ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ З БЕЗПЕКИ РОБІТ
У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

Голубов Сергій Вікторович

УДК 621.316.3: 621.001.21

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНТРОЛЮ ЗМІННИХ СТРУМІВ І НАПРУГ ДОТИКУ
ДЛЯ БЕЗПЕЧНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК

05.26.01 – „Охорона праці”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Никонець Леонід Олексійович, Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри “Електропостачання промислових підприємств, міст та сільського господарства”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

Колосюк Володимир Петрович, Донбаська Національна академія будівництва і
архітектури Міністерства освіти і науки України, (м. Макіївка), професор кафедри “Електротехніка і автоматика”;

- кандидат технічних наук, доцент

Журавель Олена Анатоліївна, Донецький Національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, (м. Донецьк), доцент кафедри “Електромеханіка і ТОЕ”.

Провідна установа – Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу Міністерства освіти і науки України, (м. Івано-Франківськ), кафедра “Безпеки життєдіяльності”.

Захист відбудеться “23” березня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України за адресою: 86108, м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України за адресою: 86108, м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий “07 лютого 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.834.01

к.т.н., с.н.с. Алаб’єв В.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Експлуатація електроустановок промислового і побутового призначення пов’язана з небезпекою ураження людей електричним струмом, про що свідчить статистика електротравматизму як в Україні, та і за її межами. Причиною цих фактів є не тільки порушення персоналом правил безпеки, але й недостатній контроль параметрів електроустановок, що визначають критерії їх електробезпеки.

“Охорона праці”, як галузь науки і техніки, розробляє методи контролю за безпекою робіт із використанням технічних нормативів для створення безпечних умов праці. Удосконалення контролю струмів і напруг дотику для безпечної експлуатації електроустановок змінної напруги під час моделювання екстремальних виробничих ситуацій з метою їх попередження та діагностування електроустановок за умовами електробезпеки є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з: “Галузевою програмою покращення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на підприємствах Міністерства палива та енергетики України на 1999-2000 роки”, пункт 1.31 “Розроблення проектів Державних стандартів України з електробезпеки електроустановок будівель та Державної програми створення сучасної нормативної бази України з електробезпеки”; Закону України “Про Загальнодержавну програму адаптації законодавства України до законодавства Європейського Союзу” від 18 березня 2004 року N 1629-IV, Розділ V “....пріоритетними сферами, в яких здійснюється адаптація законодавства України, є сфери: ...., охорона праці”; Концепцією “Загальнодержавної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці та виробничого середовища на 2006-2011 роки”, схвалену розпорядженням Кабінету Міністрів України від 11 травня 2006 р. N 269-р.

Проведені дослідження виконувалися за участю автора в якості відповідального виконавця в науково-дослідних роботах, зокрема, держбюджетній роботі Міністерства освіти і науки України “Умови безпечної експлуатації електроустановок” (№ ДР 0105U007575, 2005-2006 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є удосконалення контролю змінних струмів і напруг дотику для безпечної експлуатації електроустановок.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести експериментальні дослідження, які за мінімальної кількості дослідів дозволять визначити статистичні параметри частотної та вольтамперної характеристики представницької групи людей для довільних площ і частот напруги дотику та струмів;

- за визначеними узагальненими частотними і вольтамперними характеристиками спільноти людей синтезувати моделі тіла, які з певною нормованою імовірністю відтворюють межі значень опорів тіла та вдосконалити метод контролю напруг дотику і струмів в електроустановках змінної напруги довільної частоти.

Об’єкт дослідження - взаємодія електроустановок змінного струму і організму людини, як елемента електричного кола, що створює проблемну ситуацію.

Предмет дослідження - метод контролю струмів і напруг дотику частотою від 0 до 100 кГц для створення безпечних умов праці.

Методи дослідження. Для виконання досліджень використані теоретичні й експериментальні методи, зокрема: активних фізичних експериментів з плануванням їх у напрямі виявлення закономірностей і встановлення кількісних співвідношень між факторами впливу і реакціями організму – для дослідження електричних характеристик тіла людини; апроксимації, екстраполяції – для опрацювання і узагальнення результатів експериментальних досліджень електричних властивостей тіла людини; математичного моделювання – для відтворення струмів крізь тіло і напруг дотику за довільних електричних дій; математичної статистики – для визначення статистично достовірних характеристик представницької групи людей; чисельні методи розв’язування диференційних рівнянь – для визначення параметрів елементів моделі тіла людини для аналізу усталених режимів і перехідних процесів в математичних моделях тіла людини (з використанням програмного комплексу RE, розробленого співробітниками Національного університету "Львівська політехніка" доцентом к.т.н. Равликом О.М. та к.т.н. Гречиним Т.М.).

Ідея роботи полягає в обґрунтуванні ефективного методу контролю струмів і напруг дотику частотою від 0 до 100 кГц для створення безпечних умов праці.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, та їх новизна.

Наукові положення:

1. Створення моделей, що відтворюють з певною імовірністю електрофізичні характеристики спільноти людей для довільних умов ураження, можливе на основі відомих закономірностей зміни електрофізичних характеристик людей (з використанням виявлених властивостей апроксимуючих їх функцій) на базі обмеженої кількості експериментальних досліджень.

2. Існуючі критерії електробезпеки з допустимих значень напруг дотику і струмів крізь тіло людини не узгоджені між собою. Прийняття як пріоритету напруги дотику чи струму обумовлює необхідність суттєвого корегування значення іншого нормативного параметру.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше встановлені закони розподілу визначальних коефіцієнтів аналітичної апроксимуючої функції вольтамперних (на змінній напрузі) та частотних характеристик як випадкових величин та визначені числові характеристики цих випадкових величин для окремих людей і представницької групи людей.

2. Вперше доведено, що кореляційний зв’язок між визначальними статистичними коефіцієнтами частотних характеристик та вольтамперних характеристик змінної напруги в представницькій групі людей відсутній.

3. Вперше доведено, що між коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції вольтамперної характеристики для напруги певної частоти і певної площі дотику та визначальними коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції частотної характеристики наявний кореляційний зв’язок.

4. Отримала подальший розвиток модель тіла конкретної людини, що синтезована з використанням частотних та вольтамперних характеристик, яка адекватно відтворює експериментальні характеристики в довільному діапазоні частот для довільної площі дотику, що дозволило обґрунтувати параметри розрахункових моделей тіла та метод контролю струмів і напруг дотику.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджується: коректністю постановки і теоретичних засад вирішення задач з врахуванням загальноприйнятих чи обґрунтованих допущень, коректністю виконаних експериментальних досліджень та опрацювання їх результатів, перевіркою адек-ватності розроблених моделей, застосуванням математичних методів, законів і методів теоретичної електротехніки, що відповідають задачам дослідження.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Дослідженнями, що наведені в роботі, створені передумови для корегування міжнародних стандартів МЕК 60990, МЕК 60479-1, та ГОСТ 12.1.038-82, ГОСТ 12.2.006-87, ГОСТ 30331.3-95.

2. Результати досліджень використано для розроблення „Регламенту сертифікаційних випробувань на відповідність вимогам електробезпеки електроустановок сучасних телекомунікаційних систем провідного зв'язку С-32 та „ДНІПРО” (м. Дніпропетровськ), такий регламент сертифікаційних випробувань опрацьовано в Україні вперше, регламент погоджений Державним комітетом України з нагляду за охороною праці.

3. Матеріали дисертації використані у сформованій і впровадженій в навчальний процес напряму “Електротехніка” в Національному університеті “Львівська політехніка” нової дисципліни “Теорія і практика електробезпеки”, а саме методичних вказівок до виконання лабораторних робіт. Результати роботи впроваджені в програму підготовки з електробезпеки працівників ВАТ “Західенерго”.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, внесені в дисертаційну роботу, отримані автором особисто. У публікаціях, написаних у співавторстві, авторові дисертаційної роботи належить: [1] – участь у формуванні засад гармонізації і удосконалення вітчизняної і міжнародної нормативної бази з електробезпеки; [2] – участь в обґрунтуванні необхідності корегування розрахункових значень опорів тіла за матеріалами МЕК; [3] – обґрунтування відсутності кореляційного зв’язку між визначальними статистичними коефіцієнтами вольтамперних характеристик промислової частоти для однієї особи і групи людей, метод отримання визначальних параметрів вольтамперних характеристик групи людей за дії напруги промислової частоти, участь у експериментальних дослідженнях електричних характеристик тіла людини; [4] – метод побудови імовірнісних вольтамперних характеристик тіла людини; [5] – удосконалення ефективності діагностування безпечного стану електроустановок; [6] - встановлення закону розподілу імпедансу тіла людини для різних площ дотику до електродів за певної частоти напруги, визначення числових характеристик цих випадкових величин для представницької групи людей; метод синтезу моделі тіла людини для довільних режимів електроустановок з довільною частотою джерела живлення для різних наперед заданих площ дотику до електродів; [7] - участь у експериментальних дослідженнях величини залишкового опору тіла людини, метод визначення параметрів тіла людини для довільних частот напруги дотику і умов ураження; [8] – обґрунтування відсутності кореляційного зв’язку між визначальними статистичними коефіцієнтами частотних характеристик як для однієї особи і групи людей, синтез узагальненої моделі тіла людини, участь у експериментальних дослідженнях електрофізичних характеристик тіла людини.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дослід-жень доповідались на наукових конференціях і семінарах кафедр “Електричні станції”, “Електропостачання промислових підприємств, міст та сільського господарства” Національного університету “Львівська політехніка” у 2002-2006 рр.; IV Всеукраїнському конкурсі “Молодь – енергетиці України-2005”, Київ 2005р; V Всеукраїнському конкурсі молодих вчених та спеціалістів “Молодь – енергетиці України-2006”, Київ 2006 р.; на семінарі НАН України "Моделі та методи комп’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем", м. Львів, 23.02.2006 р; на науково-практичному семінарі “Теорія та практика електробезпеки” Львівської Регіональної Ради Науково-технічної спілки енергетиків та електротехніків України Львів 29.03.2006 р.; на розширеному засіданні науково-технічної ради відділу електроустаткування Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт в гірничій промисловості (МакНДІ), Макіївка 30.06.2006 р. та 23.11.2006 р.

Публікації. За результатами виконаних у дисертаційній роботі досліджень опубліковано 8 наукових праць у фахових виданнях за переліком ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 141 найменування та додатків. Повний обсяг роботи – 197 сторінок, у тому числі 142 сторінки основного тексту, 95 рисунків (з них 33 – на окремих сторінках в додатках), 16 таблиць (з них 2 – на окремих сторінках), список використаних джерел на 15 сторінках і 26 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність виконаних досліджень, сформульовані мета і задачі дослідження, викладена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі розглянуті стан проблем сертифікації електроустановок з умов електробезпеки. Чинна міжнародна нормативна база з електробезпеки базується на результатах вкрай обмежених експериментальних даних, значну частину яких (досліди на трупах) не можна визнати представницькими, а також такими, що відображають властивості живого тіла.

Розробники міжнародних стандартів не використовують, можливо через не-достатню інформованість, результати досліджень науковців колишнього СРСР та України.

Значним кроком в розумінні механізму дії електричного струму на організм людини стали роботи В.Є.Манойлова, К.А.Ажібаєва, Л.В. Гладіліна, В.І.Щуцького, А.П.Кісельова, П.А.Доліна.

Проблеми електробезпеки успішно вирішуються в Україні в Інституті електродинаміки НАН України (А.М.Кравченко), Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, Національному гірничому університеті (С.А.Волотковський, А.З.Ніколайчук, Г.Г.Півняк), Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (Колосюк В.П., Мнухін А.Г., Коптиков В.П., Іохельсон З.М., Товстик Ю.В.), Донбаській Національній академії будівництва і архітектури (Носанов Н.І.), Донецькому державному технічному університеті (Ковальов А.П., Журавель Е.А., Шевченко О.А.), Національному університеті “Львівська політехніка” (Никонець Л.О., Маліновський А.А., Шелех Ю.Л.).

Запропонована МЕК 60990 модель тіла людини, що складена з двох лінійних резисторів і конденсатора, принципово не може відтворити природну нелінійність вольтамперної характеристики (ВАХ) і його частотну характеристику.

Потреби міжнародної спільноти в сертифікації електрообладнання з напругами в діапазоні частот 0?1000000 Гц вступили в протиріччя з наявною експериментальною базою щодо електрофізичних властивостей тіла людей за дії напруги дотику з вищевказаними частотами.

Попередніми дослідженнями встановлено, що за малих площ дотику імовірність виникнення необоротних процесів в тілі людини зростає.

Попередні дослідження в основному стосуються моделювання електрофізичних характеристик окремих осіб.

Запропоновані ГОСТ 12.1.038-82 моделі тіла орієнтовані на великі площі дотику і не враховують малих площ дотику та впливу частоти на величину опору тіла людини. Існуючі методи проведення контролю є суперечливими і не можуть гарантувати якісного процесу сертифікації електрообладнання з умов електробезпеки.

В МЕК 60990 наголошено, що моделі тіла людини для малих площ дотику та інших шляхів протікання струму через тіло ще не розроблені.

Імовірнісна модель тіла людини, як елемента електричного кола, дозволить стандартизувати умови контролю напруг дотику і струмів в електроустановках з напругами будь-якого роду і частоти.

Обґрунтовані, за участю автора, шляхи удосконалення міжнародної та вітчизняної нормативної бази з електробезпеки.

Отже, необхідно синтезувати для контролю струмів і напруг дотику в аварійних режимах електроустановок імовірнісну модель тіла, що адекватно відтворює електрофізичні властивості спільноти людей за дії напруги дотику будь-якого значення і частоти, запропонувати методику її використання та виконати аналіз чинних критеріїв електробезпеки.

На підставі виконаного аналізу сформульовані задачі досліджень.

Метою досліджень другого розділу є встановлення залежності значення повного опору тіла людини від площі дотику та частоти напруги для умов нормального режиму електроустановок за дослідними даними з безпечних обстежень обмеженої групи людей, які б склали інформаційну базу математичної імовірнісної моделі тіла людини для контролю струмів і напруг дотику.

Синтез моделей для умов нормального режиму електроустановок можливий на основі експериментально одержаних частотних характеристик Zh =ц(f) для певного значення напруги Uh=const.

Спільна закономірність процесів в організмі людини для різних площ дотику та частот може бути представлена узагальненою апроксимуючою функцією:

, (1)

де Zh – повний опір тіла людини, кОм; f – частота напруги дотику, Гц; F – площа дотику до струмовідних частин, см2; А1-А9 – коефіцієнти, що визначають залежність значення опору тіла людини від площі дотику та частоти напруги дотику. А1-А9 – випадкові величини, що підпорядковуються певним законам розподілу.

Рівняння (1) за умов F=const можна перетворити в рівняння виду Zh=К/(f+L)+C і отримати частотні характеристики, нижче яких розташовані характеристики 5%, 50%, 95% спільноти людей (табл.1).

Таблиця 1

Узагальнені рівняння частотної характеристики повного опору тіла людини Zh для шляху струму “рука-рука”

Площа

дотику

F, см2 | Об’єм

вибірки n | Рівняння повного опору тіла Zh (кОм), нижчий від якого мають

5% спільноти людей | 50% спільноти

людей | 95% спільноти

людей

0.8 | 117 | Zh=26464/(f+330)+0.55 | Zh=36386/(f+95)+0.9 | Zh=59400/(f+55)+0.95

2 | 52 | Zh=11038/(f+338)+0.65 | Zh=20583/(f+106)+0.7 | Zh=36571/(f+75)+1

5 | 52 | Zh=5931/(f+230)+0.58 | Zh=9130/(f+92)+0.7 | Zh=10530/(f+36)+0.9

76 | 52 | Zh=500/(f+175)+0.58 | Zh=717/(f+114)+0.67 | Zh=922/(f+65)+0.8

Доведено з використанням критерію Вількінсона, що значення параметрів частотних характеристик окремої особи, отриманих в різний час, і значення параметрів частотних характеристик групи осіб, належать єдиній генеральній сукупності. Доведено з використанням критерію згоди Пірсона , що значення повного опору тіла людини Zh за певної частоти напруги дотику підпорядковане логнормальному ln(Zh) закону розподілу з параметрами Ме(ln(Zh)) (медіана) та ln(Zh) (середньоквадратичне відхилення). Виконана перевірка гіпотези про значимість вибіркового коефіцієнта кореляції між параметрами K, L частотної характеристики за таблицею критичних точок розподілу Стьюдента дозволила встановити, що параметри K, L - некорельовані. Відсутність кореляційного зв’язку між визначальними коефіцієнтами K і L апроксимуючих функцій частотних характеристик обґрунтовує можливість зменшення кількості дослідів на групі людей в раз за незмінної точності відтворення частотних характеристик.

Визначені значення медіани Ме(ln(Zh)) та середньоквадратичного відхилення ln(Zh) за різної площі дотику до електродів (F=0.8; 2; 5; 76 см2) та частоти напруги дотику (f=0; 20; 40; 80;160;320; 650; 1300; 2500; 5000; 10000; 20000; 40000; 80000).

Спільна закономірність процесів в організмі людей для вищенаведених площ дотику та частот дозволила апроксимувати:

· частотної характеристики для груп осіб функцією:

(кОм). (2)

· ln(Zh) частотної характеристики для груп осіб функцією:

. (3)

Таким чином, вперше встановлено закон розподілу ln(Zh) повного опору тіла людини для різних площ дотику до електродів за певної частоти напруги дотику як випадкових величин та визначені числові характеристики цих випадкових величин для представницької групи людей. На основі параметрів логнормального розподілу Zh для множин частот та площ дотику можна отримати частотну характеристику як базу для розроблення імовірнісних моделей тіла людини для сертифікації електрообладнання з умов електробезпеки. Вибір імовірнісної моделі залежить від умов сертифікаційних випробувань. Зокрема, для контролю надійності спрацювання пристроїв захисного вимкнення (ПЗВ) необхідна модель, яка з нормованою імовірністю відтворює верхню межу значень опорів спільноти людей, а для контролю максимальних струмів дотику – модель, яка з нормованою імовірністю відтворює нижню межу значень опорів спільноти людей.

Змістом третього розділу є обґрунтування виду узагальненого аналітичного опису ВАХ промислової частоти, та обґрунтування методу визначення узагальнених статистично достовірних ВАХ великих спільнот людей за дослідними даними з безпечних обстежень обмеженої групи людей за дії напруги промислової частоти, які б склали інформаційну базу для визначення параметрів імовірнісних моделей тіла людини для сертифікації електроустановок промислової частоти з умов електробезпеки.

Дослідженнями Маліновського А.А. встановлено, що ВАХ тіла однієї конкретної людини описуються залежністю:

Uh=Uhнл+Uh лін=A•ln(jh) +В+jhF Rh зал(Fмакс), (4)

де Uh – напруга дотику, В; Uh нл – напруга на нелінійній складовій опору тіла людини, В; Uh лін – напруга на лінійній складовій опору тіла, В; jh – густина струму під електродами, мА/см2; Rh зал(Fмакс) – лінійна складова опору тіла для максимальної площі дотику, (Rh зал(Fмакс)=0,65?0,85 кОм). А, B – коефіцієнти апроксимуючих функ-цій, які не залежать від значення прикладеної напруги; F – площа дотику, см2.

Експериментальна база досліджень складалась з 97 ВАХ частотою f=50 Гц. З них 10 ВАХ запозичені з публікацій Г.Бігельмайєра, 23 ВАХ для однієї особи
(Никонець Л.О., знятих протягом 6 років) та 64 ВАХ отриманих на інших особах.

Аналізуючи межі розкиду характеристик Г.Бігельмайєра та іншої особи, та межі розкиду для групи людей доведено, що зони отриманих значень майже перекриваються, тобто досліди на одній особі зі значними часовими інтервалами еквівалент-ні одночасним дослідженням групи людей.

Побудовані функції розподілу W(А), W(В) випадкових величин А та В, які підпорядковані нормальному закону розподілу та їх числові характеристики:

1. Для однієї особи (Г.Бігельмайєр) Mе(А)=29, Mе(В)=79.68 – медіана величини А чи В; уА=12.23, уВ =14.28 – середньоквадратичне відхилення величин А та В.

2. Для групи осіб Mе(А)=31.827, Mе(В)=71.79; уА=10.01, уВ =22.78.

3. Для всіх разом (група осіб і Г.Бігельмайєр) Mе(А)=31.827, Mе(В)=72.398; уА=10.14, уВ =21.95.

Виконана перевірка гіпотези про значимість вибіркового коефіцієнта кореляції між значеннями А і В дозволила встановити, що величини А і В некорельовані, тобто незалежні. Такий висновок дозволив скоротити необхідну кількість дослідів n зі збереженням точності відтворення характеристик в разів.

З врахуванням теорем математичного сподівання і дисперсії для суми випадкових величин та для добутку постійної величини на випадкову, одержані числові характеристики нормального розподілу для значень спаду напруги на нелінійній складовій опору тіла Uh нл:

математичне сподівання

М(Uh нл)= ln(jh)М(А)+М(В), (5)

середньоквадратичне відхилення

=. (6)

Значення Uhнл, нижче від яких для заданої густини струму jh мають

к% спільноти людей, можна записати у вигляді:

(7)

де, значення б визначається за нормальною функцією розподілу (за інтегралом імовірностей), для імовірності 5% – б5=1,66, для імовірності 95% – б95=-1,66.

Рис. 1. ВАХ нелінійної складової опору тіла для групи людей (97 ВАХ)

Результати розрахунків ВАХ з імовірностями 5%, 50%, 95% для групи людей, на яких виконані вимірювання, наведені на рис.1. Там же показане поле дослідних точок, що було базою розрахунків.

Запропонована методика побудови імовірнісних ВАХ тіла людини дозволяє проаналізувати матеріали МЕК 60479-1 щодо значень імпедансу тіла людини для
різних значень прикладеної напруги і обґрунтовано запропонувати значення
імпедансу тіла людини для різних площ дотику до електродів за різних значень
прикладеної напруги дотику частотою 50 Гц.

Четвертий розділ присвячений обґрунтуванню параметрів імовірнісних моделей тіла людини та удосконаленню контролю струмів і напруг дотику.

Для адекватного контролю струмів та напруг дотику необхідні представницькі моделі тіла людини. Моделі тіла повинні враховувати природну нелінійність опору тіла людини, різні значення площі дотику до електродів, різні частоти напруги дотику, та відтворювати електрофізичні властивості спільноти людства.

Синтезовані моделі для контролю струмів двох типів: моделі для електроустановок певної частоти (приклад 50/60 Гц, як найбільш поширені); узагальнені моделі для електроустановок з довільною частотою джерела живлення.

Для синтезу моделей першого типу достатньо експериментальних досліджень та їх узагальнень виконаних у розділах 2-3.

За даними результатів розрахунків ВАХ нижче яких мають 5%, 50%, 95% для групи людей, на яких виконані вимірювання (рис.1.) на основі рівнянь (4-7) розраховані імпеданси тіла Zh, що наведені в табл.2. Для порівняння в табл.2 наведені також дані за рекомендаціями МЕК 60479-1.

Таблиця 2

Імпеданс тіла Zh для шляху струму „рука–рука” на змінній напрузі 50/60 Гц, велика поверхня дотику 10000 мм2, руки сухі.

Напруга дотику,

В | Повний імпеданс тіла людини Zh (Ом), нижче яких мають

5% спільноти людей | 50% спільноти

людей | 95% спільноти

людей

МЕК | за даними автора | МЕК | за даними автора | МЕК | за даними автора

25 | 1750 | 1750 | 3250 | 3250 | 6100 | 12500

50 | 1450 | 1450 | 2625 | 1908 | 4375 | 7576

75 | 1250 | 933 | 2200 | 1852 | 3500 | 4747

100 | 1200 | 931 | 1875 | 1724 | 3200 | 3425

125 | 1125 | 907 | 1625 | 1601 | 2875 | 2735

220 | 1000 | 807 | 1350 | 1292 | 2125 | 1767

700 | 750 | 663 | 1100 | 961 | 1550 | 1139

1000 | 700 | 639 | 1050 | 910 | 1500 | 1058

Асимптотичні значення | 650 | 575 | 750 | 775 | 850 | 850

Використання залежностей (4-7) та функцій розподілу коефіцієнтів ВАХ А і В дозволило, на відміну від матеріалів МЕК 60479-1, отримувати значення імпедансу тіла людини Zh для будь-яких площ дотику до електродів за різних значень напруги дотику з різними наперед заданими імовірностями, які можна використовувати як моделі тіла людини для діагностування електроустановок частотою 50/60 Гц з умов електробезпеки та моделювання екстремальних виробничих ситуацій з метою їх попередження.

Для побудови моделей другого типу використано підхід від окремого до загального. Обґрунтований метод синтезу імовірнісної моделі тіла окремої особи. На тих самих засадах з використанням обґрунтованих в роботі закономірностей запропонован метод синтезу представницької моделі тіла людини та метод контролю струмів і напруг дотику з поєднанням фізичних та математичних експериментів.

За функціями (табл.1) та рівняннями (2-3), були синтезовані моделі тіла для
нормального режиму електроустановок нижчі яких мають 5%; 50%; 95% сукупності людей. Модель являє собою ланцюгове сполучення ланок, кожна з яких складається з паралельно з’єднаних резистора ri і конденсатора Сі. Окремими дослідженнями доведено зміну ємності ланок Сі в часі, але немає ніяких підстав вважати, що значення ємностей Сі залежать від прикладеної напруги.

Задачею дослідження - є оцінка адекватності відтворення узагальненою моделлю тіла людини імовірнісних електричних параметрів конкретної особи.

Для отримання параметрів моделі тіла людини необхідні експериментальні дані стосовно частотної характеристики тіла людини, а також ВАХ на постійній напрузі. ВАХ на змінній напрузі промислової частоти необхідні для порівняння результатів моделювання з натурним експериментом.

Доведено за таблицею критичних точок розподілу Стьюдента, що між
коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції ВАХ (А та В) для напруги певної частоти і певної площі дотику та визначальними коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції частотної характеристики (K та L) наявний кореляційний зв’язок, як для окремої особи так і для групи осіб, що обґрунтовує можливість синтезу адекватних представницьких моделей тіла людини.

Окремими дослідженнями доведено, що ВАХ тіла на постійній напрузі
практично збігаються з побудованими за амплітудними значеннями ВАХ на частоті f до 1 Гц. Пропонується взяти їх за основу для побудови узагальненої моделі тіла, розділивши загальну нелінійність пропорційно початковим значенням опорів резисторів Ri (де k<i?n):

, (8)

що дозволило отримати суттєве спрощення процесу моделювання.

Для побудови ВАХ узагальненої імовірнісної моделі тіла людини необхідно спиратися на математичне сподівання параметрів визначальних характеристик, тобто частотної та ВАХ на постійній напрузі.

Моделювання з використанням математичного сподівання коефіцієнтів А та В апроксимуючих функцій (50% імовірність) за множиною експериментальних характеристик на постійній напрузі дозволяє відтворити дійсну ВАХ тіла на змінній напрузі з похибкою, що не перевищує 1-5 % (табл.3). Але середньоквадратичне відхилення розрахункових характеристик, приблизно в 2 рази більше від експеримен-тальних, що пов’язано з більшим значенням уА, уВ для характеристик на постійній напрузі.

Таблиця 3

Числові характеристики розподілу визначальних коефіцієнтів апроксимуючих функцій ВАХ

Особа | Модель | Експеримент

М(А) | уА | М(В) | уВ | М(А) | уА | М(В) | уВ

Особа 1 | 43.376 | 6.414 | 139.29 | 22.92 | 42.22 | 3.07 | 132.29 | 10.3

Особа 2 | 27.833 | 5.43 | 76.597 | 12.31 | 26.32 | 2.84 | 77.783 | 6.23

Особа 3 | 38.120 | 6.68 | 88.062 | 20.52 | 36.05 | 6.46 | 87.818 | 17.1

Особа 4 | 31.281 | 5.09 | 78.553 | 15.91 | 31.73 | 3.13 | 79.253 | 8.9

Опрацьований метод одержання імовірнісних ВАХ тіла людини шляхом математичних експериментів на синтезованих моделях тіла людини.

Доцільно синтезувати на першому етапі імовірнісні моделі для нормального режиму електроустановок з малими значеннями параметрів електричної дії.

На другому етапі пропонується модель з першого етапу розвинути в загальну, адекватну для дії параметрів як нормального, так і аварійного режимів електроустановок.

Пропонується наступний метод синтезування представницької імовірнісної моделі тіла людини для контролю струмів і напруг дотику в аварійних режимах електроустановок, що адекватно відтворює електрофізичні властивості спільноти людей за дії напруги дотику будь-якого значення і частоти:

1. Сформулювати умови, котрим повинна відповідати модель (площа дотику до
електродів F, модель з параметрами опору, нижчі яких мають к% людей).

2. За залежностями табл.1, або за (2), (3) визначити параметри розрахункової час-тотної характеристики.

3. За отриманою частотною характеристикою синтезувати розрахункову лінійну
модель спільноти.

4. За частотною характеристикою визначити імпеданс тіла Zh для частоти 20 кГц.

5. Набрати необхідне значення Zh для частоти 20 кГц з резисторів лінійної моделі починаючи з ланок з мінімальним . Набрані резистори з опором приймаються лінійними, решта нелінійними.

6. Для заданої імовірності к% визначити параметри ВАХ на постійному струмі.

7. З рівняння (8) визначити і відтворити параметри нелінійності кожного з елементів моделі.

Під час вимірювання напруг дотику та струмів в електроустановках повинні бути встановлені режими і умови, які відтворюють найбільші значення напруг дотику і струмів, що діють на тіло людини (пункт 2.4) ГОСТ 12.1.038-82. Пункт 2.2 ГОСТ 12.1.038-82 вимагає одночасного контролю струму і напруги під час сертифікаційних випробувань (опір моделюється відповідним резистором), а пункт 2.4 вимагає, щоб були дотримані режими і умови, що забезпечують найбільші значення напруг і струмів. У випадку одночасного вимірювання струмів і напруг дотику вимоги стосовно режимів і умов в загальному випадку не можуть бути дотримані. Тому, схеми для контролю струму і напруги дотику повинні бути різними.

Як можливий варіант контролю гранично допустимих напруг дотику і струмів в електроустановках, зокрема для потреб сертифікації електротехнічних виробів з напругами будь-якого роду і частоти, пропонується поєднання безпосередніх вимірювань в контрольній точці напруги неробочого ходу і струму короткого замикання джерела ураження з подальшим визначенням напруг і струмів дотику шляхом математичного експерименту з використанням розроблених в дисертації імовірнісних моделей (рис.2.).

ВО – вимірювальний об’єкт; 1 - вольтметр.

а) Етап 1, контроль напруг дотику.

ВО – вимірювальний об’єкт; 2 - міліамперметр.

б) Етап 2, вимірювання імпедансу Zs петлі короткого замикання джерела ураження.

R1-R5 – резистори моделі тіла людини;С1-С5 – ємності моделі тіла людини;

А, В – випробувальні затискачі; 2- міліамперметр; Е – джерело живлення;
Zs – імпеданс петлі короткого замикання джерела ураження.

в) Етап 3, контроль струмів.

Рис. 2. Контроль напруг дотику і струмів

За результатами математичного моделювання з використанням імовірнісної моделі сукупності людей отримано, що в ряді випадків опір тіла людини є меншим ніж це наведено в ГОСТ 12.1.038-82. Якщо вважати пріоритетним значення гранично допустимої напруги, то для значної кількості людей струми будуть перевищувати допустимі значення за ГОСТ 12.1.038-82. Це призведе до збільшення електротравматизму. Якщо ж прийняти, як визначальні значення струму крізь тіло людини, то отримаємо гранично допустимі значення напруги дотику, нижчі ніж наведені в ГОСТ 12.1.038-82, що дозволить забезпечити безпеку експлуатації електрообладнання для всієї спільноти людей.

Використання розробленої моделі показало, що чинні критерії електробезпеки за допустимими значеннями напруг дотику і струмів крізь тіло людини не узгоджені між собою. Прийняття як пріоритету напруги дотику чи струму обумовлює необхідність суттєвого корегування значення іншого нормативного параметру.

На думку автора слід вибрати визначальні струми крізь тіло людини згідно ГОСТ 12.1.038-82, оскільки ці значення не суперечать загальним засадам, викладеним у нормативних документах та стандартах МЕК.

На підставі отриманих результатів, пропонується проект змін до нормативів, стосовно гранично допустимих значень напруг дотику (табл.4).

Таблиця 4

Гранично допустимі значення напруг дотику в електроустановках для аварійного режиму роботи

Вид і частота струму | Нор-мова-на вели-чина | Гранично допустимі значення, не більше за тривалості дії струму t, c

0,01-

0,08 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1 | По-над

1,0

Змінний, 50 Гц | Uh, B | 465 | 312 | 160 | 135 | 120 | 105 | 95 | 85 | 71 | 65 | 57 | 10,5

Змінний, 400 Гц | Uh, B | 455 | 365 | 365 | 253 | 200 | 167 | 143 | 122 | 115 | 101 | 94 | 9

Постій-ний | Uh, B | 475 | 385 | 324 | 293 | 258 | 223 | 216 | 209 | 202 | 195 | 188 | 23,5

(Курсивом виділені значення, які відрізняються від нормованих в
ГОСТ 12.1.038-82).

Як видно з табл.4 пропоновані зміни для гранично допустимих значень напруги частотою 50 Гц охоплюють діапазон тривалості дії струму t=0.01-0.1 c, та t=0.8-понад 1 c. Стосовно гранично допустимих значень напруги в діапазоні тривалості дії струму t=0.2-0.7 c автор не має зауважень. Особливо важливо, що замість гранично допустимого значення напруги 20 В частотою 50 Гц за тривалості дії струму понад 1обґрунтовано пропонується 10.5 В.

В табл.4 також наведені пропоновані зміни для гранично допустимих значень напруги частотою 400 Гц в діапазоні тривалості дії струму t=0.01-понад 1 c. Замість чинного гранично допустимого значення напруги 36 В за тривалості дії струму понад 1 c обґрунтовано пропонується 9 В.

Стосовно постійної напруги в табл.4 наведені пропоновані зміни для гранично допустимих значень в діапазоні тривалості дії струму t=0.01-понад 1 c. Замість гранично допустимого значення напруги 40 В за тривалості дії струму понад 1 c обґрунтовано пропонується 23.5 В.

У статті 34 Закону України “Про охорону праці” записано: “Державні
нормативні акти з охорони праці переглядаються в міру впровадження досягнень науки і техніки, що сприяють поліпшенню безпеки…, але не рідше одного разу за десять років”. Останні зміни до стандарту ГОСТ 12.1.038-82 були внесені у 1988 р. Отже, спираючись на вищенаведене, слід переглянути чинний стандарт ГОСТ 12.1.038-82 і на основі викладених досліджень внести відповідні корективи.

Таким чином на основі експериментальних даних та даних отриманих за допомогою математичного моделювання, вперше обґрунтовані і впорядковані гранично допустимі напруги дотику в електроустановках для аварійного режиму роботи.

Викладені результати створюють наукові передумови розроблення Регламенту сертифікації електроустановок на відповідність чинним нормативам електробезпеки та моделювання екстремальних виробничих ситуацій з метою їх попередження для гарантування безпеки людей під час експлуатації електрообладнання.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена важлива наукова і практична задача удосконалення конт-ролю змінних струмів і напруг дотику для безпечної експлуатації електроустановок шляхом розроблення адекватного задачам контролю методу його проведення і створення узагальнених імовірнісних моделей тіла людини.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації полягають в наступному:

1. Доведено з використанням критерію згоди Пірсона , що значення повного опору тіла людини Zh за певної частоти напруги дотику підпорядковане лог-нормальному ln(Zh) закону розподілу, визначені параметри закону розподілу за різної площі дотику до електродів та частоти напруги дотику для представницької групи людей.

2. Визначені числові значення коефіцієнтів аналітичної апроксимуючої функції вольтамперних (на змінній напрузі) та частотних характеристик як випадкових величин для окремих людей і представницької групи людей.

3. Доведено з використанням критерію Вількінсона, що значення параметрів частотних характеристик окремої особи отриманих в різний час і значення параметрів частотних характеристик групи осіб, належать єдиній генеральній сукупності.

4. Коефіцієнти аналітичної апроксимуючої функції частотної характеристики, що визначають значення повного опору тіла людини за певної площі дотику і частоти та коефіцієнти аналітичної апроксимуючої функції вольтамперної характеристики функційно залежать від частоти та площі дотику, це дозволяє обгрунтовано обмежити достатню кількість дослідів кількістю сталих в визначених функційних залежностях.

5. Вперше доведено, що кореляційний зв’язок між визначальними статистичними коефіцієнтами частотних характеристик, вольтамперних характеристик змінної напруги в представницькій групі людей відсутній, що дозволило скоротити необхідну кількість дослідів n зі збереженням точності відтворення характеристик в разів.

6. Вперше доведено, що між коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції вольтамперної характеристики для напруги певної частоти і певної площі дотику та визначальними коефіцієнтами аналітичної апроксимуючої функції частотної характеристики наявний кореляційний зв’язок, що обгрунтовує можливість синтезу адекватних представницьких моделей тіла людини.

7. Вперше запропонована імовірнісна модель тіла людини, як елемента елек-тричного кола, дозволяє адекватно відтворити властивості тіла людини за довільної електричної дії.

8. Створення моделей, що відтворюють з певною імовірністю електрофізичні характеристики спільноти людей для довільних умов ураження, можливе на основі відомих закономірностей зміни електрофізичних характеристик людей (з використанням виявлених властивостей апроксимуючих їх функцій) на базі обмеженої кількості експериментальних досліджень.

9. Регламентований чинним ГОСТ 12.1.038-82 контроль допустимих значень напруг дотику і струмів суперечить п.2.4 того ж стандарту стосовно режимів та умов, що створюють найбільші значення напруг дотику та струмів, які діють на організм людини. Під час сертифікації електроустановок з умов електробезпеки схеми вимірювання найбільших напруг дотику і найбільших струмів крізь тіло повинні бути різними. Для визначення напруг дотику і струму в місці контролю пропонується поєднання безпосередніх вимірювань в контрольній точці напруги неробочого ходу і струму короткого замикання джерела ураження з подальшим визначенням напруг і струмів дотику шляхом математичного експерименту з використанням розроблених моделей. Таке поєднання значно підвищить ефективність сертифікації електроустановок з умов електробезпеки.

10. Узагальнення результатів експериментальних досліджень, що наведені у роботі, дозволяють значно розширити та уточнити кількісно інформацію про значення опору тіла людини, наведену в МЕК 60479-1 та МЕК 60990, що є базою для розробки міжнародних рекомендацій з електробезпеки.

11. Існуючі критерії електробезпеки з допустимих значень напруг дотику і струмів крізь тіло людини не узгоджені між собою. Прийняття в якості пріоритету напруги дотику чи струму обумовлює необхідність суттєвого корегування значення іншого нормативного параметру. Дослідженнями, що наведені в роботі, створені передумови для коректування чинних державних нормативних документів ГОСТ 12.1.038-82, ГОСТ 12.2.006-87, ГОСТ 30331.3-95.

12. Результати дисертації використано для розроблення Регламенту сертифікаційних випробувань на відповідність вимогам електробезпеки електроустановок сучасних телекомунікаційних систем провідного зв'язку С-32 та „ДНІПРО", такий регламент сертифікаційних випробувань опрацьовано в Україні вперше, регламент погоджений Державним комітетом України з нагляду за охороною праці.

13. Результати роботи впроваджені в програму підготовки з електробезпеки працівників ВАТ “Західенерго”.

14. Матеріали дисертації використані у сформованій і впровадженій в навчальний процес напряму “Електротехніка” в Національному університеті “Львівська політехніка” нової дисципліни “Теорія і практика електробезпеки”.

15. Матеріали дисертації рекомендуються Держстандарту, Департаменту промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду, Міністерству палива та енергетики України для використання під час корегування існуючої нормативної бази з електробезпеки.

ПУБЛІКАЦІЇ