CC BY
1Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф.
А.Ф. Калинин, аспирант, e-mail: a.k.brit@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
А.Ф. Костюков, канд. техн. наук, докторант Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул
УДК 631.31.539
АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОПАСНОСТЕЙ ЛЮДЕЙ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ И КОНЦЕПЦИЯ ПРЕВЕНТИВНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ
Рассмотрен современный метод анализа опасных человекомашинных систем (на примере «человек - электроустановка - среда» (Ч - ЭУ - С)). Показан процесс развития и реализации риска и исхода электротравмы (летальный, инвалидность и временная потеря трудоспособности). Приведены алгоритм формирования и развитие техногенной опасности. Сформулирована концепция превентивных мер безопасности электроустановок человекомашинной системы. Приведена градация превентивных мер электрической защиты по факторам риска с выделением снижения частоты (вероятности) опасных событий, их последствий - ущербов (потерь) и повышения эффективности системы безопасности электроустановок (СБЭ), направленной на предупреждение рисков и смягчения их последствий. Показано развитие и реализация опасностей в системе (Ч - ЭУ - С). Даны рекомендации по применению электрической защиты в зависимости от режима работы электроустановок (ЭУ) (нормальный, предаварийный и аварийный).
Ключевые слова: человекомашинная система, риск электроустановки, электрическая защита, система обеспечения безопасности электроустановок (СОБЭ), превентивные методы.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.F. Kalinin, P.G.
A.F. Kostyukov, Cand. Sc. Engineering
THE ANALYSIS OF TECHNOGENIC DANGER FOR PEOPLE IN THE ELECTRICAL SYSTEMS AND THE CONCEPT OF PREVENTIVE METHODS OF PROTECTION
The current method for the analysis of hazardous man-machine systems (on the example of "people-electroinstallations-environment") is considered in the article. It shows the process of the development and implementation of risk and outcome of electrocution (fatal, disability and temporary disability). The algorithm of formation and development of technogenic danger is given in the work. The conception of preventive safety of electrical installations of the man machine system is formulated. The gradation of preventive measures of electric defence is brought, distinguishing the decline offrequency (probabilities) of hazardous occurrences, their consequences - damages (losses) and improvement of the efficiency of electrical safety, directed to the prevention of risks and mitigation of their consequences. The development and realization of dangers are shown in the system. The recommendations on application of electric defence are given depending on the operation's mode of electrical installations (normal, pre- emergency and emergency).
Key words: man-machine systems, the risk of electrical systems, electrical protection, electrical safety system.
Одним из направлений государственной политики в области техногенной безопасности электроустановок является обоснование превентивных мероприятий, направленных на предупреждение аварий, несчастных случаев и т.д. Отечественная практика показывает, что затраты на создание мер по предотвращению опасностей значительно ниже возможного ущерба от них. Вместе с тем невозможно полностью избежать аварий и электротравм. Отдавая приоритет жизни и здоровью человека, концепция безопасности электроустановок (ЭУ) должна строиться на признании возможности возникновения аварийных ситуаций в электроустановках и принятии мер по недопущению их развития в аварию или нанесения ущерба от них. Следовательно, основой для построения системы обеспечения безопасности электроустановок (СОБЭ), обоснования ее структуры и функций является признание существующих опасностей в ЭУ как объективной реальности. Однако реализация СОБЭ связана с выделени-
ем соответствующих ресурсов и принятием комплекса специальных мер технологического и нормативно-технического характера. Приоритет должен быть отдан повышению эффективности производственной деятельности человека, а обеспечение требуемой безопасности следует рассматривать как вынужденную меру. Необходимо также включение в структуру СОБЭ нормативных актов, регламентирующих производственную безопасную деятельность персонала, и принятие ряда ограничений, например, законодательное закрепление принципиальной невозможности обеспечения абсолютной безопасности.
Принимая изложенное, введем рабочее определение системы обеспечения безопасности электроустановок: совокупность технических мер электрической защиты, организационных мероприятий и соответствующих нормативно-законодательных актов, направленных на предупреждение техногенных опасностей в ЭУ и снижение ущербов от них. Поэтому СОБЭ можно трактовать как комплекс превентивных мер защиты от техногенных угроз, направленных либо на их предупреждение, либо на смягчение последствий от этих угроз, т.е. опасных событий, если они произошли. К превентивным мерам следует также отнести механизмы государственного регулирования безопасности (нормативная правовая база), экспертизу проектов по электроснабжению объектов, государственный надзор и т.д.
Изложенные соображения дают основания в качестве превентивных мер безопасности системы электроснабжения объектов принять:
- снижение частоты инициирующих событий;
- снижение вероятности перерастания аварийных ситуаций в аварию, несчастный случай и т.д.;
- снижение уровней действующих на объект нагрузок (рискообразующих факторов внешней среды);
- снижение последствий аварий для персонала, населения и окружающей среды.
На рисунке 1 приведена иллюстрация сформулированной концепции превентивных мер безопасности электроустановок человекомашинной системы (Ч - СЭС - С). Остановимся на этом вопросе более подробно.
Требования к СОБЭ
Надежность СОБЭ будем характеризовать такими ее свойствами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и устойчивоспособность [1]. Одним из основных понятий в теории надежности является отказ. Применительно к рассматриваемой СОБЭ отказ можно интерпретировать как событие, заключающееся в нарушении работоспособности элементов подсистемы А (рис. 1). Причем если функция электрозащиты ухудшается, то такой отказ следует рассматривать как частичный; если же в результате отказа утрачивается работоспособность подсистемы А, то такой отказ является полным. Как правило, отказы средств электрической защиты проявляются в результате резкого, скачкообразного изменения основных ее параметров, связанных либо с усилением воздействий рискообразующих факторов рабочей и внешней среды, либо с ошибочными действиями персонала. Такие отказы обычно являются устойчивыми, и требуется соответствующий ремонт. Частичный отказ элементов подсистемы А приводит к неустойчивому функционированию защиты, когда для ее восстановления достаточно отключения сети или изменения режима работы электроустановки.
Живучесть СОБЭ проявляется в способности средств электрической защиты сохранять или оперативно восстанавливать ее функции при наступлении аварийных ситуаций.
Создание комбинированной защиты СОБЭ предполагает использование программно-целевого подхода к управлению процессом обеспечения безопасности электроустановок [2]. Согласно современным представлениям, этот подход применительно к человекомашинной системе (Ч - СЭС - С) реализуется в виде функционирования комплекса взаимосвязанных подсистемам А, В, С и Б. При этом важным условием эффективности управления безопасностью ЭУ следует считать регулирование ресурсов для предупреждения аварийности, электротравматизма и т.д.
Многоступенчатая защита СОБЭ основана на создании последовательных уровней (эшелонирование защиты) для предотвращения аварий и электротравматизма и их последствий путем блокирования возможных ошибок человека и отказов средств электрической защиты. Принцип эшелонированной защиты (широко используется для обеспечения безопасности АЭС) в определенной степени может быть использован в электроустановках общественных зданий, «умных» домах и т.д. Этот принцип предполагает такие методы обслуживания электроустановок, которые обеспечивают устойчивость управления и его нечувствительность к возможным отказам, ошибкам и возмущениям, нарушающим нормальную эксплуатацию оборудования.
Независимость защиты СОБЭ может быть реализована с помощью так называемого принципа единичного безопасного отказа, когда система безопасности остается работоспособной при отказе какого-либо ее элемента либо когда отказ электрической защиты не должен повлечь за собой перерастание аварийной ситуации в аварию, а ограничиваться ее ложным срабатыванием.
Разнотипность структуры СОБЭ предусматривает использование разнообразных аппаратных и программных средств, когда система обеспечения безопасности проектируется так, чтобы влияние отказов и ошибок персонала на ее работоспособность было минимальным. В связи с этим представляется перспективным биотехнический принцип при проектировании СОБЭ, использующий свойства и законы живой природы. Такие системы безопасности обладают свойством самозащищенности с присущими характеристиками безопасности и поэтому заведомо имеют высокий уровень надежности.
Таким образом, сформулированные требования к СОБЭ создают предпосылки минимизации запасенной электрической энергии в ЭУ и снижения роли человеческого фактора в инициировании и развитии аварийных режимов, а также невосприимчивости сверхнормативных нагрузок внешней среды.
Известно, что в результате воздействия электрического тока на человека возможны три исхода: летальный, инвалидность, временная потеря трудоспособности. Причем получение электротравмы происходит либо в результате аварий (например, при пробое изоляции и попадании человека под напряжение), либо в процессе нормальной эксплуатации электроустановки (в случае преднамеренного прикосновения токоведущих частей).
По уровню опасности и механизму нанесения вреда от электроустановки негативные факторы можно разделить на поражающие и вреднодействующие. Поражающие факторы связаны с кратковременным воздействием на человека значительного потока энергии. Механизм воздействия электрического тока носит биологический, тепловой и термодинамический характер. Последствия вреднодействующих факторов от ЭУ могут привести к заболеванию, ухудшению самочувствия, снижению работоспособности и т.д. Обычно вредные факторы характеризуются незначительными уровнями поглощаемой человеком энергии, время их действия возможно продолжительное (например, отделенные негативные последствия от электромагнитного излучения).
Рассмотрим техногенную опасность как результат взаимодействия компонентов системы «человек - электроустановка - среда» (Ч - ЭУ - С). Тогда для реализации опасности необходимо наличие источника вреда (электроустановки), потенциальной жертвы (человека) и опасной техногенной ситуации (попадания человека под напряжение). Рисунок 2 иллюстрирует возникновение опасной техногенной ситуации и возможные исходы.
Будем понимать под безопасностью ЭУ свойство человекомашинной системы (Ч - ЭУ - С) сохранять при функционировании такое состояние, при котором риск эксплуатации объекта не превышает приемлемого (нормативного) его значения [3]. Примем, что риск гарантирует допустимые и номинальные условия среды, обеспечивая соответственно безопасный и комфортный уровень воздействия электроустановки на человека. Комфортные условия создают предпосылки сохранения здоровья и оптимальную среду трудовой деятельности.
Безопасный уровень воздействия электрического тока (или электромагнитного поля) на
человека и среду обитания не оказывает негативного влияния на здоровье, но может привести к дискомфорту, снижая эффективность деятельности человека.
Наличие допустимых условий среды гарантирует невозможность возникновения и развития необратимых физиологических процессов человека. Допустимые уровни электрической энергии закрепляются соответствующими нормативами, в частности первичными критериями электробезопасности [4].
Рассмотрим физиологические аспекты получения электротравмы в чрезвычайно опасных условиях пребывания. В первом случае возникает фибрилляция желудочков сердца, приводящая к состоянию клинической смерти, а во втором (при времени воздействия электрического тока более 5 с) - возникает асфиксия дыхательных путей. В любом случае исход электротравмы определяется так называемой дозой поглощения энергии телом человека.
Диапазон дозы поглощения (мощности электрической энергии р = /Д(. ш^) от низкой до летальной можно разделить на несколько интервалов, каждый из которых характеризуется определенным эффектом [5]. Причем если тяжесть и исход электротравмы, зависящие от множества случайных факторов, носят вероятностный характер, то физиологический эффект поглощения энергии телом человека можно считать детерминированным. Последнее объясняется существованием пороговых значений тока, протекающего через человека, выше которых возникает та или иная физиологическая реакция организма (эффект неотпускания, асфиксия и фибрилляция).
Рисунок 1 - Концепции превентивных мер безопасности электроустановок
Рисунок 2 - Развитие и реализация опасностей в системе (Ч - ЭУ - С)
Введем понятие «критическая нагрузка Акр», при превышении которой наступает электропоражение человека. В качестве Акр могут выступать мощность энергии, поглощенной телом, ток через человека, напряжение прикосновения. Критическая нагрузка, образно говоря, характеризует устойчивость организма человека к внешним воздействиям.
Тогда исход электротравмы можно выразить с помощью бинарной переменной
_ Г До = 0, если Хчел < Хкр ^ =[ßi = 1, если Ачел > ¿кр , ()
где Ачел - действующая на человека нагрузка.
В свою очередь, Хчел = § Pmax(t)dt - накопленная за интервал времени At доза энергии, где Pmax(t) - зависимость от времени уровня действующей нагрузки (электрической энергии).
Повышение техногенной безопасности электроустановок может осуществляться на этапах разработки и эксплуатации объектов защиты. В основе выбора варианта системы обеспечения безопасности электроустановок должно лежать общее выражение риска
т Я [ Рп0л„ • У„олн\ = М(Ы) ^ min, (2)
где Р = /.=1 Пу=1[Яоп(ЭУ)гу] - полная вероятность опасности электроустановки на объекте при ее обслуживании за время Т (1 год); i - фактор опасности ЭУ (авария, электротравма, пожар и др.); j - номер ЭУ на объекте.
Концепция безопасности электроустановок объекта должна включать следующие положения [5, 6]:
1. Токоведущие части ЭУ не должны быть опасными при случайном прямом прикосновении к ним человека в нормальном режиме работы.
2. Токи проводников ЭУ и металлических частей электрооборудования, а также токи утечки не должны превышать предельно допустимых значений (в соответствии с критериями безопасности и с учетом длительности нагрева ЭУ) при всех режимах работы электропроводки.
3. Для защиты от электротравм людей, предотвращения электропатологии животных и пожаров должны применяться основная, вспомогательная и дополнительная защиты при прямом прикосновении токоведущих частей и токопроводящих металлических конструкций, включая PEN-проводники, в нормальном, предаварийном и аварийном режимах (табл.).
4. В качестве основной защиты могут быть использованы: изоляция, соответствующая минимальному испытательному напряжению; усиленная и двойная изоляция. Для вспомогательной защиты используются: зануление (системы TN-C, TN-C-S, TN-S); двойная изоляция; защитное заземление, в том числе повторное; уравнивание потенциалов; электрическое разделение цепей; автоматическое отключение, в том числе с применением защиты от сверхтоков и защиты, реагирующий на дифференциальный ток с номинальным отключающим током, не превышающим 30 мА (для обеспечения электробезопасности) и не превышающим 100 мА (для обеспечения пожарной безопасности).
Таблица
Рекомендации по применению электрической защиты в зависимости от режима ЭУ
Режим работы ЭУ Вид защиты
основная вспомогательная дополнительная
Нормальный эксплуатационный + - +
Предаварийный (старение, деградация) + + +
Аварийный + - +
Обобщая изложенное, отметим, что превентивные меры защиты электроустановок по факторам риска можно разделить на следующие основные группы:
- снижение частоты инициирующих событий, вызывающих аварию, электротравму, пожар;
- снижение ущерба (потерь), вызванных опасными техногенными ситуациями;
- повышение эффективности систем безопасности электроустановок.
Библиография
1. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 224 с.
2. Германенко В.С. Обоснование стратегий повышения безопасности электроустановок агропромышленного комплекса: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Германенко Владимир Сергеевич. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. - С. 24.
3. Никольский О.К., Черкасова Н.И., Костюков А.Ф. и др. Техническая диагностика и остаточный ресурс электроустановок: монография. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползуно-ва, 2013. - 207 с.
4. Никольский О.К., Сошников А.А., Куликова Л.В. и др. Основы электромагнитной совместимости: учебник для вузов. - Барнаул: ОАО «Алтайский полиграф. комбинат», 2007. - 480 с.
5. Карякин Р.Н. Нормативные основы устройства электроустановок. - М.: Энергосервис, 1998.
- 284 с.
6. Ерёмина Т.В. Вероятностный анализ безопасности сельских электроустановок: монография. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2010. - 200 с.
Bibliography
1. Fokin Yu.A., Tufanov V.A. Evaluation of power supply systems' reliability. - M.: Energoizdat, 1981.
- 224 p.
2. Germanenko V.S. Justification strategies to improve the safety of electrical installations of agricultural business. Author's cand. diss. - Barnaul: Altai State Technical University, 2004. - 24 p.
3. Nichol'ski O.K., Cherkasova N.I., Kostyukov A.F. et al. Technical diagnostics and residual resource of electrical installations: Monograph.- Barnaul: Altai State Technical University, 2013. - 207 p.
4. Nichol'ski O.K., Soshnikov A.A., Kulikov L.V. et al. Fundamentals of Electromagnetic Compatibility // Manual for higher institutions. - Barnaul: JSC "Altai polygraph works", 2007. - 480 p.
5. Karjakin R.N. Normative framework for electrical installations. - M.: Energoservice, 1998. - 284 p.
6. Eremina T.V. Probabilistic safety of assessment of rural electrical installations: Monograph. - Ulan-Ude: ESSTU Publishing, 2010. - 200 p.
