличивает риск причинения вреда здоровью и требует учета сочетанного принципа нормирования.

4. Устройство контроля и сигнализации превышения допустимого уровня напряженности электромагнитного поля.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным применением теории электромагнитного поля, теории вероятности и математической статистики, большим числом измерений в реальных условиях и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных исследований с расчетом математических моделей (погрешность результатов эксперимента и расчета до 20%).

Значение работы. Научное значение работы заключается в том, что:

- разработана подсистема (система) защиты от вредного воздействия электрических и магнитных полей персонала электроустановок тягового электроснабжения, включающая устройство контроля и сигнализации;

- впервые получены уровни напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты и до 10 кГц в электроустановках тягового электроснабжения на рабочих местах персонала; установлено, что в отдельных зонах рабочих мест персонала напряженность электрического и магнитного полей 50 Гц до двух раз превышает длительно допустимые уровни напряженности по СанПиН 2.2.4.1191-03, а напряженность электрического и магнитного полей до 10 кГц в десять раз и более превышает допустимые уровни параметров широкополосных электромагнитных полей по стандарту Швеции MPR-II 1990:8;

- показано, что учет принципа сочетанного воздействия электрического и магнитного полей на персонал электроустановок тягового электроснабжения требует снижения существующих норм предельно-допустимых уровней электромагнитных полей;

- впервые при определенных допущениях разработана и исследована зависимость уровня риска причинения вреда здоровью от стажа работы персонала в электроустановках тягового электроснабжения.

Личный вклад автора заключается в разработке идеи, методики проведения исследования; формулировке научных положений; создании расчетных математических моделей, проведении инструментального контроля и статистической обработке результатов измерений; разработке подсистемы (системы) защиты от электромагнитных полей в электроустановках тягового электроснабжения.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана модель расчета, позволяющая определять напряженность электрического и магнитного полей на рабочих местах персонала электроустановок тягового электроснабжения;

- разработаны и установлены показатели расчета и анализа сочетанного воздействия электрического и магнитного полей;

- разработано устройство контроля и сигнализации превышения допустимого уровня вредного воздействия электромагнитного поля на персонал.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы с целью ее реализации переданы в Управление охраны труда ОАО «РЖД», Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожной гигиены (ВНИИЖГ), Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) и Российский национальный комитет по защите от неионизирующих излучений (РНКЗНИ). Основные теоретические положения, практические результаты используются в учебном процессе ГОУ ВПО УрГУПС (г. Екатеринбург) в лекционных, практических и лабораторных курсах «Безопасность жизнедеятельности», «Электробезопасность» при обучении студентов специальности 190401 («Электроснабжение железных дорог») и 280102 («Безопасность технологических процессов и производств»). Разработан проект специального технического регламента по защите от низкочастотных электромагнитных полей электроустановок тягового электроснабжения.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях Уральского государственного университета путей сообщения «Молодые ученые транспорту», г. Екатеринбург (2004 - 2006); на Всероссийской научно-практической конференции ДонГАУ «Безопасность и экология технологических процессов и производств», п. Персиановский, 2005 г.; на III Всероссийской научно-практической конференции РИО ПГСХА «Экология человека: концепция факторов риска, экологическая безопасность и управления рисками», г. Пенза, 2006 г, а также вошли в отчет по НИР совместно с Ростовским государственным университетом путей сообщения (РГУПС) по теме: «Классификация технологических процессов и рабочих мест по электромагнитному влиянию на объектах железнодорожного транспорта и выявление особо опасных рабочих мест». Работа поддержана грантом УрГУПС (г. Екатеринбург).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, а также оформлена заявка на изобретение, приоритет от 16.05.2006.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 140 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 25 таблиц, список используемой литературы из 147 наименований, имеются приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы воздействия ЭМП на персонал, обслуживающий ЭУ тягового электроснабжения, поставлены цели и задачи исследования, отмечено научное и практическое значение работы.

В первой главе проведен обширный литературный анализ публикаций, касающихся уровней напряженности электрических и магнитных полей 50 Гц, нормирования и воздействия их на человека, в том числе в разных странах, и порядка применения существующих средств защиты персонала от воздействия ЭМП в ЭУ. Электроустановки тягового электроснабжения являются мощным техногенным источником электромагнитных полей широкого частотного диапазона и необходимо учитывать их вредное воздействие на персонал.

Большой вклад в изучение, разработку нормативов, стандартов, способов и средств защиты от опасного и вредного воздействия ЭМП внесен такими учеными, как Асанова Т.П., Бузов А.Л., Бухтояров В.Ф. Григорьев О.А., Григорьев Ю.Г., Долин П.А., Каляда Т.В., Карякин Р.Н., Кольчугин Ю.И., Малаян К.Р., Никитина В.Н., Пальцев Ю.П., Походзей Л.В., Рубцова Н.Б., Сазонова Т.Е., Сидоров А.И., Сыромятников Ю.П., Тихонова Г.И., Токарский Ю.А., Шуцкий В.И. и другими. На железнодорожном транспорте работы в области исследования проблем электромагнитной безопасности принадлежат Бадеру М.П., Власову С.И., Демченко А.Т., Киселеву А.П., Косареву А.Б., Косареву Б.И., Котельникову А.В., Кузнецову К.Б., Марквардту К.Г., Пупынину В.Н., Сибарову Ю.Г., их ученикам, другим ученым и специалистам.

В результате проведенного анализа литературных источников было выявлено, что в электрических сетях высокого и сверхвысокого напряжения основное внимание уделяется методам исследования электрической составляющей ЭМП. Напряженность электрического поля в различных точках открытых распределительных устройств понизительных подстанций и под трехфазными линиями электропередач широко изменяется в зависимости от параметров электроустановки и окружающей среды. Данных по результатам исследования уровней напряженности электрических полей в общей энергетике значительное количество, чего нельзя сказать о данных в электроустановках тягового электроснабжении. Приводятся противоречивые сведения, касающиеся в основном уровней напряженности электрического поля 50 Гц на рабочих местах персонала контактной сети переменного тока 25 кВ промышленной частоты.

В результате анализа данных медицинских исследований установлено, что в клинической картине заболеваний, вызванных длительным воздействием ЭМП на организм человека, основное место занимают функциональные изменения центральной нервной системы, особенно ее вегетативных отделов, и сердечно-сосудистой системы. Выделяют три основных синдрома: астенический, астеновегетативный и гипоталамический. Это проявляется в виде головной боли, повышенной утомляемости, раздражительности, снижения работоспособности, неустойчивости артериального давления, болей в области сердца, изменения состава крови и др. В числе отдаленных последствий воздействия электрических и магнитных полей установлен риск возникновения онкологических заболеваний. Указывается, что «существующие гигиенические нормативы не защищают работников от профессионального воздействия электрических и магнитных полей 50 Гц», так как у персонала возникает повышенный риск развития вегетативно зависимых сердечно-сосудистых заболеваний, что зависит от одновременного сочетанного воздействия электрических и магнитных полей 50 Гц при уровнях ниже, чем установленные по СанПиН 2.2.4.1191-03.

Отечествен-ные нормы (СН 2971-84, ГОСТ 12.1.002-84 (1999), СанПиН 2.1.2.1002-00, ПОТ РМ-016-2001, СанПиН 2.2.4.1191-03, СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03), регламентирующие требования к допустимым уровням напряженности электрических и магнитных полей на рабочих местах персонала электроустановок, оператора персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ) и для населения, находятся в определенном противоречии с рекомендациями и требованиями Всемирной организации здравоохранения, других стран и организаций как по напряженности электрических и магнитных полей, так и по частотному диапазону, особенно по магнитной составляющей и ЭМП широкополосного низкочастотного спектра до 10 кГц.

Электроустановки тягового электроснабжения специфичны по сравнению с электроустановками общей энергетики: работают в определенных режимах, конструктивно, в отличие от трехфазных, имеют однофазное, двухфазное и многофазное исполнение, создают электрическое и магнитное поле значительных уровней напряженности. Поэтому применяемые сегодня средства защиты от воздействия электрических полей 50 Гц в электроустановках высокого напряжения не могут обеспечить в полной мере защиту персонала, обслуживающего электроустановки тягового электроснабжения, прежде всего, от вредного воздействия магнитной составляющей электромагнитного поля.

В этой главе проведено социологическое исследование среди персонала, обслуживающего ЭУ тягового электроснабжения и персонала, не связанного с их эксплуатацией (контрольная группа). В качестве респондентов выступали профессиональные работники ОАО «РЖД» количеством 50 человек в каждой группе, разного возраста (от 23 до 55 лет) и пола (40 % мужского поля).

С помощью метода ранговой корреляции экспертных оценок был проведен анализ полученной информации от респондентов. В обеих группах наивысший ранг по оценке состояния здоровья имеет фактор «удовлетворительное», при этом коэффициент конкордации (согласованность) W оказался значимым по критерию ч² для доверительной вероятности 99%, т.е. можно утверждать, что существует неслучайная согласованность в мнениях 50 экспертов при ранжировании факторов состояния здоровья. Коэффициент ранговой корреляции с свидетельствует о практически полной (с = 0,99) согласованности мнений двух групп экспертов. При оценке связи состояния здоровья с результатом действия ЭМП установлено, что для группы персонала ЭУ наивысший ранг имеет фактор «В какой-то мере», менее значимый фактор «Да». Для контрольной группы наивысший ранг имеет фактор «Нет» и менее значимый фактор «Обусловлено другим». Коэффициент конкордации W для обеих групп оказался значимым по критерию ч² для доверительной вероятности 99%, т.е. можно утверждать, что существует неслучайная согласованность во мнениях 50 экспертов внутри каждой группы. Коэффициент ранговой корреляции с указывает на заметное противоречие групповых оценок (с = - 0,6) и говорит о том, что в группах факторам присвоены противоположные ранги. Респонденты из персонала электроустановок отмечают следующие заболевания: повышенная утомляемость и головные боли - по 18 %, сердечно-сосудистые заболевания - 15,9 %, повышенная сонливость и раздражительность - по 11,4 %, заболевания нервной системы - 9,1 %, анемия - 6,8 % и прочие - 9,1 %. Эти результаты согласуются с общей заболеваемостью и заболеваемостью с временной утратой трудоспособности персонала электроустановок тягового электроснабжения.

Повышенный риск повреждения здоровья работников, обслуживающих электроустановки, может быть связан с несоответствием нормируемых в России предельно-допустимых уровней напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц фактическому воздействию на организм человека и вредным воздействием на персонал ЭМП до 10 кГц (нормы в России не установлены), и вредным сочетанным воздействием электрического и магнитного полей 50 Гц, и комбинированным воздействием электромагнитного поля и других вредных производственных факторов, способствующих развитию заболеваний.

Рис. 1. Структура подсистемы (системы) защиты от вредного воздействия электромагнитных полей в системе обеспечения электробезопасности

Снижение риска повреждения здоровья персонала электроустановок от вредного воздействия ЭМП осуществляется подсистемой (системой) защиты (рис. 1), включающей разработку организационных мероприятий по информированию персонала, разработку принципов нормирования сочетанного воздействия электрического и магнитного полей, применение экранирующих козырьков, экранирующих комплектов, компьютерных систем диагностики состояния здоровья, а также разработку устройства контроля и сигнализации.

Вторая глава посвящена подсистеме электромагнитного мониторинга (рис. 1), исследованию уровней напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц на рабочих местах персонала контактной сети переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ и тяговых подстанциях постоянного и переменного тока с помощью расчета математических моделей и инструментального контроля в этих электроустановках.

На территории тяговых подстанций в связи с большим разнообразием оборудования и конструктивного расположения токоведущих частей не всегда представляется возможным использовать математический аппарат для определения реальной напряженности электрических и магнитных полей и вероятности превышения ее допустимых уровней. Принимая это во внимание, было решено рассмотреть ряд частных случаев расчета напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц на территории тяговых подстанций:

§ постановка задачи, построение модели и расчет напряженности электрического поля 50 Гц при пересечении двух трехфазных линий электропередачийач и контаткной сетиы 2006116839 от 16.05.2006 (ввод, ремонтная, транзитная перемычка или шинный мост открытого распределительного устройства тяговой подстанции);

§ постановка задачи, построение модели и расчет напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц в открытом распределительном устройстве 27,5 кВ под шинами и отходящими фидерами тяговой подстанции;

§ постановка задачи, построение модели и расчет напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц под шинами 10 кВ и шинным мостом тяговой подстанции постоянного тока.

Модель, характеризующая напряженность электрического поля 50 Гц двух пересекающихся под прямым углом линий электропередачи, может быть выражена соотношением:

. (1)

На основании формулы (1) в результате расчета напряженности электрического поля 50 Гц при пересечении двух трехфазных линий электропередачи напряжением 220 кВ разной высоты получена карта распределения напряженности электрического поля на высоте 1,8 м (рис. 2). Наибольшие значения напряженности электрического поля наблюдаются под крайними фазами обеих линий на расстоянии 3-5 м от средней фазы каждой линии электропередачи.

Рис. 2. Карта распределения напряженности электрического поля 50 Гц, кВ/м двух линий электропередачи 220 кВ

На основе построения моделей, состоящих из двухфазной линии (шины 27,5 кВ) и многофазной линии (отходящие фидера) и их расчета получены уровни напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц в открытом распределительном устройстве - 27,5 кВ (рис. 3, 4).

Рис. 3. Распределение напряженности электрического поля 50 Гц в открытом распределительном устройстве 27,5 кВ на высоте 1,8 м

Напряженность электрического и магнитного полей 50 Гц в распределительном устройстве 27,5 кВ превышает допустимые уровни длительного вредного воздействия, что обусловлено использованием напряжения только двух фаз и относительно низким расположением токоведущих частей.

Рис. 4. Контуры протекания тока и распределение напряженности магнитного поля 50 Гц под отходящими фидерами 27,5 кВ

Определены расчетные зависимости напряженности электрического и магнитного поля промышленной частоты под шинами 10 кВ и шестифазного шинного моста в закрытом распределительном устройстве тяговой подстанции, которые показали, что напряженность магнитного поля в аварийных режимах, при несимметричном напряжении питающей сети увеличивается и может превышать допустимые уровни вредного воздействия на человека.

Инструментальный контроль позволил оценить уровни напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц на рабочих местах персонала электроустановок на высоте 1,8 м от уровня земли и поверхности рабочей площадки автомотрисы, которые показали, что максимальные значения напряженности достигают и в некоторых случаях превышают длительно допустимые уровни, установленные СанПиН 2.2.4.1191 - 03. Анализ массива полученных данных измерений был обработан с помощью методики согласно ГОСТ 8.207 - 76. Результаты наблюдений принадлежали нормальному закону распределения случайной величины. Проверка результатов измерений на принадлежность к нормальному распределению была осуществлена с помощью Критерия ². Доверительные границы инструментальных данных определялись с учетом погрешности средств измерений и с использованием критерия Стьюдента.

В табл. 1 показаны обобщенные результаты расчетных и инструментально полученных максимальных и средних значений напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц на рабочих местах персонала электроустановок тягового электроснабжения.

Таблица 1

Напряженность электрического и магнитного полей 50 Гц на рабочих местах персонала электроустановок

Характерные места	Расчетные E и H	Инструментальные E и H
	Е, кВ/м	Н, А/м	Еmax ± ?1, кВ/м	Еср. ± е1, кВ/м	Нmax ± ?2, А/м
Ось пути на высоте 1,8 м	1,7 - 2,4	80 - 120	2,519 ± 0,418	2,209 ± 0,394	На расстоянии 2-х метров от оси пути при токе 1000 А 86,665 ± 13,399
На расстоянии 3-х метров от оси пути на высоте 1,8 м	1,3 - 1,8	40 - 60	1,936 ± 0,294	1,519 ± 0,316
На уровне контактного провода без шунтирующих штанг	10 - 14	360 - 420	19,987 ±3,038	19,226 ±1,191	-
На расстоянии 0,5м от оборудования 110 кВ на высоте 1,8 м	-	-	4,367 ± 0,695	1,472 ± 0,161	При токе Imax= 500 А 17,491 ± 2,664
Крайняя фаза ВЛ-110 кВ	2 - 2,7	-	4,367 ± 0,695	1,714 ± 0,321
Между разъединителем и выключателем 110 кВ	-	-	5,223 ± 0,824	2,235± 0,639
РУ-35 кВ	-	-	0,478 ± 0,076	0,365 ± 0,168	При токе Imax= 100 А 0,876 ± 0,135
На расстоянии 0,5 м от ячеек 10 кВ	0,5 - 0,8	20 - 50	0,496 ± 0,078	0,253 ± 0,071	При токе I = 1000 А 47,04 ± 7,46
Ввод 27,5 кВ	-	-	3,155 ± 0,513	1,528 ± 0,421	При токе I=1000 А 159,76 ± 24,36
Под шинами 27,5 кВ	4 - 9	80 - 160	6,528 ± 1,019	4,029 ± 0,928

Примечание: ?₁, ?₂, и е₁ - погрешность средства измерения электрического и магнитного поля и двухсторонние доверительные границы для средней при доверительной вероятности 0,99 на основе критерия Стьюдента.

В результате построения карт распределения напряженности электрического поля 50 Гц на территории открытых распределительных устройств тяговых подстанций и на рабочих местах персонала контактной сети выявлено экранирующее и искажающее действие железобетонных опор на картину поля, что требует их учета в моделях расчета. Практически на всех присоединениях прослеживается снижение напряженности электрического поля 50 Гц под средней фазой В в 1,5 - 2 раза и снижение ее почти в 2 раза у приводов коммутационных аппаратов, над которыми имеется сетчатый козырек. Полученные значения напряженности магнитного поля 50 Гц в электроустановках разных напряжений имеют пропорциональную зависимость от величины тягового тока и носят случайный изменяющийся во времени характер. Результаты инструментального контроля согласуются с теоретическими исследованиями, расхождение между ними составляет не более 20 %.

Третья глава отведена исследованию параметров электромагнитных полей частотой до 10 кГц, воздействующих на персонал электроустановок тягового электроснабжения.

В результате исследования установлено, что вредному воздействию таких полей персонал подвергается на рабочих местах в распределительном устройстве 10 (6) и 3,3 кВ, при осмотре и обслуживании тягового трансформатора и преобразователей, вблизи шинного моста, сглаживающего устройства, в распределительном устройстве 27,5 кВ и на контактной сети 25 кВ переменного тока промышленной частоты.

Учитывая, что в электроустановках тягового электроснабжения используются 6-ти и 12-ти пульсовые преобразователи на тяговых подстанциях постоянного тока и 2-х пульсовые преобразователи на электроподвижном составе переменного тока 25 кВ, частота гармонических составляющих тока и напряжения, а соответственно, и одноименных частот напряженности электрического и магнитного полей определяются из соотношений:

, (2)

где n - натуральный ряд целых чисел от 1 до ?;

f_с - частота напряжения питающей сети, Гц;

m - число пульсаций выпрямленного напряжения, зависящее от типа преобразователя.

Существующие проблемы в нормировании параметров электромагнитных полей частотой до 10 кГц в России не позволяют оценить риск вредного воздействия на персонал. На основе анализа, обобщения и систематизации существующей практики нормирования были выявлены возможности устанавливать допустимый уровень вредного воздействия по следующим принципам:

- пропорционально частоте, исходя из существующего нормирования напряженности электрических и магнитных полей 50 Гц и частотой более 10 кГц;

- для всего диапазона частот (50-10000 Гц) устанавливать одну величину допустимого уровня напряженности электрического и магнитного поля;

- для отдельных частот или частотных диапазонов величину допустимого уровня напряженности электрического и магнитного полей, соответствующую уровню биологического воздействия этих частот на организм человека.

В настоящее время стандартом Швеции MPR-II 1990:8 (для любых источников) установлены допустимые уровни вредного воздействия широкополосных электрических и магнитных полей, составляющие на частотах 5 - 2000 Гц напряженность электрического поля 25 В/м и индукцию магнитного поля 250 нТл, а в диапазоне 2 кГц - 400 кГц - 2,5 В/м и 25 нТл соответственно.

Возможное нормирование по принципу пропорциональности частоте f осуществляется по уравнениям прямой с помощью норм допустимой напряженности электрического и магнитного поля для 50 Гц и 10 кГц по СанПиН 2.2.4.1191 - 03:

; (3)

. (4)

Анализ соотношений (3), (4) показывает, что нормирование по этому принципу практически не осуществимо из-за необходимости учета большого массива данных. На персонал электроустановок в этом случае воздействует ЭМП широкого диапазона частот от 50 Гц и выше, что указывает на необходимость учета сочетанного вредного воздействия ЭМП разных частот.

Предлагается принять нормирование предельно-допустимых уровней напряженности ЭМП для полосы частот диапазона 5 - 2000 Гц и более 2000 Гц в соответствии с нормами стандарта Швеции MPR-II 1990:8, который, в частности, уже используется в существующих нормах СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 для оценки условий труда оператора ПЭВМ.

Проведенные экспериментальные исследования спектрального состава напряженности магнитного поля и уровней напряженности широкополосного электрического и индукции широкополосного магнитного поля в ЭУ тягового электроснабжения и на рабочем месте оператора ПЭВМ показали, что в диапазоне частот до 10 кГц присутствует широкий спектр частот напряженности магнитного поля. В электроустановках основной частотой напряженности магнитного поля является частота 50 Гц, а все остальные значения напряженности составляют уровень -10ч-30 дБ. Для сравнения на рабочем месте оператора ПЭВМ основной частотой является частота 50 Гц, но есть и более высокая частота (например, 800-1200 Гц вблизи дисплея). Исследования на рабочих местах персонала ЭУ показали, что спектральная характеристика напряженности магнитного поля, например в распределительном устройстве 10 кВ, имеет вид, представленный на рис. 5.

Рис. 5. Спектральная характеристика напряженности магнитного поля частотой до 5 кГц в распределительном устройстве 10 кВ

Результат получен на основе осциллографирования кривой напряженности магнитного поля с помощью миллитесламетра ТП2-2У и компьютерного осциллографа, разложения этой кривой в ряд Фурье и обработкой программой быстрого преобразования Фурье.

В табл. 2 представлены данные измерений широкополосной напряженности электрического поля и индукции магнитного поля на рабочих местах персонала электроустановок тягового электроснабжения. В электроустановках на рабочих местах персонала напряженность электрического поля и индукция магнитного поля частотой 5Гц - 2 кГц и 2 кГц - 400 кГц значительно выше этих параметров, измеренных на рабочем месте оператора ПЭВМ, и превышают нормы MPR-II 1990:8 в 10 раз и более.

Таблица 2

Средние значения напряженности электрического поля и индукции магнитного поля на частотах до 2 кГц и выше на высоте 1,8 м

Рабочее место	Напряженность электрического поля, В/м	Индукция магнитного поля, нТл
	5 - 2000 Гц	> 2000 Гц	5 - 2000 Гц	> 2000 Гц
Середина пролета контактной сети переменного тока 50 Гц	1592 ± 318	16,71 ± 3,32	При токе 50 А 1534 ± 307	При токе 50 А 32,1 ± 6,3
РУ-27,5 кВ тяговой подстанции переменного тока: - вблизи трансформатора; - ввод 27,5 кВ; - фидер	>1999*	5,96 ± 1,19 14,75 ± 2,95 17,93 ± 3,59	>2000*	При токе 100 А 55,5 ± 3,5 37,8 ± 3,2 73,7 ± 4,3
ЗРУ-10 кВ и 3,3кВ тяговой подстанции постоянного тока	57,58 ± 11,52	3,76 ± 0,75	>2000*	При токе 100 А 102,4 ± 20,5

*Порог чувствительности прибора

Учитывая, что персонал ЭУ подвергается интенсивному как по частоте, так и по амплитуде воздействию электрического и магнитного поля, необходимо нормирование и защита персонала электроустановок от вредного воздействия электромагнитных полей частотой до 10 кГц.

Четвертая глава посвящена разработке подсистемы защиты от вредного воздействия ЭМП в системе обеспечения электробезопасности персонала электроустановок тягового электроснабжения, представленной на рис. 1. Данная подсистема защиты сама является системой, направленной на снижение риска причинения вреда здоровью персонала электроустановок тягового электроснабжения.

Персонал, обслуживающий электроустановки, трудится в условиях неблагоприятного микроклимата, воздействия различных видов электромагнитных полей (ведущий фактор), тяжелого и напряженного труда, что требует оценки и учета вредного одновременного воздействия вредных факторов. Одной из подсистем в системе защиты персонала от вредного воздействия ЭМП является подсистема нормирования сочетанного и комбинированного воздействия электрического и магнитного полей.

В результате анализа полученных данных о параметрах электромагнитного поля на рабочих местах персонала ЭУ тягового электроснабжения установлено сочетанное воздействие электрического и магнитного полей 50 Гц, сочетанное воздействие ЭМП разных частот (широкополосное ЭМП частотой до 10 кГц) и одновременное комбинированное воздействие электромагнитных полей и других факторов, в совокупности оказывающие вредное влияние на организм персонала.

Для рабочих мест персонала, подвергающегося одновременному воздействию электрического и магнитного полей 50 Гц, предлагается ввести в качестве предельно-допустимого обобщенный параметр (вектор Пойнтинга):

кВ•А/м², (5)

где и - соответственно векторы напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц в любой точке пространства.

При этом на основании анализа медицинских исследований и принципа пропорционального воздействия электрического и магнитного полей, предлагается уменьшить значение обобщенного параметра, как минимум, в 2 раза, т.е. уменьшить значения предельно-допустимых уровней напряженности электрического и магнитного полей по СанПиН 2.2.4.1191 - 03 при их совместном нормировании.

Оценку предельно-допустимого уровня вредного воздействия электрического и магнитного полей фиксированной частоты, а также в широком диапазоне частот предлагается осуществлять с помощью обобщенного критерия:

, (6)

где E_i, H_i - фактические значения напряженности электрического и магнитного полей;

E_iПДУ, H_iПДУ - значения соответствующих предельно-допустимых уровней этих параметров для данной частоты переменного тока.

Если в неравенстве (6) в левой части получается значение больше единицы, то необходимо применение подсистемы организационно-технических и лечебно-профилактических мероприятий и средств в системе защиты персонала от вредного воздействия ЭМП (рис. 1).

В результате проведенного теоретического исследования сочетанного воздействия электрического и магнитного полей предлагается при их одновременном воздействии на человека снижение предельно-допустимого уровня напряженности по сравнению с существующим раздельным нормированием по СанПиН 2.2.4.1191 - 03.

В работе предложена оценка риска вредного воздействия ЭМП в ЭУ тягового электроснабжения. Для оценки воздействия электрического и магнитного полей на персонал ЭУ в течение произвольного периода времени T с учетом известного кумулятивного эффекта воздействия электромагнитных полей разработан интегральный показатель причинения вреда здоровью:

, (7)

где m - количество периодов воздействий (не менее одной смены) j-го вредного фактора на рабочем месте, шт.;

F_ПДУj - ПДУ j-го вредного фактора на рабочем месте, кВ/м, А/м и т.д.;

,- время начала и окончания воздействия на работника j-го вредного фактора в течение i-го периода воздействия;

- - продолжительность появления j-го вредного фактора в течение i-го

периода воздействия;

f_ji(t) - функция времени фактической величины j-го вредного фактора на рабочем месте, кВ/м, А/м и т.д.;

Интегральный показатель позволяет оценивать риск вредного воздействия на персонал в зависимости от возможного стажа работы в электроустановках, уровней напряженности электрического и магнитного полей и продолжительности их воздействия на рабочих местах в течение произвольного периода времени. В работе предлагается весь электротехнический персонал электроустановок разбить на категории по профессиональной принадлежности (группы риска). На основании полученных нами теоретических и экспериментальных средних значений воздействия на них напряженности электрического и магнитного полей 50 Гц, а также проведенной статистической оценки среднего времени нахождения персонала в ЭУ в течение смены (табл. 3) для каждой категории персонала был определен интегральный показатель из (7).



Таблица 3

Персонал электроустановок и экспозиция воздействия электромагнитных полей

№ п/п	Принадлежность персонала электроустановок	Еср, кВ/м	Нср, А/м	, час	, час
I	Административно-управленческий персонал дистанции	0,5	2	0,25	4
II	Оперативно - ремонтный персонал тяговых подстанций	2	15	5	4
III	Персонал ремонтно-ревизионного участка	1	10	3	4
IV	Персонал контактной сети переменного тока	3	40	3	4
V	Дежурный персонал тяговых подстанций	1	10	2	4

Вероятность вредного сочетанного воздействия электрического и магнитного полей, а также n сопутствующих вредных факторов, включая электромагнитный фактор, можно определить по формуле:

. (8)

где - вероятность причинения вреда j-м вредным фактором.

Результаты расчета интегрального показателя риска причинения вреда от вредного воздействия электрического поля 50 Гц, магнитного поля 50 Гц и при их сочетанном воздействии для разных категорий персонала ЭУ представлены в табл. 4.

По результатам оценки риска причинения вреда здоровью различных категорий персонала установлено, что риск увеличивается при одновременном воздействии на персонал электрического и магнитного полей 50 Гц. При суммарном стаже работы эксплуатационного персонала в электроустановках более 1 года получено, что риск причинения вреда здоровью превышает существующие допустимые уровни (10^-6). Повышенный риск для здоровья персонала установлен при одновременном комбинированном воздействии четырех вредных факторов при фактической экспозиции меньше допустимой. Для снижения риска вредного воздействия электрических и магнитных полей необходимо снижение вредного воздействия сопутствующих производственных факторов на рабочих местах персонала.

Таблица 4

Расчетные значения интегрального показателя риска причинения вреда здоровью от воздействия электромагнитных полей

Группа персонала	Интегральный показатель
	РвЭП ПЧ	РвМП ПЧ	РвЭМП ПЧ
	смена	год	15 лет	смена	год	15 лет	смена	год	15 лет
I	5,4•10-12	3,5 •10-7	7,8•10-5	3,4•10-13	2,2•10-8	4,9•10-6	1,2•10-11	7,4•10-7	8,3•10-5
II	1,5•10-9	9,7•10-5	2,2•10-2	2,7•10-10	1,7•10-5	3,9•10-3	3,6•10-9	2,3•10-4	2,6•10-2
III	3,3•10-10	2,1•10-5	4,7•10-3	5,4•10-11	3,5•10-6	7,8•10-4	7,6•10-10	4,9•10-5	5,5•10-3
IV	9,7•10-10	6,3•10-5	1,4•10-2	2,2•10-10	1,4•10-5	3,1•10-3	2,4•10-9	1,5•10-4	1,7•10-2
V	1,7•10-10	1,1•10-5	2,5•10-3	2,7•10-11	1,7•10-6	3,9•10-4	4,0•10-10	2,6•10-5	2,9•10-3

Весь электротехнический персонал тягового электроснабжения, который практически ежесменно находится в ЭУ, может быть условно разбит на категории в зависимости от риска вредного воздействия электромагнитных полей (табл. 5).



Таблица 5

Категорирование персонала в зависимости от риска вредного воздействия ЭМП

Принадлежность персонала	Категория персонала	Характеристика риска	РвЭМП ПЧ за 15 лет
Административно-управленческий персонал	«1»	Минимальный риск повреждения здоровья при длительном воздействии более 15 лет	10-5 ч 10-6
Персонал ремонтно-ревизионного участка и дежурный персонал тяговых подстанций	«2»	Значительный риск повреждения здоровья при продолжительности воздействии более 1 года	10-3 ч 10-4
Персонал контактной сети переменного тока и оперативно - ремонтный персонал тяговых подстанций	«3»	Максимальный риск повреждения здоровья при продолжительности воздействии более 1 года	10-1 ч 10-2

В подсистему организационно-технических мероприятий и средств, лечебно-профилактических мероприятий включено и разработано устройство контроля и предупреждающей персонала сигнализации вредного воздействия электромагнитных полей. Такое устройство может применяться в любых ЭУ, имеющих измерительные трансформаторы, где необходима защита персонала от воздействия ЭМП. На рис. 6 представлена схема устройства для осуществления способа определения параметров и сигнализации превышения допустимого уровня вредного воздействия ЭМП.

Протекание тока через первичную обмотку измерительного трансформатора тока электроустановки обуславливает протекание тока во вторичной обмотке 7 измерительного трансформатора тока, который пропорционален напряженности магнитного поля, создаваемого вблизи электроустановки, при этом вторичная обмотка 7 измерительного трансформатора тока работает в качестве датчика напряженности магнитного поля. При протекании тока электроустановки, создающего напряженность магнитного поля, превышающую первую ступень предельно-допустимого уровня, срабатывает реле тока КА1 и его замыкающий блок-контакт 10 при размыкающем блок-контакте 13 реле тока КА2, замыкает цепь и подается напряжение от шин 14, 15 для питания желтой сигнальной лампы 5, указывающей персоналу ограничение времени нахождения на рабочем месте. При протекании тока ЭУ, создающего напряженность магнитного поля, превышающую вторую ступень предельно-допустимого уровня, срабатывает реле тока КА2 и его размыкающий блок-контакт 13 реле тока КА2 размыкает цепь питания желтой сигнальной лампы 5, а замыкающий блок-контакт 12 замыкает цепь и подается напряжение от шин 14, 15 для питания красной сигнальной лампы 6, указывающей персоналу опасное действие магнитного поля и запрет нахождения на рабочем месте.

Рис. 6. Схема устройства сигнализации об уровне параметров электромагнитного поля: 1 - блок подключения; 2 - блок контроля и срабатывания; 3 - блок сигнализации; 4, 5, 6 - индикаторы: зеленая, желтая и красная сигнальные лампы; 7, 8 - вторичная обмотка измерительного трансформатора тока и трансформатора напряжения; 9 - замыкающий блок-контакт реле напряжения КV третьей ступени контроля; 10, 11 - замыкающий и размыкающий блок-контакт реле тока КА1 первой ступени контроля; 12, 13 - замыкающий и размыкающий блок-контакт реле тока КА2 второй ступени контроля; 14 и 15 - источник питания («-» шина и «+» шина собственных нужд самой электроустановки)

При отсутствии тока ЭУ, напряженность магнитного поля равна нулю. В этом случае замыкающий блок-контакт 10 реле тока KA1 и замыкающий блок-контакт 12 реле тока KA2 размыкают цепи питания желтой 5 и красной 6 сигнальных ламп. В случае отсутствия электрического тока, но при наличии напряжения на электроустановке, реле напряжения KV третьей ступени контроля срабатывает, его замыкающий блок-контакт 9 через размыкающий блок-контакт 11 замыкает цепь и подается напряжения от шин 14, 15 для питания зеленой сигнальной лампы 4, указывающей на то, что воздействие ЭМП на рабочем месте допустимо, но электроустановка находится под напряжением.

На основании полученных в работе результатов разработан проект специального технического регламента «О безопасности низкочастотных электромагнитных полей электроустановок тягового электроснабжения». В регламенте представлены объекты технического регулирования и виды электромагнитных полей, существенные требования безопасности, требования безопасности при сочетанном воздействии, а также классификация отдельных элементов электроустановок тягового электроснабжения по степени риска причинения вреда здоровью персонала. Наибольший риск причинения вреда здоровью персонала составляет оборудование распределительного устройства 27,5 кВ, контактная сеть 25 кВ переменного тока 50 Гц, тяговые трансформаторы и преобразователи, ячейки распределительного устройства 10(6) кВ.

В заключение проведена оценка эффективности применения разработанной подсистемы защиты от вредного воздействия электромагнитных полей в системе обеспечения электробезопасности. Подсистема снижает риск причинения вреда здоровью электротехнического персонала и при защите только от кумулятивного (суммирующего) эффекта риск составляет для различных групп от 3,6•10^-9до 5,4•10^-11, что ниже принимаемого сегодня в качестве допустимого, приемлемого, равного 10^-6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, на основе расчета математических моделей, инструментального контроля с применением теории вероятности и математической статистики дано новое решение актуальной научно-технической задачи разработки подсистемы (системы) защиты от вредного воздействия электромагнитных полей в системе обеспечения электробезопасности персонала электроустановок тягового электроснабжения, включающей подсистему нормирования сочетанного воздействия, организационно-технические мероприятия и техническое средство сигнализации, позволяющие снизить до приемлемого риск повреждения здоровья персонала от вредного воздействия электромагнитного поля 50 Гц и электромагнитных полей частотой до 10 кГц.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и сделать выводы:

1. Анализ статистической обработки данных социологического исследования, проведенного с персоналом электроустановок и контрольной группой работников, выявил необходимость разработки системы защиты от вредного воздействия электромагнитных полей на персонал электроустановок тягового электроснабжения.

2. Инструментальный контроль напряженности электрических и магнитных полей в электроустановках показал адекватность рассматриваемых математических моделей, расхождение инструментальных и расчетных значений составили не более 20 %. Установлено, что значения напряженности электрических и магнитных полей превышают до 2-х раз длительно допустимые уровни напряженности электрического и магнитного поля 50 Гц по СанПиН 2.2.4.1191 - 03 на отдельных рабочих местах.

3. На основании теоретических и инструментальных исследований проанализирована спектральная характеристика напряженности магнитного поля до 10 кГц и установлены уровни напряженности электрического и индукции магнитного поля в широкой полосе частот 5 - 2000 Гц и выше 2 кГц, которые значительно, в 10 и более раз превышают допустимые уровни стандарта MPR-II 1990:8 (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03). Для снижения риска причинения вреда здоровью персонала электроустановок предложен принцип нормирования электромагнитных полей данного диапазона частот на основе стандарта MPR-II 1990:8.

4. Установлены принципы расчета и анализа сочетанного воздействия электромагнитных полей и их комбинированного воздействия с другими вредными факторами с помощью обобщенных показателей. Такие виды воздействия требуют более строго учета и жесткого нормирования по сравнению с существующим раздельным нормированием по СанПиН 2.2.4.1191 - 03. Риск причинения вреда здоровью эксплуатационного персонала от длительного вредного воздействия электрического и магнитного полей 50 Гц превышает допустимый уровень (10^-6) при суммарном непрерывном стаже работы в электроустановках более 1 года (R_ЭМП = 10^-4 ч 10^-5).

5. Разработана подсистема (система) зашиты персонала от электромагнитных полей в системе обеспечения электробезопасности персонала электроустановок тягового электроснабжения, включающая наряду с существующими средствами защиты (экранирующими устройствами, индивидуальными экранирующими комплектами) проведение организационных мероприятий: информирование персонала, совершенствование проведения медицинских обследований, а также учет сочетанного воздействия электрических и магнитных полей и техническое средство защиты - устройство непрерывного контроля и сигнализации превышения допустимого уровня вредного воздействия электромагнитных полей. Система позволяет снизить риск вредного воздействия электромагнитных полей до приемлемого, в том числе, посредством предупреждающей персонала световой сигнализации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Кузнецов, К.Б. Анализ влияния напряженности электрического поля контактной сети переменного тока на персонал железной дороги и население [Текст] / К.Б. Кузнецов, С.О. Белинский, А.Б. Ширшов // Электробезопасность. - 2003. - № 2,3 - С. 21-30.

2. Белинский, С.О. Проблема защиты от электромагнитных полей на железнодорожном транспорте [Текст] / С.О. Белинский, К.Б. Кузнецов : V межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые - транспорту» : [сб. докл.] / Екатеринбург : УрГУПС. - ч. 1, 2004. - С. 255-266.

3. Белинский, С.О. Электромагнитные поля устройств тягового электроснабжения частотой до 10 кГц. Проблемы нормирования и защиты [Текст] / С.О. Белинский, К.Б. Кузнецов // Электробезопасность. - 2004. - № 1,2 - С. 11-17.

4. Белинский, С.О. Анализ заболеваемости работников железной дороги от электромагнитных полей устройств электроснабжения [Текст] / С.О. Белинский : VI межвузовская научно-техническая конференция «Молодые ученые - транспорту» : [сб. докл.] / Екатеринбург : УрГУПС, 2005. - С. 468-473.

5. Кузнецов, К.Б. Анализ влияния напряженности электрического поля контактной сети переменного тока на персонал железной дороги и население [Текст] / К.Б. Кузнецов, С.О. Белинский, А.Б. Ширшов : Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности : [сб. научн. тр.] / под ред. В.Д. Катина. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2005. - С. 45-51.

...