Основы обеспечения безопасности сельских нестационарных электроустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Основы обеспечения безопасности сельских нестационарных электроустановок

Специальность 05. 20. 02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Еремина Тамара Владимировна

Барнаул 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» и ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор О. К. Никольский (ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И. В. Наумов (ФГОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»);

доктор технических наук, профессор Ю. А. Судник (ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина»);

доктор технических наук, профессор А. М. Худоногов (ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путейсообщения»)

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия» им. В.Р. Филиппова

Защита диссертации состоится «15» декабря 2010 года в 9⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (8-3852) 36-71-29, http://www.altstu.ru, e-mail:elnis@inbox.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «___» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор Л. В. Куликова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основным направлением развития аграрного сектора экономики является решение современных социально-экономических проблем. В основе этих проблем лежит перестройка сельского хозяйства, ускорение научно-технического прогресса, переход к ресурсно-энергосберегающей политике, активизация человеческого фактора - развитие предпринимательства и создание на селе среднего класса - фермерства. Это в свою очередь требует расширенное применение электроэнергии, создание нового парка высокоэффективных электрифицированных машин и механизмов, внедрение эффективных электротехнологий как в производство, так и в быт сельского населения. Сформированный в настоящее время перспективный комплекс средств малой механизации (СММ) состоит почти из ста видов различных бытовых приборов и устройств, электроинструмента, мобильных, передвижных и переносных электрифицированных машин с кабельной или автономной системой электропитания. Совокупный парк этой техники на селе достигает 100 млн. единиц. Развитие электровооруженности села, специфические условия эксплуатации и обслуживания электропотребителей, выдвигают серьезную проблему обеспечения непрерывно возрастающих требований сельскохозяйственного производства и инфраструктуры села к надежности и безопасности способов и средств электрификации и автоматизации. Нарушения надежности функционирования электрохозяйства аграрного сектора экономики приводят к гибели людей и животных, значительным материальным потерям, обусловленными многочисленными авариями электрооборудования и пожарам, вызванным электротехническими причинами, ухудшению экологической обстановки.

По мнению экспертов состояние электробезопасности окружающей среды нельзя признать удовлетворительным. Ежегодно только в электроустановках зданий гибнет более 4500 человек, около 30 тысяч - получают увечья и инвалидность, при этом на долю сельской местности приходится порядка 70% от общего числа электротравм. При эксплуатации электрифицированных передвижных машин, переносных приборов и ручного электроинструмента происходит свыше 60% от общего числа электропоражений в сельских электроустановках напряжением 380/220 В.

Необходимо отметить, что применение электрифицированных СММ, в частности, ручных машин, связано не только с опасным воздействием на человека электрического тока, но и такого вредного фактора как вибрация. Анализ использования вибрационной техники показал, что до 90 % ручных машин являются опасными, приводящими к возникновению различных патологий и вибротравматизму.

Неблагоприятной также является пожарная обстановка: значительную часть (до 30%) составляют пожары, вызванные действием электрического тока. Так, в сельской местности в 2009 году было зарегистрировано около 200тысяч пожаров, погибло 13933 человека прямой материальный ущерб причинен в размере 10929,7млн.руб. В целом на село пришлось37,8% от общего количества пожаров, 35,6% - материального ущерба, 47,2% от погибших при пожарах людей. К этому следует добавить значительный (более 60%) износ основных фондов в электрохозяйстве АПК при их интенсивной эксплуатации. В настоящее время более половины электрооборудования в сельском хозяйстве подлежит списанию и замене на новое.

Сложившаяся ситуация как в сельском хозяйстве, так и в целом по России, представляет угрозу национальной безопасности. Это вызвало необходимость включения проблемы техногенной безопасности в перечень критических технологий, утвержденных Президентом РФ 30 марта 2002 г.

Проблемой повышения надежности и безопасности в энергетической отрасли (в том числе сельской электроэнергетики) посвящено большое количество исследований, проводимых как в нашей стране, так и за рубежом.

Проведенные исследования в основном касались стационарных электроустановок, находящихся в зданиях и вне их, в том числе на открытых площадках подстанций. Однако получившие в последние годы широкое распространение электрифицированные СММ характеризуются рядом специфических особенностей, к числу которых следует отнести мобильность, автономность электропитания, их работа зачастую проводится вне помещений и поэтому они подвержены негативным воздействиям внешней среды. Опыт эксплуатации показывает низкую эффективность применения традиционных мер (зануления, защитного заземления, в т.ч. предохранителей и автоматических выключателей) для защиты нестационарных электроустановок.

В результате многолетней недооценки и игнорирования проблемы безопасности нестационарных электроустановок (НЭУ) сложилась кризисная ситуация: действующая система организационных мероприятий и технических средств электрической защиты не удовлетворяет современным требованиям устойчивого и надежного функционирования электрифицированных средств малой механизации; как результат этого - массовые поломки и аварии, приводящие к гибели людей, пожарам и т.д. Социальная значимость проблемы электробезопасности особенно возрастает в условиях создания и развития частного аграрного сектора, в котором принимает участие практически все сельское население страны. Изложенное выдвигает требования, с одной стороны, создание научно-методических основ безопасной эксплуатации нестационарных электроустановок, а с другой, решение ряда прикладных задач, направленных на разработку новой системы безопасности электроустановок (СБЭ), которая должна иметь высокую электрозащитную эффективность и надежность, обоснованную структуру и необходимое нормативно-техническое обеспечение. Причем отсутствие необходимых для этой цели материальных ресурсов, по нашему мнению, может быть преодолено путем создания стратегии оптимизации СБЭ, в основе которой лежала бы минимизация затрат при допустимом (нормируемом) риске опасности электроустановки.

Работа выполнялась в соответствии с государственной научно-технической программой 0.51.21 на 1986 - 1990 гг. и до 2000 г. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства», «Концепцией энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики», Федеральной целевой программы «Пожарная безопасность и социальная защита на 1995 - 1997 годы» и решением совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации и Президиума Государственного совета Российской Федерации от 13 ноября 2003 г. о развертывании фундаментальных, поисковых и прикладных исследований в области безопасности объектов и населения.

Гипотеза. Безопасность сельских нестационарных электроустановок в условиях ресурсных ограничений может быть обеспечена путем комплексного рассмотрения системы «человек - электроустановка - среда» (Ч-Э-С) и установления взаимосвязей между ее компонентами и параметрами с учетом требований первичных критериев электробезопасности и нормативных значений рисков.

Цель работы - создание системы безопасности нестационарных электроустановок, обеспечивающей допустимый уровень риска и удовлетворяющей критериям электробезопасности, при этом минимизирующей финансовые затраты на СБЭ и материальные потери от электротравм и пожаров.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

Провести анализ современного состояния проблемы безопасности нестационарных электроустановок, эксплуатирующихся в условиях сельскохозяйственного производства (в т.ч. фермерских и личных подсобных хозяйствах) и быта населения, систематизировать факторы, характеризующие опасные условия обслуживания передвижного и переносного электрооборудования, бытовых электроприборов и ручного электроинструмента.

Разработать методологию вероятностного анализа системы (Ч-Э-С), выявить основные взаимосвязи ее компонентов и травмоопасные ситуации, построить имитационные модели типа «дерево», дать математическое описание риска.

Построить математические модели, описывающие электропоражения людей с летальным исходом, инвалидизации и временной потерей трудоспособности. Обосновать показатели эффективности СБЭ и дать их количественную оценку.

Провести экспериментальные исследования фона утечки тока нестационарных электроустановок, разработать методы и технические средства периодического контроля и мониторинга состояния изоляции, построить вероятностные модели оценки и прогнозирования параметров изоляции НЭУ.

Обобщить требования к устройствам защитного отключения многофункционального действия, обеспечивающих безопасность людей в штатных и аварийных режимах электроустановки (в том числе защиту от электрического тока, вызывающего эффект «неотпускания»), защиту от пожаров и мониторинг состояния изоляции сети, а также надежность функционирования электрической защиты путем отстройки ее от дестабилизирующих факторов.

Разработать типоряд модернизированных устройств защитного отключения электронного и электромеханического исполнения для различных видов НЭУ и подготовить их к промышленному производству.

Разработать обобщенный метод системной оптимизации СБЭ и определить область приемлемых значений рисков с учетом критерия «затраты - выгоды».

8. Обосновать и принять участие в создании трехуровневой нормативной правовой базы, регламентирующей массовое оснащение жилых, общественных и производственных зданий и сооружений АПК устройствами защитного отключения.

9. Обобщить результаты крупномасштабного эксперимента России веденного регионах, по определению эффективности и надежности устройств защитного отключения.

Объектом исследования являются сельские нестационарные электроустановки производственных животноводческих помещений, фермерских и личных подсобных хозяйств, объектов инфраструктуры села.

Предмет исследования - установление закономерностей, связывающих параметры и показатели технической и экономической эффективности СБЭ, с помощью которых представляется возможным дать оценку и прогноз риска в условиях ограниченных затрат, сопоставив его с нормативным значением.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, идентификации, имитационного моделирования с помощью диаграмм типа «дерево», математические методы оптимизации, теория вероятностей и математическая статистика, методика проведения натурных экспериментов.

Научную новизну представляют:

- метод вероятностного анализа системы «человек - электроустановка - среда», позволяющий получить закономерности возникновения травмоопасных ситуаций при обслуживании НЭУ, математическое описание риска и показателей, характеризующих техническую и экономическую эффективность СБЭ;

- математические модели электропоражения человека с летальным исходом, инвалидизации и временной потери трудоспособности при использовании средств электрозащиты, регламентируемых Правилами устройства электроустановок;

- методы количественной оценки эффективности основных технических средств электрозащиты;

- вероятностные оценки и распределения фона утечки тока передвижного и переносного электрооборудования, ручного электроинструмента и бытовых электроприборов;

- математические модели, устанавливающие закономерности изменения токов утечки в нестационарных электроустановках;

- обобщенный метод системной оптимизации СБЭ, позволяющий решать задачу выбора наилучшего варианта при различном качестве исходной информации, а также определять область приемлемых значений рисков с учетом критерия «затраты-выгоды»;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение новой технологии предупреждения электротравматизма и пожаров, основанной на использовании модернизированных средств электрической защиты, методического и программного комплекса для количественной оценки уровня безопасности, определения оптимальной структуры и параметров СБЭ в условиях заданных экономических ограничений.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке различных конструкций модернизированных УЗО электронного, электромеханического и переносного исполнения с диапазонами номинальных токов (125-10А) и уставками тока срабатывания (500-6 мА), область применения которых охватывает производственные объекты и инфраструктуру АПК и различные по своему назначению электроустановки, оборудование и электроприборы;

- в создании методов и средств периодического контроля и мониторинга состояния изоляции, позволяющих при массовом оснащении объектов устройствами защитного отключения обеспечивать необходимый уровень безопасности и бесперебойное электроснабжение потребителей;

- в разработке виброзащищенного электрического (ИЭ-4204В) и пневматического (КЕ-16В) инструмента, позволяющего существенно снизить уровень виброзаболеваемости среди работников сельского хозяйства;

- во внедрении в проектную и эксплуатационную практику новых принципов построения и модернизации систем безопасности электроустановок для производственных, общественных и жилых зданий агропромышленного комплекса;

- в экспериментальном подтверждении высокой эффективности массового применения УЗО по результатам проведения широкомасштабных натурных испытаний в различных регионах России (установлено, что массовое применение УЗО позволит уже в ближайшие годы снизить электротравматизм более чем на порядок (2…3х10^-6), сократить число пожаров от электроустановок в 5-7 раз и снизить материальные потери от них в сельском хозяйстве примерно 1 млрд. руб. в год).

Реализация и внедрение результатов работы.

Научные положения, выводы и рекомендации были использованы при обосновании современной нормативной базы в области безопасности электроустановок, а также подготовке законодательных и нормативных актов федерального, регионального и муниципального уровня (18 документов), в том числе:

- Федерального закона Российской Федерации от 22 июля 2008г. №123 - ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (Статьи 82, 142 и 143);

- Норм пожарной безопасности - НПБ 243-97. Устройства защитного отключения. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний;

- Программы Минобразования России на 2004-2007 годы «Безопасность образовательного учреждения»;

- «Плана мероприятий по обеспечению безопасности электроустановок в городах и районах Алтайского края на 2004-2008 годы»;

- Краевой целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Алтайском крае на 2005-2010 годы»;

- Решения Главного управления государственной противопожарной службы МВД России и Главгосэнергонадзора России от 30.07.1998 г. «О проведении широкомасштабного эксперимента по применению УЗО для предотвращения пожаров от электроустановок и электротравматизма населения».

В соответствии с Разделом 4.1.4 «Освоение и сопровождение производства устройств защитного отключения» ФЦП «Пожарная безопасность и социальная защита на 1995-1997 гг. и до 2000 г.» было налажено промышленное производства УЗО различных модификаций на ОАО «Барнаульский геофизический завод», ОАО «Дивногорский завод низковольтной аппаратуры» и ОАО «Красноярский радиозавод «Искра» общим объемом до 100 тыс. шт. в год.

Проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ для подготовки промышленного производства осуществлялось на Алтайском электромеханическом заводе «Ротор», Барнаульском радиозаводе, Опытно-конструкторском бюро автоматики, Бийском заводе «Спецавтоматика» в период с 1982 по 2000 гг.

Разработанные «Методические рекомендации по проведению анализа риска электроустановок зданий и сооружений» одобрены Южно-Сибирским управлением Ростехнадзора и Главным управлением МЧС по Алтайскому краю и приняты для практического использования.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работ обсуждались на II Международном симпозиуме «Республика Алтай (Алтай - Золотые горы)» (Горно-Алтайск, 1999г.); Первом Всероссийском научно-практическом совещании «Проблемы и перспективы массового применения устройств защитного отключения в России» (Барнаул, 2000 г.); 6-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-6-2000)» (Томск, 2000 г.); 1-ой региональной научно-практической Интернет-конференции «Энерго-и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2001г.); заседании Научно-технического совета Федерального центра науки и высоких технологий Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций МЧС России (Москва, 2002г.); IX Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Улан-Удэ, 2003г.); 2-ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004г.); на Международных научно-практических конференциях «Региональные аспекты обеспечения социальной безопасности населения Юго-Западной Сибири - проблемы снижения рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера (Барнаул, 2003, 2004, 2006 гг.); Международной научно-практической конференции СО РАСХН «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (Новосибирск, 2009 г.); X Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» (Донецк, 2010г.); 7-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18-19 мая 2010 г., ВИЭСХ).

На защиту выносятся:

1. Концепция вероятностного анализа безопасности нестационарных электроустановок, основанная на системном подходе, использовании математических, инструментальных и натурных методах исследования, и учитывающая в совокупности основные связи системы «человек-электроустановка-среда».

2. Метод, основанный на функционально-морфологическом описании системы безопасности электроустановок, идентификации и систематизации опасных факторов, обосновании показателей технической и экономической эффективности и определении их количественных оценок.

3. Математические модели электропоражения людей, приводящие к различным исходам (летальному, инвалидизации и временной потери трудоспособности), учитывающие штатные и аварийные режимы электроустановки и структурно-параметрические характеристики СБЭ.

4. Математические модели состояния изоляции передвижных и переносных электроустановок, ручного инструмента, позволяющие обосновать чувствительность УЗО, обеспечивающую защиту человека от «неотпускающих» токов, а также прогнозировать значения тока утечки при проектировании СБЭ.

5. Обобщенный метод системной оптимизации, позволяющий при различном качестве исходной информации произвести выбор структуры СЭБ, обеспечивающий нормативное значение риска в условиях ресурсных ограничений.

Достоверность теоретических положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований и многолетними натурными испытаниями разработанных средств электрической защиты.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 64 печатных работ, из них: 22 статьи в журналах по перечню ВАК, 4 патента РФ на изображения, 1 монография и 1 учебник для вузов с грифом Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 170 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет 368 стр., включая 63 рисунка и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены научные новизна и практическая ценность работы, основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов работы.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы безопасности нестационарных электроустановок. Рассмотрены перспективы развития сельской энергетики и электрификации объектов агропромышленного комплекса, включая фермерские и приусадебные хозяйства, быт сельского населения. Приведена классификация средств малой механизации и нестационарных электроустановок в инфраструктуре села. Подробно рассмотрены и систематизированы факторы, характеризующие опасные условия эксплуатации нестационарных электроустановок. Приведены характеристика и анализ электротравматизма в сельском хозяйстве. Дан обзор научно-исследовательских и прикладных работ в области обеспечения безопасности сельских электроустановок.

В контексте сформулированных в диссертации задач выделены электрифицированные СММ и в соответствии с ПУЭ эти средства рассматриваются как нестационарные электроустановки, условно разделяя их на три группы: передвижные, переносные и ручной электроинструмент.

К передвижным электроустановкам отнесем электроагрегаты, которые могут использоваться в качестве автономных источников электроэнергии или рабочих машин и механизмов с кабельной системой электропитания. В эту группу входят различные дизель-электрические машины мощностью до 30 кВт и автоматизированные передвижные электростанции мощностью до 100 кВт. Последние, широко используемые в районах, где отсутствует централизованное электроснабжение, автоматически поддерживают номинальный режим при непрерывной работе в течение 24 часов без обслуживания. Электрические схемы передвижных источников электроэнергии содержат синхронные генераторы, системы возбуждения и регулирования напряжения, измерительную и защитно-коммутационную аппаратуру. Для электропитания передвижных электроустановок - рабочих машин (например, кормораздатчика) применяются переносные кабельные сети длиной 25-50 м из гибкого шлангового кабеля с резиновой изоляцией.

В качестве переносных электроустановок рассматривается электрооборудование и электрифицированные приборы, используемые на фермерских и личных подсобных хозяйствах и в быту населения. Сюда относятся приборы для приготовления пищи, нагрева воды, отопительные и санитарно-гигиенические приборы и др.

Ручной электроинструмент представляет собой рабочий механизм для выполнения различных технологических операций со встроенным электродвигателем. На долю ручного электроинструмента в настоящее время приходится 60-70 % общего объема выпускаемых промышленностью машин и механизмов с различными приводами.

В основу обеспечения безопасности человека при обслуживании НЭУ должно быть положено изучение механизма совокупного влияния вредных и опасных факторов среды обитания (в т. ч. производственной), способных оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность человека, его здоровье и потомство. Проведенный нами анализ показал, что из множества факторов, негативно воздействующих на организм человека при эксплуатации нестационарных электроустановок, наиболее опасными являются электрический ток и вибрации. (Известно, что каждая шестая электротравма приводит к летальному исходу, а из всех видов профзаболеваний наиболее распространенное среди работников сельскохозяйственных профессий является вибрационная болезнь, приводящая к инвалидности).

Эффективность разрабатываемых мероприятий по охране труда и электробезопасности существенно зависят от того, насколько правильно вскрываются причины несчастных случаев. Поэтому анализ электротравм представляет собой одно из основных направлений, способствующих повышению уровня безопасности при эксплуатации производственных и бытовых электроустановок.

Выполненный в диссертации анализ показывает, что сельский электротравматизм составляет около 60 % от общего их числа. Причем наибольшую опасность представляют передвижные и переносные электроустановки и электроинструмент, на долю которых приходится 52,3 % всех несчастных случаев, тогда как на стационарное электрооборудование - 2,4 %. Передвижные и переносные электроустановки эксплуатируются в более тяжелых условиях, чем стационарные. Мобильный характер обслуживания и эксплуатация в различных по степени опасности помещениях приводит к тому, что изоляция токоведущих частей постоянно подвергается механическим, химическим и другим воздействиям. Соединительные линии (например, кабельная система питания) имеют значительно большее число контактных соединений, штепсельных муфт и разъемов, чем в стационарных электроустановках. Кроме того, из-за мобильного характера работы корпуса электроустановок зануляют через одну из жил питающего кабеля. Зануление снижает, но не устраняет опасность электропоражения при замыкании на корпус. При этом опасность значительно увеличивается при обрыве зануляющей жилы кабеля, зачастую имеющей меньшее сечение, чем фазные провода. Все это существенно снижает безопасность передвижных и переносных электроустановок. Одновременно следует подчеркнуть, что эксплуатация мобильной электрифицированной техники требует использование достаточно квалифицированного труда, что в условиях сельского быта становится весьма проблематичным.

Электропроводки в сельских жилых домах выполняются в основном незащищенными, изолированными установочными проводами с алюминиевыми жилами. Такие электропроводки эксплуатируются многие десятилетия, не ремонтируются и не подвергаются периодическим испытаниям. Их ресурс уже исчерпан, а электрические нагрузки превышают нормативные в 2-3 раза. Поэтому электропроводка зачастую становится источником электропоражений и пожаров.

Нами установлено, что около 70 % травм происходит вследствие прямого контакта человека с токоведущими частями, находящимися под напряжением. Это группа электротравм является не только самой многочисленной, но и наиболее опасной из-за отсутствия эффективных мер электрозащиты. Травмы, вызванные появлением напряжения на нетоковедущих металлических частях оборудования, составляют треть всех случаев. Основная причина здесь - несовершенство применяемых мер безопасности.

На основании проведенного анализа статистических данных о несчастных случаях, собранных с помощью Региональной системы учета бытового и непроизводственного электротравматизма (РСУБЭТ) выявлены специфические особенности применения электроэнергии в быту сельского населения, которые, по существу, и обуславливают столь высокий уровень электротравматизма. К основным из них следует отнести низкую эффективность традиционных защитных средств (зануления и защитного заземления) и практически отсутствие современной меры - защитного отключения, несоответствие отечественной нормативной базы требованиям стандартов МЭК и др. Все это привело к тому, что электротравматизм в России в течение тридцати лет (после 1970-х годах) монотонно (близко к экспоненциальному закону) возрастал и к 2000 году увеличился более чем в три раза, в то время как показатель демографической частоты электротравматизма (Д_ч.эт) в странах Евросоюза за этот период снизился в 3, Японии - в 3,5 и США - в 1,4 раза.

Анализ статистических данных за неполное десятилетие (2000 - 2008 гг.) свидетельствует о том, что темпы роста общего электротравматизма относительно стабилизировались. Однако, следует отметить, что в структуре интегрального показателя Д_ч.эт среди населения (городского и сельского) как минимум в два раза при аналогичном снижении в количественном отношении этого показателя в сфере государственного и общественного производства.

Решению важной проблемы повышения надежности и безопасности систем электроснабжения общепромышленного и сельскохозяйственного назначения внесли И. А. Будзко, И. Ф. Бородин, Р. Н. Карякин, Т. Б. Лещинская, И. В. Наумов, О. К. Никольский, А. И. Сидоров, А. А. Сошников, Ю. А. Судник, Н. Н. Сырых, А. М. Худоногов, А. И. Якобс и др. В результате выполненных работ были разработаны теоретические основы оптимальных систем электроснабжения и безопасной эксплуатации электроустановок потребителей. Значительная часть выполненных работ получило дальнейшее развитие в математической теории оптимизации, теории надежности и принятия решения, создания методов расчета и проектирования сложных систем, а также в создании современной научно-обоснованной нормативной базы.

Проведенный аналитический обзор исследований по сформулированной в диссертации проблеме показал, что в большинстве своем они касаются стационарных систем электроснабжения сельских потребителей. Вместе с тем отсутствуют единые методологические основы построения системы безопасности нестационарных электроустановок, не разработана теория вероятностного анализа электробезопасности на основе концепции приемлемого риска. В сельском хозяйстве не решены многие важные научно-технические задачи, связанные с созданием и широким внедрением устройств защитного отключения, методами диагностики и прогнозирования эффективности мер электрозащиты и т. д.

Рисунок 1 - Основные направления исследований

На рисунке 1 изложены основные направления исследований, из которых следует, что создание системы обеспечения безопасности сельских нестационарных электроустановок является комплексной проблемой и должна решаться совместно на стадиях ее проектирования, создания и применения. Поэтому развитие научных основ и решение прикладных задач этой проблемы предопределило рассмотрение основных направлений исследований.

Изложенное обосновывает цель, поставленную в работе, и задачи подлежащие решению.

Вторая глава посвящена методологическим основам системного анализа безопасности сельских электроустановок. Приведено функционально-морфологическое описание системы «человек-электроустановка-среда» (Ч-Э-С). Изложены вероятностно-детерминистическая концепция индивидуального риска электротравмы и основы выбора его приемлемого уровня. Разработаны показатели эффективности функционирования системы безопасности электроустановок и методы вероятностного анализа оценки и прогнозирования риска, обоснована структура информационного обеспечения СБЭ.

Безопасность электроустановки (электрическая и пожарная) рассматривается как интегральная оценка результата взаимодействия компонентов системы «Ч-Э-С» (рисунок 2).

Под системой безопасности электроустановки (СБЭ) условимся понимать совокупность взаимосвязанных организационно-технических мероприятий и защитных средств (блоки А, Б, В и Г), обеспечивающих безопасное взаимодействие человека с электроустановкой в процессе его трудовой деятельности.

Свойства компонентов системы (Ч-Э-С) определяют состояние электробезопасности и учитываются определенной совокупностью параметров (факторов).

Рисунок 2 - Функционально-морфологическое описание системы «человек - электроустановка - среда» (Ч-Э-С)

Электротравма рассматривается как сложное случайное событие, которое в свою очередь зависит от множества случайных элементарных событий, и поэтому обладает большой степенью неопределенности. В этом случае анализ причинно-следственных связей должен опираться на теорию вероятностей и математическую статистику, включая этапы: определение потенциальной опасности электроустановки и неправильного ошибочного действия оператора, разработку логико-математический процедур формирования электротравмы, обоснование комплекса электрозащитный мер и выбора из них наиболее предпочтительного варианта. В основе построения системы электробезопасности должен лежать принцип, базирующийся как на признании существующих опасностей как объективной реальности, так и на понимании в обществе о необходимости выделения соответствующих финансовых средств и ресурсов, направленных на предупреждение этих опасностей. Поэтому основной задачей здесь является обоснование объема инвестиции как для отдельных регионов, так и для агропромышленной отрасли в целом, необходимого и достаточного для получения устойчивого и приемлемого уровня безопасности электроустановок. Причем в качестве интегрального показателя этого уровня рекомендуется использовать понятие риска, как некоторый количественной характеристики, отражающей как вероятность возникновения травмоопасной ситуации (ТС), т.е попадание человека под напряжение, и последствия ТС (исхода, приводящего человека к определенному виду травмы), экономические потери от которой могут быть выражены в виде материального ущерба в денежном эквиваленте. Таким образом, риск R может быть представлен как

Р = РЧУ , (1)

где Р - вероятность травмоопасной ситуации, У - ожидаемый ущерб.

Если имеет место n опасных ситуаций i с различными вероятностями р_i и соответствующим им ущербом у_i в течение 1 года, тогда

R= (2)

В диссертации рассматривается аналитическое, графическое, сценарное и эмпирическое описание модели риска и его оценки. Процедура определения риска сводится к выполнению двух последовательных этапов: определения вероятности электротравматических ситуаций р_i и расчет ущерба у_i при этих событиях.

Тогда определение годового годового риска R(t) можно рассматривать в виде суммы

R(t)=У_м(t)+У_чел(t), (3)

где У_м(t) - суммарный ежегодный материальный ущерб (руб.), вызванный авариями электроустановок, перерывами электроснабжения, недоотпуском товарной продукции и т.д.;

У_чел(t) - суммарный ежегодный ущерб (руб.), обусловленный потерей здоровья или гибелью человека в результате электротравмы при аварии электроустановки или штатного ее функционирования.

Введем следующие допущения:

- Электротравма возникает при непосредственном прикосновении человека токоведущей части электоустановки, находящейся под напряжением, либо при прикосновении токопроводящей части, оказавшейся под напряжением в результате пробоя изоляции или заноса электрического потенциала по сети зануления с других объектов;

- величина У_м(t) применительно к нестационарным электроустановкам достаточна мала по сравнению с У_чел(t) и ею можно пренебречь.

Тогда,

, (4)



где N_ij(t)- вероятность (частота) возникновения j-го вида поражения человека от i-го поражающего фактора (1/год);

У_ij- величина ущербов, обусловленных j-ом видом поражения человека от i-го фактора (руб.).

Разработанный в диссертации сценарный подход к оценке риска позволил выделить три основных последствия (исхода) электротравмы:

- тяжелая степень - летальный исход (У?);

- средняя степень - полная потеря трудоспособности, инвалидизация (У?);

- легкая степень - временная потеря трудоспособности (У??).

Представляя показатели R, Р и У в виде некоторых безразмерных векторов, где =[Ч] и =(0…1), материальный ущерб, обусловленный тяжестью электротравмы, и затраты на создание СБЭ можно выразить в виде векторной матрицы в координатах x, y и z с фиксированным значением базового риска R⁰, полученного до использования затрат на внедрение СБЗ. При введении показателя затрат З_СБЭ и определенных сочетаниях величин Р, У и З_СБЭ в процессе оптимизации можно получить остаточное значение риска R_ост, которое можно рассматривать как приемлемый индивидуальный (применительно к человеку) риск. Вектор изменяется дискретно и принимает три значения материальных ущербов, вызванных тяжелой, средней и легкой степенью электротравмы. В соответствии с апостериорной оценкой, приняв общее количество регистрируемых травм в течение 1 года за единицу, можно оценить долю каждого вида электротравмы: тяжелая ? 0,16, средняя ? 0,28 и легкая степень ? 0,56.

Оценка и прогнозирование индивидуального риска электротравмы связана с решением таких задач, как:

- выявления «слабых мест», т.е. наиболее значимых в формировании недопустимого риска, вызванного дефектами конструкции и эксплуатации электроустановки, ошибки оператора и т.д.;

- выбор предположительных (по критерию «затраты- выгоды») вариантов снижения индивидуального рисков путем проведения оптимизации системы электробезопасности;

- оценка соответствия объекта в целом требованиям электрической, пожарной и экологической безопасности, охраны труда;

- принятие решения о необходимости дополнительных мер по обеспечению безопасности эксплуатации электроустановок.

Решение этих задач в диссертации осуществлялось путем:

- идентификации источников и признаков проявления техногенного риска, определение параметров предпосылок к происшествиям, сценариев их развития с помощью построения диаграммы причинно-следственных связей (дерева событий и исходов) и получения достоверных статистических данных относительно аварийности и травматизма на объектах;

- оценки достаточности мероприятий, для снижения техногенного риска методами системного анализа указанных выше «деревьев».

С помощью рассмотренной концепции была разработана методика оценки индивидуального риска. Однако одним из проблемных вопросов остается недостаточность статистических данных. В этом случае расчет показателей, характеризующих вероятность события и меру последствий этого события, можно проверить методом экспертных оценок с использованием универсальных шкал базовых балльных, описательных и численных оценок. В диссертации предложена эмпирическая шкала в упрощенном варианте.

Проблема установления нормативных рисков для нашей страны представляются весьма важной. Техническим регламентом о требовании пожарной безопасности впервые введено нормируемое значение риска пожара, равное 1Ч10^-6, что соответствует международным стандартам. Очевидно такое же значение следует принять и для оценки риска электроустановки, тем более, что, по нашим данным, риск электротравмы с летальным исходом применительно к сельскохозяйственной отрасли составляет (30…50)Ч10^-6. Разработанная в диссертации концепция (рисунок 3) позволила обосновать приемлемое по социально-экономическим соображением значение риска электроустановки, которое при оптимизации СБЭ может рассматриваться одним из его критериев.

При решении задач моделирования и оптимизации СБЭ необходимо оценивать эффективность комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение электробезопасности. Причем, приоритет здесь должен быть отдан количественным, а не качественным показателям,

Рисунок 3 - Концепция приемлемого риска

поскольку предназначением качественного анализа является изучение общих закономерностей, связанных с функционированием моделируемого объекта (в нашем случае подсистемы «человек - электроустановка»). Цель же количественного анализа достигается решением задач априрорной оценки эффективности СБЭ и прогнозирования соответствующих характеристик моделируемой системы.

В диссертации разработана система показателей, определяющие техническую и экономическую эффективность СБЭ. Причем, в качестве базового показателя предложен приемлемый уровень риска электроустановки R_чел(t), физический смысл которого можно интерпретировать как объективную меру, гарантирующую минимизацию количества электротравм и связанного с ним ущерба.

Показатель технической эффективности П_т.э. представляет собой количественную оценку степени выполнения поставленной цели - создание безопасных электроустановок. В качестве показателя П_т.э. предложено использовать критерии уровня электробезопасности и уровня опасности электропоражения. Эти уровни оценивались соответствующими вероятностями электропоражения Р(ЭП) и электробезопасности Р(ЭБ), связанных между собой соотношением Р(ЭП) = 1 - Р(ЭБ).

В основе оценки экономической эффективности СБЭ должен лежать расчет предотвращенного материального ущерба от электротравм и учет предотвращенных затрат, обусловленных возможными последствиями этих травм (выплата пенсии, пособий и т.д.).

Тогда

, (5)

, (6)

где М(ЭП)_предi и М(ЭП)_остi - математические ожидания числа предотвращенных и остаточных электротравм на множестве электроустановок (объектов) N за время Т; Уi - средний ущерб от электротравмы одного человека.

В качестве показателя, характеризующего уровень электробезопасности региона (отрасли), можно принять ожидаемое количество электротравм людей, имеющих место за определенный период времени Т.

Пусть в каком-либо регионе имеются Q объектов, каждый из которых характеризуется своими значениями М(ЭП)_к, (К=1,Q). Тогда математическое ожидание числа электротравм на множестве Q за рассматриваемое время Т определяется в виде

. (7)

Введение показателя М(ЭП)_? позволяет выполнить прогноз эффективности СБЭ в регионе и дать апостериорную оценку внедренной системы электробезопасности.

В диссертации дано теоретическое обоснование метода вероятностного анализа безопасности сельских электроустановок. Для изучения возникающих в системе (Ч-Э-С) травмоопасных ситуаций необходимо использовать методы моделирования, в общем виде включающие следующие этапы:

- учет наиболее существенных факторов, определяющих возникновение травмоопасной ситуации и ее последствий;

- составление смысловых (описательных) моделей;

- формализация ТС и оценка количественных характеристик.

При этом необходимо выбрать такие языки и алгоритмы, которые были бы достаточны для семантического представления реальных процессов, протекающих в системе (Ч-Э-С).

Наиболее полно рассматриваемой модели удовлетворяет формализованное представление системы в виде графических диаграмм причинно-следственных связей. На наш взгляд, предпочтительным являются диаграммы типа «дерева происшествий», которые обладают высокой информативностью представления и описания изучаемых явлений, хорошей наглядностью и декомпозируемостью, возможностью применения формализованных процедур системного анализа этих моделей и системного синтеза мероприятий, направленных на реализацию заданных целей системы.

Основным этапом системного анализа является построение семантической модели возникновения происшествия и причиненного им ущерба. Сложность данного этапа обусловлена отсутствием в настоящее время строгих формализованных процедур его реализации, что не удается обеспечить абсолютную идентичность моделей одного и того же происшествия, построенных различными исследователями. С учетом изложенного сформулируем основные требования к построению диаграмм типа дерева.

Разработанный алгоритм построения графических диаграмм позволяет представить головное событие (электротравму) в виде совокупности дерева событий (возникновение ТС) и дерева исходов (последствия ТС). Затем проводится качественный и количественный анализ диаграмм. Целью качественного анализа является установление закономерностей возникновения электротравмы и снижения ее последствий, т.е. выявление в соответствующем дереве (ДС и ДИ) тех предпосылок и логических цепочек, реализация которых приводит к появлению либо к не появлению головного события.

Установлено, что использование алгоритма построения и проведения качественного анализа исследуемых здесь деревьев событий и исходов дает определенную степень гарантии адекватности реальным моделируемым опасным процессам, протекающим в электроустановках и установлении на качественном уровне закономерностей проявления и предупреждения несчастных случаев, аварий и пожаров. Это в свою очередь обеспечивает точность количественной оценки эффективности мер по снижению индивидуального риска и требуемую достоверность его прогноза.

Целью количественного анализа диаграмм типа «дерево» является априорная оценка числовых характеристик опасных процессов в электроустановках. Как правило, она связана с определением вероятности появления конкретных несчастных случаев, аварий и т.д., в том числе и математического ожидания их количества на заданном интервале времени. Здесь же рассчитываются размеры ущерба и затрат, связанных с возникновением и предупреждением опасных ситуаций в электроустановках. Конечной целью моделирования является получение результатов количественного анализа для обоснования мероприятий, направленных на предупреждение травматизма.

Разработанный в диссертации метод реализован при выполнении технико-экономических расчетов различных вариантов СБЭ при работе с ручным электроинструментом.

Первый вариант предлагаемых мер состоит в предположении о том, что сопротивление изоляции электроинструмента будет гарантировано измеряться периодически через 6 месяцев, а также перед каждым его применением. При выполнении этого условия вероятность использования ручного инструмента с поврежденной изоляцией, уменьшится. Однако, полностью не исключается возможность повреждения изоляции во время работы.

Второй вариант защитных мер состоит в том, что применение диэлектрических перчаток снизит вероятность травмирования человека при работе с электроинструментом за счет уменьшения тока, проходящего через тело, до значения, меньше порогового ощутимого.

Третий вариант заключается в том, что применение комбинированного устройства защитного отключения значительно повысит эффективность защиты путем практически мгновенного отключения электроинструмента от сети.

Данные расчетов приведены в таблице 1.



Таблица 1

Сравнение вариантов СЭБ по показателям К₁ и К₂ (К₁=затраты/прибыль; К₂=затраты/остаточный ущерб)

№ п/п	Затраты (долл. США)	Исходная вероятность головного события	Новая вероятность головного события	Исходный ущерб (долл. США)	Остаточный ущерб после внедрения СЭБ (долл. США)	Прибыль (долл. США)	К1	К2
1	1	21Ч10-6	12,6Ч10-6	4,2	0,84	1,68	0,59	1,19
2	2	21Ч10-6	1,3Ч10-6	4,2	1,05	2,94	0,68	1,90
3	2,5	21Ч10-6	4,2Ч10-6	4,2	0,24	4,36	0,57	10,41

Сравнение расчетных данных показывает, что, в соответствии с известным принципом оптимизации «затраты-выгоды», наиболее целесообразно затрачивать средства на третий и первый варианты, имеющие практически одинаковое значение коэффициента К_1. Однако реализация первого варианта потребует жесткого выполнения сроков профилактических испытаний электрической изоляции ручного электроинструмента и сертифицированной лаборатории, производящей необходимые измерения, что в условиях фермерских и личных подсобных хозяйств является весьма проблематичным. Сравнительная оценка вариантов по дополнительному показателю К₂ ,учитывающему степень снижения материального ущерба от электротравматизма, убедительно показывает высокую эффективность применения устройств защитного отключения при работе с ручным электроинструментом.

В диссертации приведено обоснование структуры информационного обеспечения системы электробезопасности, в основе которой лежит статистический классификатор, позволяющий автоматизировать сбор и анализ бытового и непроизводственного электротравматизма. Это дает возможность выявить основные факторы, влияющие на показатели электротравматизма, оценить эффективность системы безопасности электроустановок и дать прогноз показателей частоты и тяжести электротравматизма в агропромышленном комплексе.

В третьей главе представлены основные результаты математического моделирования системы безопасности НЭУ. Рассмотрен вероятностно-статистический метод формирования травмоопасных ситуаций как в штатном, так и в аварийном режиме электроустановки. Дано математическое описание электротравмы с различными исходами: летальным, инвалидности и временной потери трудоспособности. Приведена количественная оценка эффективности основных технических средств электрической защиты (зануления, защитного заземления, защитного отключения).

При определенных допущениях система (Ч-Э-С) может рассматриваться как вероятностная модель с некоторыми дискретными ее состояниями Аj, Вj, Сj, … Тогда возникновение электротравмы выражается стохастической моделью

, (8)

где Р12, Р23,Р 34… вероятности перехода рассматриваемой системы из одного состояния в другое.

Событие ЭП_j - возникновение электропоражения человека в j-ой электроустановке, принадлежащей к однородному множеству электроустановок N за время Т - представлено

в виде суммы четырех несовместных событий:

ЭП_j=ЭП₁+ЭП₂+ЭП₃+ЭП₄, (9)

где ЭП₁ - электротравма, вызванная прикосновением к токоведущему элементу электроустановки (прямой контакт);

ЭП₂ - электротравма, вызванная одновременным прикосновение к двум фазным проводам или к фазному и нулевому проводам;

ЭП₃ - то же из-за прикосновения к токопроводящему корпусу электрооборудования с поврежденной изоляцией токоведущих частей (косвенный контакт);

ЭП₄ - то же, вызванная одновременным прикосновение к двум нетоковедущим металлическим частям, одна из которых оказалась под напряжением вследствие заноса электрического потенциала по цепям зануления с другого объекта.

Первые два события происходят в штатном режиме работы электроустановки, события ЭП3 и ЭП4 - в аварийном.

В диссертации введены допущения о том, что:

- электротравма может возникнуть только при появлении одного из четырех событий (ЭП₁, ЭП₂, ЭП₃ и ЭП₄);

-возможен один из трех исходов электротравмы: летальный, инвалидность и временная потеря трудоспособности, причем летальный исход возникает из-за фибрилляции желудочков сердца;

-в электроустановке отсутствует устройство защитного отключения;

-контакт человека с металлической частью оборудования или конструкции, оказавшейся под напряжением, принимается полным, т.е. переходное сопротивление в месте контакта равно нулю;

...