Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 18
1.1. Актуальные аспекты проблемы безопасности эксплуатации электрооборудования и систем электроснабжения в угольной промышленности 18
1.2. Особенности эксплуатации компонентов шахтных участковых систем электроснабжения с позиции их опасности на шахтах Кузбасса 25
1.3. Анализ методов оценки безопасности труда в шахтных эргатических системах 42
1.4. Методы оценки безопасности шахтного взрывозащищенного электрооборудования. 48
1.5. Интегральная оценка свойств систем электроснабжения и их компонентов 54
1.6. Модели структур сложных систем 72
1.7. Учет человеческого фактора в сложных системах 77
1.8. Пути повышения безопасности функционирования шахтных технических систем 86
1.9. Цель и задачи исследований 94
2. Основные положения теории безопасности функционирования сложных систем 98
2.1. Эволюция материи и безопасность живого мира 98
2.2. Системотехническое определение понятия «безопасность» человека 114
2.3. Безопасность человека в эргатической системе 122
2.4. Поля опасности шахтных технических систем 127
2.5. Информация в сложной системе и ее влияние на безопасность 139
Выводы 148
3. Оценка ресурса безопасной эксплуатации сложной системы 150
3.1. Структурное описание системы .150
3.2. Анализ структурных свойств малых систем 166
3.3. Показатели насыщенности системы оперативной информацией 181
3.4. Ресурс безопасной эксплуатации системы 191
3.5. Структурный синтез сложных систем 201
3.6. Повышение наблюдаемости структуры технических систем 207
3.7. Упорядочение структуры эргатических систем 218
3.8. Показатели безопасности эксплуатации компонентов шахтной участковой системы электроснабжения 223
Выводы 228
4. Оценка и повышение безопасности эксплуатации шахтных участковых систем электроснабжения и их компонентов 231
4.1. Оценка ресурса безопасной эксплуатации взрывозащищенных пускателей серии ПВИ 231
4.2. Изменения структуры пускателя при нарушениях ПБ 242
4.3. Использование рациональных алгоритмов поиска неисправностей 247
4.4. Средства технического диагностирования 252
4.5. Оценка ресурса безопасной эксплуатации пускателя при использовании диагностических схем 274
4.6. Разработка взрывозащищенного пускателя повышенного уровня безопасности 279
4.7. Схема управления пускателя повышенного уровня безопасности 300
4.8. Блок максимальной токовой защиты с повышенным ресурсом безопасной эксплуатации 326
4.9. Блок защиты от утечек с повышенным ресурсом безопасной эксплуатации 335
Выводы 348
5. Повышение ресурса безопасной эксплуатации больших систем 350
5.1. Система электроснабжения очистного забоя повышенного уровня безопасности 350
5.2. Особенности эргатической системы энергопредприятия 362
5.3. Структурный синтез энергопредприятия 366
5.4. Сравнительная характеристика систем 380
Выводы 384
6. Опытно-промышленная апробация и социально - экономическая эффективность результатов работы 386
Выводы 391
Заключение 396
Литература 398
- Особенности эксплуатации компонентов шахтных участковых систем электроснабжения с позиции их опасности на шахтах Кузбасса
- Информация в сложной системе и ее влияние на безопасность
- Разработка взрывозащищенного пускателя повышенного уровня безопасности
- Структурный синтез энергопредприятия
Введение к работе
В настоящее время аварийность и травматизм в производственных системах, особенно на угольных шахтах России, приобрели угрожающий характер, причем из всех угольных регионов наиболее опасным является Кузбасс.
Число смертельных исходов на 1000 работающих в 1995 г. (по всем отраслям) составило: в Великобритании 0,016; Японии - 0,02; Швеции - 0,03; США - 0,054; Канаде - 0,075; ФРГ - 0,08; Российской Федерации - 0,138; Кемеровской области - 0,191; число смертельных исходов на 1000 работающих в 1995 г. в угольной отрасли Российской Федерации составило 0,415; по Кемеровской области - 0,519.
В 1998 г. в угольной промышленности России произошло 8825 несчастных случаев. Среди угольных предприятий 70 % несчастных случаев происходит в шахтах. На угольных шахтах в 1998 г. произошло 54 аварии, что всего на одну меньше, чем в 1997 г., всего погибло 139 человек.
Тенденция к неуклонному росту смертельного травматизма наиболее четко прослеживается при таких событиях, как взрыв или вспышка метана и угольной пыли, причем увеличение интенсивности и глубины разработки угольных пластов обусловливает постоянное повышение метаноопасности шахт. Анализ статистических данных по взрывам газа и пыли, возникшим от различных причин в шахтах страны, показывает, что значительную долю (около 35 %) составляют взрывы от электрического искрения.
Все большую роль в создании аварий и травматизма играет взрывоза-щшценное электрооборудование, в том числе взрывозащищенная коммутационная аппаратура, аппаратура управления и защиты - компоненты шахтных участковых систем электроснабжения как при их работе, так и в процессе технического обслуживания и ремонта вследствие неисправностей ненадежных блоков, несовершенства данных компонентов и самих систем электроснабжения.
Статистические данные показывают, что взрывозащищенное электрооборудование, применяемое на угольных шахтах, в 1978 - 1994 гг. послужило источником около 50 взрывов метано-воздушных смесей и 250 пожаров от тепловых воздействий электрического происхождения: коротких замыканий, открытого искрения, замыканий на землю, которые происходили при повреждениях средств взрывозащиты, блокировок и др. Наметившийся в последние годы рост электропотребления вызовет несомненное увеличение количества данного оборудования и его влияния на уровень аварийности и травматизма.
Электротравматизм на угольных предприятиях России составляет около 6 % от всего травматизма отрасли и распределяется следующим образом: на шахтах - 37,5 %; на разрезах - 21,9 %; на прочих объектах - 40,6 % .
Из-за неисправностей наиболее сложной в техническом отношении группы электрооборудования - коммутационной аппаратуры - происходит около 4 % экзогенных пожаров, 16 -20 % взрывов-и игпытшчг мотана и уголь-
рог.. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИ6ЛИОТЄКА
ной пыли, 25 % электротравм (причем, все электротравмы в сетях напряжением 660 В произошли при отключенной защите от утечек).
Главенствующую роль в аварийности шахтных участковых систем электроснабжения приобретают нарушения ПБ, неправильные действия оператора при высокой информационной нагрузке, эмоциональной напряженности, обусловленные, в частности, большим временем восстановления взрыво-защищенного электрооборудования, которое достигает нескольких часов. При этом время поиска неисправности компонентов участковых систем электроснабжения почти в два раза превышает время собственно ремонтных работ.
Увеличивающаяся информационная нагрузка становится в последнее время одной из основных причин неправильных действий как непосредственных исполнителей, так и руководителей работ.
Применительно к взрывозащищенному электрооборудованию действует специальная система государственных стандартов, определяющих требования, которые должны быть удовлетворены при его проектировании, изготовлении, испытаниях и эксплуатации. Вместе с тем в целом ряде случаев имеют место преднамеренные или случайные повреждения средств обеспечения безопасной эксплуатации взрывозащищенного электрооборудования, после которых в большинстве ситуаций взрывозащшценное электрооборудование остается в работоспособном состоянии, так как эти средства не обладают отказными признаками.
До настоящего времени пока не удавалось разработать принципы, реализация которых позволила бы обеспечить соединение свойств работоспособности и безопасности, т.е. наделение средств, обеспечивающих безопасность применения, отказными признаками. Одной из причин такого положения является отсутствие в действующей нормативно - технической документации физических показателей, позволяющих объективно оценить безопасно-стные свойства оборудования: до настоящего времени нет нормированных критериев, обеспечивающих контроль уровня безопасности при применении электрического оборудования и систем электроснабжения во взрывоопасных производствах, в том числе угольных шахтах.
Не сокращающийся, а в последние годы заметно увеличившийся рост числа аварий в шахтных производственных системах, в том числе и за счет усложняющихся горно-геологических условий, приводит к необходимости разработки и создания шахтных участковых систем электроснабжения повышенного уровня безопасности. Особую актуальность данной проблеме придает вступление в силу 20.06.97 г. Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», в котором определены основы обеспечения безопасной эксплуатации шахт.
В этой связи необходимо создание такого взрывозащищенного электрооборудования, которое бы в принципе не могло оказаться в опасном состоянии при выполнении своей технологической функции, в котором невозможны были бы "преднамеренные изменения конструкции и схемы, позволяющие
продолжать эксплуатацию данных технических систем при многократно возросшей опасности ведения горных работ. Создание неповреждаемых компонентов шахтных участковых систем электроснабжения составляет одно из наиболее перспективных направлений совершенствования шахтного взрыво-защищенного электрооборудования.
Таким образом, актуальность повышения безопасности эксплуатации шахтных участковых систем электроснабжения и их компонентов, являющихся сложными системами, необходимость создания теории безопасного функционирования таких систем очевидны как с точки зрения научного исследования, так и практического применения. Решение этой проблемы должно опираться на аналитические и практические методы исследования, системный подход, позволяющие правильно оценить влияние различных факторов на основные процессы, протекающие в системе. Следует отметить, что особенно необходимы разработки для вновь проектируемого шахтного взры-возащищенного электрооборудования.
Исследования выполнялись в рамках отраслевых планов НИР Минэлек-тротехпрома СССР по теме Д0281069853 (№ гос. регистрации 01.82 9065761, 01.84 0041375, 01.85 0034580), гранту 04-94 за 1994, 1995 гг.
Цель работы - повышение безопасности эксплуатации шахтных участковых систем электроснабжения и их компонентов (взрывозащищенного электрооборудования, блоков его управления и защиты).
Идея работы заключается в повышении безопасностных свойств компонентов шахтных участковых систем электроснабжения за счет увеличения наблюдаемости и упорядоченности их структуры и интенсификации взаимодействий между элементами, оцениваемых понятием «ресурс безопасной эксплуатации», которое определяется с помощью физических показателей безопасности функционирования сложных систем.
Задачи исследований
Выявление безопасностных показателей человека как элемента шахтной эргатической системы..
Выработка перечня безопасностных показателей, характеризующих рабочее место технического персонала, обслуживающего шахтную участковую систему электроснабжения.
Разработка обобщенной безопасностной модели шахтной участковой системы электроснабжения.
Определение ресурса безопасной эксплуатации компонентов и самих шахтных участковых систем электроснабжения, характеризующего структуру исследуемого объекта и физические взаимодействия между его элементами.
Выявление показателей ресурса безопасной эксплуатации, позволяющих количественно оценить безопасностные свойства компонентов шахтных участковых систем электроснабжения.
Разработка принципов построения структуры компонентов шахтной участковой системы электроснабжения, способствующих повышению безопасности их эксплуатации.
Разработка способов интенсификации взаимодействий между элементами компонентов шахтных участковых систем электроснабжения.
Создание на основе теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях компонентов шахтных участковых систем электроснабжения повышенного уровня безопасности.
Методы исследований. В процессе выполнения работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы системного анализа, теории графов и дискретной математики, оптимального проектирования и математического моделирования систем. При реализации алгоритма синтеза структуры участковых систем электроснабжения и их компонентов применялся язык программирования Turbo Pascal 7.0, для вычислительных экспериментов использовалась среда Mathlab 5.2. При выполнении экспериментальных исследований были использованы методы физического моделирования, математической статистики при обработке экспериментальных данных, методы параметрической идентификации созданных моделей с экспериментально полученной информацией.
Научные положения, выносимые на защиту
Условия безопасности человека, определяемые внутренним объемом его гомеостаза, который способен увеличиваться при получении информации, нарушаются под воздействием носителей в вещественном, энергетическом и информационном каналах общения человека с внешней средой: либо велико количество носителя в канале, либо скорость поступления носителей превышает максимально допустимую для человека.
Каждая пространственная точка рабочего места обладает опасност-ным потенциалом, который определяется через предельные величины опасного для человека количества носителей в каналах его общения с внешней средой. В совокупности оцасностные потенциалы образуют поля опасности, статические и динамические.
Уровень безопасности шахтных участковых систем электроснабжения и компонентов определяется их внутренней информацией, оцениваемой величиной ресурса безопасной эксплуатации. Величина ресурса безопасной эксплуатации одинакова у двух различных систем (компонентов), выполняющих однотипную технологическую функцию и эквивалентных в безопас-ностном отношении.
Структурная составляющая ресурса безопасной эксплуатации системы электроснабжения (компонента) характеризует наблюдаемость и упорядоченность структуры системы (компонента), а оперативная составляющая ресурса безопасной эксплуатации - режим работы, учитывающий количество возможных состояний и скорость взаимодействия элементов системы (компонента).
Любое изменение в конструкции компонента шахтной участковой системы электроснабжения (в том числе с нарушением ПБ) отражается на установленной зависимости между структурной и оперативной составляющими ресурса безопасной эксплуатации, которая позволяет установить необходимые с безопасностной точки зрения конкретные значения данных составляющих.
Разработаны пришпшьі построения структуры участковой системы электроснабжения и ее компонентов, основанные на увеличении по определенным алгоритмам количества структурной информации, измеряемого числом циклов графа системы (компонента).
Разработаны способы интенсификации взаимодействий между составляющими элементами компонентов участковой системы электроснабжения, основанные на повышении насыщенности оперативной информацией данных компонентов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены корректной постановкой задачи по исследованию безопасностной модели шахтной участковой системы электроснабжения; использованием безопасностной модели, адекватность реальным процессам которой подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований; согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных условиях; применением современных методик испытаний, оборудования и приборов, методов математического анализа и математической статистики с использованием ЭВМ.
Положительные результаты, полученные при опытной эксплуатации экспериментальных компонентов шахтной участковой системы электроснабжения, использование на практике разработанных рекомендаций подтверждают правильность предложенных технических решений, научных положений и выводов.
Научная новизна работы заключается в:
формулировании условий безопасности человека как элемента шахтной эргатической системы;
разработке основ теории безопасности функционирования компонентов шахтной участковой системы электроснабжения;
разработке обобщенной безопасностной модели шахтной участковой системы электроснабжения, позволяющей оценить ресурс безопасной эксплуатации системы;
разработке перечня физических показателей безопасности эксплуатации, характеризующих структуру исследуемого объекта и физические взаимодействия между его элементами;
разработке метода структурного и параметрического синтеза компонентов и самих участковых систем электроснабжения повышенного уровня безопасности.
Личный вклад автора заключается в решении проблемы повышения безопасности эксплуатации шахтных участковых систем электроснабжения и их компонентов; в анализе зависимости безопасности эксплуатации шахтной участковой системы электроснабжения от насыщенности ее внутренней информацией; разработке показателей безопасностных свойств шахтного взры-возащищенного электрооборудования. Личный вклад автора заключается также в создании принципиально новых конструктивно-технологических решений для неповреждаемых компонентов шахтных участковых систем электроснабжения, защищенных авторскими свидетельствами.
Практическое значение работы заключается в разработке принципиально новых научно-обоснованных рекомендаций по повышению безопасности эксплуатации компонентов шахтных участковых систем электроснабжения; в выборе показателей их безопасностных свойств; в создании и внедрении рекомендаций по безопасной эксплуатации шахтных участковых систем электроснабжения; в совершенствовании взрывозащищенного электрооборудования, в частности, разработке унифицированных схемы управления и устройств диагностирования, блоков максимальной токовой защиты и контроля изоляции.
Реализация выводов и рекомендаций работы
Определяющее значение работы состоит в получении существенных социального и экономического эффектов, заключающихся в повышении безопасности функционирования шахтных участковых систем электроснабжения.
Рекомендации по безопасной эксплуатации компонентов участковых систем электроснабжения в-виде алгоритмов поиска неисправности взрыво-защищенных пускателей серии ПВИ вошли в «Инструкцию по технической эксплуатации», выпущенную ВПО «Кузбассуголь», и были внедрены на шахтах Кузбасса. Алгоритмы включены также в «Техническое описание и инструкцию по эксплуатации пускателей», выпускаемое ПО «Кузбассэлектромо-тор». Использование рациональных алгоритмов поиска неисправности позволяет практически в два раза повысить ресурс безопасной эксплуатации эрга-тической системы «пускатель - человек».
Принципы технической реализации устройств диагностирования использованы при создании средств оперативной диагностики пускателей, опытная партия которых была допущена к промышленным испытаниям в газовых шахтах и прошла эти испытания в условиях очистного забоя шахты им. Волкова ОАО «Угольная компания «Северокузбассуголь». Там же был испытан образец взрывозащищенного пускателя с повышенным ресурсом безопасной эксплуатации, получивший малую золотую медаль на торгово-промышленной выставке «Кузнецкая ярмарка» (г. Кемерово, 1999 г.).
Разработанные средства технического диагностирования взрывозащи-щенных коммутационных аппаратов повышают упорядоченность данных технических систем, ресурс безопасной эксплуатации разработанного пуска-
теля, который приобрел свойства неповреждаемости, примерно в 50 раз вьппе ресурса базового образца.
Разработанные рекомендации по структурному синтезу были использованы в энергопредприятии «Кемеровская горэлектросеть», что позволило повысить надежность работы оперативно-диспетчерской службы.
Полученные результаты нашли также применение в учебном процессе при изучении раздела «Электробезопаспость» курса «Теоретические основы электротехники» студентами специальностей: 100400 «Электроснабжение» и 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».
Апробаиия работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на Ш, IV, V, VI научно-технических конференциях, проводимых НИИ ПО «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово, 1982, 1984, 1986 и 1989 гг.), на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Кемерово, 1982 г.), на семинаре механиков-инспекторов Госгортехнадзора СССР (г. Кемерово, 1985 г.), на семинарах «Безопасное применение электроэнергии на угольных шахтах», проводимых ВостНИИ (г. Кемерово, 1984 и 1985 гг.), на заседании секции исследования и конструирования электрических машин и аппаратов НИИ ПО «Кузбассэлектромотор» (г. Кемерово, 1987 г.), на секции Минуглепрома СССР (г. Донецк, 1990 г.), на II семинаре по угольному машиностроению Кузбасса, проводимому в Институте угля СО АН СССР (г. Кемерово, 1991 г.), на 12 и 13 Международных конференциях ІСАМС (Польша, г. Гливице, 1995 г. и Словакия, г. Кошице, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (г. Кемерово, 1998 г.), на П и Ш Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г. Кемерово, 1998 г. и 2000 г.), на научно-практической конференции «Системы и средства автоматизации» (г. Новокузнецк, 1998 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы электроснабжения и электросбережения горнорудных и металлургических предприятий» (г. Новокузнецк,
2000 г.), Третьей Российской научно-технической конференции «Энергосбе
режение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск,
2001 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподава
тельского состава КузГТУ (г. Кемерово, 1982-2003 гг.).
Разработанный образец взрывозащищенного пускателя получил малую золотую медаль на торгово-промышленной выставке «Кузнецкая ярмарка» (г.Кемерово, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 77 печатных работ, в состав которых входят монография и восемь авторских свидетельств на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и содержит 302 страницы машинописного текста, 107 рисунков, 46 таблиц, список литературы из 235 наименований.
Особенности эксплуатации компонентов шахтных участковых систем электроснабжения с позиции их опасности на шахтах Кузбасса
В связи с тем, что наибольшее число неисправностей происходит в шахтной участковой сети, основное внимание при исследовании эксплуатации взрывозащищенного электрооборудования было уделено схемам электроснабжения очистных и подготовительных забоев.
Система электроснабжения участка угольной шахты включает в себя одну или несколько понизительных (трансформаторных) подстанций, подвигающихся вслед за продвижением лав, от которых электроэнергия напряжением 380, 660 или 1140 В подается к распределительному пункту лавы, а затем гибкими кабелями распределяется по электроприемникам. Пример схемы электроснабжения участка приведен на рис. 1.2 [90]. Перечень компонентов шахтных участковых систем электроснабжения и выполняемых ими функций, технологических и безопасностных, показан на рис. 1.3.
Взрывозащищенное электрооборудование подразделяют на три группы: кабель, электродвигатели, взрывозащищенная аппаратура - средства автоматизации, контроля и управления, а также взрывозащищенные пускатели и автоматические фидерные выключатели.
Наименее защищенными с точки зрения безопасности и надежности при эксплуатации являются кабельные сети.
Увеличение протяженности горных выработок при «старении» шахт приводит к соответствующему увеличению длины кабельных сетей. Анализ обследованных схем электроснабжения участков [63] показал, что значения математических ожиданий, а также среднеквадратических отклонений длин кабеля от магнитного пускателя до автоматического фидерного выключателя достигают 200 м, что, во-первых, является недопустимым из-за большой потери напряжения в кабельной сети; во-вторых, увеличивает вероятность механического повреждения кабеля; в-третьих, провоцирует обслуживающий персонал на неправильные трудовые действия: зачастую напряжение, подаваемое на ответвление кабельной сети, на котором происходит процесс технического обслуживания и ремонта взрывозащищенного электрооборудования, не отключается посредством автоматического выключателя.
В отдельных случаях параметры электрической схемы участка не соответствуют фактическим величинам, например, сечения кабеля, длины кабелей, токовые уставки [63].
Короткие замыкания, однофазные замыкания на землю, опасный нагрев кабельных сетей являются причиной 6-7 % всех экзогенных пожаров, 7 % взрывов метана и 20 % электротравм [168]. Замыкания в кабеле возникают при механических повреждениях от обрушения породы или угля, от движущихся механизмов, воздействия персонала, при выдергивании кабелей из вводных или выводных устройств взрывозащищенного электрооборудования, а также при пробое («старении») изоляции кабеля.
Последствия замыканий в кабеле особенно тяжелые при преднамеренных отключениях максимальной токовой защиты, защиты от утечки. Чрезмерный нагрев кабеля может происходить при энергетической перегрузке кабеля, плохих контактах во вводных и выводных устройствах взрывозащищенного электрооборудования, кабельных муфтах, перегибах кабеля в «кольца» и «восьмерки», которые образуются при неправильной его укладке, отсутствии подвески кабеля к крепи. Возможны ситуации, при которых концевые и штепсельные муфты не заливаются кабельной массой.
Все вышеперечисленные воздействия на кабель, усиленные негативным влиянием высокой влажности, угольной пыли, агрессивных шахтных вод, приводят к тому, что срок службы кабельной линии не превышает одного года. Наработка на отказ комбайного кабеля составляет 400-1720 ч, штрекового - 3500-10000 ч, время восстановления кабеля изменяется в диапазоне 1,5-3 ч [139, 144].
Анализ эксплуатации кабельных сетей; позволяет сделать следующие выводы.
1. Недопустимо использование длинных (более 100 м) участков существующих в эксплуатации незащищенных гибких кабелей.
2. В выработках с возможными высыпаниями кровли, подвижными механизмами недопустимо использование открытого, механически незащищенного гибкого кабеля.
3. Реально существующая возможность отключения максимальной токовой защиты и защиты от утечки приводит к коротким замыканиям, опасным замыканиям на землю и недопустимому нагреву кабеля.
4. Отсутствие эффективной защиты от воздействия окружающей среды приводит к быстрому снижению сопротивления изоляции кабеля и, как следствие, - частому срабатыванию защиты от утечки [ 162].
5. Время срабатывания эксплуатируемых в настоящее время защит превышает время развития опасного события.
6. В большинстве случаев неработоспособность кабеля совпадает с его опасным состоянием, следовательно, кабель подходит к определению неповреждаемого взрывозащищенного электрооборудования, но недостаточная его надежность и низкая эффективность защит ликвидируют достоинства свойства «неповреждаемости» [139]!
Рудничные электродвигатели - достаточно надежная и безопасная в эксплуатации группа взрывозащищенного электрооборудования. В настоящее время в забоях используется широкая гамма серий электродвигателей: ЭДК, ЭКВ - для исполнительных органов очистных комбайнов; ВАОПК - для исполнительных органов проходческих комбайнов; ЭДКОФ, ВР, В АО, К, КО - для скребковых конвейеров, лебедок, приводов передвижных механизмов, вентиляторов местного проветривания, погрузочных машин [141].
В электродвигатели наиболее мощного и ответственного горно-шахтного оборудования встраиваются датчики температуры и скорости ее роста, подключаемые к схеме управления магнитного пускателя и предназначенные для избежания перегрева статор-ной обмотки электродвигателя.
В наиболее тяжелом режиме работают электродвигатели комбайнов и конвейеров: продолжительность включений составляет 20-80 % при частоте включений 10-20 1/ч, пиковые нагрузки достигают 130% номинальной мощности, что при величине напряжения питания 0,8-0,9 от номинального соответствует режиму опрокидывания.
Работа электродвигателя сопровождается сильной вибрацией, снижающей механическую прочность изоляции и усиливающей износ подшипниковых узлов. Обмотки электродвигателя внутри его корпуса находятся в условиях практически постоянной стопроцентной относительной влажности, которая создается за счет способности взрывонепроницаемой: оболочки формировать собственную атмосферу вследствие термодинамических процессов, приводящих к периодическим расширениям и сжатиям воздуха [139, 141].
Наработка на отказ электродвигателей комбайнов и конвейеров составляет 3500-6100 ч, время восстановления.— 3,5-6 ч; Данное время восстановления является по сути временем замены неисправного электродвигателя на новый в связи с невозможностью ремонта электродвигателей в условиях горной выработки [144].
Основными причинами отказов электродвигателей являются: снижение сопротивления изоляции обмоток статора- 80-90 % отказов, выплавление роторных стержней обмотки, повреждение узлов, обеспечивающих взрывозащиту. По данным исследования [181] нарушенную взрывозащиту имеют 40 % корпусов и крышек коробок выводов, в том числе: прожоги коробок выводов составляют 10 %, недопустимое увеличение ширины щели между крышкой и взрывонепроницаемой оболочкой - 20 %, забои на взрыво-защитных поверхностях- 70 %. Следы ржавчины на лабиринтном или плоском соединениях присутствуют практически у всего взрывозащищенного электрооборудования.
К преднамеренным нарушениям ПБ следует отнести закорачивание датчиков температуры электродвигателя, отсутствие части болтов у крышек корпуса.
Недопустимый нагрев корпуса электродвигателя, замыкания на корпус, короткие замыкания обмоток, отсутствие заземления или увеличение сопротивления заземления, нарушения взрывоза-щиты являются причиной 6-10 % всех экзогенных пожаров и многочисленных электротравм [168].
Анализ эксплуатации электродвигателей показывает следующее.
1. Взрывонепроницаемую оболочку электродвигателя нельзя признать надежным средством взрывозащиты.
2. Электродвигатель имеет низкую диагностическую обеспеченность.
3. Имеющиеся защиты электродвигателя ненадежны и легко выводятся из строя.
Наиболее сложная в техническом отношении группа оборудования - пускатели и фидерные выключатели - выполняет ответственную безопасностную функцию, обеспечивающую безопасное применение электроэнергии в шахтах, опасных по газу и пыли.
Информация в сложной системе и ее влияние на безопасность
Наличие трех каналов взаимодействия между элементами затрудняет выработку единого критерия безопасности функционирования сложных систем. Объединение разнородных характеристик данных каналов в одну возможно с помощью энтропии Н (отрицательной энтропии - негэнтропии N = —Н).
Компоненты энтропии от вещественного и энергетического воздействий определяются по формулам [205].
При введении в формулу (2.24) постоянной Больцмана к каждый бит информации (относящийся к микросостояниям системы) приобретает свою энтропийную цену [17].
Общую энтропию Н сложной системы можно разделить на две составляющие [103]: Н=Нп+ АН, (2.25) где Нп - условно постоянная энтропия, обусловленная медленным процессом старения и на протяжении срока службы системы увеличивающаяся в пределах ее устойчивости; АН - переменная составляющая энтропии, возникающая вследствие динамических воздействий внутри системы либо воздействий внешней окружающей среды и приводящая к нарушению устойчивости сложной системы.
В свою очередь, АН = ± АНвещ ± АНэнерг - АНинф, (2.26) где (± АНвещ) - изменение энтропии, обусловленное воздействием по вещественному каналу (знак «+» соответствует поступлению вещества в систему, знак «-»- оттоку вещества из системы); (± АНэнерг) - изменение энтропии, обусловленное воздействием по энергетическому каналу (знак «+» соответствует поступлению энергии в систему, знак «-» - оттоку энергии); (- АНинф) - уменьшение энтропии, обусловленное получением информации системой (так как исчезновение информации физически невозможно).
Составляющие правой части формулы (2.26) являются в общем случае независимыми друг от друга.
Анализ формул (2.25) и (2.26) показывает, что сложная система сохраняет устойчивость и, как следствие, безопасность функционирования при выполнении условия [103]: ± АНвещ ± АНэнерг -АНинф= О, (2.27) которое может быть осуществлено двумя способами:
1) ограничением воздействий по вещественному и энергетическому каналам;
2) частичным или полным парированием вещественного или энергетического воздействия воздействием по информационному каналу.
В настоящее время предпочтение отдается именно первому способу, который, как показывает статистика аварийности и травматизма, недостаточно эффективен. Второй способ повышения безопасности функционирования системы заключается в создании ее разветвленной структуры, в которой циркулировали бы увеличенные объемы информации с повышенной скоростью. Чем больше внутренней информации в системе, тем она безопаснее, в то же время, чем большей информацией владеет человек, тем в общем случае больше объем его внешнего гомеостаза.
В этой связи представляется перспективным использование взаимозависимости безопасности функционирования сложной системы и насыщенности ее информацией. В данном случае информация рассмотрена с точки зрения атрибутивной концепции [1], т.е. под понятием «информация» подразумеваются как особенности структуры системы (Л. Бриллюэн рассматривал структуру как связанную или структурную информацию [18]), так и различного рода физические взаимодействия между элементами системы, объединяемые общим понятием «оперативная информация», так как в соответствии с определением Н: Винера [23] любое взаимодействие между элементами системы (электромагнитное, механическое, вещественное или другого вида) есть передача информации.
Оба указанных вида информации составляют внутреннюю информацию системы, которая определяет информационный ресурс или ресурс безопасной эксплуатации системы. Можно сказать, что связи сложной системы удерживают внутри нее циркулирующие энергию, вещество и информацию: при нарушении связей они высвобождаются, обуславливая динамические поля опасности.
Реализация функции самоуправления системы предполагает наличие в ней определенной информационной насыщенности, иначе - определенного ресурса безопасной эксплуатации: чем больше ресурс системы, тем выше ее безопасность [108].
Так, например, многократно продублированные связи структуры аэрокосмического аппарата обусловливают его большую надежность и безопасность по сравнению с шахтной технической системой.
В предлагаемой безопасностной модели [96, 97, 105] структурная (осевшая) информация характеризует топологию системы и определяет количество и качество связей между элементами, оперативная информация оценивает потоки информации, которые циркулируют по данным связям с различной скоростью. Одним из основных отличий данных видов информации друг от друга является то, что структурная информация является менее подвижной, чем оперативная;
Понятие структурной информации тесно связано с такими понятиями, как сложность, наблюдаемость и упорядоченность структуры системы.
Усложнение системы происходит при увеличении ее внутренней информации, которая, в частности, определяется числом контурных связей - циклов (замкнутых путей по прямым и обратным связям): чем разветвленнее структура системы, чем больше в ней циклов, тем выше структурная организация - наблюдаемость и упорядоченность системы.
Наблюдаемость структуры системы определяется насыщенностью соответствующего ей ориентированного графа путями, дающей возможность определения состояния системы по измерениям ее выходных сигналов.
С точки зрения безопасности полную наблюдаемость структуры можно определить как возможность центрального элемента системы (например, человека, блока управления) контролировать с помощью имеющихся в системе обратных связей состояние периферийных элементов (при этом неважно, отрицательная или положительная обратная связь в системе, так как в любом случае при наличии обратной связи- информация лишь увеличивается), обладающих, в свою очередь, функцией самоуправления.
При полной наблюдаемости центральный элемент может получить сигнал о состоянии каждого элемента системы.
При дальнейшем увеличении числа связей системы наблюдаемость структуры снижается за счет возрастания ее сложности: на определенном этапе возникают дублирующие связи, избыточные прямые связи, взаимовлияние связей, структура системы насыщается структурной информацией, система становится громоздкой, а потому плохо управляемой, ненадежной:
В работе [13] за количество информации, содержащейся в системе, принимается состояние связей системы в любой данный момент времени. Однако в связи с особым значением в структуре циклов измерение количества структурной информации целесообразнее производить числом контурных связей системы - замкнутых путей, проходящих по связям системы в направлении действия сигналов [107].
Разработка взрывозащищенного пускателя повышенного уровня безопасности
Для разработки взрывозащищенного пускателя повышенного уровня безопасности первоначально было проведено увеличение наблюдаемости струюурной схемы без разделения элементов на простые и сложные.
После выполнения первого этапа по критерию максимального показателя смежности при минимуме вводимых связей были получены ориентированный граф и матрица смежности вершин, представленные на рис. 4.20.
Ориентированный граф и матрица смежности вершин после выполнения второго этапа повышения наблюдаемости структуры, на котором осуществлялось насыщение системы обратными связями и связями самоконтроля, представлены нарис. 4.21.
Все элементы данной схемы имеют связи самоконтроля, дублированные обратными связями, что повышает надежность определения состояния каждого из элементов схемы.
В табл. 4.9 приведен расчет информационной характеристики при lj- 1 бит, Vj= 10 с" и Pj- 1.
По результатам расчетов построена информационная характеристика пускателя повышенного уровня безопасности, приведенная на рис. 4.22. Точками на рис. 4.22 обозначены значения комплексного оперативного показателя для имеющегося пускателя при А = 0,6 и для полностью наблюдаемой структуры при А = \ D = 2150,04 бит/с.
В структуре пускателя, приведенной на рис. 4.21, невозможны умышленные изменения схемы управления, так как все блоки пускателя обладают обратными связями и связями самоконтроля: в случае отказа или отключения блока контактор отключится, следовательно, данный пускатель обладает свойством неповреждаемости.
В пускателе серии ПВИ такие элементы, как взрывозащитная оболочка, кнопка «Стоп», датчики тока и утечки, а также и сам объект управления экономически нецелесообразно охватывать связями самоконтроля, поэтому эти элементы с номерами 1, 2, 7, 8, 10 приняты за простые (в соответствии с принятой терминологией).
При этом первый этап повышения наблюдаемости структуры позволяет получить граф пускателя и его матрицу смежности вершин, представленные на рис. 4.23.
Второй этап повышения наблюдаемости с учетом простых элементов дает результат, приведенный на рис. 4.24. Полученная структура имеет следующие параметры: кст = 2,2; ксв =1,3; 4=0,7; Я(р) = 3,05; G = 2,14.
Реализация блока управления для данной структуры пускателя возможна лишь на основе микроконтроллера: это позволит осуществить самоконтроль данного блока, а также придать гибкость алгоритму работы схемы управления, что даст возможность использовать блок управления практически без изменений для любой другой шахтной коммутационной аппаратуры.
В схеме необходимо реализовать обегающий контроль, который должен осуществляться непрерывно: в этом случае можно принять вероятность правильного распознавания сигналов от блоков, равной единице.
Использование модуляции при передаче сигналов от самоконтролируемых блоков позволит увеличить количество сигналов об их состоянии, по крайней мере, блок управления должен анализировать три вида сигналов: «исправен», «неисправен», «срабатывание» [33]. БЗУ должен отображать два уровня снижения сопротивления изоляции в соответствии с требованиями [136], т.е. иметь на выходе уже четыре вида сигналов. По связям самоконтроля передается два состояния: «исправен» или «неисправен».
Учитывая, что новый пускатель предполагается создавать на электронной элементной базе с использованием микропроцессорной техники, его быстродействие увеличится. Поэтому время определения технического состояния объекта управления сокращается до 0,1-с, а время, уходящее на самопроверку основных блоков, - до 0,01 с.
Для быстрооткрываемой крышки пускателя и кнопки «Стоп» время определения технического состояния неизменно.
Результаты расчета количества оперативной информации для пускателя повышенного уровня безопасности приведены в табл. 4.10, результаты ресурса его безопасной эксплуатации - в табл. 4.11.
Информационная характеристика пускателя повышенного уровня безопасности приведена на рис. 4.25. Точкой на рис. 4.25 обозначено максимальное значение показателя насыщенности оперативной информацией структуры нового пускателя.
В табл. 4:12 показан анализ нарушений ПБ, изменяющих структурную схему пускателя, в соответствии с перечнем табл. 1.8.
Согласно данным табл. 4.12, практически все возможные нарушения ПБ, связанные с изменением структурной схемы в пускателе повышенного уровня безопасности, невозможны, следовательно, все основные блоки данного пускателя обладают свойством неповреждаемости.
Структура эргатической системы «взрывозащищенный пускатель повышенного уровня безопасности - человек» приведена на рис. 4.26.
Структурный синтез энергопредприятия
В 1998 - 1999 гг. произошло расширение электрических сетей энергопредприятия «Кемеровская горэлектросеть» со значительным увеличением; информационной нагрузки на оперативно-диспетчерскую службу.
Первоначально предполагаемая структура энергопредприятия показана нарис. 5.5, где 1 - диспетчер; 2 - старший диспетчер; 3 — помощник диспетчера; 4-8 - оперативно-выездные бригады; 9 - администрация города; 10-12 - диспетчерские службы снабжающих энергопредприятий; 13-15 - сетевые районы капитального ремонта; 16 - объекты управления (трансформаторные подстанции); 17 - распределительные подстанции; 18 - персональный компьютер; 19 - служба ремонта распределительных подстанций.
Расчетные структурные показатели для графа энергопредприятия с числом связей рм = 49 следующие: Sp (MQ) =0; &cw=2,58; ксв= 1,68; А = 6/19 =0,316; Н(р) = 3,644; G= 1,15.
К возможным неисправностям отнесены повреждения электрооборудования, автотранспорта, а также психологически и физически неустойчивые состояния человека. К типовым неисправностям относятся такие, как аварийное отключение масляного выключателя в линиях на напряжениях 35 и 10 кВ, замыкание на землю, повреждения кабельных и воздушных линий, сборных шин распределительных устройств, обмоток трансформатора и другие. К техническим состояниям относятся телефонные и радиопереговоры по всем каналам связи, а также плановые переключения в сети и профилактические работы.
При определении скорости циркуляции оперативной информации учтено время передачи и приема информации, время доставки бригад к объектам обслуживания и время работы.
Значение вероятности правильного определения состояния системы или объекта в / -м пути принято 0,95, так как определение состояния производится с дублированием человека человеком, что сводит к минимуму возможные ошибки.
Результаты определения количества оперативной информации приведены в табл. 5.5, результаты расчета ресурса безопасной эксплуатации первоначальной структуры энергопредприятия - в табл. 5.6.
Проведенный анализ структуры показал необходимость ввода самоконтроля в подразделения оперативно-выездных бригад, диспетчерских служб, сетевых районов, службы ремонта.
Для упорядочения структуры энергопредприятия, снижения нагрузки диспетчера была предложена новая структура, приведенная на рис. 5.6, где 1,2- диспетчеры; 3 - старший диспетчер; 4 - помощник диспетчера; 5 - администрация города; 6-8 - диспетчерские службы снабжающих энергопредприятий; 9, 10, 17 -сетевые районы; 11-13,15,16 — оперативно-выездные бригады; 14, 23 - объекты управления (трансформаторные подстанции); 18, 21 - распределительные подстанции, 19,22 персональные компьютеры; 20 - служба ремонта распределительных подстанций.
Упорядоченная структура была получена по разработанному алгоритму, указанному на рис. 3.34 и реализованному в системе программирования Turbo Pascal.
Расчетные показатели смежности для графа упорядоченной структуры энергопредприятия с увеличенным числом связей до рм =63 следующие: Sp (MG) =0; кст = 2,7Л; ксв = 3,65; А = 11/23 = 0,478; Я(р) = 4,112; С/.=-1,967.
Результаты определения количества оперативной информации по путям графа упорядоченной структуры энергопредприятия приведены в табл. 5.7, расчет ресурса ее безопасной эксплуатации- в табл. 5181
На основе вычислительного эксперимента для приведенных нарис. 5.5 и 5.6 вариантов структуры энергопредприятия получены следующие результаты: практический стоимостной критерий Ws снизился в 2,946 раза, упорядоченность усовершенствованной структуры возросла почти в два раза, показатель насыщенности оперативной информацией повысился в 1,3 раза, а ресурс безопасной эксплуатации в усовершенствованной структуре диспетчерского управления увеличился более чем в два раза.
С позиции предлагаемого практического стоимостного критерия Ws преимущества второго варианта, структуры энергопредприятия очевидны.
По статистическим данным после преобразования структуры энергопредприятия «Кемеровская горэлектросеть» количество несчастных случаев снизилось в три раза, таким образом, использованная методика структурного синтеза эргатическои системы позволяет объективно оценить данную структуру с позиции безопасности ее функционирования.
Наибольшая насыщенность оперативной информацией приходится на диспетчера энергопредприятия (до 95%). Реализация предложенной упорядоченной структуры управления позволила одновременно и повысить показатель насыщенности, и распределить этот показатель между диспетчерами: для первоначальной структуры 1,52 бит/с - на одного диспетчера; для усовершенствованной структуры 1,2 бит/с - на первого диспетчера и 0,8 бит/с - на второго диспетчера.
Особенностью структурного синтеза эргатической системы является то, что не все циклы, изображенные на рис. 5.5 и 5.6, учитываются при расчете насыщенности структур оперативной информацией. Это объясняется большим количеством вершин, вовлеченных в цикл, и малой скоростью циркуляции в них оперативной информации, поэтому данные замкнутые пути практически не используются при функционировании системы.
Количество неучтенных циклов в графе на рис. 5:5 равно двум, в графе упорядоченной структуры на рис. 5.6 их число возрастает до 47. Подсчет числа циклов, в том числе с ограничением количества вершин цикла, был произведен в среде Excel -97.
Сравнение двух вариантов структуры показывает, что:
1) упорядочение структуры эргатической системы приводит к «делению» системы относительно наиболее нагруженных элементов, приводя к появлению симметричной структуры;
2) имевшаяся звездная система трансформируется в сотовую с возникновением свойства взаимозаменяемости фрагментов структуры.
