ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ. Охрид, 7 9 октомври 2007

Transcript

1 ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 7 9 октомври 2007 Проф. д-р Мито Златаноски, дипл. ел. инж. Доц. д-р Атанас Илиев, дипл. ел. инж. Софија Николова, дипл. ел. инж. Факултет за електротехника и информациски технологии Скопје МОДЕЛИРАЊЕ НА ИМПЕДАНСАТА НА ТЕЛОТО НА ЧОВЕКОТ ЗА ПРЕСМЕТКА НА НИВО НА РИЗИК ОД НЕСРЕЌИ ВО ВИСОКОНАПОНСКИ РАЗВОДНИ ПОСТРОЈКИ КУСА СОДРЖИНА Ризикот од несреќи во високонапонските разводни постројки претставува вкупна веројатност човек да настрада од електрична струја во една постројка за период од една година. Нивото на ризик од несреќи во високонапонските разводни постројки и нивната околина зависи од повеќе фактори, кои можат да се групираат на следниот начин: фактори кои обезбедуваат зголемени вредности на напонот на допир и напонот на чекор во постројката или нејзината околина, фактори што зависат од параметрите на заземјувачот и земјата, фактори кои ја дефинираат издржливоста на човечкиот организам, веројатноста на изложеност на човекот во опасните подрачја од постројката. Во првата група спаѓаат фактори кои ја определуваат големината на струјата низ заземјувачот и нејзиното траење. За определување на оваа струја треба да се дефинираат сите т.н. непредвидени настани кои причинуваат струја низ заземјувачот како и: влијанието на локацијата на грешката, параметрите на електроенергетскиот систем и карактеристиките на заштитата. Во втората група факторите зависат од карактеристиките на заземјувачот и тоа: од распределбата на потенцијали односно напоните на чекор и допир и преодниот отпор човек - земја т.е. отпорноста на стопалото. Во третата група факторите се однесуваат на импедансата на телото на човекот, струјата низ телото и веројатноста оваа струја да предизвика вентрикуларна фибрилација. Во овој реферат ќе бидат прикажани проучувањата на импедансата на човечкото тело и нејзиното моделирање за пресметка на нивото на ризик од несреќи во високонапонски разводни постројки. Клучни зборови:импеданса на човечкото тело, моделирање, ризик, несреќи, високонапонски разводни постројки. ABSRAC Accident risk in high voltage electric power substations is total probability for a human being to meet with an accident from electric current in some electric power substation for one year period. Accident risk level in high voltage electric power substations and their environment depends on different factors, that can be classified as: factors that provide high values of touch voltage and step voltage in the substations or its environment, factors that depend on ground electrode parameters and ground parameters, B3-04R 1/8

2 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 2/8 factors that define the strength of human organism, human exposure probability in the dangerous fields of the substation. In the first group there are factors that define the current value through the ground electrode and its duration. o determine this current, all unexpected events that cause current through the ground electrode, fault location influence, power system parameters and protection characteristics should be defined. In the second group the factors depend on the ground electrode characteristics: potential distribution as touch and step voltages and the transient resistance of human ground i.e. foot resistance. In the third group the factors are related to human body impedance, current through the human body and the probability to cause ventricular fibrillation. In this paper studies of human body impedance and its modeling for estimation of accident risk level in high voltage electric power substation will be presented. Keywords: human body impedance, modeling, risk, accidents, high voltage electric power substations. 1. ИМПЕДАНСА НА ЧОВЕКОВОТО ТЕЛО За да протече опасна струја низ човечкото тело треба човекот да стане елемент на некое струјно коло. Према тоа изложувањето на човекот на опасност всушност е изложување на опасни вредности на напони. Големините на струите во човечкиот организам зависи од вредноста на напонот на кој е изложен човекот и вредноста на импедансата на телото. Сл. 1 Еквивалентна шема на импедансата на човековото тело Од тие причини неопходни се познавања на вредностите на импедансата на телото за да се пресмета јачината на струјата и ризикот по животот на човекот. Табела 1 Импеданса на телото за различни струјни патишта Струен пат низ телото Внатрешна импеданса % лева рака десна рака 100 лева рака - глава 50 (30) лева рака врат 40 (20) лева рака гради 45 (23) лева рака стомак 50 (23) лева рака рамо 60 лева рака лакт 75 лева рака бутен мускул 60 (35) лева рака колено 70 (45) лева рака потколеница 75 (50) лева рака стопало 100 (75) лева рака колк 55 (30) Забелешка: вредностите во заградата се за струен пат на две раце дел од телото.

3 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 3/8 Резултатите од мерењата (посебно од Freiberger, кој вршел мерења на живи луѓе до 50 V и лешови до 5000 V) биле употребени од Работната група 4 на IEC, C 64 за извештајот бр. 479 дел 6. Тие резултати овозможуваат да се дефинира еквивалентна шема за импедансата на телото прикажана на сл. 1, од која се гледа дека импедансата на телото претставува векторски збир на влезната и излезната импеданса на кожата и внатрешната импеданса на човечкото тело. Внатрешната импеданса на телото е составена од импеданси на мускулите, крвта, зглобовите, коските и другите ткива од составот на телото и може да се земе како претежно активна отпорност со релативно мали вредности на капацитивност. Големината на оваа импеданса најмногу зависи од патот на струјата низ телото на човекот. Sam во 1968 год. ги измерил внатрешните импеданси за различни патишта на струјата при што, како 100 % импеданса е земена импедансата на струјниот пат на лева рака десна рака. Вредностите на импедансите на телото за различни патишта, како процент од импедансата лева рака десна рака според [9], е дадена во табела 1. Импедансата на кожата е детално проучена во [4]. Нејзината вредност зависи од следните фактори: напонот, големината и траењето на струјата, фреквенцијата, влажноста на кожата, површината на контактите, притисокот и температурата. Кожата на човекот се состои од два карактеристични слоја: горна кожа или епидерм и долна кожа (dermis) која што поминува во поткожно ткиво. Горниот слој (дебел неколку стотинки до неколку десетинки mm) е поделен на најгорен изолирачки слој во кој нема животни активности (мртов слој) и мек слој (Сл. 2). Дермот (со дебелина mm) се состои од мрежно испреплетени врзувачки ткива и низ него на рамномерни растојанија поминуваат изводните канали од потните жлезди. Потните жлезди претставуваат кружни клупки со различна големина во поткожното ткиво и секоја од нив се состои од многуструко вплеткан канал со сопствена обвивка. Потните канали од поткожното ткиво во лесни спирали поминуваат низ дермот и низ епидермот и на површината на кожата завршува во форма на инка. Познавањето на структурата на кожата и електричните карактеристики на составните делови овозможуваат да се заклучува за електричните карактеристики на кожата како целина. Потните канали наполнети со пот претставуваат систем на проводни цевки кои го пробиваат горниот непроводен слој на кожата. Со претпоставен број потни канали на cm 2 со среден дијаметар 0.02 mm, состав на потта од % сол ( ρ = 140 Ωcm ), температура 37 0 C се пресметани вредностите на активниот 2 2 отпор R c = 75 kω/cm и капацитетот C c = mf/cm што зачудувачки одговараат на мерените вредности. Сл.2 Принципиелна претстава на структурата на човеловата кожа

4 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 4/8 На импедансата на кожата влијаат и патолошките промени кои што се последица на протечувањето на струјата низ кожата. За густини на струјата помали од 10 A/mm 2 не настануваат никакви промени на кожата. За густини на струјата поголеми од 10 A/mm 2 околу електродата се јавуваат брановидни издигања кои се поголеми при подолго траење на протечувањето на струјата. При густини на струјата од 50 A/mm 2 под електродата се јавуваат кафеави дамки кои при подолго траење стануваат меурчиња од изгоретина околу електродата. За густини на струја над 70 A/mm 2 доаѓа до јагленисување на кожата. На дијаграмот на сл.3 се прикажани зависностите на патолошките промени на кожата од густината на струјата и траењето. 0 нема промени 1 формирање на брановидно издигнување 2 потполн струен белег 3 јагленисување Сл.3 Зависност на патолошките промени на кожата од густината и траењето на струјата Мерењата на импедансата на телото се вршени со електронски осцилоскопи и современи мерни методи за струен пат лева рака десна рака, при што вклучувањето на допирниот напон било секогаш во моментот на неговата максимална вредност (Сл. 4). Сл.4 Осцилограм на струјата во телото I и допирниот напон U при вклучување во моментот на каксимална вредност на напонот

5 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 5/8 Како што се гледа од осцилограмот за напонот и струјата во монетот на вклучување се добива поголема вредност на струјата од очекуваната максимална вредност, што се објаснува од фактот да во тој момент струјата е ограничена само од активната отпорност на телото, а по стабилизирање на процесот на вклучување на струјата преоѓа во трајна струја и зависи од вкупната импеданса на телото. Почетниот отпор R може да се пресмета како однос на моменталната вредност на напонот U m и моменталната вредност на струјата на вклучување I m U m R = (Ω) (1) I m Импедансата на телото се добива од ефективната вредност на допирниот напон ефективната вредност на трајната струја I U и U Z = (Ω) (2) I Од резултатите на мерењата на импедансата на телото на човекот може да се проучи влијанието на поедините фактори врз големината на импедансата. Така, за испитување на влијанието на влажноста, биле спроведени мерења при допирен напон 50 V и траење од 100 ms. Мерењата се вршени при суви раце, раце една минута натопени во вода и раце една минута натопени во 3 % раствор NaCl. Резултатите се дадени на дијаграмите на сл. 5. Сл.5 Зависност на импедансата и почетниот отпор на телото од влажноста Се гледа дека обичната вода нема изразено влијание на импедансата на телото додека солениот раствор ја смалува нејзината вредност за околу два пати. Почетниот отпор на телото сосема малку зависи од влажноста. Влијанието на контактната површина врз импедансата на телото е испитувано при различни допирни напони и резултатите се дадени на сл.6. За допирни напони помали од 100 V големината на контактната површина има изразено влијание на импедансата на телото. При допирни напони повисоки од 200 V влијанието на големината на конатктната површина станува безначајно бидејќи настанува пробој на кожата и со тоа се елиминира импедансата на кожата. За да се добијат границите во кои се движат вредностите на импедансата на телото и почетниот отпор, направени се статистички анализи на расположивите резултати од мерењата за живи и мртви луѓе. Резултатите од мерењата на Freiberger покажале дека при напони до 30 V, 50 Hz измерените импеданси за мртви луѓе се значително повисоки со доста мал cos ϕ од вредностите на живи луѓе. Извршени се нови мерења на голем број на лица во Австрија и Швајцарија со цел да се најдат сигурни статистички вредности за импедансата на телото при напони до неколку десетини волти.

6 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 6/8 А контактна површина за електродата Z cm 2 B - контактна површина за електродата Z cm 2 C - контактна површина за електродата Z cm D - контактна површина за електродата Z cm 2 E - контактна површина за електродата Z cm 2 Сл.6 Импедансата на телото во функција од допирниот напон за различни контактни површини Веројатностните анализи покажуваат дека и вредностите на импедансата на телото и вредностите на почетниот отпор потполно одговараат на логаритамско нормалната распределба. Подолу се дадени резултатите од мерењата на 52 лица (30 машки и 22 женски) со допирен напон 15 V и на 100 лица (80 машки и 20 женски) со допирен напон од 25 V [9]: Мерен допирен напон 15 V 25 V Просечна вкупна импеданса на телото (3717±1181) (Ω) (3517±1397) (Ω) Просечен среден отпор на телото (637±98) (Ω) (781±114) (Ω) Опсег на вкупната импеданса на телото ( ) (Ω) ( ) (Ω) Опсег на почетниот отпор на телото ( ) (Ω) ( ) (Ω) Вршени се и мерења на живи луѓе до напони од 200 V, 50 Hz со време на траење 0.1 s, па резултатите за импедансата на телото и почетниот отпор како функции од допирниот напом се дадени на сликите 7 и 8. Сл. 7 Зависност на импедансата на телото од допирниот напон Сл. 8 Зависност на почетниот отпор на телото од допирниот напон За да се добијат најприфатливи вредности на импедансата на телото за живи луѓе при напони на допир до 5000 V, од Работната група 4 при IEC C 64 е извршена анализа на резултатите од

7 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 7/8 мерењата на Freiberger за мртовци, а за пониски напони, со современи статистички методи, е извршено сведување на резултатите од мртовци за живи луѓе. луѓе. На дијаграмот на сл.9 даден е опсегот на импедансата на телото за напони до 5000 V за живи Сл.9 Опсег на вкупната импеданса на телото за струјна патека рака рака за допирни напони до 5000 V за живи луѓе. Врз основа на сведените резултати од мерењата на мртовци за живи луѓе, од Работната група 4 на IEC се усвоени вредностите на вкупната импеданса на телото на човекот наведени во табела 2. На дијаграмот на сл.10 се претставени зависностите на импедансата на телото од напонот на жи луѓе врз основа на табела 2 (адаптирани вредности на мерења на мртовци), и истите зависности мерени на мртовци. Вредностите во табелата 2 и дијаграмот 10 се контролирани со накнадни мерења при што резултатите потполно се совпаѓале со адаптираните вредности за 50 % процентно ниво во дијаграмот на сл. 10 и истите претставуваат најнови сознанија за вредностите на импедансата на човечкото тело за допирни напони до 5000 V. Табела 2 Вредности на вкупната импеданса на телото на човекот избрани од Работната група 4 на IEC C 64, за струјна патека рака рака или рака стопало, за константни површини (80 cm cm 2 ) за луѓе (вклучувајќи и деца). Вредности за вкупните импеданси на човекот (Ω) за процент на Допирен напон (V) популација 5 % 50 % 95 % Асимптотска вредност

8 MAKO CIGRE 2007 B3-04R 8/8 2. ЗАКЛУЧОК Сл.10 Зависност на импедансата на телото на човекот од допирниот напон Во овој реферат се прикажани проучувањата на импедансата на човечкото тело и мерењата на истата и влијанието на поедините фактори врз нејзината големина. Направено е нејзино моделирање за пресметка на нивото на ризик во високонапонските постројки. Резултатите од моделирањето, прикажани во Табелата 2 и дијаграмите 9 и 10 може да се користат при пресметки на напони на изложеност на луѓето во високонапонските постројки. 3. ЛИТЕРАТУРА [1] Wang,W., Y.Gervais, D.Mukhedar, "Probabilistic Evaluation of Human Safety Near HVDC Ground Electrode" (85 SM 318-1); -PWRD, Jan 86, pp [2] M. A. El-Kady, P. W. Hotte, M. Y. Vainberg, "Probabilistic Assessment of Step and ouch Potentials Near ransmission Line Structures", IEEE, ransactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS. 102, No. 3, March, 1983, pp [3] M.A.El-Kady, M.Y.Vainberg, "Risk assessment of grounding hazard due to step and touch potentials near transmission lines structures " IEEE PAS-102, No. 9, September 1983, pp ( ). [4] G.Biegelmeier, J. Miksch, "Uber den Einflub der Haut auf die Korperimpedanz des Menschen", "Electrotechnik und Mashinenbau", Heft 9, september 1980, ( ). [5] ANSI/IEEE Std , GUIDE FOR SAFEY IN AC SUBSAION GROUNDING, book, IEEE/John Wiley & Sons, New York, August [6] Nahman, J.M, "Assessment of the Risk of Fatal Electric Shoks Inside a Substation and in Nearby Exposed Areas", (89 SM 816-0), -PWRD, Oct 90, pp [7] J. Nahman, M. Zlatanoski, " Risk of fatal electric shocks at distribution network MV/LV transformer stations", IEEE Proc.-Gener. ransm. Distrib. Vol. 145, No. 4, July 1998, pp [8] R.Kosztaluk, D.Mukhednar, Y.Gervais, " Feld measurements of touch and step voltages", IEEE, PAS - 103, No. 11. [9] Phill, G.Biegelmeir " New knowledge on the impedance of the human body" [10] M. Zlatanoski, "Rizik od nesre}i vo razvodnite postrojki za visok napon", doktorska disertacija, Skopje, 1991 god.