Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы безопасности нестационарных электроустановок .20
1.1 Состояние и перспективы развития сельской энергетики и электрификации быта населения 20
1.2 Системы и классификация средств малой механизации и нестационарных электроустановок в инфраструктуре села 26
1.3 Систематизация факторов, характеризующих опасные условия эксплуатации нестационарных электроустановок 37
1.4 Характеристика и анализ электротравматизма в сельском хозяйстве 51
1.5 Обзор и анализ научно-исследовательских и прикладных работ в области обеспечения безопасности сельских электроустановок 60
1.6 Цель и задачи исследования 66
2. Методологические основы системного анализа безопасности сельских электроустановок 70
2.1 Функционально-морфологическое описание системы «человек- электроустановка-среда» 70
2.2 Вероятностно-детерминистическая концепция индивидуального риска электротравмы и основы выбора его приемлемого уровня 79
2.3 Показатели эффективности функционирования системы электробезопасности 91
2.4 Методы анализа оценки риска электротравматизма 97
2.4.1 Алгоритм построения диаграммы типа «дерево» 97
2.4.2 Частотный анализ электротравматизма 104
2.4.3 Качественный анализ моделей типа «дерево» 106
2.4.4 Количественный анализ диаграмм типа «дерево» 110
2.5 Обоснование структуры информационного обеспечения системы электробезопасности 115
2.6 Модели прогнозирования риска безопасности и оценки остаточного ресурса элементов электроустановки 121
2.7 Выводы 130
3. Математическое моделирование функционирования системы безопасности при эксплуатации нестационарных электроустановок .132
3.1 Вероятностно-статистический метод формирования травмоопасных ситуаций 132
3.2 Математические модели электропоражения людей 136
3.2.1 Электротравма с летальным исходом 136
3.2.2 Электротравма с исходом инвалидности 140
3.2.3 Электротравма с исходом временной потери трудоспособности 141
3.3 Вероятностная оценка эффективности устройства защитного отключения 142
3.4 Вероятностная оценка эффективности защитного заземления 147
3.5 Вероятностная оценка эффективности зануления 152
3.6 Вероятностная оценка эффективности системы «защитное отключение - зануление» 155
3.7 Выводы 156
4. Экспериментальные исследования изоляции электроустановок сельских потребителей 158
4.1 Разработка метода и средств инструментального контроля состояния изоляции по току утечки 158
4.1.1 Периодический контроль состояния изоляции 162
4.1.2 Автоматический мониторинг состояния изоляции электроустановок 167
4.2 Методика измерения токов утечки в нестационарных электроустановках 172
4.3 Математические модели состояния изоляции нестационарных электроустановок 175
4.4 Выводы 185
5. Технические средства повышения эффективности комплексной защиты при эксплуатации нестационарных электроустановок 187
5.1 Проблемы и основные направления совершенствования системы защитного отключения в электроустановках в контексте электромагнитной совместимости .187
5.2 Обобщение требований на устройства защитного отключения для электрических сетей до 1000 В с глухозаземленной нейтралью 200
5.3 Разработка типоряда модифицированных устройств защитного отключения и их промышленное освоение 213
5.3.1 Исследование и разработка технических решений и создание промышленных образцов многофункциональных УЗО электронного исполнения 214
5.3.2 Разработка технических решений и подготовка производства гибридных УЗО электромеханического исполнения 220
5.3.3 Разработка технических решений и создание опытных образцов переносных устройств защитного отключения типа УЗО-вилка и УЗО- розетка 229
5.4 Задачи и пути решения защиты от вибрации при эксплуатации
передвижных электроустановок и ручного электро- пневмоинструмента 234
5.5 Разработка нормативно-методических рекомендаций по массовому применению устройств защитного отключения 243
5.6 Выводы 248
6. Оптимизация сбэ и практическая реализация результатов исследования 250
6.1 Обобщенный метод системной оптимизации СБЭ 250
6.2 Реализация методов моделирования и оптимизации для обеспечения нормативного уровня безопасности электроустановок... 261
6.3 Нормативно-правовые и программно-целевые механизмы обеспечения безопасности электроустановок 272
6.4 Экономический фактор и экспериментальная проверка эффективности технологии предотвращения опасности
1 электроустановок 281
6.5 Выводы 287
Основные выводы и результаты исследований 290
Библиографический список 295
Приложения 313
- Системы и классификация средств малой механизации и нестационарных электроустановок в инфраструктуре села
- Показатели эффективности функционирования системы электробезопасности
- Вероятностная оценка эффективности устройства защитного отключения
- Обобщение требований на устройства защитного отключения для электрических сетей до 1000 В с глухозаземленной нейтралью
Введение к работе
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 увечия 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.
Системы и классификация средств малой механизации и нестационарных электроустановок в инфраструктуре села
Развитие электрификации быта сельского населения существенно зависит от роста материального благосостояния тружеников села, состояния и условий электроснабжения, развития инфраструктуры, - включая коммунальные, торговые и общественные учреждения и предприятия, социально-ориентированой политики в области тарифов и т.д. Важное значение имеет также обеспеченность населения электробытовыми машинами и приборами.
По мере повышения уровня экономического развития агропромышленного комплекса страны, совершенствования способов производства, передачи и распределения электроэнергии следует ожидать увеличение количества сельских населенных пунктов, В;которых технически целесообразно и экономически эффективно электрифицировать не только технологические процессы в сельскохозяйственном производстве, но и облегчить труд сельскогожителя, повысить его эффективность, создать комфортные условия жилья и отдыха. При этом весьма перспективным представляется использование электрической энергии для горячего водоснабжения, приготовления- пищи и отопления. Необходимо учитывать, что каждому этапу, развития сельской электроэнергетики должен соответствовать определенный экономически оптимальный - уровень электрификации быта населения. Не следует также строить оптимистических прогнозов, что в условиях острого дефицита энергоносителей и постоянного роста тарифов на них в ближайшие 10 лет, еще значительная; часть потребности в тепле (по объему расходуемой электроэнергии тепло занимает первое место) будет покрываться за счет природного газа, различных видов жидкого топлива, угля, торфа и т.д. В связи с этим представляется целесообразным рассматривать электрификацию быта в комплексе с другими формами энергообеспечения. Это позволит более правильно решить проблему оптимального энергоснабжения быта на перспективный период и определить рациональные уровни удовлетворения бытовых и технологических потребностей в энергии и в первую очередь за счет электроэнергии. Дальнейшее развитие электрификации отраслей сельскохозяйственного производства, включая фермерские и личные приусадебные хозяйства связано с увеличением темпов роста механизации и автоматизации производственных процессов и расширением применяемого номенклатурного перечня мобильных электроустановок, ручного электроинструмента и других средств малой механизации, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями.
Отметим, что электропотребление в стране к 1980 году возросло по сравнению с 70-ми годами в 2 раза и к 80-м годам прошлого века практически была сформирована единая электроэнергетическая система. Однако, начиная с 1990 по 1998 годы в России происходили негативные социальные и экономические процессы, что не могло не вызвать резкий спад промышленного и сельскохозяйственного производства и соответственно сокращения потребления электроэнергии. В сельскохозяйственном производстве потребление топливно-энергетических ресурсов сократилось в два раза, а всего на селе оно снизилось на 35 %. Потребление электроэнергии за этот период сократилось с 103 до 68 млрд. кВт.ч, т.е. на 34%, и составило 1725 кВт.ч/чел. В то же время в быту, приусадебном хозяйстве и инфраструктуре села потребление электроэнергии возросло с 30 до 37,8 млрд. кВт.ч, что можно объяснить становлением рынка и появлением собственника и поэтому смещением значительных объемов производства сельхозпродукции с общественного в частный сектор, а так же расширением аграрных кооперативов, коттеджным строительством и более широким использованием электрифицированной техники и бытовых приборов.
Среди основных причин, затрудняющих выведение страны из глубокого экономического- кризиса, явилась физическая и моральная изношенность основных фондов. Так, на начало 2001 года степень изношенности электротехнического оборудования и электроэнергетического хозяйства в сельскохозяйственной отрасли превысила 70%. В целом состояние материально-технической базы сельского хозяйства России в количественном отношении оценивается в 2-3 раза ниже нормативного. Затраты электроэнергии в аграрном секторе страны в 1980-1993 гг. росли быстрее, чем производительность труда. Средние темпы прироста составили соответственно 5,3 и 1,1 %. До распада СССР внутренние цены на электроэнергию были низкие и стабильные и это не стимулировало сельскохозяйственных потребителей к ее экономии и рациональному использованию. После либерализации цен на энергоносители стоимость электроэнергии возросла на несколько порядков. Индексы цен на электроэнергию, покупаемую сельскохозяйственными потребителями, в 1993 г. по сравнению с 1980 г. составили 1260 %.
Анализ потребления электроэнергии в сельском хозяйстве показывает, что уровень энергоемкости в этой отрасли в 5-6 раз выше чем в, США, а производительность труда не превышает 5—10 % от американского уровня.
Начиная с 2000 г., отмечается устойчивая тенденция увеличения объемов потребления электроэнергии, что можно объяснить расширением производства промышленной и сельскохозяйственной продукции. Это в свою очередь не могло не сказаться на повышении качества жизни городского и сельского населения, одним из показателей которого является рост электропотребления в быту за счет использования- различных видов электроустановок и приборов.
Показатели эффективности функционирования системы электробезопасности
В основу обеспечения безопасности человека при обслуживании нестационарных электроустановок должно быть положено изучение механизма совокупного влияния вредных и опасных факторов среды обитания (в т.ч. производственной) и сопоставление этих факторов с нормативными значениями параметров среды. Под средой обитания здесь будем понимать окружающую человека среду, обусловленную совокупностью факторов (физических, биологических, химических, психологических), способных оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность человека, его здоровье и потомство. Так, при обслуживании НЭУ (будь это электротехнологическая установка или ручной инструмент) человек подвергается не только воздействию электрического тока, но и значительным уровням шума, вибрации, ультра- и инфразвукам, повышенным или пониженным температурам воздуха рабочей зоны, высокой влажности и скорости движения воздуха, запыленности, агрессивным парам и газам, электромагнитным излучениям. Отметим, что источниками формирования опасности является человек, который, с одной стороны, рассматривается как оператор (обслуживающий электроустановку) и потенциально совершающий ошибку, в результате чего создается травмоопасная ситуация, а с другой — как объект защиты, где исход влияния травмоопасного фактора будет зависеть от физических перегрузок, нервно-психологического- состояния и т.п. При этом условимся считать, что опасные и вредные факторы действуют на человека постоянно, они определяются спецификой выполнения той или иной работы, видом электроустановки при нормальном ее функционировании.
На рисунке 1.5 приведена блок-схема основных факторов, от которых зависит состояние безопасности при эксплуатации нестационарных электроустановок. Выделение этих факторов носит достаточно условный характер, поскольку при обслуживании НЭУ возможно различное их сочетание, что, в конечном итоге, будет определять уровень электробезопасности.
Помещения и территории. Животноводческие помещения фермерских и личных хозяйств характеризуются особой сыростью, химически активной- средой (аммиак, сероводород и др.), когда содержащиеся пары или образующиеся отложения действуют разрушающе на изоляцию и токоведущие части оборудования. В соответствии с ПУЭ [15] животноводческие и птицеводческие помещения даже при наличии одного из перечисленных условий, создающих особую опасность относятся к категории особо опасных помещений.
Определенная часть НЭУ эксплуатируется вне помещений и относится к категории наружных электроустановок. По степени опасности поражения! людей электрическим током территория размещения наружных электроустановок приравнивается к особо опасному помещению [15].
Мастерские и другие хозяйственные постройки, в которых эксплуатируются передвижные ш переносные электроустановки, характеризуются сыростью? и высокой температурой; токопроводящими полами (земляными, металлическими, железобетонными и т.д), возможностью одновременного- прикосновения человека к имеющим соединение с землей металлоконструкциям построек, технологическим аппаратам, механизмами и т.п., с одной стороны, и к металлическим корпусам электрооборудования 1 — с другой; относятся к помещениям с повышенной опасностью [15] .
Жилые дома и общественные здания, расположенные в сельской местности, как правило, характеризуются; отсутствием признаков? повышенной и особой опасности, относятся к помещениям без повышенной опасности [15].
Системы электроснабжения. НЭУ входят в- класс электроустановок напряжением до I кВ с глухим заземление: нейтрали, токи замыкания на землю в которых всегда : существенно меньше 100 А, однако
продолжительность существования замыкания на землю в условиях сельского хозяйства может быть значительной (десятки часов) [16].
Выбор необходимых средств электрической защиты для НЭУ должен производиться с учетом анализа системы электроснабжения. По классификации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) и в соответствие с 7-м изданием ПУЭ электрические сети в зависимости от способов заземления подразделяются на следующие виды: TN-C, TN-S, TN- C-S, ТТ [17,18].
Электроустановки напряжением до 1 кВ жилых, общественных и производственных зданий и наружных установок получают питание от источника с глухозаземленной нейтралью (TN). Большинство существующих систем выполнены по типу TN-C (с объединенным рабочим и защитным нулевым проводником), а перспективной является система TN-C-S (с частичным разделением нулевого проводника на рабочий и защитный).
Выбор той или иной системы электроснабжения зависит от возможности использования устройств защитного отключения для обеспечения безопасности НЭУ. Различие применения УЗО в этих системах обусловлено следующим. В системе TN-C нулевой провод (обозначаемый PEN) одновременно выполняет функцию рабочего и защитного проводников. При этом на работу УЗО оказывает влияние ток несимметрии 1нес, протекающий по нулевому проводу при несимметричной (однофазной) нагрузке. Из-за наличия связи нулевого провода с землей« в. зоне защиты ток несимметрии, протекая через землю, может вызвать ложное срабатывание УЗО. В случае пробоя изоляции на корпус зануленного электроприбора и большом сопротивлении растеканию или отсутствии заземления в зоне защитьг УЗО может не сработать из-за малой величины или отсутствия тока утечки на землю. Поэтому в системе TN-C УЗО, как правило, не применяются. Исключением является использование УЗО; если в зоне защиты отсутствует заземление нулевого провода и корпус электроприбора занулен. На рисунке 1.6 представлена схема включения однофазного УЗО для такого случая. При пробое изоляции на корпус электроприбора УЗО не сработает и опасный потенциал будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет одновременного прикосновения человека к поврежденному электроприбору. УЗО, обладая высокой чувствительностью, при этом отключит электрическую сеть, реагируя на ток утечки через тело человека в землю.
Вероятностная оценка эффективности устройства защитного отключения
Основным фактором, характеризующим уровень электробезопасноо ги является уставка тока срабатывания УЗО. Показано, что при 1уст=6 МА обеспечивается минимальное значение показателя Р(ЭЩ и максимальц0е значение Пэузо- Так, при 1воз=1ср=1 с. эти показатели соответственно равцЬ1 2,98-10"6 и 16,72 (рассматривается случай летального исхода). Если величина тока уставки превышает пороговое значение "отпускающего" тока (например, 10 мА), то показатель Р(ЭЩ в зависимости от исхода электротравм увеличивается в 4,1; 3,8; и 2,0 раза, а показатель Пэу30). соответственно уменьшается в 4,3; 4,1; 2,0 «раза. Причем эффективность УЗО выше почти в 2 раза при защите человека от опасного, чем от смертельного исхода. Анализ величины Пэузо показывает его слабую зависимость от материала пола и существенную — от уставки. Так, при увеличении уставки с 6 до 100 мА эффективность УЗО при защите от смертельных электротравм уменьшается в 8, раз, при защите от опасных исходов (инвалидность и временная потеря трудоспособности) соответственно в 11 и 18 раз. Уставки тока срабатывания устройств защитного отключения 100 и 300 мА практически не защищают человека от электропоражений. Поэтому УЗО, имеющее такие уставки, используется для повышения эффективности системы зануления и как средство обеспечения пожарной безопасности в электроустановках.
Длительность воздействия тока на человека, определяемая временем срабатывания УЗО, ограничена диапазоном быстродействия современной коммутационной аппаратуры (1,...,0,02 с). Приведенные табличные данные показывают, что при уменьшении 1;ср УЗО от 1 до 0,02 с показатель ПЭузо увеличивается несущественно (в 1,2 раза). При сравнении 1ср=0,05 и 1ср=0,02 показатели Р(ЭЩ и ПЭузо] практически не меняются.
Полученные расчетные значения Р(ЭП), и Пэузо) 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.
Для нестационарных электроустановок, часто меняющих место своего расположения, применение защитного заземления не всегда эффективно и сопряжено с определенными трудностями, в первую очередь эксплуатационного характера. Вместе с тем нельзя не учитывать, что не смотря на известные недостатки защитного заземления [59], большинство находящихся в эксплуатации сельских электроустановок подпадают под требования ПУЭ, предусматривающие применение этой традиционной защитной меры. Так, 7-е издание ПУЭ [15] регламентирует применение защитного заземления в схеме -электроснабжения передвижных электроустановок при соблюдении соответствующих требований либо к его сопротивлению, либо к напряжению прикосновения при однофазном замыкании на открытые проводящие части. При выполнении заземления с соблюдением требований к его сопротивлению значение этого сопротивления не должно превышать 25 Ом. Если же выполняется заземление электроустановки с соблюдением требований к напряжению прикосновения, то сопротивление заземляющего устройства нормируется при условии, что Я3 25 / 13, где Я3 - сопротивление заземляющего устройства передвижной электроустановки, 13 — ток однофазного замыкания на открытые проводящие части этой электроустановки.
В соответствии с [15] электроприемники передвижных электроустановок могут получать питание как от стационарных, так и от передвижных источников электроснабжения с глухозаземленной или изолированной нейтралью. В этом случае режим нейтрали источника питания должен соответствовать режиму нейтрали электроприемников передвижных электроустановок. Если электроснабжение осуществляется от источников питания с изолированной нейтралью, то в качестве защитной меры должно выполняться защитное заземление в сочетании с металлической связью корпусов установки и источника электроэнергии.
Рассмотрим работу передвижной электроустановки в системе 1Т- электроснабжения, когда источник питания изолирован от земли или соединен с землей через воздушный промежуток, а открытые проводящие части электроприемника связаны с землей посредством заземлителя (рисунок 3.4). В реальных условиях эксплуатации электроустановки даже при небольшой протяженности питающей линии между землей и различными токоведущими частями, включая провода, кабели и связанное с ними электрооборудование, имеют активные и емкостные проводимости.
Условимся понимать под уравновешенной трехфазной 1Т-системой электроснабжения такую систему, в которой сопротивление между каждым из фазных проводников и землей-равны между собой. Тогда можно считать, что фазные напряжения в этой системе также будут равны между собой. В этом случае с каждого фазного провода стекают в землю одинаковые токи утечки. Поскольку активная проводимость (ток утечки через изоляцию) значительно меньше емкостной проводимости, результирующий ток утечки 1ут может быть определен по упрощенной формуле:
Если между одним из фазных проводов 1Т-системы и землей в результате повреждения изоляции возникает полное замыкание, напряжение между этой фазой и землей практически упадет до нуля. В то же время напряжение двух других фазных проводов в 1Т-системе возрастет до линейного. При возникновении однофазного замыкания под действием линейных напряжений, приложенных к двум другим фазным проводам, через замкнутые контуры, образованные емкостной проводимостью между фазными проводами и землей, будет протекать ток, величина которого Хут июС. Полный ток замыкания на землю равен сумме токов утечки неповрежденных фаз и определяется как 12 = V 3II соС. Примем, что в системе с изолированной нейтралью с фазным напряжением 220 В, имеющей емкость «фаза-земля» 0,3 мкФ произошло замыкание фазного провода на корпус (землю) (рисунок 3.5). В этом случае ток замыкания на землю будет
Обобщение требований на устройства защитного отключения для электрических сетей до 1000 В с глухозаземленной нейтралью
Достоинство данного метода контроля состоит в том, что измерение тока утечки производится в нормальном эксплуатационном режиме с учетом номинального напряжения сети и реальной нагрузки. Поэтому результаты измерения токов утечки будут соответствовать действительным значениям электрических параметров изоляции, имеющих место в реальных условиях эксплуатации электроустановок. Контроль тока утечки, являясь более безопасным, в отличие от измерения сопротивления изоляции не требует применения повышенного напряжения, тем самым, при производстве измерений не происходит ухудшения состояния контролируемой сети. Однако измеряемый представляет собой нескомпенсированную утечку тока в сети, что не дает возможности оценить проводимость каждой фазы в отдельности. Из этих соображений может быть рекомендован комбинированный метод, позволяющий производить эксплуатационный контроль состояния изоляции одновременно по двум параметрам (Киз и 1 ). В качестве нормированной величины тока утечки следует рекомендовать верхнее пороговое значение отпускающего тока (6 мА). Напомним, что этот ток позволяет человеку, попавшему под напряжение, самостоятельно разорвать электрическую цепь [96].
При проведении регламентных работ по обслуживанию электроустановок, измерения фона утечки тока в электропроводках зданий и определения мест повреждения необходимы современные, простые в эксплуатации и надежные измерительные приборы. В настоящее время промышленность не выпускает измерителей токов утечки, а измерители рабочих токов (токовые клещи) не позволяют получить удовлетворительные результаты измерения Такие приборы, контролируя токи до десятков ампер, имеют низкую чувствительность и высокую погрешность при измерении весьма малых токов (десятки миллиампер). Выпускаемые за рубежом аналоги имеют достаточно высокую стоимость, а также существенно ограничены при массовом их применении из-за сложности процедуры госповерки.
Анализ методов периодического контроля изоляции в сетях с заземленной нейтралью [5] показал, что представляется перспективным создание прибора для измерения тока утечки, удовлетворяющего следующим требованиям: - высокой чувствительности (не менее 1 мА); - обеспечения необходимой точности измерений при колебаниях напряжения контролируемой сети, предусмотренных требованиями ПУЭ; - высокой эксплуатационной надежности и помехоустойчивости; - сравнительно небольшого веса, компактности и удобства в эксплуатации. Требования помехоустойчивости и стабильности параметров измерительного устройства вызваны его работой в широком температурном диапазоне (от -20 до +40 С), в условиях влияния различного рода помех, приводящих к существенным отклонениям измеряемой величины. К числу основных помех сюда следует отнести: - взаимную индукцию между проводниками первичной (силовой) цепи и измерительной обмоткой ДТТ, обусловливающую э.д.с. небаланса (Енб); - остаточное намагничивание сердечника ДТТ токами однофазного короткого замыкания. Причины появления э.д.с. небаланса ДТТ в настоящее время известны [6]. Они являются следствием несовершенства геометрической конструкции датчика тока и несимметричного расположения токоведущих проводников по отношению к магнитопроводу. И, хотя благодаря торроидальной форме сердечника и равномерной вторичной обмотке удается значительно снизить э.д.с. небаланса, влияние ее продолжает сказываться особенно при больших токах. Величина э.д.с. небаланса зависит также от тока нагрузки, соотношения внешнего и внутреннего радиуса торроидального сердечника и его магнитной проницаемости. Введем показатель качества конструкции ДТТ Пк, представляющий собой отношение э.д.с. полезного сигнала Еуг, обусловленное протеканием в первичной цепи трансформатора тока утечки на землю, к ЕНб, индуктируемое во вторичной цепи. Показатель Пк является конструктивной характеристикой чувствительности датчика, поэтому улучшение метрологических параметров измерительного прибора ВОЗМОЖНО путем увеличения полезных сигналов Еут при минимальных значениях Е„б Проведенные нами исследования [48,107] показали, что для повышения э.д.с. полезного сигнала нужно использовать для магнитопровода материалы с высокой магнитной проницаемостью, а торроидальные сердечники конструировать с наибольшей кратностью внешнего и внутреннего диаметра. Для снижения э.д.с. небаланса необходимо применять экранирование из магнитомягких материалов, а также скрутку проводников, проходящих через окно торроидального сердечника, для выравнивания картины магнитного поля, вызванной искажениями взаимной индуктивности. Нами разработан измеритель дифференциального тока утечки (ИДТУ), удовлетворяющий указанным требованиям, функциональная схема которого приведена на рисунке 4.4 Блок 1 представляет собой дифференциальный трансформатор тока (ДТТ) с кольцевым разъемным магнитопроводом. Вторичная обмотка располагается равномерно и симметрично на обеих половинах магнитопровода. Для снижения влияния э.д.с. небаланса, обусловленного потоком рассеяния Фр , использован известный способ [6], суть которого состоит в том, что если между кабелем (первичной цепью ДТТ) и его сердечником ввести экран в виде цилиндра из магнитомягкого материала, то путь магнитного потока Фр ко вторичной обмотке будет прегражден. Применение магнитного экрана в приборе ИДТУ (рисунок 4.5) позволило не только снизить Енб., но и надежно защитить вторичную обмотку ДТТ от влияния внешних электромагнитных помех. Входной фильтр, состоящий из измерительной обмотки трансформатора, конденсатора, установленного на входе делителя и резистора, образуют колебательный контур, настроенный на частоту измеряемой сети (50 Гц), что позволяет увеличить помехозащищенность прибора.
