Въздействие на електромагнитно поле върху живия организъм



Дата22.10.2018
Размер0.5 Mb.
#92258
Тема.6. Електромагнитни полета с висока и свръхвисока честота

Въздействие на електромагнитно поле върху живия организъм


В техниката се използват различни електромагнитни излъчвания. Всеки вид излъчване притежава определени особености на физическите характеристики и биологичното действие.

Живата тъкан, поставена под въздействие на електромагнитно поле се изменя с нарастване на честотата, все повече губи своите диелектрични свойства и се приближава към проводниците. Това изменение е неравномерно. До честота около 10 kHz имаме плавно намаляване на относително съпротивление и нарастване на специфичната проводимост. При честота 100 kHz настъпва прелом, който довежда до промяна на характера на изменението, след което монотонността се запазва до честота 1÷10 GHz.

Голяма част от погълнатата при електромагнитното излъчване енергия се превръща в топлина. Преобразуването на електромагнитната енергия в топлинна се дължи на диелектричните загуби. Погълнатата от цялото тяло енергия и превърната в топлина е:

(1.3) ,


където:

- Po = po. Sеф е количеството енергия насочена към тялото, w;

- k1 – коефициент на отражение на границата въздух – кожа, който се изменя от 0,76 до 0,47 с нарастване на честотата;

- k2 - коефициент на затихване;

- r – разстоянието между източника и повърхността на тялото – 10-2 m;

- Sеф – ефективна повърхност на тялото, което се облъчва – 10-4 m2;

- po – специфична енергия насочена към кожата – W/10-4 m2;

Ефективната повърхност на тялото на човека е функция на честотата на полето и може съществено да се различава от площта на проекцията на тялото върху плоскости, перпендикулярни на падащата вълна.

Съществените различия в електрическите свойства на кожата, подкожната тлъстина, мускулната и други тъкани обуславят сложната картина на разпределената, излъчвана към организма енергия. Точно пресмятане на разпределената топлинна енергия, отделяна в организма при облъчване практически е невъзможно. Получаваните резултати трябва да се приемат с определено приближение.

Може да се направи следния извод:



  • вълни от милиметровия обхват (30 GHz ÷ 300 GHz) се поглъщат от повърхностния слой на кожата;

  • сантиметровите вълни (3 GHz ÷ 30 GHz) се поглъщат от кожата и подкожните клетки;

  • дециметровите (300 MHz ÷ 3 GHz) от вътрешните органи.

Освен топлинното действие от електромагнитното поле настъпват изменения несвързани с топлинния ефект:

1. Суспензиране на частиците в тъканите, например еритроцити и левкоцити, се нареждат във верига успоредно на електрическите силови линии, вследствие на което функциите на тъканите се изменят.

2. Поляризацията на макромолекулите в тъканта и ориентацията им по посока на електрическите силови линии, което може да доведе до разрушаване на вътрешните междумолекулярни връзки, коагулацията на молекулите и изменение на техните свойства.

3. Положителните и отрицателните йони в електролита се преместват перпендикулярно на силовите линии, в резултат на което се нарушават химическия състав и електрическото равновесие в тъканите.

Нетоплинното действие се проявява при съвсем незначителна интензивност на облъчването и с нейното нарастване не се увеличава. Измененията, които предизвиква облъчването могат да бъдат обратими, а при големи интензивности или системни облъчвания с малки, но над граничните интензивности – необратими. Те довеждат до изменения в строежа и външния вид на тъканите и органите в тялото на човека, изгаряне, умъртвяване, кръвоизливи, изменения в структурата на клетката, разстройване храненето на тъканите, органите или организма като цяло.

Изменения се наблюдават в тъканите на периферната и централната нервна система – нарушават се техните функции, разрушават се нервни възли, изменя се структурата на нервните клетки. Това се наблюдава при различни честоти.

Хората работещи при прекомерни електромагнитни облъчвания обикновено се уморяват бързо, оплакват се от главоболие, обща слабост, болки в сърдечната област. При тях се увеличава изпотяването, повишава се раздразнителността, сънят е неспокоен. При отделни лица се получават спазми, наблюдава се отслабване на паметта, спадане на гласа, чупливост на ноктите и други.

Количествена оценка за опасността от електромагнитно въздействие се прави както от интензивността на полето и плътността на потока на мощността, така и от продължителността на облъчването. Пределно допустимите норми са зависими от честотния обхват и се различават за електрическото и магнитното поле.

1. За честота от 60 kHz до 300 MHz:

а. За електрическо поле (Е - интензитет на електрическото поле)

Е = 50 V/m за честота от 60 kHz до 3 MHz,

E = 20 V/m за честота от 3 MHz до 30 MHz,

Е = 10 V/m за честота от 30 MHz до 50 MHz,

Е = 5 V/m за честота от 50 MHz до 300 MHz,

б. За магнитно поле (Н - интензитет на магнитното поле)

H = 5 A/m за честота от 60 kHz до 1,5 MHz,

H = 0,3 A/m за честота от 30 MHz до 50 MHz.

2. За честота от 300 MHz до 300 GHz се отчита величината на потока мощност и времето за пребиваване в зоната на облъчване:

а. За облъчване в цял работен ден – до 0,1 W/m2,

б. За облъчване до 2 h за работен ден – 0,1÷1 W/m2, а останалото време от работния ден не повече от 0,1 W/m2

в. За облъчване 15÷20 min. За работен ден 1÷10 W/m2, при условие, че се ползват защитни очила а в останалото време в работния ден – не повече от 0,1 W/m2.

Защита от електромагнитно поле с висока честота (ВЧ) и свръхвисока честота (СВЧ)


Защитата на човека от опасно въздействие на електромагнитното облъчване се осъществява с:

намаляване на излъчването непосредствено от самия източник;

екраниране на източника на лъчение;

екраниране на работното място;

поглъщане на електромагнитната енергия;

използване на индивидуални средства за защита;

организационни мероприятия за защита.

Екраните са предназначени за отслабване на електромагнитното поле в направлението на разпространението на вълните. Степента на отслабване зависи от конструкцията на екрана и параметрите на излъчване. Съществено влияние върху ефективността на защитата оказва материалът, от който е направен екранът. Дебелината на екрана δ осигуряващ необходимото отслабване, може да се изчисли по израза:

(1.4) , m
където: - L – е нивото на смущението, dB;


  • ƒ – честота на излъчването, Hz;

  • γ – специфичната електропроводимост на материала на екрана Ω 1.m 1, (S/m);

  • µ – магнитна проницаемост на екрана, μ = μr.μC,

μr -относителна магнитна проницаемост;

μС = 4π.10-7 H/m - магнитната постоянна (константа).

Много често за екраниране се използва метална мрежа. Екранът от мрежа има редица предимства. Той позволява да се наблюдава през мрежата, пропуска поток от въздух, може бързо да се поставя и снема.

На екраниране подлежат генератори за ВЧ и СВЧ, фидерни линии, елементи на високоволтови съоръжения, индукционни бобини, работни кондензатори, отвори за наблюдение и уредбите като цяло. Конструкцията на екрана във всеки отделен случай трябва да осигурява най-добрият ефект на екраниране.

Металите отразяват практически цялата падаща върху тях електромагнитна вълна. В редица случаи това отражение е нежелателно или недопустимо, тъй като може да създава смущения във вълновите настройки или дори да извежда от работа части от тези устройства. Освен това отразяваната енергия може да увеличава интензивността на облъчване на хора. Ето защо намаление на отражението от изграждащите (екранираните) конструкции в дадени случай е необходимо и може да бъде постигнато чрез покритие на отразяващия предмет с материал, притежаващ незначително отражение и голяма поглъщаща способност. Поглъщащият материал осъществява защита по пътя на превръщане енергията на електромагнитното поле в топлина. В качеството на поглъщащ материал се използва каучук, пенополистирол, феромагнитен прах със свързващ диелектрик, влакнести материали пропити с графит и други. За увеличаване на поглъщащата способност на материала се предава такава форма, при която вълните получават многократно отражение. На фигура 1.1 а, б, в са показани различни форми на поглъщания материал осигуряващ многократно отражение. Това довежда до нееднократно преминаване на електромагнитна вълна през поглъщащия материал, което осигурява добро поглъщане при незначителна дебелина на материала, а многократното отражение на вълните води до тяхното взаимно компенсиране. Използването на такива материали е особено ефективно при високи и свръхвисоки честоти (ВЧ, СВЧ).

Фиг. 1.1.


Поглъщаната енергия се превръща в топлина и се повишава температурата на екрана. Максималната плътност на поглъщаната мощност зависи от свойствата на материала. За радиопоглъщащи материали на основа на каучук или пенополистирол тази мощност е 0,155÷0,465 W/сm2, за пенокерамика 7,75 W/сm2, а за полиуретан е 1,3 W/сm2.

Фиг. 1.2


Добри резултати дава съответното приложение на екран и поглъщащ материал. Поглъщащият материал се нанася на метален лист (фиг. 1.2) изпълняващ функциите на екран. Тази конструкция осигурява двукратно преминаване на електромагнитната вълна през поглъщащия материал. Ако дебелината на поглъщащия материал е съизмерима с четвъртина от дължината на вълната, правата и отразената вълна ще бъдат на 180 0 и взаимно се унищожават. Недостатък на тази конструкция е, че може да бъде ефективна само за тесен честотен обхват.

Защита от електромагнитни полета може да се осъществи и с индивидуални защитни средства, когато другите мерки за защита не могат да се използват или не осигуряват необходимото отслабване на излъчването. Към индивидуалните средства се отнасят защитни халати, комбинезони и очила. Всички тези средства за защита се явяват своеобразен екран. Техните защитни свойства се определят от степента на отражение на вълните. Материалът на халатите или комбинезоните е специална тъкан с втъкнати тънки метални нишки заедно с памучна тъкан, притежаващи еластичност и топлозащитни свойства. Защитните свойства на такава тъкан са при дължина на вълната в сm – 0,8; 3,2; 10; 50 и отслабване на излъчването в dB – 20; 28; 38; 40.

Очите се защитават с очила, чиито стъкла са покрити с метален слой (злато или олово), а странично са уплътнени с проводим каучук или метал.

Всички индивидуални защитни средства трябва да се поддържат в изправност и периодично да се проверяват техните защитни свойства.

Организационните мерки за защита трябва да осигуряват безопасни условия на труд на работното място и режима на труд. Най-голямо внимание трябва да се отделя на избора на разстояние до източника на лъчение и намаляване времето на пребиваване в зоната на лъчение. Понякога се наричат защити по разстояние и защита по време.

Защитата по време се прилага, когато другите средства не осигуряват безопасни условия на труд. Причината е в съкращаването на времето за престоя под облъчване и практически се снижава производителността на труда. Защитата по време може да се изпълнява по пътя на смяна на работещите с автоматизация на процесите, дистанционно управление, прекъсване на работата и други.


1.8. Електромагнитно поле с промишлена честота (50–60 Hz)

1.8.1. Действие на електромагнитното поле (ЕМП) върху човека


В процеса на експлоатация на открити разпределителни уредби (ОРУ) и въздушни електропроводи (ВЕП) с напрежения над 330 кV се отбелязва влошаване на здравословното състояние на персонала, зает с тяхното обслужване. Субективно това се изразява с влошаване на самочувствието, някои се оплакват от бърза умора, отпуснатост, главоболие, разстроен сън, болки в сърдечната област и други.

Проведените изследвания в различни страни показват, че електромагнитното поле (ЕМП), възникващо в пространството около частите под напрежение, оказва влияние върху здравето на обслужващите. Интензивно ЕМП с промишлена честота (50–60 Hz) предизвиква нарушаване на функционалното състояние на централната нервна система, сърдечносъдовата система и периферната кръвоносна система.

Забелязват се повишена уморяемост, понижена точност на работните движения, изменение на кръвното налягане и пулса, изменение ритъма на сърдечната дейност и други. Предполага се, че нарушената регулация на физиологичните функции въздейства върху различните части на нервната система. Повишаването на възбудимостта на централната нервна система се предизвиква от рефлекторното действие на полето, а спиращият ефект е резултат от пряко действие върху структурата на главния и гръбначния мозък. Счита се, че кората на главния мозък и продълговатия мозък са особено чувствителни към действието на електрическото поле.

За настъпващите смущения решаващо влияние от количествена страна има индуктирания ток в тялото на човека. Влиянието на магнитната съставяща е значително по слабо.

Ефектът от въздействие на ЕМП се оценява по количеството електромагнитна енергия, поглъщана от човека при неговия престой в зоната на полето. ЕМП може да се разглежда като съставено от две квазистационарни полета: електрическо и магнитно.

Електрическото поле се определя преди всичко от напрежението на тоководещите части, а магнитното поле - от тока произтичащ по тях. При промишлена честота (50–60 Hz) тези две полета може да се разглеждат като самостоятелни.

Доказано е, че погълнатата енергия от магнитното поле е около 50 пъти по-малка от енергията на електрическото поле. Освен това нейното вредно въздействие е налице при интензитет над 150 A/m, а всички реални конструкции в открити разпределителни уредби (ОРУ) и въздушни електропроводи ВЕП не превишават 25 A/m при напрежение до 750 kV. Това дава основание при разглеждане отрицателното действие на ЕМП с промишлена честота да се анализира практически само електрическото поле.

Електрическото поле с промишлена честота може да се разглежда в даден момент като електростатично поле и към него да се прилагат законите на електростатиката. Това поле се създава между два електрода с различен заряд и между тях има силови линии. При реалните електрически уредби тези електроди са с различна форма, полето е неравномерно и интензитета му се изменя по дължината на силовите линии.

Ако човек стои непосредствено на земята или на проводима към земята основа, неговият потенциал практически е нула. При изолиране от земята този потенциал може да достигне няколко киловолта. Осъщественият контакт между човека и заземен метален предмет или друг човек, стоящ върху проводима основа се съпровожда с протичането на ток, който може да предизвика болезнено усещане особено в първия момент. Често това докосване е съпроводено с искров разряд. Обратното, когато човек се допира до изолирани от земята метални конструкции с по-големи размери токът, преминаващ през човека може да достигне опасни за живота му стойности.


1.8.2. Определяне големината на тока през тялото на човека


В различни точки в пространството в близост до електрически уредби с промишлена честота интензитетът на електрическото поле има различни стойности. Те зависят от номиналното напрежение, разстоянието между точките, на които се определя, височината от земята и други и може да се измерва със специални уреди.

Токът протичащ през човека поставен в зона с интензитет на полето Е ще се определя от неговите габарити, форма, състояние на изолацията на основата, върху която стои на земята. За определяне на този ток трябва да се направят някои допускания.

1. Заменяне тялото на човека с равен по височина и обем полуелипсоид с полуоси a, съответстващи на височината на човек и разположен перпендикулярно на повърхността на земята, и b – съответно на еквивалентния диаметър - фиг. 1.3.

Фиг. 1.3
2. Материала на полуелипсоида приемаме за еднороден с електропроводимост, равна на средната за тялото на човека. В началото считаме, че е от непроводящ материал с относителна диелектрична проницаемост εr.

3. Предполагаме, че електрическото поле е еднородно преди и след внасяне в него на полуелипсоида.

4. Вектора на интензитета на полето Е приемаме насочен по посока на голямата полуос a.

След последователно решение при определяне на зарядите индуктирани в полуелипсоида се получава следната зависимост за тока:
(1.5) ,
където ω = 2πƒ, ε0 = 8,85.10-12 F/m (диелектрическа проницаемост на вакуум), Е - интензитет на електрическото поле.

Всички параметри в горния израз са известни. Ако заместим a = 1,7 m и b = 0,14 m, за тока ще получим:


(1.6) Ih= 11,4.10-9.E, A

Последният израз може да бъде закръглен, при което стойността на тока, който ще протече през човека, когато се намира в електрическото поле с промишлена честота и обувки от проводим материал в μA е

(1.7) Ih = 12.Е

където Е е интензитетът на полето на височината на човешкия ръст в kV/m.

В работни условия е възможно както увеличение, така и намаление на тока преминаващ през човека в сравнение с последния израз, вследствие изкривяване на полето от близост на метални и други предмети.

Токът, протичащ в земята през човек при добър контакт със земята или заземени предмети, има различни стойности в една и съща уредба на различни места. Причината за това е екраниращото действие на носещите конструкции. Подобно изменение се наблюдава и при престои до стълб на ВЕП или в междустълбието на по-голямо разстояние.

Степента на отрицателното въздействие на електрическото поле с промишлена честота може да се оценява по всеки един от трите параметъра: интензитет, ток и мощност. Тези величини са свързани помежду си и затова като критерий за безопасност се използва интензитетът на полето.

Причината за този избор е, че както токът, така и електрическата мощност през човека ще зависят от положението на тялото относно източника на полето.

Погълнатата мощност от тялото на човек (форма на полуелипсоид) се определя от израза:
(1.8)
където ρт е специфичното електрическо съпротивление на живата тъкан, Ωm.

При изменение наклона и положението на тялото на човека, токът може да се изменя до два пъти, а мощността – до четири пъти при един и същи интензитет. Освен това интензитетът на електрическото поле Е може да се измерва значително по-лесно в условията на работа.

Допустимата стойност на тока, който може да протича продължително време през човека е Ih = 50–60 μA, което отговаря на интензитет на електрическото поле на височина на ръста на човека около 5 кV/m. Този ток не предизвиква болезнено чувство, ако човек се допира до метални конструкции с друг потенциал, различен от неговия (човек с изолирани обувки се опира в заземена конструкция).

Хигиенните норми за престой на човек без защитни средства в зона с електрическо поле с промишлена честота (50–60 Hz) са дадени в Таблица 1.1.


Таблица 1.1

Е – интензитет
на ел. поле, kV/m

До 5

5–10

10–15

15–20

20–25

t – време на престой в поле с висок интензитет, min

Не се ограничава

180

90

10

5

Тези норми са задължителни за лица, обслужващи уредби за напрежения над 330 кV. Престоят при интензитет до 5 кV/m е неограничен, а при по-високи интензитети трябва да се контролира времето на престоя или да се използват защитни средства.

Пространството, където интензитетът на електрическото поле е по-висок от 5 кV/m се нарича зона на влияние на електрическото поле. Измерването на интензитета трябва да се извършва във всички зони, където може да се намира човек в процеса на работа. Най-високият интензитет се приема за определящ при това определянето се извършва на височина, отговаряща на ръста на човек.

1.8.3. Защита от електромагнитно поле с промишлена честота


Защита от електромагнитни полета с промишлена честота трябва да се изпълнява както в етапа на проектиране, така и в етапа на експлоатация. Известните средства за защита от това въздействие може да се разглеждат в следните направления: екраниращи устройства, екраниращи костюми и други.

Екраниращите устройства по принципа на своето изпълнение могат да бъдат за индивидуална или колективна защита, както с временен характер, така и с постоянно предназначение. Устроени са на принципа за отслабване интензитета на полето или неговото изкривяване в близост до заземени метални предмети. Ако в електрическото поле се внесе заземен метален предмет, полето около него се изкривява (фиг. 1.4)



От страната на източника интензитетът нараства, а от страната на земята – силно намалява. При съответни размери, форма и разположение на екрана спрямо източника защитните качества ще се изменят, но при правилно изпълнение интензитетът на полето силно намалява. Заземяването на екрана е важно условие за ефективност на защитата. Ако металният екран не е заземен, изменението на интензитета на полето е незначително и не може да се говори за защитен ефект. (фиг. 1.5). Незаземеният екран може да има висок потенциал по отношение на земята и самият той ще представлява опасност.




Екраните – както временни, така и постоянни – трябва да се поставят на определени разстояния от частите под напрежение: за 400 kV на 4,5 m; за 750 kV на 6 m. При това постоянните екрани трябва да осигуряват преминаването на машини и механизми с нормални габарити.

Заземяването на екраниращото устройство е важно условие за осигуряване на защитена зона. Всеки екран трябва да се заземява най-малко в две точки от заземителния контур или конструкция, които трябва да имат съпротивление до 10 Ω. Екраниращите устройства могат да бъдат изпълнени като козирки, навеси и прегради.

Екраниращите костюми са индивидуални защитни средства от въздействието на ЕМП при работа в действащи електрически уредби, а така също и при работа без изключване на напрежението. Защитното свойство на костюма се основава на електростатичното екраниране. Както е известно, ако проводящо тяло бъде внесено в електрическо поле, настъпва прегрупиране на електрическите заряди – те се ориентират противоположно на заряда на източника. Полето създадено от зарядите вътре в проводящото тяло Ее е равно и противоположно на външното поле Е, при което резултантният интензитет вътре в тялото е равен на нула т.е Ер = 0. (фиг. 1.6).

Фиг. 1.6.

Достатъчно е да оградим тялото от действащото върху него електрическо поле с тънък метален слой (екран). Опитно е установено, че екранът може да бъде не само плътен, но и от мрежа с определена гъстота. За повишаване на надеждността на екранирането всички елементи на екраниращия костюм се свързват помежду си с гъвкав проводник и се заземяват.

Екраниращите костюми се състоят от куртка и панталон или комбинезон, изпълнени от метализиран памучен плат или от плат с втъкани метални нишки. Допълва се с метална или метализирана пластмасова каска, специални обувки от проводим каучук и ръкавици от проводящ материал (най-често метализирани). Костюмът се облича върху бельото и за да има електрическа връзка с тялото, най-често над китката на ръцете се свързва с метализиран маншет. При необходимост върху екраниращия костюм може да се обличат по-топли дрехи като халат, палто и други.

Като защитно средство екранираните костюми се използват при работа в открита разпределителна уредба (ОРУ) към въздушни електропроводи ВЕП за свръхвисоко напрежение, когато интензитета на електрическото поле е по-висок от 25 кV/m, или времето на престой е по-голямо от даденото по-напред.

Специалното заземяване на костюма се извършва чрез гъвкав меден проводник със сечение най-малко 4 mm2, снабдено на края със специална съединителна клема. Изправността на костюма трябва да се контролира на всеки два месеца.



Като защитни средства могат да се разглеждат предимно организационните и техническите мероприятия, прилагани при работа в зона с висок интензитет на електрическото поле.







Сподели с приятели:




©obuch.info 2023
отнасят до администрацията

    Начална страница