Введение
Не знаю, почему захотелось вдруг понять, что объединяет стиль работы проектировщиков молниезащиты с работой команды в какой-то иной сфере активной деятельности человека. Перебор вариантов вызвал даже не удивление, а едва ли не полное недоумение. Специалист по молниезащите по развитым подходам к анализу исходных данных оказался наиболее близким к сотрудникам генштаба страны, находящейся в состоянии активных боевых действий с противником
После начального недоумения результат перестал казаться столь уж неожиданным. Действительно, противник и здесь, и там налицо. Он хорошо известен и в общем известны его основные боевые средства, а вот детали ох как не ясны. Они наверняка не полны, а часть их попросту недостоверна. Более того, не всегда можно отличить более или менее надежную информацию от откровенной липы, которую подсунул противник. Чтобы все уточнить, нужна дополнительная разведка, но на нее нет времени. Решение надо принимать немедленно и от него будут зависеть потери в живой силе и технике. Ошибка стоит дорого, иногда, очень дорого. В ряде условий она попросту недопустима, хотя уточнить исходные данные наверняка не удастся. На это могут уйти месяцы и годы напряженной работы.
Молния – наиболее мощный природный источник импульсного тока, а стало быть, и электромагнитного поля. Уровень создаваемых им наводок в электрических цепях исчисляется многими киловольтами. Любую аппаратуру приходится испытывать на воздействие подобных наводок, чтобы оценить их предельно опасные уровни. Это совсем не легкая экспериментальная работа, для которой приходится создавать дорогостоящие испытательные стенды и специальные макеты для испытаний. Неживые макеты. При испытаниях их можно разрушить, а при неудаче повторить испытания. В конце концов, деньги не главное.
Живое существо — это тоже объект воздействия молнии, но абсолютно неповторимый. Он не должен пострадать при испытаниях, а значит во многих важных условиях не может быть их объектом. Конечно, можно, забыв об обществе охраны животных, испытывать на них. Надо ли говорить, что абсолютно надежных данных здесь не добиться, да и в моральном отношении дело это далеко не чистое. Можно попытаться вести модельные испытания при пониженном напряжении с последующей экстраполяцией их результатов. Такое дает неплохие результаты в системах, близких к линейным. Только человек – система резко нелинейная. Сопротивление человеческого тела в зависимости от условий воздействия на него электрического тока способно меняться в пределах нескольких порядков величины. Здесь трудно рассчитывать на удачу. А иного выхода нет. Решение надо принимать сегодня и без принципиальных ошибок. Такова ситуация. На войне, как на войне. Жаловаться некому.
В последний год в России ведется активная работа над нормативными документами по электробезопасности. Они должны продвинуться в микросекундный диапазон времени, свойственный воздействию молнии. Работа опирается на исследования МЭК, опубликованные в нормативных документах IEC 70646.1 “Воздействие электрического тока на людей и домашних животных. Общие аспекты” и IEC 70646.2 “Специальные аспекты”
Приведенные в документах сведения, главным образом, основаны на экспериментах с животными и на информации, полученной при клинических наблюдениях. Лишь единичные эксперименты с не очень опасными токами малой длительности были проведены на добровольцах. По этой причине представленные материалы не отличаются в полной мере достаточной надежностью, особенно, в микросекундном временном диапазоне, свойственном воздействию тока молнии. В этой связи заслуживает внимание хотя бы предварительное знакомство с нормативными материалами МЭК, тем более что они опубликованы и доступны специалистам.
Наибольший интерес представляют два вопроса –
- динамика изменения комплексного сопротивления тела человека в зависимости от величины, типа и времени воздействия импульсного тока,
- оценка величины тока различной длительности и путей его следования через тело человека, что способны привести к необратимым последствиям, в первую очередь, к смертельно опасной фибрилляции желудочков сердца.
Человек – резко нелинейная электрическая система
В нашей семье передается шутливый рассказ о школьных годах моей жены. В третьем классе, рассказав по новому учебнику детали устройства тела человека, учительница спросила у нее, что укрыто под кожей. Ответ последовал немедленно и вполне конкретный, - ”шкилет со смясом”. С позиций техники высоких напряжений ответ абсолютно правильный. При высоком напряжении кожный высокоомный слой пробит электрическим разрядом. Он как бы уже не существует. А те сотни килоом, что удается намерить тестером, характеризуют еще не поврежденный кожный слой при напряжении в малые десятки вольт.
Чем выше напряжение, тем ниже измеряемое сопротивление. Снижение — это лавинообразное и проявляется очень заметно. Вот, например, как меняется комплексное сопротивление по пути тока через руку к другой руке в сухих условиях при
большом контакте руки с проводящей поверхностью. Результаты заимствованы из стандарта МЭК. Они демонстрируют значения комплексного сопротивления тела человека при различных значениях напряжения прикосновения (левая колонка). В трех правых колонках даны пороговые измеренные значения (Ом) соответственно у 5%, 50% и 95% испытуемых
В условиях повышенной влажности реактанс тела человека снижается в еще большей степени, но только при низком напряжении, когда кожный слой еще не поврежден.
Таблица 2
Измеренные значения комплексного сопротивления тела человека в увлажненном воздухе
Большое значение имеет частота воздействующего напряжения. Ее рост ведет к повышению уровня воздействующего напряжения, при котором проявляется конкретное воздействие на тело человека, например, ощущение покалывания.
Рис. 1 Кратность повышения порога чувствительности для диапазона частот от 50/60 до 1000 Гц
Рис.2 Кратность повышения порога чувствительности для диапазона частот от 1 до 10 кГц
При очень высокой частоте эффективно работает скин-эффект. Ток вытесняется наружу и почти не нагружает внутренние органы человека. Помню незабываемое знакомство с таким явлением. Мы, только что отобранные студенты на кафедру Техники высоких напряжений, в почтении расположились перед трансформатором Тесла. Он формирует высокочастотные импульсы напряжения мегавольтного уровня. Сотрудница кафедры Л.Ф. Дмоховская держится рукой за выходную шину работающего генератора и стоит, улыбаясь, окруженная длинными ярко светящимися каналами, похожая на изображение неземного существа на картинах художников эпохи Возрождения. Теоретически эффект нам уже известен, но заменить сотрудницу так и не рискнул никто.
По мере снижения этого времени предельно допустимое напряжение вполне естественно нарастает. Это хорошо видно из представленных результатов. Но судить об опасном напряжении при ударе молнии таблица не позволяет. Минимальное время воздействия напряжения в ней равно 0,01 с, - на 2 порядка больше длительности тока молнии, равной ~ 100 мкс.
Чем располагает проектировщик молниезащиты
Как минимум два порядка величины, что отделяют бытовое время воздействия опасного напряжения от длительности тока молнии, не перекрыть экстраполяцией данных. Нужен эксперимент с прямыми измерениями опасного напряжения. Материалы, представленные МЭК, претендуют на это, хотя методика измерений составителями не описана, равно как нет и информации об анализе измеренных значений. Только выбирать не приходится. Других данных просто нет. На рисунке зависимость времени, достаточного при возбуждении фибрилляции желудочков при заданной величине тока.
Рис 3. Время возбуждения фибрилляции желудочков при различной величине тока
Левая сплошная кривая соответствует наступлению фибрилляции с вероятностью 5%, две другие (штриховые линии) - с вероятностью 50 и 95%. Уже только штриховое начертание линий вызывает вопросы, - откуда эти зависимости, это действительно измерения или какая-то экстраполяция? Ответа, естественно, нет. Но ведь и других данных нет тоже. Сравнивать не с чем. Приходится довольствоваться тем, что представлено. И тут возникает целый ряд безответных вопросов.
Так в материалах МЭК утверждается, что импульсы малой длительности и относительно малой энергии возбуждают фибрилляцию только при воздействии в течение определенного уязвимого периода сердечного цикла. Результат получен на животных. А как у человека? И отличаются ли человек по длительности этого уязвимого цикла от испытуемых животных?
Для импульсов большой энергии, воздействующих вне уязвимого периода сердечного цикла, возникновение фибрилляции возможно с задержкой на минуты и даже на часы. Каков механизм такой задержки? Он связан с какими-то физиологическими процессами в организме или с психикой человека? Ответа нет и пока не предвидится. А ведь материалы МЭК далеко не исчерпывающие. Они не затрагивают время воздействия меньше 100 мкс. Для оценки опасности молнии этого недостаточно. Нужен пересчет хотя бы на единицы микросекунд. Именно такова длительность импульсных наводок на фронте тока молнии. Как выполнить подобный пересчет, если механизм воздействия тока на человека не вполне известен? В такой ситуации трудно предложить нечто иное, кроме чисто формализованного пересчета, ориентированного на постоянство заряда, протекшего через тело человека, или на постоянство выделившейся там энергии. В первом случае выражение для пересчета тока с длительности воздействия t1 на длительность t2 представляется как
i2 = i1t1/t2
В предположении о постоянстве энергии выражение для пересчета имеет вид
Численная проверка с использованием приведенных здесь данных МЭК для времени воздействия тока 0,1 – 10 мс показала, что результаты пересчета и по постоянству энергии, и по постоянству заряда недопустимы, поскольку они ведут к погрешности на уровне сотен процентов.
Существенно большего внимания заслуживает пересчет по среднему геометрическому из рассмотренных вариантов, что обеспечивается расчетным выражением
тоже обладающим вполне реальной, но все-таки заметно меньшей погрешностью. Подход, конечно, не очень утешительный, но это лучше, чем ничего.
Время вернуться к отечественным нормативам по молниезащите. В тех, что уже существуют, о безопасности в грозу ни единого слова. Но по косвенным показателям можно судить, что безопасность человека не была определяющей при разработке нормативных документов. В Инструкции РД 34.21.122-87 представлены варианты образцовых заземляющих устройств для молниеотводов. Самый дееспособный из них (горизонтальная шина длиной 10 м с тремя вертикальными стержнями по 5 м) в грунте с удельным сопротивлением обладает сопротивлением заземления
RЗ ≈ 0,07ρ (Ом)
Нормирование подобного рода вряд ли кто-то оценит как заботу о безопасности человека. В совсем не уникальном грунте с удельным сопротивлением 1000 Ом м. ток молнии в 100 кА (III уровень защиты) создаст на таком заземлителе напряжение в 7000 кВ. Столько не то, что человек, но даже высоковольтная линия электропередачи не выдержит!
На рисунке 4. определены напряжения прикосновения и шага для такого заземляющего устройства при единичном (1 кА) токе молнии в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м.
Если ориентироваться на предельный ток 7 А и сопротивление тела человека ~ 600 Ом (см. таблицу 1), то предельно допустимое напряжение, воздействующее на человека при растекании тока молнии, не должно превышать 4 кВ. Полезно оценить условия, при которых это требование не будет нарушено. Выше уже показана величина напряжения прикосновения для заземляющего устройства, рекомендованного Инструкцией РД 34.21.122-87. Даже в весьма качественном грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м при токе в 30 кА (средняя по силе молния) оно превышает 100 кВ. Чтобы ограничить напряжение прикосновения на уровне 4 кВ, сопротивление заземления пришлось бы снизить по крайней мере в 25 раз, доведя его приблизительно до 0,3 Ом. Препятствием к столь низкому сопротивлению заземления послужит хотя бы скин-эффект в грунте. К тому же ток амплитудой 30 кА для молнии далеко не предел. Даже для III уровня защиты нормативом по молниезащите СО-153-34.21.122-2003 предписано ориентироваться на ток молнии амплитудой в 100 кА, а тогда предельное сопротивление заземления должно быть меньше 0,1 Ом. – фантастически низкая величина в импульсном режиме. Это значит, что безопасность людей в ближайшей окрестности молниеотвода приходится обеспечивать не снижением сопротивления заземления, а иными техническими средствами, в первую очередь, вводом дополнительного элемента с высоким сопротивлением между токоотводом и рукой человека либо между его ногой и поверхностью земли. В последнем случае неплохо зарекомендовал себя асфальт. Его слой толщиной около 10 см – вполне качественная защита. К сожалению, подобного нельзя сказать о одной сегодня плитке. Уложенная на землю с обязательным зазором, в дождь она обеспечивает вполне качественный контакт человека с грунтом.
Защитное изоляционное покрытие токоотвода тоже достаточно эффективно, особенно если в его конструкции использован эффект полупроводящего покрытия, выравнивающего распределение электрического поля по изоляционной поверхности.
Напряжение шага всегда менее опасно, чем напряжение прикосновения. В этом легко убедиться хотя бы по построению на рис. 4. Но причина не только в том, что это воздействие меньше по величине напряжения прикосновения, но и из-за более протяженного пути тока по телу человека до сердечной мышцы, в результате чего увеличивается комплексное сопротивление, определяющее реально доставляемый туда ток. Тем не менее и напряжение шага в типичных грунтах трудно довести до безопасного уровня снижением сопротивления заземления. Здесь тоже приходится рассчитывать на изоляционные покрытия.
Чтобы избежать недомолвок и проектных несуразностей, надо нормировать непосредственно допустимую величину напряжения, воздействующего на человека, причем, величина эта должна быть различной для напряжений прикосновения и шага. Каким способом ограничить эти параметры до безопасного уровня, проектировщик будет решать сам. Понимаю, что составителей нового нормативного документа ждет совсем непростой выбор предельно допустимых параметров. Слишком мало надежны исходные данные и по-своему не вполне ясному зарубежному происхождению, и в статистическом отношении. Учитывать придется многое, в том числе, и не совсем понятные явления, например, возможность реакции человека на высокое напряжение с большой временной задержкой. Вряд ли стоит строить прогнозы по содержанию нового норматива. Одно очевидно уже сегодня, - у нас наверняка будет достаточно материала для серьезного обсуждения, и мы непременно этим воспользуемся уже в недалеком будущем.
Смотрите также:
Вебинар профессора Э.М. Базеляна «Ключевые измерения в практической молниезащите»
Вебинар "Будущее отечественной молниезащиты (оптимистический вариант)." Страница 1
Тераваттный лазер - революция в молниезащите? Мнение профессора Э.М. Базеляна
Книга "Вопросы практической молниезащиты" Э.М. Базеляна