Научное обоснование комплексного метода гигиенической оценки средств индивидуальной защиты от электрических полей промышленной частоты

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи
исследования,раскрытанаучнаяновизнаипрактическаязначимость,
сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор отечественных и зарубежных работ,
посвященных теме диссертации. Анализируются механизмы биологического
действия ЭП и МП ПЧ, их влияние на организм человека и экспериментальных
животных,основныеаспектыобеспечениясохраненияздоровья
электротехнического персонала, контроля уровней напряженности ЭП и МП ПЧ,
принципов защиты работников. Сделан вывод о недостаточной проработанности
задач гигиенической оценки ЭП и МП ПЧ на рабочих местах и определения
эффективности защиты от ЭП ПЧ.
Во второй главе представлена постановка, объем и методы исследований
(рис.1). Гигиеническая оценка ЭП и МП ПЧ проводилась на наземных рабочих
местах персонала ОРУ подстанций и в зонах прохождения ВЛ напряжением 500
и 750 кВ. Измерения ЭП и МП ПЧ проводились с помощью измерителя
напряженности поля промышленной частоты П3-50 (ЗАО «ТАНО», Россия) и
измерителя электрических и магнитных полей EFA-300 (Narda Safety Test
Solutions GmbH, Германия), на ОРУ было проведено 4560 измерений в 760
точках и в зонах прохождения ВЛ – 2592 измерения в 432 точках.

Рисунок 1 – Схема исследований

Моделирование условий экспозиции ЭП и МП ПЧ ВЛ напряжением 500 и
750 кВ, а также экспериментального исследования на животных выполнялось в
среде трехмерного моделирования SEMCAD X v.14.8.6 (SPEAG AG,
Швейцария), расчет математических моделей осуществлялся методом конечных
разностей в частотной области. В разработке математических моделей
использовались гетерогенные фантомы крыс Sprague Dawley (IT’IS Foundation,
Швейцария).
Исследования эффективностиэкранирования СИЗ выполнялись в
лаборатории электромагнитных полей ФГБНУ «НИИ МТ» на высоковольтном
испытательном стенде переменного тока промышленной частоты и на
электросетевом объекте (ОРУ 750 кВ) с использованием диэлектрического
манекена с антропометрическими характеристиками взрослого человека.
Исследования проводились при имитации работ на потенциале земли и
потенциале провода. В лабораторных условиях было проведено 90 измерений на
потенциале земли и 180 измерений на потенциале провода, на ОРУ 750 кВ – 15
измерений.
Экспериментальное изучение биологического действия ЭП ПЧ с
применением экранирующих материалов проводилось на лабораторных
беспородных крысах (36 особей – самцы массой 200±10 г). Оценка состояния
центральной нервной системы осуществлялось по параметрам ориентировочно-
исследовательской активности модифицированным методом «открытого поля» с
расчетом интегрального показателя «энтропия» после 1, 3 и 5 дней воздействия
припримененииаппаратно-программногокомплексаOpenFieldtest
(OpenScience, Russia) и программного обеспечения Норка 2.0 (Свидетельство о
регистрации ПО для ЭВМ № 2016619940).
Оценка лейкоцитарной формулы крови осуществлялась путем подсчета
лейкоцитов в окрашенных по Романовскму-Гимзе мазках по методу Шиллинга,
концентрацию показателей перекисного окисления липидов (ПОЛ) – диеновых
конъюгатов и кетодиенов оценивали методом З.Я. Плацера (Placer Z. et al., 1970)
после 5 дней экспозиции. Выделение липидов из плазмы крови проводили по
методу М.А. Креховой и М.К. Чехрановой (Крехова М.А. и соавт., 1971). Подсчет
лейкоцитов осуществлялся с использованием микроскопа Levenhuk MED 10
(Levenhuk, Inc., США), концентрация показателей ПОЛ – с использованием
спектрофотометра Cary-50 (Varian, США) и стандартных методик.
Физиолого-гигиеническое исследование теплового состояния организма
человека при применении СИЗ было выполнено при участии трех добровольцев
с различными типами конституции и физической подготовки в соответствии с
МУК 4.3.1895-04. Продолжительность исследования составляла 70 минут, из
которых 40 минут добровольцы выполняли регламентированную физическую
работу (температура воздуха 34,8±0,3°С, его относительная влажность 48,0±3,0%,
скорость движения 0,15±0,02 м/с) и 30 минут находились в покое при комфортном
микроклимате.
Исследованияпроводилисьвмикроклиматическойкамерес
использованием прибора контроля параметров воздушной среды Метеометр
МЭС-200А (ЗАО «НПП Электронстандарт», Россия), измерителя плотности
теплового потока и температуры в модификации ИТП-МГ4.03/30(II) «ПОТОК»
(ООО «СКБ Стройприбор», Россия), термометра медицинского электронного
инфракрасного (B.Well, Швейцария), пульсоксиметра напалечного серии MD
300С (Beijing Choice Electronic Technology Co., Ltd., Китай).
Статистическая обработка данных осуществлялась в программном пакете
«Statistica 12» (StatSoft, США) с расчетом средних величин и их стандартной
ошибки, медианы и интерквартильного размаха, с использованием критерия
Шапиро-Уилка, дисперсионного анализа, критерия Краскела-Уоллиса и
Стьюдента с поправкой Бонферрони (число попарных сравнений – 3). Различия
считались статистически значимыми при p≤0,05.
В третьей главе представлены результаты собственных исследований.
Гигиеническая оценка уровней ЭП и МП ПЧ на наземных рабочих местах
персонала электросетевых объектов напряжением 500 и 750 кВ подтвердила
наличие превышений ПДУ электрической составляющей, что обусловливает
необходимость применения СИЗ в течение рабочей смены для снижения
негативного влияния фактора на здоровье электротехнического персонала.
Уровни ЭП ПЧ на наземных рабочих местах в зонах прохождения ВЛ достигали
12,50 кВ/м, а на ОРУ – 35,27 кВ/м, что для ВЛ соответствует уровням выше ПДУ
для всей рабочей смены, а на ОРУ подстанций – выше максимального ПДУ. На
территории всех исследуемых электросетевых объектов не было выявлено
превышения ПДУ МП ПЧ.
Математическое моделирование условий экспозиции ЭП и МП ПЧ на
рабочих местах персонала, осуществляющего обслуживание и эксплуатацию ВЛ
напряжением 500 и 750 кВ, выполненное на основании данных гигиенической
оценки с применением разработанных математических моделей, полностью
соответствовавших реальным конструкциям ВЛ и условиям воздействия (рис.2),
подтвердило необходимость применения СИЗ при проведении работ на высоте
вблизи токоведущих частей ВЛ, находящихся под напряжением.
Вблизи фаз ВЛ напряжением 500 кВ уровни напряженности ЭП ПЧ
составляют порядка 400 кВ/м (рис.2а), а МП ПЧ – до 1 мТл. При математическом
моделировании условий экспозиции ВЛ напряжением 750 кВ уровни
напряженности ЭП ПЧ вблизи проводов соответствуют 600 кВ/м (рис.2б), а МП
ПЧ – не более 2 мТл.
(а)(б)
Рисунок 2 – Уровни напряженности ЭП ПЧ в математических моделях ВЛ
напряжением 500 кВ (а) и 750 кВ (б)
Анализ результатов, полученных теоретическими и инструментальными
методами, показал различия в данных менее 40%, что объясняется наличием
артефактов измерений, таких как различный рельеф местности в зонах
прохожденияВЛ, нестабильность токовойнагрузки ит.д., а также
особенностями математического моделирования (рис.3). Максимальные уровни
ЭП и МП ПЧ на наземных рабочих местах отмечены в середине пролета ВЛ при
минимальных габаритах проводов.

Рисунок 3 – Сравнение инструментальной оценки и математического
моделирования для ВЛ напряжением 500 кВ: 1 – инструментальная оценка
напряженности ЭП ПЧ (кВ/м); 2 – математическое моделирование; 3 –
инструментальная оценка магнитной индукции МП ПЧ (мкТл); 4 –
математическое моделирование
Полученныеданныедаютвозможностьпредполагатьхорошую
сходимость результатов математического моделирования и инструментальной
оценки ЭП и МП ПЧ, что позволяет использовать математические модели для
оценкиусловийэкспозицииработников.Такимобразом,оценка
интенсивностных параметров ЭП и МП ПЧ на рабочих местах персонала путем
математического моделирования с валидацией натурными измерениями
позволяет адекватно оценить потенциально негативные условия воздействия ЭП
и МП ПЧ на работников и обосновывает необходимые требования к СИЗ при
выполнении определенных видов работ.
В связи с этим в соответствии с разработанной методикой проводилась
оценка эффективности экранирования 4-х образцов СИЗ, результаты которой
показали, что при внешнем ЭП ПЧ до 20 кВ/м на электросетевых объектах и до
80 кВ/м в лабораторных условиях, в том числе при имитации работ под
напряжением (на потенциале провода), СИЗ обеспечивают ослабление
электрической составляющей до величин на порядок ниже ПДУ для всей
рабочей смены (<0,5 кВ/м). По результатам оценки эффективности СИЗ комплектация «комбинезон» обеспечивает лучшую защиту персонала от негативного воздействия ЭП ПЧ, а коэффициент экранирования (КЭ) исследуемых СИЗ варьируется от 51,17 до 99,49 дБ для различных частей тела человека. При этом КЭ, усредненный для всего комплекта, составляет от 60 до 80 дБ (табл.1). Апробация разработанной методики с применением прямого метода оценки эффективности СИЗ в лабораторных условиях позволила спрогнозировать степень защиты СИЗ отдельных частей тела человека, в том числе при работе на потенциале провода на высоте. При этом анализ полученных данных свидетельствует о возможности применения разработанной методики для различных условий экспозиции, как в лабораторных условиях, так и на рабочих местах. Таблица 1 – Результаты оценки КЭ отдельных комплектаций СИЗ от ЭП ПЧ (М±σ) на наземных рабочих местах персонала ОРУ 750 кВ и в лабораторных условиях ЛабораторныеЛабораторные ОРУ напряжением условия (работыусловия (работы 750 кВ (работы на Комплектацияна потенциалепод напряжением) потенциале земли) СИЗземли) КЭ, дБ 85,66±3,1997,28±0,0493,90±0,06 Комбинезон 71,67±2,1178,65±0,5288,45±0,21 61,31±0,6496,11±0,7594,29±1,20 Куртка и брюки 66,77±0,9064,67±0,4758,48±2,03 Согласно современным представлениям, степень воздействия ЭП ПЧ на организм определяется его биологическим действием, связанным с плотностью наведенного электрического тока, оценка которого осуществлялась в органах и тканях биологических объектов при планировании экспериментального исследования на животных путем математического моделирования. ПорезультатамгигиеническойоценкиэффективностиСИЗдля математического моделирования на животных в условиях экранирования был определен КЭ = 50 дБ, что имитировало наихудшие условия экспозиции человека при использовании экранирующего комплекта. По данным математического моделирования условий экспозиции животных наибольшая величина плотности наведенного электрического тока при оценке в отдельных органах численных моделей крыс, находившихся в условиях неослабленного ЭП ПЧ, наблюдалась в больших полушариях головного мозга (34 мА/м2) и при имитации экранирования ЭП ПЧ эта величина снижалась до 97,3мкА/м2 (рис.4). У фантомов лабораторных животных, находившихся в неослабленном ЭП ПЧ, плотность электрического тока в тимусе составила 10,4 мА/м2, а при экранировании ЭП ПЧ уменьшалась до 36,9 мкА/м2, что свидетельствует о снижении биологически значимого параметра влияния ЭП ПЧ до 350 раз при имитации применения СИЗ. (а)(б) Рисунок 4 – Распределение плотности электрического тока в численных моделях лабораторных животных: (а) без экранирования (10ПДУ); (б) находящихся в условиях экранирования (ниже ПДУ) Полученные значения плотности электрического тока в разработанных математических моделях лабораторных животных при ослаблении ЭП ПЧ с использованием моделей материалов, имитирующих СИЗ, не превысили порог реакций нервной системы (<1 мА/м2), что может предполагать отсутствие значимого влияния ЭП ПЧ при эффективности экранирования более 50 дБ. При проведении экспериментального исследования на основе данных математического моделирования животные были распределены на 3 группы по 12 особей: истинная экспозиция – неослабленное ЭП ПЧ, истинная экспозиция в условиях экранирования и мнимая экспозиция (контрольная группа). По результатам экспериментального исследования показатель «энтропии» в опытной группе с истинной экспозицией составлял 35,92±2,74 и был ниже, чем в контрольной группе – 51,50±6,48 (различия были близки к порогу статистической значимости). В группе, находившейся в условиях экранирования ЭП ПЧ, этот показатель составил 58,83±7,05 (p<0,05) после первых суток экспозиции при сравнении с опытной группой (рис.5). На 3 и 5 сутки экспозиции тенденция к снижению значения «энтропии» у крыс опытной группы по сравнению с контрольной и группой в условиях экранирования сохранялась. Рисунок 5 – Оценка ориентировочно-исследовательской активности лабораторных животных по интегральному показателю «энтропия» (нормирование по контрольной группе), * – р<0,05 Большинство оцениваемых параметров лейкоцитарной формулы крови у животныхопытныхиконтрольнойгруппнаходиласьвпределах физиологической нормы. Из данных, представленных в таблице 2, при истинной экспозиции без экранирования видно наличие тенденции к повышению процентного содержания лимфоцитов после 5-и суток воздействия и снижению процентного содержания моноцитов в сравнении с контрольной группой. Таблица 2 – Результаты оценки белой крови лабораторных животных (M±m) после 5 дней экспозиции МнимаяИстинная экспозицияИстиннаяэкспозиция в Показатель (контрольнаяэкспозицияусловиях группа)экранирования Нейтрофилы 2,00±0,391,58±0,432,00±0,43 палочкоядерные, % Нейтрофилы 20,42±2,8017,67±1,4321,92±2,04 сегментоядерные, % Эозинофилы, %0,50±0,261,00±0,430,67±0,22 Базофилы, %0,00±0,000,00±0,000,00±0,00 Лимфоциты, %74,00±3,1878,00±1,7172,58±2,31 Моноциты, %3,00±0,781,75±0,182,83±0,47 Анализ показателей ПОЛ (табл.3) показал статистически значимые различия в концентрации диеновых конъюгатов (р<0,05) и кетодиенов (р<0,01) между группами животных без экранирования и контрольной, что указывает на чувствительность процессов свободнорадикального окисления к действию ЭП ПЧ. Отсутствие статистически значимых различий между группой животных, находившихся в условиях экранирования, и контрольной позволяет подтвердить биологическуюэффективностьсниженияЭППЧпутемприменения экранирующих материалов, используемых при создании СИЗ. Таблица 3 – Результаты оценки концентрации показателей ПОЛ в плазме крови лабораторных животных (M±m) после 5 дней экспозиции МнимаяИстинная экспозицияИстиннаяэкспозиция в Показатель (контрольнаяэкспозицияусловиях группа)экранирования Диеновые конъюгаты, 122,72±7,5397,68±4,35*114,63±6,27 мкмоль/л Кетодиены, мкмоль/л62,29±2,6179,66±2,56**69,04±3,18 * – р<0,05; ** – р<0,01 Результаты экспериментального исследования на животных подтвердили эффективность примененияэкранирующихматериалов длясохранения нормальногофункциональногосостоянияведущихсистеморганизма, обеспечивающих гомеостаз: нейроэндокринной и системы крови. Физиолого-гигиеническая оценка теплового состояния организма человека при эксплуатации СИЗ от ЭП ПЧ в условиях нагревающей среды показала, что прирост температуры тела к 40-й минуте выполнения физической нагрузки у добровольцев в комбинезоне составлял 0,9 °С, средневзвешенная температура кожи составляла 35,16 °С при исходном значении 32,08 °С. Использование комплектации «куртка и брюки» приводило к меньшему приросту температуры тела (0,8 °С), причем различия средневзвешенной температуры кожи были незначительными по сравнению с применением комбинезона (35,22 °С при исходном значении 32,24 °С на 40-ой минуте). Максимальный прирост величины теплосодержания ΔQтс по сравнению с исходным уровнем в комфортных условиях составлял 4,95 и 4,56 кДж/кг при эксплуатации комбинезона и куртки и брюк соответственно (рис.6). Рисунок 6 – Динамика накопления тепла в организме (по отношению к исходному уровню в комфорте и покое) у добровольцев в зависимости от комплектации используемых СИЗ (● – комбинезон, ▲ – куртка и брюки) Установлено влияние применения СИЗ на состояние сердечно-сосудистой системы, выраженное в большей степени при эксплуатации комбинезона по максимальному приросту частоты сердечных сокращений (44 уд/мин) по сравнению с 34 уд/мин при применении комплектации «куртка и брюки», что обосновываетнеобходимостьдальнейшихфизиолого-гигиенических исследований при участии большего количества добровольцев и имитации различных условий нагревающей среды. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенных исследований была разработана методика оценки эффективности СИЗ от ЭП ПЧ, позволяющая напрямую сопоставлять полученные уровни электрической составляющей электромагнитного поля с ПДУ, учитывать различные условия работы (потенциал земли и потенциал провода) и оценку уровней ЭП ПЧ для различных частей тела человека, в том числе уделять внимание критически важным органам (голова, грудь). Исследования на электросетевых объектах позволили апробировать разработанную методику на рабочих местах персонала и обосновать уровни ЭП ПЧ для проведения испытаний в лабораторных условиях. Дальнейшие лабораторные испытания позволили провести оценку эффективности СИЗ при имитации условий работы на потенциале провода, что затруднительно осуществлять в полевых условиях на электросетевых объектах. Математическое моделирование условий эксперимента на животных дало возможность оценить плотность наведенного тока как основного показателя степени влияния ЭП ПЧ на биологические объекты и обосновать эффективность применения экранирующих материалов, используемых при изготовлении СИЗ, для обеспечения снижения негативного влияния ЭП ПЧ на персонал. В исследовании по изучению отдельных биологических эффектов воздействия ЭП ПЧ на животных при имитиции применения экранирующих материалов, аналогичных используемым в типовых образцах СИЗ, выявлено отсутствиевыраженныхбиологическихэффектоввсостоянии нейроэндокринной системы и системы крови, что подтверждалось данными расчетов численных значений токов в фантомах животных. Результатыфизиолого-гигиеническойоценкитепловогосостояния добровольцев при применении СИЗ от ЭП ПЧ в условиях нагревающей среды выявили, что применение СИЗ вносит вклад в термическую нагрузку на организм человека.Обэтомсвидетельствуетувеличениетемпературытела, средневзвешенной температуры кожи, а также интегрального показателя теплосодержанияичастотысердечныхсокращений.Основываясьна полученных предварительных данных, необходимо в будущем при разработке регламентов работы с применением СИЗ от ЭП ПЧ руководствоваться не только ведущим фактором электромагнитной природы, но и определять режимы труда и отдыха электротехнического персонала с учетом тяжести труда и микроклиматических условий работы. Полученные результаты и разработанные математические модели условий экспозициинарабочихместахэлектротехническогоперсонала, обслуживающего высоковольтное оборудование, дают возможность проведения прогностической оценки производственных воздействий ЭП и МП ПЧ. Обоснована возможность применения разработанного в рамках настоящей работы системного подхода к оценке эффективности СИЗ от ЭП ПЧ, в том числе с применением методов численной дозиметрии, что послужит важным инструментом в обеспечении сохранения здоровья электротехнического персонала. ВЫВОДЫ 1. Гигиеническая оценка уровней ЭП и МП ПЧ на наземных рабочих местах персонала электросетевых объектов напряжением 500 и 750 кВ установила наличие превышения ПДУ ЭП ПЧ до 7 раз (35,27 кВ/м) и отсутствие превышений ПДУ МП ПЧ, что обосновывает необходимость применения СИЗ для снижения негативного влияния ЭП ПЧ на организм человека. 2. Разработанные и апробированные математические модели условий экспозицииэлектротехническогоперсоналапозволилиобосновать необходимую степень защиты работников, использующих СИЗ, при работах на высоте (с непосредственным касанием токоведущих частей, находящихся под напряжением) при превышении ПДУ ЭП ПЧ до 120 раз (637 кВ/м), где инструментальный контроль невозможен. 3.Выполненнаяспомощьюразработаннойпрямойметодики, учитывающей несколько точек контроля, оценка эффективности СИЗ показала, что ослабление напряженности ЭП ПЧ составляло до 1,39 В/м внутри СИЗ в области головы и до 0,25 В/м – в области торса, что полностью адекватно для определения соответствия требованиям соблюдения ПДУ и позволило установить степень защиты человека. 4. Оценка величин наведенного ЭП ПЧ плотности тока в тканях и органах математических моделей лабораторных животных позволила определить основные критически важные органы (головной мозг, тимус, селезенка), риск воздействия ЭП ПЧ на которые имеет наибольшую значимость, и установить, что в условиях экранирования плотность наведенного ЭП ПЧ тока не достигает уровней, соответствующих порогу биологического действия. 5. У животных в условиях воздействия ЭП ПЧ, с уровнем, в 10 раз превышающим ПДУ, была выявлена тенденция к угнетению ориентировочно- исследовательскойактивности,увеличениюсодержаниялимфоцитови уменьшению моноцитов в лейкоцитарной формуле крови, статистически значимое уменьшение концентрациидиеновыхконъюгатов (97,68±4,35 мкмоль/л, р<0,05) и увеличение кетодиенов (79,66±2,56 мкмоль/л, р<0,01) в плазме крови, тогда как в условиях экранирования и мнимого воздействия измененийвыявленоне было, чтосвидетельствует обиологической эффективности/значимости ослабления ЭП ПЧ экранирующими материалами, имитирующими СИЗ. 6. Пробные физиолого-гигиенические исследования теплового состояния добровольцев при эксплуатации СИЗ от ЭП ПЧ позволили определить их вклад втермическуюнагрузкунаорганизмработника,отметитьналичие сопутствующего фактора физической природы (повышенной температуры) при проведении работ в летний период года. 7. Проведенные исследования позволили научно обосновать комплексный метод гигиенической оценки СИЗ, включающий теоретическую оценку ЭП и МП ПЧ на рабочих местах, где невозможен инструментальный контроль, дозиметрическую и экспериментальную оценку биологической эффективности снижения уровней ЭП ПЧ при использовании экранирующих материалов, имитирующих СИЗ, и разработанную прямую методику оценки защитных свойств СИЗ с учетом теплового состояния человека при их эксплуатации.