Розвиток методів оцінки безпеки електроустаткування ділянок вугільних шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет

УДК 621.3:622

У вступі розглянута актуальність проблеми, визначена мета роботи, ідея, викладені основні наукові положення і результати, що виносяться на захист, і їх новизна.

Перший розділ роботи присвячений оцінці існуючих методів, що дозволяють оцінити рівень електробезпеки електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт. У МакНДІ вперше були побудовані і запропоновані структурні логічні схеми небезпечних ситуацій, що пояснюють причини, які приводять до ураження людини електричним струмом.

Використання логіко-ймовірних методів для оцінки електробезпеки електроустаткування дозволяє якісно визначити рівень електробезпеки, тому що в даних математичних моделях враховується тільки ймовірність появи події, але не враховується тривалість існування самої події.

Застосування теорії імпульсних потоків для опису процесу ураження людини електричним струмом, що враховує середній час перебування елементів у небезпечному стані, дає невірний результат, якщо в системі наявний хоча б один не відновлюваний ( не обслуговуваний в процесі експлуатації ) елемент. Математичні моделі, в яких використовуються умовні ймовірності, не дають можливості застосовувати їх на практиці, тому що одержати вихідні дані для розрахунків не є можливим.

Застосування Марковських процесів для моделювання процесу ураження людини електричним струмом дозволить описати всі можливі випадки ураження людей електричним струмом при експлуатації електроустаткування й одержати відсутні для аналізу систем характеристики.

Другий розділ роботи присвячений аналізу причин, що приводять до ураження людини електричним струмом при експлуатації електроустаткування. Відповідно до статистики МакНДІ за період із 1991 по 1998 рр. на вугільних шахтах України в підземних виробках відбулося 98 випадків уражень людей електрострумом. Електротравматизм спостерігається в основному (73,5%) в установках напругою до 1кВ. Значна питома вага електротравм припадає на кабельні мережі (25,5%), пускову і комутаційну апаратуру (18,4%), а також на мережі контактної електровозної відкатки. У середньому на шахтах України через кожні 3,5 місяця відбувається випадкове ураження людини електричним струмом у дільничних мережах напругою понад 1кВ і через кожні 4 місяці - у дільничних мережах напругою до 1кВ. При експлуатації комутаційних апаратів напругою до 1кВ - через кожні 4,8 місяця, а від дотику до контактного проводу - у середньому через кожні 5,3 місяця.

Аналіз варіаційних рядів показав, що інтервали часу між суміжними ураженнями людей електричним струмом не суперечать гіпотезі про експонентний закон розподілу інтервалів часу. Отримано довірчі інтервали часу з довірчою ймовірністю 0,95.

У розділі запропоновані для використання норми (табл.1) на ступінь ризику ураження людини електричним струмом для основних видів електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт України. Забезпечення запропонованих норм в умовах експлуатації за рахунок завдання і забезпечення норм надійності на захисне вимикання і захисне заземлення дозволить звести ймовірність ураження людини електричним струмом до малоймовірної величини. Третій розділ присвячений розробці математичної моделі, що дозволяє прогнозувати ймовірність ураження людини електричним струмом при експлуатації електроустаткування на ділянках вугільних шахт.

Ураження людини електрострумом - це складна подія, яку можна уявити як випадковий процес збігу в просторі і часі кінцевого числа незалежних випадкових подій, що мають різну частоту їх появи і тривалість існування.

Таблиця 1 Розподіл випадків уражень людей електричним струмом за період 1991-1998 рр. на вугільних шахтах України й інтенсивність їх появи

Аналіз статистичних даних про випадки ураження людей електричним струмом за 8 років показав, що максимальне число подій, які беруть участь у формуванні процесу ураження людини електрострумом, дорівнює п'яти. Ураження людини електрострумом при замиканнях на землю в різних фазах і точках мережі з ізольованою нейтраллю відбудеться при збігу наступних небезпечних подій: відбулося відмовлення в системі захисного вимикання (апарат захисту від витоків струму на землю); відбулося замикання фази на землю в одній із точок розподільної мережі; відбулося однофазне замикання в електроустаткуванні (або кабельної мережі) іншої фази і точці мережі; відмовив у спрацьовуванні максимальний струмовий захист (МСЗ); відбулося випадкове торкання людини до корпуса електроустаткування, що знаходиться між точками замикання фаз на землю.

Інтервали часу між появами розглядаємих випадкових подій і тривалість їх існування представимо у вигляді Марковського випадкового процесу з двома станами: 0 - безпечний і 1 - небезпечний. Позначимо через і параметри розглядаємих процесів. Величина характеризує інтенсивність чи швидкість, з якою безпечні проміжки часу змінюються на небезпечні, а - частоту чи швидкість зміни небезпечних проміжків часу на безпечні.

Ураження людини електричним струмом настає в момент зустрічі процесів у стані 1.

Завдання полягає в тому, щоб через статистичні характеристики випадкових функцій визначити середній час до першого ураження людини електричним струмом , якщо в початковий момент часу всі елементи системи знаходилися в безпечному стані, дисперсію цього часу і ймовірність ураження людини електричним струмом за час .

Для рішення поставленої задачі виразимо значення , , через параметри процесів . Для цього сукупність цих процесів розглянемо як однорідний Марковський процес з 2⁵ = 32 дискретними станами і безупинним часом.

Четвертий розділ присвячений розробці методики оцінки електробезпеки гірничого електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт. Позначимо символом види електроустаткування, символом - види засобів захистів, символом - види середовища. Індекс - номер елемента, у якому відбулося замикання на землю, відноситься до всіх груп елементів. Індекс при групі елементів означає номер групи електроустаткування (табл.1). Індекс при групі елементів - це номер засобів захисту: 1 - апарати захисту від витоків струму на землю; 2 - захисне заземлення; 3 - індивідуальні засоби захисту. Індекс при групі елементів - номер виду середовища: 1 - особи без індивідуальних засобів захисту; 2 - особи з індивідуальними засобами захисту. Індекс у всіх трьох групах елементів при означає номер небезпечного фактора (небезпеки), дія якого переводить елемент із безпечного стану в небезпечний: 1 - замикання фази на землю; 2 - оголені жили кабелю; 3 - відмовлення загального заземлення; 4 - відмовлення місцевого заземлення; 5 - відмовлення в спрацьовуванні загальномережнього захисту від витоків струму на землю для мереж напругою 3- 6 кВ (АЗО-6); 6 - відмовлення в спрацьовуванні апарата від витоків струму на землю для мереж напругою до 1 кВ (реле витоку); 7 - відмовлення в спрацьовуванні максимального струмового захисту (МСЗ); 8 - відмовлення індивідуальних засобів захисту; 9 - дотик людини до металевої оболонки. Використовуючи прийняті в роботі допущення, коди і події, будуємо “дерево” формування процесу ураження людини електричним струмом для різних видів доторкань. Ймовірність ураження людини електричним струмом протягом часу , за умови, що визначається наступним способом

 , (8)

де - інтенсивність ураження людини електричним струмом.

У роботі показано, що при випадковому дотику людини до корпуса електроустаткування, який знаходиться під напругою при однофазних замиканнях у різних фазах і точках мережі, неврахування часу перебування захисного вимикання і МСЗ у відмовному не виявленому стані, а також тривалості існування замикання фази на заземлюючу мережу і тривалості торкання людини корпуса електроустаткування занижує результат розрахунків у разів.

Якщо пристрій захисного вимикання у процесі експлуатації не обслуговується, тоді рівень електробезпеки погіршиться в 140 разів.

Для випадкового дотику людини до струмоведучих частин електроустаткування при його ремонті у роботі визначений середній час, протягом якого захисне вимикання повинне працювати безвідмовно, при щозмінній перевірці його , щоб ризик ураження людини електричним струмом був мінімальним . Ця величина повинна складати не менше 981г.

З наведеного аналізу видно, що якщо засоби захисту не загрубляти (відключати), тоді нормований рівень електробезпеки (табл.1) на ділянках вугільних шахт України можна забезпечити за рахунок якісного контролю працездатності засобів захисту відповідно до нормативних документів.

Таким чином, завдання підвищення електробезпеки на ділянках вугільних шахт повинне вирішуватися комплексом заходів, тобто поліпшенням характеристик усіх ланок захисту.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі поставлене і вирішене актуальне для вугільної промисловості України наукове завдання, що полягає в розробці математичної моделі й аналітико-експериментальних залежностей, які дозволяють прогнозувати рівень електробезпеки устаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт.

Основні результати виконаної роботи полягають у наступному:

1. Зроблений аналіз можливості застосування логіко-ймовірних методів для оцінки електробезпеки електроустаткування показав, що їх застосування значно завищує результати розрахунків інтенсивності ураження людини електрострумом, тому що вони не враховують час перебування елемента мережі у невиявленому стані відмовлення, а також терміни їх профілактики.

2. Аналіз статистичних даних про випадки ураження людини електричним струмом на вугільних шахтах України за період з 1991 по 1998 рр. показав, що в галузі в середньому через кожні 3,5 місяця відбуваються випадкові ураження людини електричним струмом у дільничних мережах напругою понад 1кВ і через кожні 4 місяці - у дільничних мережах напругою до 1кВ. Ураження людини від дотику до контактного проводу відбувається в середньому через кожні 5,3 місяця, а при експлуатації комутаційних апаратів напругою до 1 кВ - через 4,8 місяця.

3. Аналіз варіаційних рядів, отриманих по статистичним даним МакНДІ за період з 1991 по 1998 рр. показав, що інтервали часу між ураженнями людини електричним струмом не суперечать гіпотезі про експонентний закон розподілу ймовірностей.

4. Розроблені і запропоновані норми на частоту появи випадків ураження людини електричним струмом (ступінь ризику) при експлуатації електроустаткування, отримані довірчі інтервали з довірчою ймовірністю 0,95. Довірчі інтервали показують, що якщо не вводити нових кардинальних рішень для запобігання електротравм, то щорічно частота ураження людини електричним струмом у 95% випадків буде попадати в розраховані довірчі інтервали для 9 видів електроустаткування і лише в 5% - ні.

5. Вперше запропоновані для використання норми на ступінь ризику ураження людини електричним струмом для основних видів електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт України.

6. На основі Марковських випадкових процесів запропонована нова математична модель, що дозволяє виявити і пояснити причину ураження людини електричним струмом при експлуатації гірничого електроустаткування. Одержані нові залежності ймовірності ураження людини електричним струмом від частоти появи однофазних замикань на землю, порушення ізоляції кабелю, подачі напруги на електроустаткування і кабель, дотику людини до оболонок чи струмоведучих частин устаткування і тривалості існування небезпечних подій, надійності захисного вимикання, захисного заземлення і термінів їх профілактики.

7. Одержані нові логічні “дерева”, що пояснюють причини ураження людини електричним струмом при експлуатації електроустаткування і схеми мінімальних електронебезпечних сполучень.

8. Розроблена методика оцінки електробезпеки гірничого електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт, яка дозволяє прогнозувати рівень електробезпеки, задавати норми надійності на захисне вимикання і захисне заземлення, при яких забезпечується нормований рівень електробезпеки.

9. Для високовольтного електроустаткування показано, що якщо не враховувати наявність у мережі А30-6, то інтенсивність ураження людини електричним струмом збільшується в середньому в 735,5 разів.

10. Якщо середній інтервал часу між відмовленнями захисного вимикання буде складати , а терміни його профілактики г, тоді інтенсивність ураження людини електричним струмом при випадковому дотику до струмоведучих частин електроустаткування складе при цьому середній інтервал часу між випадковими дотиками повинен бути г, а середній інтервал часу між випадковими подачами напруги на устаткування - г.

11. При однофазному замиканні на корпус і випадковому дотику людини до нього інтенсивність ураження його електрострумом буде дорівнювати при цьому середній інтервал часу між появами однофазних замикань повинен складати г, середні інтервали часу між відмовленнями загального і місцевого заземлення - г і г відповідно, середній інтервал часу між відмовленнями захисного вимикання - г, а середній інтервал часу між випадковими дотиками людини до корпуса - г.

12. Для однофазних замикань у різних фазах і точках мережі і при випадковому торканні людини корпуса електроустаткування, що знаходиться між двома точками однофазного замикання на заземлюючий контур, інтенсивність ураження людини електрострумом складе при цьому середні інтервали часу між появами однофазних замикань в електроустаткуванні і кабельній мережі повинні бути г і г - відповідно, середні інтервали часу між відмовленнями захисного вимикання і МТЗ г і г - відповідно, а середній інтервал часу між випадковими дотиками до корпуса електроустаткування - г. У тому випадку, коли захисне вимикання в процесі експлуатації не обслуговується () інтенсивність ураження людини електрострумом збільшиться в 140 разів.

13. Аналіз статистичних даних МакНДІ показав, що не був зафіксований жодний випадок ураження людини електричним струмом при справному стані захисного вимикання.

Основні публікації за темою дисертації

1. Журавель Е.А. Анализ электробезопасности и степени риска поражения человека электрическим током на угольных шахтах Украины // Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія: ”Електротехніка і енергетика ", випуск 28: Донецьк: ДонНТУ. - 2001. - С.192 - 194.

2. Журавель Е.А. О возможности поражения человека электрическим током при эксплуатации электрооборудования на участках угольных шахт // Геотехнологии на рубеже ХХI века./ Под общ. ред. С.С. Гребенкина, Ю.В. Бондаренко - Донецк: ДУНПГО. - 2001. - Т.1. - С.148 - 153.

3. Ковалев А.П., Журавель Е.А., Шевченко О.А. Об оценке степени риска поражения человека электрическим током при эксплуатации электрооборудования на участках угольных шахт // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 17: Донецьк: ДонДТУ. - 2000. - С.165 - 169.

4. Ковалев А.П., Журавель Е.А., Шевченко О.А. О степени риска поражения человека электрическим током при эксплуатации электрооборудования // Збірник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 21: Донецьк: ДонДТУ. - 2000. - С.123 - 126.

5. Ковалев А.П., Муха В.П., Шевченко О.А., Журавель Е.А. О пожарной безопасности кабельных сетей 10 - 0,4 кВ промышленных и бытовых объектов при их эксплуатации // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 17: Донецьк: ДонДТУ. - 2000. - С.176 - 177.

6. А.П. Ковалев, О.А. Шевченко, Е.А. Журавель, М.А. Нагорный. Выбор надежности коммутационного аппарата, обеспечивающего пожарную безопасность шахтной сети электроснабжения // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ / Под общей редакцией доктора технических наук, профессора И.Г. Ширнина. - Донецк: ООО “Юго - Восток, Лтд”. - 2002. - С.161 - 164.

7. А.П. Ковалев, Е.А. Журавель, Ю.В. Товстик. О нормировании риска поражения человека электрическим током при эксплуатации установок // Уголь Украины. - 2002. - №2 - 3. С.60 - 61.

Особистий внесок здобувача: [3] - встановлена залежність частоти ураження людини електричним струмом при ремонтах електроустаткування; [4] - розроблена методика оцінки електробезпеки електроустаткування на ділянках вугільних шахт; [5,6] - визначена надійність системи вимикання захисного комутаційного апарата; [7] - обробка статистичної інформації, визначення ступеня ризику ураження електрострумом.

АНОТАЦІЇ

електробезпека устаткування захисний струм

Журавель О.А. Розвиток методів оцінки безпеки електроустаткування ділянок вугільних шахт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - “Охорона праці”. Донецький національний технічний університет, Донецьк - 2002.

Дисертація присвячена питанням розвитку методів оцінки електробезпеки гірничого електроустаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт. Запропоновані для використання норми на ступінь ризику ураження людини електричним струмом для основних видів електроустаткування. Розроблена математична модель, яка дозволяє виявляти та обґрунтовувати причини ураження людини електричним струмом і яка відрізняється від відомих тим, що крім ймовірності відмовлень елементів системи враховується також ймовірність перебування елемента у стані відмовлення.

Це дозволяє точніше прогнозувати рівень електробезпеки устаткування, що експлуатується на ділянках вугільних шахт і визначати середній час до ураження людини електричним струмом, дисперсію цього часу, ймовірність знаходження системи в кожному із можливих станів і ймовірність ураження людини електрострумом. Запропонована нова структурна схема можливого формування випадків ураження людини електрострумом і схеми мінімальних електронебезпечних сполучень. На підставі отриманої математичної моделі, розроблена “Методика оцінки електробезпеки електроустаткування на ділянках вугільних шахт”. Результати роботи апробовані на шахтах “Жовтневий рудник”, “Глибока”, ім. Челюскінців державної холдінгової компанії “ДонВугілля”.

Ключові слова: електробезпека, однофазне замикання, захисне вимикання, захисне заземлення, максимальний струмовий захист, випадкові процеси, кінцеві Марковські ланцюги, інтенсивність ураження.

Журавель Е.А. Развитие методов оценки безопасности электрооборудования участков угольных шахт. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - “Охрана труда”. Донецкий национальный технический университет, Донецк - 2002.

Диссертация посвящена вопросам развития методов оценки электробезопасности горного электрооборудования, эксплуатирующегося на участках угольных шахт.

На горнодобывающих, энергетических, топливных объектах наиболее часты случаи поражения человека электрическим током. В мире от электрических травм ежегодно погибают 25 тыс.чел., в том числе на производстве - около 15 тыс.чел., т.е., почти 60%.

Анализ статистических данных МакНИИ за период с 1991 по 1998гг. показал, что на угольных шахтах Украины число поражений электрическим током в установках напряжением до 1кВ составляет более 73%, причем значительный удельный вес приходится на кабельные сети (25,5%), пусковую и коммутационную аппаратуру (18,4%), а также на сети контактной электровозной откатки (более 18%). Поэтому задача, связанная с прогнозированием и оценкой вероятности поражения человека электрическим током от различных видов электрооборудования и обоснование норм надежности на защитное отключение и защитное заземление, при которых обеспечивается нормируемый уровень электробезопасности, является весьма актуальной.

В работе дан анализ существующих методов оценки электробезопасности. Обоснована нецелесообразность применения логико - вероятностных методов для оценки электробезопасности электрооборудования, так как эти методы не учитывают время нахождения элементов системы в необнаруженном отказавшем состоянии, а также сроков их профилактики, что завышает результаты расчетов. Применение теории импульсных потоков для описания процесса поражения человека электрическим током дает неверный результат, если в системе присутствует хотя бы один невосстанавливаемый элемент, а использование математических моделей с применением условных вероятностей практически невозможно из-за сложности получения исходных данных.

В работе впервые предложены для использования нормы на степень риска поражения человека электрическим током для основных видов электрооборудования, эксплуатирующегося на участках угольных шахт Украины. Обеспечение предлагаемых норм в условиях эксплуатации за счет задания и обеспечения норм надежности на средства защиты позволит свести случаи поражения людей электрическим током к маловероятной величине.

На основе Марковских случайных процессов разработана новая математическая модель, позволяющая выявлять и объяснять причины поражения человека электротоком при эксплуатации горного электрооборудования. Эта модель отличается от известных тем, что кроме вероятности отказов элемента системы также учитывает и вероятность нахождения элемента в отказавшем состоянии, а также позволяет определять среднее время до первого поражения человека электротоком, дисперсию этого времени и вероятность нахождения системы в каждом из возможных состояний.

Получены системы уравнений, позволяющие определять основные характеристики электробезопасности участков угольных шахт и обосновывать нормы надежности на защитное отключение и защитное заземление, а также выбирать сроки их профилактики, при которых возможно обеспечить нормируемый уровень электробезопасности оборудования.

Предложена новая структурная схема возможного формирования процесса поражения человека электрическим током, позволяющая представить участок угольной шахты в виде минимальных электроопасных совмещений, которые показывают как из отдельных независимых опасных состояний элементов системы (опасностей) формируется завершающее событие - поражение человека электрическим током.

Предложены новые зависимости частоты поражения человека электрическим током от частоты появления замыканий на заземляющую сеть, прикосновения человека к металлическим оболочкам или токоведущим частям электрооборудования, нарушения изоляции кабеля, подачи напряжения на оборудование (при ремонтах) и длительности существования этих опасных событий, а также надежности средств защиты и сроков их профилактики.

На основании полученной математической модели разработана инженерная методика: “Методика оценки электробезопасности электрооборудования на участках угольных шахт”, которая позволяет прогнозировать и оценивать уровень электробезопасности участков угольных шахт при эксплуатации горного оборудования и разрабатывать организационные и технические мероприятия по обеспечению безопасности труда горнорабочих. Результаты работы апробированы на шахтах “Октябрьский рудник”, “Глубокая”, им. Челюскинцев государственной холдинговой компании “ДонУголь”, что позволило научно обосновать надежность защитного отключения и защитного заземления, при которых обеспечивается нормируемый уровень электробезопасности.

Ключевые слова: электробезопасность, однофазное замыкание, защитное отключение, защитное заземление, максимальная токовая защита, случайные процессы, конечные Марковские цепи, интенсивность поражения.

Zhuravel E.A. Development of methods of electric equipment safety rating for sites of collieries. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.26.01 “Protection of labour”. Donetsk national technical university, Donetsk 2002.

The dissertation is devoted to questions of electrical safety rating methods for mining electric equipment maintained on sites of collieries. Norms for degree of risk of defeat by electrical current from basic kinds of electrical equipment are offered for usage. The mathematical model allowing to reveal and explain the reason of a defeat by electrical current is developed. This model differs from other well known models by fact that, except for probability of system element failures, it takes into account the probability of system element being in given-up status. The offered model allows to determine the average time up to a defeat by electrical current, dispersion of this time, probability of system being in each of possible statuses and probability of defeat by electrical current. The new block diagram of defeat by electrical current probabilities replacement and schemes of minimal electrodangerous combinations are developed. On the basis of received mathematical model, “The technique of a electrical safety rating for mining electrical equipment” is developed. Results of work are applied on such mines as: “Oktyabrskiy rudnik”, “Glubokaya”, mine named by Cheluskinzev, state holding company “Don Ugol”.

Key words: electrical safety, single-phase short circuit, protective disconnect, protective grounding, maximal current protection, casual processes, final Markov's circuits, intensity of defeat.

Размещено на Allbest.ru