Основы обеспечения безопасности сельских нестационарных электроустановок

Создание системы безопасности нестационарных электроустановок, эксплуатирующихся в условиях сельскохозяйственного производства. Материальные потери от электротравм и пожаров. Модернизация электронных и электромеханических устройств защитного отключения.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 30.01.2018
Размер файла 1,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Событие электропоражение ЭП1 может произойти при одновременном совпадении следующих событий:

А1 - прикосновение человека к токоведущему контакту электроустановки;

В1 - возникновение эффекта «неотпускания», проявляющегося в невозможности самостоятельно разжать ладонь, охватывающую токоведущую часть;

С1 - длительность воздействия тока на человека меньше 1 с.

Электротравма ЭП1 приводит к летальному исходу.

Тогда

ЭП11·В1·С1 или Р(ЭП1)=Р(А1)·Р(В1)·Р(С1), (10)

где Р (ЭП1), Р(А1), Р(В1), Р(С1) - вероятности соответственно событий ЭП1, А1, В1 и С1.

Электропоражение ЭП2 может произойти при совместном совпадении четырех независимых событий:

А2 - прикосновение к фазному проводу;

В2 - прикосновение к нулевому или другому фазному поводу;

С2 - то же, что и событие В1;

Д2 - то же, что и событие С1.

Электротравма ЭП2 приводит к летальному исходу:

ЭП22·В2·С2·Д2 или Р(ЭП2)=Р(А2)·Р(В2)·Р(С2)·Р(Д2). (11)

Электропоражение ЭП3 может произойти при совместном совпадении следующих событий:

А3 - пробой изоляции на токопроводящие части электрооборудования;

В3 - прикосновение человека к корпусу электрооборудования.

Далее возможны следующие сценарии события С3:

С3' - ток, протекающий через тело человека, превышает пороговый “неотпускающий”, но ниже фибрилляционного (при сопротивлении цепи тока через тело человека порядка 10 кОм, когда имеется частичная изоляция ног человека от токопроводящего пола);

С3" - ток, протекающий через тело человека, меньше порогового значения “неотпускающего” тока (человек самостоятельно разрывает цепь тока).

Если совершается сценарий С3', то исход электротравмы в зависимости от физиологического состояния человека может привести либо к серьезному расстройству здоровья (инвалидности), либо к более легкому исходу - временной потери трудоспособности.

При возникновении сценария С3", ущерб здоровью не наносится (электрический удар).

Событие ЭП3 можно представить как:

ЭП33·В3·С3 или Р(ЭП3)=Р(А3)·Р(В3)·Р(С3). (12)

Не трудно видеть, что событие ЭП4 развивается по сценарию события ЭП3.

Поэтому

ЭП44·В4·С4 или Р(ЭП4)=Р(А4)·Р(В4)·Р(С4). (13)

Тогда полную вероятность возникновения электропоражения человека в j-ой электроустановке:

Р(ЭП)j=Р(А1)·Р(В1)·Р(С1)+Р(А2)·Р(В2)·Р(С2)·Р(Д2)+Р(А3)·Р(В3)·Р(С3)+Р(А4)·Р(В4)·Р(С4). (14)

Вероятности электропоражения на объекте, содержащим N электроустановок, время Т:

Разработаны математические модели электропоражения человека в основе которых лежит положение о том, что вероятность электропоражения в j-ой электроустановке есть произведение вероятностей двух событий: попадание человека под напряжение и такого его состояния, при котором ток через тело iчел (при заданной длительности tвоз) является поражающим, т.е.

Р(ЭП)ij=Р(Uпр)ij·Р'(Пор)j, (16)

где Р(Uпр)ij - вероятность попадания человека под напряжение i-го человека в j-ой электроустановке; Р'(Пор)j - условная вероятность электропоражения в j-ой электро-установке.

Причем,

Р'(Пор)j=ѓ(iчел· tвоз) (17)

Для определения условных вероятностей использовались данные МЭК, определяющие области возможных исходов воздействия электрического тока на организм человека.

Рисунок 4 - Области возможных исходов воздействия переменного электрического тока на организм человека (по данным МЭК) 1 - область допустимых (безопасных) токов, tвоз> ?. 2 - область благополучных исходов (электрический удар), Р(Iчел, tвоз), tвоз ? 5 с. 3 - область опасных исходов (временная потеря трудоспособности), Р(Iчел, tвоз), tвоз ? 5 с. 4 - область опасных исходов (инвалидность), Р(Iчел, tвоз), tвоз ? 5 с. 5 - область летальных исходов, Р(Iчел, tвоз), tвоз ? 1 с.

Расчет Р'(Пор)j производится путем интегрирования плотностей распределения тока через тело человека ѓ(iчел) и кривых распределения смертельного Fсм(iчел) или опасного Fоп(iчел) исходов. При этом пределы интегрирования определяются с учетом механизма действия того или иного вида защиты, который обусловливается либо уменьшением времени

воздействия на организм человека электрического тока либо снижением напряжения прикосновения.

Плотности распределения f(iчел) могут быть получены с помощью метода статистического моделирования. Интегральная функция распределения Fсм(iчел) смертельного исхода может быть получена на множестве точек кривой С при фиксированном значении tвоз = t0. Аналогичным образом определяются F'оп(чел) и F”оп(чел) соответственно по кривым В и С при расчете условных вероятностей опасных исходов (инвалидизация и временная потеря трудоспособности) (рисунок 5).

Рисунок 5 - Совмещенные интегральные функции распределения F(iчел) при различных исходах электротравмы с плотностью распределения f(iчел)

При принятых допущениях математические модели электропоражения человека могут представлены в виде:

с летальным исходом -

(18)

с исходом инвалидности -

(19)

с временной потерей трудоспособности -

(20)

Здесь, и - нижнее пороговое значение «неотпускающего» тока и возможные наибольшие токи, протекающие через человека в рассматриваемых исходах электротравмы.

В диссертации приведен метод расчета эффективности основных средств электрической защиты. Для оценки эффективности УЗО используется выражение

, (21)

где Р(ЭБ)б - вероятность электробезопасности человека в электроустановке при отсутствии УЗО (базовый вариант); Р(ЭБ)УЗО - то же, при оснащении электроустановки УЗО.

Эффективность УЗО оценивается применительно к событиям ЭП1 и ЭП2, вызванным прикосновением человека к токоведущей части электроустановки.

В диссертации рассмотрены возможные сценарии последствия события ЭПj (при tсрУЗО = const):

Ток через тело человека меньше порогового значения “неотпускающего” тока, т.е. Iчел<Iнеот. В этом случае человек самостоятельно разрывает электрическую цепь и электропоражение не происходит: событие с благополучным исходом - ЭП'.

2. Ток через человека равен или больше тока уставки УЗО, т.е. Iчел?Iуст. Тогда УЗО срабатывает за весьма короткое время (?0,05 с), эффект “неотпускания” не успевает развиться: событие ЭП'' опасности не представляет.

3. Ток через человека меньше тока уставки УЗО, т.е. Iчел<Iуст. В этом случае УЗО не срабатывает, что можно интерпретировать как возникшую опасную ситуацию нахождения человека в незащищенной зоне и появление эффекта “неотпускания”. При времени воздействия тока, меньшем 1 с, смертельную опасность представляет ток, равный пороговому фибрилляционному току: событие ЭП??? приводит к летальному исходу.

4. Ток через человека равен или больше уставки, но УЗО не сработало по причине его отказа, что соответствует модельной ситуации попадания человека под напряжение в электроустановке, неоснащенной УЗО: событие ЭП???? приводит к летальному исходу.

В соответствии с теоремой сложения вероятностей находим

(22)

. (23)

Тогда вероятности электропоражения человека в электроустановке (при условии Р(Uпр.оп)=1), оснащенной УЗО, соответственно равны:

В диссертации произведен расчет вероятностей , , , а так же показателя электрозащитной эффективности УЗО Пэузо применительно к случаям возникновения электротравмы с летальным исходом, инвалидностью и временной потери трудоспособности. Показано, что при уставке тока срабатывания УЗО, равной 6мА, обеспечивается минимальное значение Р(ЭП)j=2,98· и максимальное значение Пэузо=16,72. Если Iуст превышает пороговое значение «отпускающего» тока (например, 10мА), то показатель Р(ЭП)j увеличивается в 4,1, а показатель Пэузоj соответственно уменьшается в 4,3 раза. Уставки тока срабатывания 100 и 300 мА (рекомендуемые стандартами) практически не защищают человека от электропоражений.

Полученные расчетные значения Р(ЭП)j и ПЭУЗОj позволили не только количественно оценить эффективность электрической защиты, но и легли в основу требований к параметрам устройства защитного отключения при эксплуатации нестационарных электроустановок. Так, чтобы обеспечить нормативный уровень электробезопасности (1…2)?10-6 при пользовании, например, ручным электроинструментом, ток уставки УЗО должен быть 6 мА, а время срабатывания - не более 0,5 с.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований изоляции сельских электроустановок. Изложена методика сбора экспериментальных данных по токам утечки основных видов нестационарных электроустановок: передвижные агрегаты, переносные приборы и ручной электроинструмент. Получены числовые оценки и законы распределения токов утечки. Построены математические модели токов утечки и определены параметрические зависимости прогноза этих утечек для обеспечения безопасной эксплуатации НЭУ.

Разработаны методы и средства инструментального контроля состояния изоляции по току утечки, включающие периодический ее контроль и автоматический мониторинг.

Установлено, что неудовлетворительное техническое состояние внутренних электрических сетей зданий и сооружений в сельском хозяйстве является одной из основных причин аварий, электропоражений людей и пожаров. Существующий метод измерения изоляции с помощью мегаомметра, основанный на принципе наложения постоянного тока на переменный ток сети не позволяет определить фактическую проводимость. Поскольку физические процессы в изоляции при постоянном и переменном напряжении имеют различный характер, то, очевидно, и результаты измерения мегаомметром будут отличаться от действительных величин сопротивлений изоляции в реальных условиях переменного напряжения в сети.

В диссертации рассмотрен способ контроля, основанный на выделении с помощью дифференциального трансформатора тока (ДТТ) тока утечки Iут, представляющего собой геометрическую сумму полных токов утечки фазных проводов, включаю активную и емкостную составляющую (рисунок 6).

Рисунок 6 - Принцип выделения (регистрации) тока утечки в сети

Достоинство данного метода состоит в том, что измерение тока утечки проводится в рабочем режиме с учетом номинального напряжения сети и реальной нагрузки. Контроль тока утечки, являясь более безопасным в отличии от измерения сопротивления изоляции, не требует применения повышенного напряжения, тем самым, при производстве измерений не происходит ухудшение состояния контролируемой сети.

В работе показано, что для проведения регламентных работ по обслуживанию электроустановок необходимы простые в эксплуатации и надежные средства периодического контроля состояния изоляции.

В АлтГТУ при непосредственном участии автора разработан и в настоящее время используется измеритель тока утечки типа ИДТУ, функциональная схема которого представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Функциональная схема ИДТУ 1. Дифференциальный трансформатор тока; 2. Входной фильтр и делитель напряжения; 3. Аналого-цифровой преобразователь; 4. Блок выбора пределов измерения; 5. Цифровой индикатор; 6. Источник питания с выпрямителем

Обоснованы требования к конструкции и параметрам прибора и метрологическим характеристикам. Для повышения надежности измерителя предусмотрена отстройка от дестабилизирующих факторов, вызванных влиянием взаимоиндуктивности между силовой и измерительной обмотками ДТТ, остаточной намагниченностью и высшими гармониками.

Прибор ИДТУ, выполненный в виде токоизмерительных клещей, осуществляет поиск и локализацию поврежденного участка сети, вызвавшего срабатывание УЗО. Измерение тока утечки производится на отходящей питающей линии, контролируемой датчиком ДТТ, и нагрузкой. На рисунке 8 и в таблице 2 приведены процедуры выполнения необходимых мероприятий.

Опыт эксплуатации прибора в Алтайском крае и Республике Бурятия показал высокую эффективность поиска и установления причин срабатывания УЗО от токов утечки в групповых и распределительных сетях зданий и сооружений значительной протяженности (более 100 м). Достоверность срабатывания УЗО повышается за счет учета в сетях емкостной составляющей токов утечки, величина которой в среднем на два порядка выше активной составляющей. Кроме того, необходимость использования прибора ИДТУ обусловлена введением ограничений на максимально допустимые токи утечки в сетях жилых и общественных зданий (ПУЭ, 7-е изд.,п.7.1.83), а также внесен-ным нами предложением о целесообразности нормирования верхнего значения «отпускающего» тока.

Рассмотрен метод непрерывного контроля изоляции электроустановок путем создания системы автоматического мониторинга (рисунок 9), с помощью которого представляется возможным дать оценку и прогноз состояния изоляции в рабочем режиме. Условимся понимать под автоматическим мониторингом такой контроль, когда состояние изоляции фиксируется измерительным органом или сигнальным устройством или тем и другим одновременно и непрерывно в течение всего времени нахождения установки под рабочим напряжением.

Рисунок 8 - Алгоритм поиска и локализации места повреждения изоляции электрической сети

Сформулированы основные требования к мониторингу состояния изоляции в части обеспечения результатов измерения в дискретной или непрерывной форме регистрации физических величин, а также сигнализации о достижении параметров изоляции критического значения.

Из известных способов постоянного контроля изоляции (мониторинга) наиболее перспективным представляется схема измерения тока утечки с использованием дифференциального трансформатора тока. При заземленной нейтрали электроустановки ток во вторичной обмотке ДТТ определяется выражением

(27)

где Uф- фазное напряжение сети, YA , YB , YC - комплексные проводимости фазных проводов относительно земли; RO - сопротивление заземления нейтрали; w1 и w2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках ДТТ.

Таблица 2 - Мероприятия по реализации метода поиска повреждения изоляции сети

Мероприятия

Включить УЗО

Если УЗО взводится, то это значит, что в электроустановке имела место кратковременная утечка тока на землю, вызванная нестабильным нарушением изоляции или какими-либо помехами.

1.* Измерить ток утечки прибором ИДТУ и провести визуальный контроль состояния изоляции

* Проверить состояние PE и PEN-проводников

* Проверить работоспособность УЗО (кнопка ТЕСТ)

Если УЗО мгновенно срабатывает, то это означает, что в цепи имеется неисправность: дефект изоляции электропроводки, электроприемника, монтажных проводников, либо УЗО неисправно.

2.* Отключить все автоматические выключатели групповых цепей, защищаемых УЗО

* Измерить ток утечки прибором ИДТУ

Включить УЗО

Если УЗО взводится, проверить его работоспособность - (кнопка ТЕСТ). Мгновенное отключение УЗО означает, что оно исправно, но в защищаемой цепи имеется утечка тока.

3.* Последовательно включать автоматические выключатели до тех пор, пока не сработает УЗО. Цепь, вызывающая срабатывание УЗО, имеет дефект изоляции

* Продолжить локализацию повреждения.

Отключить или отсоединить все электроприемники этой цепи. Измерять ток утечки прибором ИДТУ

Если УЗО мгновенно срабатывает, то это означает, что имеется неисправность изоляции монтажных проводников щита или неисправность УЗО

4.* Отсоединить провода на выходе УЗО, включая и N-проводник

* Измерить ток утечки

Включить УЗО

Если УЗО взводится, то это означает, что повреждена изоляция межу УЗО и автоматическими выключателями (предохранителями), либо в PE-PEN - проводниках

5.* Проверить визуально электрические цепи и измерить ток утечки

Если УЗО не включается, то это означает, что оно неисправно

6.* Заменить УЗО, включить автоматические выключатели и электроприемники. Измерить ток утечки

Включить УЗО

Если УЗО взводится, то это означает, что повреждена изоляция какого-либо электроприемника

7.* Поочередно снова включать отдельные электроприемники до тех пор, пока УЗО не сработает. Прибор, вызывающий срабатывание УЗО, отключить и заменить

Если УЗО мгновенно срабатывает при всех отключенных электроприемниках, то это означает, что повреждена изоляция электропроводки

8.* Произвести локализацию повреждения путем измерения тока утечки и отсоединения проводов в распределительных коробках

Рисунок 9 - Схема автоматического мониторинга состояния изоляции: 1-функция измерения; 2- функция отключения

В соответствии с разработанной в диссертации методикой в Республике Бурятия были проведены экспериментальные исследования по изучению механизма изменения состояния изоляции сельских нестационарных электроустановок с целью установления наиболее значимых факторов, оказывающих влияние на электрические параметры изоляции, выбора чувствительности (порога срабатывания) устройств защитного отключения и прогнозирование величины токов утечки для обоснования нормативного значения и установления пределов непрерывного контроля (мониторинга) состояния изоляции.

В качестве объектов обследования были выбраны производственные и фермерские хозяйства с различными строениями (деревянными, кирпичными, бетонными). Было обследовано около 200 питающих нестационарные электроустановки линий. Проведено обследование личных хозяйств с давностью монтажа электропроводок 12-15 лет. Измерению подвергались наиболее используемые в сельском хозяйстве электропроводки марки АПВ, АППВС, АПН, АПР скрытого и наружного исполнения.

Измеряемый прибором ИДТУ ток утечки в электроустановке определяется как

, (27)

где - напряжение сети; и - активная и емкостная составляющие тока утечки.

Измерения показали ,что доминирующим является емкостная составляющая тока утечки, которая более чем на порядок превышает активную составляющую. В этом случае угол сдвига фаз между вектором полного тока утечки и вектором будет менее 5°. Тогда, пренебрегая этим углом, можно рассматривать (с погрешностью не более 5%) суммарный ток утечки на вводе объекта как арифметическую сумму токов утечки в электропроводке и на отходящих линиях электроприемников, т. е.

N

i=(1, …,n);

i=1

m

j=(1, …,m).

i=1

Дано обоснование построения математической модели изоляции нестационарных электроустановок вида:

M[Iут (l, p, н)]= И(l, p, н, aу, a1, a2, a3), (29)

где M[Iут (l, p, н)] - математическое ожидание параметра Iут при соответствующих значениях контролируемых переменах;

l - длина питающей линии (кабель, электропровод и т.д.), м;

p - установленная мощность электроприемника, кВт;

н - относительная влажность, %;

a0, a1, a2, a3 - коэффициенты, определение которых составляет цель измерения.

Измерения токов утечки проводились по четырем основным линиям, питающим электроприемники фермерских и личных подсобных хозяйств, включая жилые дома:

- первая линия (Iут1) - включенные наружные передвижные электроустановки (НПЭ) на приусадебном участке с наружной электропроводкой;

- вторая линия (Iут2) - включенные переносные электроприборы (ПЭП) в жилых и подсобных помещениях;

- третья линия (Iут3) - включенный парк ручного электроинструмента (РЭИ);

- четвертая линия (Iут4) - электрический ввод с полностью включенной нагрузкой (ЭВН).

В результате обработки полученных статистических данных найдены числовые оценки распределения тока утечки (математическое ожидание mx и среднеквадратическое отклонение ух) (таблица 3).

Таблица 3 - Статистики (параметры) распределения тока утечки

Переменные Статистики

НПЭ

Iут1 (мА)

ПЭП

Iут2 (мА)

РЭИ

Iут3 (мА)

ЭВН

Iут4 (мА)

mx

4,35

1,15

1,73

5,29

уx

0,803

0,825

0,815

0,884

Подтверждена гипотеза распределения опытных данных нормальному закону, построены гистограммы, плотности вероятностей и функции накопления вероятностей тока утечки Iут1, Iут2, Iут3 и Iут4. Основываясь на гауссовском распределении (30), с помощью

правила «трех сигм» (mx±3уm), установлены интервалы токов утечки (31) и получены линейные уравнения регрессии (32):

(31) (32)

При определении факторных признаков, влияющих на величину тока утечки, был проведен корреляционный анализ, результатом которого явилось получение коэффициентов корреляции, устанавливающих тесные положительные связи между токами утечки и длиной электропроводки или кабеля, питающих электроустановки. Существенное влияние на величину тока утечки оказывает установленная мощность электроприемника. Влияние фактора н на величину Iут. прослеживается на линиях, подверженных отрицательному воздействию влажности (наружные электропроводки, передвижные электроустановки на приусадебном участке и т.д.).

С помощью полученных математических моделей выявлены уровни естественного фона токов утечки, что позволило обосновать типоразмер уставок устройств защитного отключения, обеспечивающий необходимый уровень электробезопасности и бесперебойность электроснабжения потребителей.

Пятая глава посвящена разработке технических средств обеспечения комплексной защиты при эксплуатации нестационарных электроустановок. Обобщены требования на устройства защитного отключения и разработан типоряд модифицированных защитных аппаратов, включающих многофункциональные УЗО электронного исполнения, гибридные защитные аппараты электромеханического исполнения и переносные - типа УЗО-вилка и УЗО-розетка. В диссертации изложены материалы и технические решения по подготовке промышленного производства устройств защитного отключения. Сформулированы основные направления совершенствования системы защитного отключения и даны нормативно-методические рекомендации по массовому применению УЗО в сельском хозяйстве.

Переход в России к системам электроснабжения с разделительными рабочими и защитными нулевыми проводниками (TN-C-S и TN-S) создали технические предпосылки массового применения устройств защитного отключения. Многолетний опыт использования PEN-PE-проводников показал их достоинства, заключающиеся, с одной стороны, в снижении напряжения на открытых проводящих частях (ОПЧ) электроустановки, (а, следовательно, и напряжения прикосновения) при пробое изоляции, а с другой - в создании условий надежного срабатывания защиты от сверхтока при возникновении замыкания на ОПЧ. Однако нормативное требование о необходимости применения систем TN-C-S и TN-S привело к появлению ряда серьезных проблем, таких как: повышение опасности обрыва совмещенного PEN-проводника питающей сети вызывает появление напряжения 220 В на всех ОПЧ, подключенных к нулевому защитному проводнику; кроме того, при обрыве PE-проводника и прикосновении к ОПЧ электроустановки ток, протекающий через человека на землю, будет определяться качеством изоляции уже не одного, а группы электроприборов, и может иметь опасное для жизни значение. Все это приводит к повышению вероятности электропоражения, а также возникновению пожара из-за повреждения изоляции в электроприборах с заземленными проводящими частями. В этом случае величина протекающего на землю тока может быть недостаточна для срабатывания защиты от сверхтока, но достаточна для возникновения пожара.

Изложенное подтверждает неочевидность пользы присоединения электроустановки к сетям TN-C-S и TN-S, регламентируемых ПУЭ. Поэтому для того, чтобы обеспечить безопасность электроустановок зданий необходимо повсеместно применять устройство защитного отключения. Так, например, использование УЗО с уставкой не более 30 мА, обеспечивает электробезопасность и при обрыве нулевого защитного проводника, когда на ОПЧ может появиться опасное для жизни человека напряжение. Вместе с тем, традиционная система защитного отключения не способна обеспечить безопасность при обрыве PEN-проводника. Кроме того, новая система электробезопасности с применением защитных нулевых проводников реализуется только во вновь сооружаемых зданиях, которые с учетом возможных объемов строительства в настоящее время составляют не более трех процентов от общего фонда ранее построенных зданий. Абсолютное же большинство электропоражений происходит в зданиях и жилых домах, электрические сети которых не имеют защитных проводников и УЗО. Сюда следует отнести электроустановки, эксплуатируемые вне помещений, фермерские хозяйства и т.д., включая, передвижные электроагрегаты и ручной электроинструмент. Отсюда очевидно, что снижение уровня электротравматизма на селе невозможно без принятия мер по совершенствованию системы электробезопасности в ранее построенных зданиях и сооружениях.

В диссертации обоснована новая концепция повышения эффективности системы защитного отключения (СЗО), суть которой сводится к: а) переводу УЗО из дополнительной защиты в категорию основной защиты, б) кардинальной переработке и обобщению требований к устройствам защитного отключения применительно к сельскому хозяйству, в) разработке соответствующего нормативно-технического обеспечения, г) обоснованию основных вариантов исполнения СЗО.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективным является использование УЗО в системе электроснабжения с раздельными нулевыми и защитными проводниками. Такая система электробезопасности обеспечивает максимальную электрозащитную эффективность, позволяющую снизить опасность электропоражения в десятки раз. В большинстве случаев система электроснабжения объектов может быть построена либо по типу TN-C, либо по типу TN-C-S. Использование системы TN-S в сельском хозяйстве неоправданно из-за излишних дополнительных расходов, вызванных прокладкой PE-проводника, сечение которого должно быть равным сечению фазных проводников, и высокой трудоемкости проверки сопротивления заземления.

В диссертации дано теоретическое обоснование и обобщение требований на устройства защитного отключения для объектов АПК. Несмотря на то, что в настоящее время меры электрической защиты регламентируются основополагающими документами (ПУЭ, 7-е изд. и комплектом стандартов ГОСТ Р 50571), которые легли в основу норма-тивной базы, предписывающей применение УЗО, они не учитывают ряд особенностей их применения сельскими электропотребителями, касающихся систем электроснабжения, условий эксплуатации нестационарных электроустановок, характеристик электроприемников и т. д. Изложенные требования к устройствам защитного отключения для объектов инфраструктуры села (таблица 4) явились обобщением накопленного автором опыта по созданию типоряда модифицированных УЗО, первые образцы которых (А-84) были разработаны в 1980-х годах и подготовлены к промышленному производству.

Разработанные требования на устройства защитного отключения для обеспечения безопасного обслуживания нестационарных электроустановок (переносные электроприборы, ручной электроинструмент и др.) учитывают физиологические нормы допустимых для человека значений «отпускающих» и нефибрилляционных токов и фон естественных токов утечки в электропроводках и приемниках сельских электропотребителей.

Основными функциями защитного отключения должны быть обеспечение безопасности человека (и животного) при прямом и косвенном контактах с электроустановкой, защита от возникновения пожаров из-за неисправности сетей и дефектов электроприемников, автоматический мониторинг изоляции сети.

Технические характеристики и параметры УЗО должны обеспечить надежную помехоустойчивую его работу при всех возможных режимах эксплуатации НЭУ, с учетом отстройки от токов небаланса, переходных процессов, перенапряжений, нелинейности нагрузки, несинусоидальных токов, температуры окружающей среды и других дестабилизирующих факторов.

Обоснованный типоряд модифицированных устройств защитного отключения включает многофункциональные электронные, гибридные электромеханического исполнения и переносные защитные аппараты. Разработанные при непосредственном участии автора серии УЗО, не уступают по своим техническим и экономическим характеристикам отечественным и зарубежным аналогам, в частности, диапазоном номинальных рабочих токов (10-125 А) и отключающих дифференциальных токов (6-500 мА). Электрозащитная аппаратура доведена до промышленного производства. Область ее применения охватывает все имеющиеся объекты АПК (включая быт сельского населения) и различные по своему назначению электроустановки, оборудование и электроприборы.

В диссертации дано теоретическое обоснование методов и средств снижения уровня вредного воздействия на человека локальной вибрации при эксплуатации ручного электро-пневмоинструмента. Разработаны высокоэффективные средства виброзащиты, позволяющие уменьшить воздействие динамических нагрузок на человека за счет эффекта вибропонижения.

Дивногорский завод низковольтной аппаратуры (Красноярский край)

Радиозавод «Искра» (г. Красноярск)

Алтайский приборостроительный завод «Ротор» (г. Барнаул)

Завод геофизической аппаратуры (г. Барнаул)

Рисунок 10 - Промышленные образцы устройств защитного отключения

Показано, что одной из основных причин сложившегося в стране негативного положения в области электробезопасности является несоответствие требований Правил устройства электроустановок (7-е издание) стандартам МЭК «Электроустановки зданий». Действующая нормативная база (ПУЭ, СНиП и т.д.) не в полной мере отражает современную концепцию электробезопасности в части отсутствия требований, регламентирующих обязательное применение защитного отключения, предупреждающего электропоражения и пожары в электроустановках. Замедленные темпы обновления и развития необходимой нормативной базы, и, в частности, Правил устройства электроустановок (последняя редакция которая не пересматривалась с 2003 года), привели к появлению большого количества «временных» документов, затрагивающих весьма ограниченный круг вопросов и содержащих частные, часто противоречивые, и быстро устаревающие требования.

Разработанные в диссертации отдельные положения концепции электробезопасности, вступили в противоречие с разделами глав 1.7 и 7.1 ПУЭ (7-е издание), касающихся основных технических решений по устройству безопасных электроустановок в части реализации новых принципов расчета, проектирования, модернизации и эксплуатации систем обеспечения электробезопасности и обоснования массового внедрения новой технологи предупреждения травматизма людей на основе устройств защитного отключения. Для устранения сложившихся противоречий в диссертации внесены предложения по изменению и дополнению отмеченных выше глав с целью приведения ПУЭ к требованиям, содержащимся в стандартах МЭК «Электроустановки зданий».

Таблица 4 - Обобщенные требования к устройствам защитного отключения для объектов АПК

Основные функции

Технические характеристики (параметры)

Конструктивное исполнение

Эксплуатационные характеристики

Область применения и экономические характеристики

защита людей от электротравм (I?)

защита животных от электропораже-ний (I?)

защита при аварийных режимах (UN)

защита от возникновения пожаров (I?)

защита от перенапряжения сети (Uc?)

защита от потери напряжения сети (Uспот)

автоматический мониторинг изоляции сети(I?)

номинальное напряжение сети(В):

230 - для 2-х полюсных,

400 - для 3-х, 4-х полюсных;

номинальная частота сети (Гц):

50, 60;

номинальный рабочий ток (А):

6, 10, 16, 25, 40, 63, 80

номинальный отключающий дифференциальный ток (мА):

6, 10, 30, 100, 300, 500

номинальный

неотключающий дифференциальный ток:

(0,25 - 1,4) I?

время отключения (С): 0,50

предельное время неотключения (С):

0,10

номинальная включающая и отключающая способность (А):

10 Iн, (500)

предельное значение неотключающего тока (А): 6 Iн

номинальный условный ток короткого замыкания (А):

3000, 4500, 6000, 10000

электромеханическое (энергонезависимое), электронное (энергозависимое)

выключатель дифференциального тока (ВДТ), автомат дифференциального тока (АВДТ)

расцепители дифференциального тока, токов К.З. и

токов перегрузки

одно-2-х,3-х и 4-х-полюсные исполнения

типы конструкций: «вилка», «розетка»

типы по виду конролируемости I?:

«АС» - переменный синусоидальный ток,

«А» - переменный и пульсирующий постоянный ток,

«В» - сглаженный постоянный ток

типы защитных характеристик:

А - эл. цепи с полупроводниковыми приборами,

В - эл. цепи в жилых зданиях,

С - эл. цепи с динамической нагрузкой,

Д - эл. цепи с импульсными характеристиками;

в соответствии с окружающей средой

электромагнитная совместимость и помехоустойчивость от:

- динамических нагрузок;

- коммутационных режимов;

- внешних гармоник;

- нелинейных нагрузок;

- атмосферного перенапряжения

отстройка защиты от токов небаланса и ложных срабатываний при несимметричной нагрузки

стабилизация тока при температурных колебаниях окружающей среды и колебаниях Uc

надежность защиты:

самоконтроль исправности защиты,

тест-контроль исправности защиты,

среднее время безотказной работы (10-20 лет)

электроустановки зданий и сооружений с глухозаземленной нейтралью до 1000В:

- стационарные,

- нестационарные (передвижные, самоходные, переносные, ручной электроинструмент)

производственные сельскохозяйственные объекты (животноводческие и птицеводческие помещения, теплицы и др.)

фермерские и личные подсобные хозяйства

жилые дома, общественные здания, инфраструктура села

стоимость (долл. США) (промышленное производство):

- однофазные (20 - 30)

- трехфазные (40- 70)

- многофункциональные (от 100)

срок окупаемости (за счет предотвращенного ущерба от травматизма и пожаров) - не более 5-ти лет

На основании изложенного и с учетом опыта использования устройств защитного отключения в России автором разработаны методические рекомендации по массовому их применению в электроустановках 0,4 кВ. Эти рекомендации прошли соответствующую апробацию в Алтайском крае в виде «Правил использования устройств защитного отключения для обеспечения электропожаробезопасности объектов жилищно-гражданского назначения».

В шестой главе изложены материалы теоретических и экспериментальных исследований, приведена практическая реализация их результатов.

Рассмотрен обобщенный метод системной оптимизации СБЭ, позволяющий в зависимости от качества исходной информации выделить три основных класса задач: однокритериальные при вероятностно - детерминированных факторах, характеризующих систему (Ч-Э-С); многокритериальные, когда СБЭ рассматривается как многоцелевая сложная система; N-критериальные с неопределенными параметрами системы (Ч-Э-С).

Приведены результаты расчета и проектирования СБЭ применительно к реальному объекту. Обоснован принцип построения нормативно-правовых и программно-целевых механизмов обеспечения (управления) безопасности электроустановок. Обобщены результаты натурных испытаний УЗО при проведении широкомасштабного эксперимента по оценке эффективности и надежности электрической защиты. Определена область оптимальных значений рисков методом анализа «затраты - выгоды» и дана обобщенная оценка социально-экономической эффективности разработанной системы безопасности сельских нестационарных электроустановок.

В основе инженерных методов проектирования системы электробезопасности должна лежать оптимизация приемлемого уровня риска для здоровья и жизни людей и выбор оптимального варианта СБЭ. Отсутствие рациональных методов расчета вынуждает проектировщиков зачастую принимать интуитивные решения, что снижает эффективность значительных материальных ресурсов, вкладываемых в охрану труда. Поэтому, чтобы оптимизировать СБЭ необходимо опираться на методологию комплексного решения проблемы в целом, однако, методы ее реализации должны быть практически просты и доступны. Учесть указанные взаимопротиворечащие требования возможно с помощью системного анализа, когда при исследовании сложных систем на первое место ставят характеристику системы в целом, а все частные факторы рассматривают только с точки зрения их влияния на эту характеристику. Такой метод позволяет отобрать лишь существенные из многих взаимодействующих факторов и исключить второстепенные.

Поскольку системный подход предлагает только «модель поиска», но не имеет готовых универсальных решений для каждой конкретной задачи представляется целесообразным определить «свой» набор методических и иных способов и средств для отыскания оптимального решения.

В диссертации рассмотрен один из способов решения проблемы оптимизации СБЭ с учетом специфических особенностей сельских электроустановок при различном качестве исходной информации. Принцип предлагаемого решения состоит в следующем:

Критериями оптимизации и ограничениями в зависимости от постановок задачи могут выступать показатели технической и экономической эффективности СБЭ: математическое ожидание уровня электробезопасности М[Р(ЭБ)]; полные средние затраты Зполн на обеспечение безопасности, включая остаточный (неустраненный) ущерб от электротравматизма; среднегодовой экономический эффект, учитывающий предотвращенный материальный ущерб Э1. Эти показатели всесторонне характеризуют исследуемую систему, их эквивалентом, в известном смысле, является риск социально-экономического ущерба от аварий, электротравм и пожаров, происходящих в электроустановках.

Качество функционирования СБЭ следует оценивать по нескольким критериям, характеризующим электрическую, пожарную и экологическую (электромагнитную) безопасность. Сложность задачи оптимизации повышается неоднородностью исходной информации о параметрах системы (Ч-Э-С), которые, в свою очередь, подразделяются на детерминированные, стохастические и неопределенные.

С учетом изложенного содержательная постановка задачи оптимизации может быть сформулирована как максимизация уровня безопасности при заданных ресурсах или минимизация затрат, требующихся для создания системы безопасности электроустановок, при заданном значении этого уровня. Тогда математическая формулировка задачи выбора оптимального решения может быть представлена следующим образом:

определить экстремальное (максимальное или минимальное) значение некоторой функции f (x1, x2,…, xn) при условии, что переменные x1, x2,…, xn, удовлетворяют ограничениям в виде

pi(x1, x2,…, xn)=0, i=1, 2,…, s. (34)

Функция f(х), называемая целевой, характеризует критерии оптимальности (цель, эффективность и т.д.). Ограничения р(х) задают область существования переменных хi. Решение рассматриваемой задачи состоит в нахождении такой совокупности переменных , при которой целевая функция f(х) достигает экстремального значения.

В диссертации рассмотрены следующие однокритериальные задачи:

Найти max{М[P(ЭБ)]}(x), xX при условии, что Зполн(х)? , (35)

где - заданные затраты.

Найти min Зполн(х), xX при условии, что

{М[P(ЭБ)]}(x)?М[P(ЭБ)]0 (36)

где М[P(ЭБ)]0 - заданный уровень электробезопасности.

Здесь x одна из возможных реализаций (варианта построения СБЭ) из множества допустимых реализаций X.

Отмечая равнозначность обоих задач, укажем, что использование в качестве критерия оптимизации показателей технической эффективности представляется предпочтительным в связи с введением нормированного значения приемлемого риска. Использование же экономических показателей в качестве критериев оптимизации возможно, но не всегда оправдано из-за сложности проведения априорной оценки экономического ущерба, связанного с гибелью человека.

Если в качестве критерия оптимизации принимается риск опасности электроустановки, то математическая постановка задачи оптимизации может быть представлена как минимизация функции

при ограничении приведенных затрат или капитальных вложений на создание СБЭ.

Проведенная в диссертации многокритериальная оптимизация учитывает две основные функции СБЭ - обеспечение электрической и пожарной безопасности. Такая задача в рамках исследования операций представляет собой векторную оптимизацию с двумя несводимыми друг к другу частными критериями. Процедура построения векторного критерия проведена путем «свертки» частных критериев в один скалярный критерий. В качестве частных критериев приняты средние значения вероятностей Р(ЭП)ср и Р(ПО)ср, считая их равнозначными. Нормирование частных критериев сводится к операции

(fnj - fnmin) / ( fnmax - fmin)=, (38)

где fnj - значение n-го критерия для одного из j-х рассматриваемых решений.

Преобразование векторного критерия в скалярный осуществлялось путем формирования аддитивного критерия оптимизации (сложением нормированных частных критериев) или мультипликативного критерия (их умножением), т.е.

(39)

где F - скалярный критерий.

На основании введенных нормированных критериев строится аддитивный скалярный критерий оптимальности:

FСБЭ(Х)=f1(X)+f2(X). (41)

Тогда постановка задачи оптимизации системы электропожаробезопасности с учетом введенного критерия примет вид

FСБЭ(Х)>min, хX, (42)

где Х - множество допустимых вариантов системы.

Применение скалярного критерия позволяет решить задачу оптимизации СБЭ по двум его составляющим, отражающим электрическую и пожарную безопасность исследуемых объектов. При детерминированных заданных факторах решение однозначно определяется путем применения обычных методов поиска экстремума скалярного критерия. В случае стохастических данных задача решается поиском математического ожидания критерия FСБЭ. Если же в задаче присутствуют неопределенные факторы, то оптимизация может проведена с помощью специальных методов (теории нечетких множеств).

Показано, что задача многокритериальной оптимизации сводится к решению одного из двух вариантов.

Критерий оптимизации - техническая эффективность СБЭ:

FСБЭ(Х)>min, хX, (43)

Критерий оптимизации - экономическая эффективность СБЭ.

FСБЭ(Х)>min, хX, Зполн(Х) ? Здоп. (44)

Здесь ? - коэффициент допустимого различия нормированных критериев, ограничивающий значение модуля их разности; Здоп - наибольшее допустимое значение полных затрат (включая затраты на создание СБЭ и непредотвращенный ущерб от электротравматизма и пожаров).

Метод системной оптимизации СБЭ были реализованы при выполнении серии расчетов безопасности электроустановок на объектах АПК с помощью программных комплексов АРИАС и СКБЭоптим. Программное обеспечение выполнено аспирантом С. Ф. НефедовымУстановлено, что вероятности Р(ЭП) и Р(ПО) базового (исходного) варианта СБЭ более чем на два порядка превышают аналогичные показатели предлагаемых вариантов системы электропожаробезопасности. Показано, что применение системы «УЗО - автоматический выключатель» позволяет получить вероятности электропоражения Р(ЭП) и пожарной опасности Р(ПО) соответственно 0,711Ч10-6 и 1,421Ч10-6, что соответствует нормативным и значениям.

Системный характер назревших проблем безопасности электроустановок обуславливает необходимость создания структуры управления профессиональными рисками в условиях производства и опасными рисками, подвергающими практически все население страны при обслуживании бытовых электроприемников. В диссертации рассмотрен программно-целевой подход к управлению безопасности электроустановок объектов АПК, в основе которого лежит создание совокупности мер законодательного, организационного и экономического характера, базирующихся на принципах приоритета безопасности жизни и здоровья людей, оптимизации СБЭ, интегральной оценки и прогнозирования риска, соотносимые с нормативным его назначением. Эти принципы реализованы автором путем теоретического обоснования модернизации нормативной правовой базы и участия в создании законодательного обеспечения безопасности федерального, регионального и муниципального уровня.

Нормирование риска безопасности электроустановок требует экономического обоснования и установления приемлемых его значений. Действующая отечественная и международная практика выбора приемлемого уровня безопасности не имеет строгого научного обоснования и строится на умозрительном представлении, сущность которого сводится к тому, что общество готово (или не готово) платить за издержки технологического прогресса. Здесь выгода общества определяется соотношением между затратами на обеспечение безопасности и ценой ущерба от предполагаемых опасностей. На наш взгляд, использование при нормировании безопасности эмпирических подходов и общественного мнения, которые могут формироваться и интерпретироваться в зависимости от существующей или навязываемой людям точек зрения, не всегда оправданы.

Предложенный автором подход к обоснованию оптимальных рисков электроустановок базируется на прогнозировании социально-экономических последствий опасных техногенных ситуаций с использованием разработанной в диссертации методики оценки и прогнозирования риска. В качестве критерия оптимизации рассматриваются суммарные издержки, связанные как с предупреждением возможных опасностей, так и с ожидаемым ущербом людских, материальных и природных ресурсов за некоторый период времени ф эксплуатации электроустановок на объекте. Тогда риск можно представить в виде некоторых средних потерь, вызванных авариями, электротравмами и пожарами, которые возможны в электроустановке:

(45)

где а=1…n - количество возможных аварий в электроустановках; b=1…m - количество возможных электротравм человека; с=1…q - количество возможных пожаров в электроустановках; d=1…k - количество предполагаемых опасных ситуаций; вероятности возникновения опасных ситуаций (авария, электро-травма, пожар) за время ф и размер обусловленного ими полного ущерба.

На рисунке 11 приведены кривая 1 изменения показателя риска от затрат на СБЭ и кривая 2, характеризующая зависимость риска от ущерба. Пусть величина этого ущерба зависит от вариации некоторого показателя К, пропорционального вероятности электробезопасности Р(ЭБ). Отмеченное на оси абсцисс значение показателя К1 рассматривается как базовое состояние электроустановок некоторого объекта.

Пусть величина затрат З(К1)=0. Показатель К2 характеризует приемлемый для общества уровень безопасности объекта, причем этот уровень достигается достаточно высокими затратами З(К2) с низким значением риска R. Считается, что функции R(З) и R(У) - нелинейные и изменяются монотонно.

Рисунок 11 - Иллюстрация метода анализа «затраты-выгоды»

Кривая З показывает изменение величины суммарных социально-экономических издержек, обусловленных затратами на предупреждение опасности, и компенсацию их нежелательных последствий, т.е. ущербов

R(З+У)=R(З) +R(У) (46)

На кривой З существует некоторая область, принадлежащая отрезку [K0, K2], на котором мог быть принят приемлемый уровень риска, удовлетворяющий требованиям не только производства, но и общества в целом. Очевидно смещение уровня риска в направление от точки К0 влево проявится в повышении рентабельности конкретного предприятия, хотя при этом может сопровождаться ростом материального и морального ущерба. И наоборот, по мере приближения уровня риска к другому граничному значению К2 будет наблюдаться снижение рентабельности данного производства (вследствие повышения себестоимости его продукции) и повышение безопасности персонала, обслуживающего электроустановки.

Рассмотренный метод является иллюстрацией одного из основных экономических механизмов, применяемых для регулирования техногенным риском, суть которых состоит в проведении анализа «затраты-выгоды» и направлен на оптимизацию риска.

Подготовка промышленного освоения и массового применения устройств защитного отключения в России обусловили проведение широкомасштабного эксперимента, по проверке эффективности и надежности электрической защиты, принятого по инициативе АлтГТУ в 1998 г. совместным решением ГУГПС МВД РФ и Главгосэнергонадзора в России (таблица 5).

Таблица 5 - Обобщение результатов широкомасштабного эксперимента по проверке эффективности и надежности УЗО

Регион

Научно-методическое и нормативно-техническое обеспечение

Организационно-технические мероприятия

Полученные результаты

Рекомендации

Алтайский край

Красноярский край

Томская область

Республика Бурятия

Республика Чувашия

Московская область

Нижегородская область

Анализ техногенных рисков в электроэнергетике и прогноз показателей, характеризующих уровень электробезопасности в регионе и отрасли

Разработка компьютерных технологий проектирования оптимальных СБЭ для объектов производственной и социальной сферы

Мониторинг электробезопасности на базе автоматизированной системы сбора статистических данных о травматизме и пожарах с использованием технических средств диагностики электроустановок 380/220В

Разработка методических основ с сертификации электроустановок на объектах (паспорт безопасности)

Разработка норм пожарной безопасности

Теоретическое обоснование создания региональных законодательных актов, регламентирующих обязательное применение УЗО на объектах жилищно-гражданского назначения

Принятие соответствующих постановлений администраций в регионах страны

Соглашения с надзорными органами о проведении обследования объектов

План работ по внедрению УЗО на объектах

Обучение специалистов, проектных и монтажных организаций

Обучение начсостава государственной противопожарной службы

Установлено более 600 тысяч УЗО в городах и населенных пунктах в жилых, общественных и производственных зданиях. Анализ данных показал, что за период с 1998 по 2000 гг зарегистрировано 28 случаев срабатывания УЗО при пожарах.

Случаев электропоражения людей не установлено

Одобрить полученые АлтГТУ результаты в области развития научной и нормативно-технической базы и применения защитного отключения в регионе Сибири. Рекомендовать практическое использование научного обеспечения для проектирования электрической защиты на основе компьютерного прогнозирования последствий коротких замыканий в электроустановках с целью повышения пожарной эффективности УЗО.

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.