CC BY
1О.К. Никольский, д-р техн. наук, проф.
Алтайский государственный технический университ им. И.И. Ползунова Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 621.31:658.382.3
КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Приведены причины возникновения аварий, пожаров, электротравм при эксплуатации электроустановок. Определены основные пути создания оптимальной безопасности электроустановок. Дана оценка техногенного риска электротравмы, пожара по электрическим причинам.
Ключевые слова: электроустановка, безопасность, риск, электротравма, пожар, устройство защитного отключения.
O.K. Nikolsky, D. Sc. Engineering, Prof.
T.V. Eryomina, D. Sc. Engineering, Prof.
ELECTRICAL AND FIRE SAFETY CONCEPT OF ELECTRIC PLANTS
The article presents the causes of accidents, fires, and electric shock when operating electric plants. It defines the main ways of creating an optimal safety for electric plants. It gives an assessment of technological risk of flash-burn and fire for electric reasons.
Key words: electric plant, safety, risk, electric shock, fire, residual current device.
Состояние проблемы
Современный период развития общества характеризуется все более нарастающими противоречиями между человеком и окружающей средой, тенденцией роста техногенных аварий и катастроф. Вероятность возникновения этих аварий существенно возрастает с появлением крупных мегаполисов, ростом объемов хозяйственной деятельности, концентрацией крупных промышленных объектов, увеличением сложности технологий. Так, в США прямые потери, связанные с катастрофами и авариями, почти в 5 раз превышают потери, обусловленные стихийными бедствиями. В результате экономического развития современного мира уровень антропогенных нагрузок на биосферу приблизился к критическому и грозит необратимыми последствиями для всей цивилизации.
Угрозы, обусловленные наличием глобальных экологических проблем, естественно, свойственны и России. При этом они, как и в большинстве стран, проявляются с некоторыми особенностями, вызванными специфическими условиями страны. В России в годы реформ к объективным причинам увеличения риска возникновения аварий при эксплуатации опасных объектов добавились причины субъективного характера. Ликвидация ряда министерств и ведомств во многих отраслях промышленности привела к практическому отсутствию централизованного управления вопросами безопасности, в том числе в части отраслевого технического нормирования безопасности. Оборудование и технологии, созданные в 1950-1960 гг., начиная от электропроводок жилых зданий и кончая магистральными электрическими сетями высокого напряжения, в настоящее время оказались лишенными финансовой поддержки. Следствие этого - выработка технологического ресурса и достижение пределов старения основных фондов. Так, износ основных фондов в коммунальной энергетике уже достиг 70%. А это значит, что больше половины оборудования подлежит замене. Однако невозможно сегодня, например, заменить всю устаревшую электропроводку в жи -лых и производственных зданиях. В бюджете России нет средств для этого. Отсутствие средств является основной причиной возникновения аварий различной сложности - от повреждений бытового электроприбора, вызывающего пожар или электротравму, до техногенных аварий или катастроф, приводящих к гибели многих людей.
Начиная с 1990-х гг. идет устойчивый рост числа чрезвычайных ситуаций техногенного характера. Несмотря на то что промышленное производство за эти годы сильно сокращалось, число крупных аварий в энергетике возросло почти в 10 раз. Ежесуточно в России происходит до 600 пожаров, из них около 150 - «по вине» электроустановок. Сегодня мы печально лидируем, занимая одно из первых мест в мире по числу электротравм: если в странах Европы на 1 млн насе-
ления в среднем приходится 1-2 электротравмы с летальным исходом, по России этот показатель достигает уже 50.
Сейчас много говорится об оживлении экономики. Вместе с тем установлена тесная связь между подъемом производства и ростом числа аварий техногенного характера. Объясняется это тем, что при отсутствии нового оборудования идет интенсивная эксплуатация старого, уже изношенного. К чему это может привести - гадать не нужно. Ядерная энергетика здесь - главный источник опасности. Нельзя также сбрасывать со счетов изношенное электрохозяйство жилых зданий, объектов бюджетной сферы. У всех в памяти трагические события в школах, вузах и интернатах России.
Учитывая возрастающие масштабы прямого ущерба от техногенных аварий, пожаров и катастроф, огромных затрат на их ликвидацию и реабилитацию пострадавшего населения и территорий, можно сделать вывод о том, что в ближайшей перспективе по ряду показателей экономика страны будет не в состоянии восполнять потери от чрезвычайных ситуаций. В этом случае переход к устойчивому развитию становится нереальным без резкого повышения уровня и эффективности, предупредительных мер, уменьшающих их опасность, масштабы и последствия [1].
Концепция оптимальной безопасности электроустановок
Сложившаяся ситуация потребовала обоснования принципиально нового подхода к решению проблемы безопасности, в основу которого должна быть положена идеология предотвращения возможных аварий, пожаров и электротравм путем создания «системы оптимальной безопасности электроустановок» [2, 3]. Причем суть этой оптимизации состоит в минимизации материальных и финансовых ресурсов при заданном (допустимом) уровне безопасности или оправданном техногенном риске.
Известно, что авария, пожар или несчастный случай на производстве происходят при совпадении в пространстве и во времени множества независимых случайных событий, каждое из которых участвует в формировании этих ситуаций, поэтому последние с полным правом можно отнести к сложным случайным событиям. Известно также, что количественной мерой случайного события является вероятность. Следовательно, в качестве показателя уровня безопасности могут выступать степень риска, включающего частоту, с которой происходит опасное событие, и ее последствия.
В 1970-х гг. начинает формироваться новое направление исследований - оценка технологического риска. Экономика и техника развиваются в условиях, которые несут в себе факторы неопределенности, стохастичности, конфликтности при выборе оптимальных альтернатив, обостряют противоречия системы «человек-техника-природа». Новые технологии, принося людям блага, давая средства для удовлетворения материальных и духовных потребностей, одновременно привносят в нашу действительность новые трудности и опасности, оказывают негативное воздействие на состояние среды обитания человека, становятся источником аварий и несчастных случаев, создают определенный фон риска. Причем значительная доля этих аварий и несчастных случаев связана с так называемым человеческим фактором (речь идет здесь об адаптационных механизмах взаимодействия человека и техники).
Поскольку невозможно создать для человека среду обитания полностью свободной от риска, то становятся важными разработка средств контроля и оценка степени технологического риска, его прогнозирование.
При решении этой проблемы здесь можно выделить следующие подходы [4].
Первый подход, господствующий в советском обществе, основывался на том, что одним из показателей развития научно-технического прогресса должно быть полное отсутствие опасности риска для человека. Однако такая постановка вопроса вряд ли была оправдана, поскольку, с одной стороны, любой вид человеческой деятельности носит вероятностный характер и в силу этого связан с некоторым изначальным риском, а с другой - требование полного исключения риска аварий, гибели людей приводит к абсурду - отказаться от электричества, транспорта и многих других порождений технического прогресса.
Второй подход базируется на очевидном: риск в современной жизни принципиально неустраним, и абсолютная безопасность невозможна ни в одной сфере человеческой деятельности. Реализовать этот подход, как уже говорилось, возможно, оптимизируя саму систему безопасности, т.е. сформировать такой комплекс организационных мер и технических средств, который бы обеспечивал нормальное (допустимое) взаимодействие человека и техники. Такая задача оптимизации принципиально может быть решена двумя путями [5]:
- максимизировать уровень безопасности (снизить риск) при заданных материальных затратах;
- минимизировать затраты (т.е. финансовые и материальные ресурсы, направляемые на создание системы безопасности) при заданном (допустимом) уровне риска.
Первый путь в социальном плане наиболее предпочтителен, поскольку здесь декларируется стремление гарантированно обеспечить безопасность на максимально возможном уровне, а отнюдь не на уровне, диктуемом «экономическими соображениями». Однако, как было сказано выше, сегодня для нашего общества этот путь, к сожалению, невозможен.
Второй путь оптимизации, в основе которого лежит экономический фактор, связан с обоснованием количественной оценки допустимого технологического риска. Здесь основной целью анализа является установление предельного значения риска и формирование области уровней допустимого риска. Количественный подход к оценке технологического риска позволяет преодолеть существующую сегодня неопределенность и расплывчатость критериев оценки риска и установления его допустимости. Допустимость риска при этом понимается как норма, установленная в законодательном порядке. Эта норма должна базироваться на принятых в России технических стандартах системы безопасности, выше которых риск считается неприемлемым. В качестве допустимого значения технологического риска следует принять величину 1х10-6 - уровень безопасности в электроустановке или уровень пожарной безопасности. Эта величина, отражающая частоту возникновения аварий, несчастных случаев и пожаров, настолько мала, что ради выгоды, полученной от использования техники, общество готово пойти на такой риск. Физический смысл этой величины можно объяснить следующим образом. Если под наблюдением в течение времени Т, равном одному году, будет находиться N=1 000 000 однотипных электроустановок, то статистически допускается на данном интервале времени одна авария (пожар, электротравма) п=1 на одной из этих электроустановок, т.е. И=п:№Г=1:1 000 000=1х10-6.
Статистический анализ данных за последние годы показал, что интенсивность несчастных случаев в электроустановках составляет 1,5х10-3, а интенсивность аварий Н=1х10-3, т.е. на 3 порядка больше допустимого значения. Следовательно, задача состоит в том, чтобы с минимальными затратами разработать такие организационные и технические мероприятия, которые позволили бы гарантировать допускаемый уровень риска (1х10-6). Решение этой задачи методами структурно-параметрической оптимизации [6] позволит определить необходимый и достаточный объем инвестиций в энергетику.
Для оценки степени опасности важной является не только частота ее появления, но и тяжесть последствий для индивидуума, общества или окружающей среды. Поэтому риск Я следует рассматривать как некоторую интегральную характеристику в виде произведения вероятности появления опасного техногенного события Р (пожар, электротравма и т.д.) и ожидаемого ущерба У в
п
результате этого события, т.е. Я=Р У, или Я= ^ ру если может иметь место п опасных событий !
1
с разными вероятностями р! и соответствующим им ущербом У!.
Современное состояние безопасности электроустановок зданий
На совместном заседании Совета безопасности Российской Федерации и Президиума Государственного совета Российской Федерации по вопросу «О мерах по обеспечению защищенности критически важных для национальной безопасности объектов инфраструктуры и населения страны от угроз техногенного, природного характера и террористических проявлений» 13 ноября 2003 г. было отмечено, что в современных условиях негативные факторы техногенного, природного и террористического характера представляют одну из наиболее реальных угроз для обеспечения стабильного социально-экономического развития страны, повышения качества жизни населения, укрепления национальной безопасности и международного престижа Российской Федерации. Негативное воздействие этих факторов становится все более масштабным, причем эта тенденция характерна практически для всего мира. Вследствие только негативных природных процессов во 2-й половине XX столетия экономические ущербы в мире увеличились в 9 раз и в настоящее время достигают 150 млрд. долл. в год. США по этой причине теряют ежегодно около 50 млрд. долл., Китай - 19 млрд. долл. В Японии объем средств, направляемых на разработку и реализацию мероприятий по защите от техногенных катастроф, составляет около 5% национального бюджета, что соответствует сумме 24-25 млрд. долл. В последние годы только прямой заявленный годовой ущерб от всей совокупности чрезвычайных ситуаций (ЧС) в России в среднем составляет более
100 млрд. руб., или около 0,5% валового внутреннего продукта страны (ВВП), а с учетом косвенных ущербов он может достигать 3%.
Анализ статистических данных показывает, что доля ЧС техногенного характера растет. Вследствие общего снижения уровня техники безопасности и физического старения производственных объектов и инфраструктуры эта тенденция может усилиться. Пожары и аварии на объектах превращаются в одну из наиболее масштабных угроз безопасности России.
Так, в 2007 г. в Российской Федерации ежесуточно происходило 579 пожаров, при которых погибали 44 человека и 37 человек получали травмы. Ежедневно прямой материальный ущерб составляет 23,4 млн. руб. На города пришлось 65,4% от общего количества пожаров, 55% число погибших, а также 60,3% материального ущерба. Больше всего пожаров в 2007 г. было зарегистрировано в жилом секторе. Их доля от общего числа пожаров по России составила 71%, а материального ущерба - 49, 6%. Каждый пятый пожар произошел по электрическим причинам, а доля ущерба от них составила 25%.
Основной причиной электропожаров (до 70% от их общего числа) являются короткие замыкания и развивающиеся токи утечки через изоляцию электропроводок. При этом наиболее пожароопасным видом электротехнических изделий являются электропроводки, на долю которых приходится до 45 % пожаров.
При сопоставлении пожарной обстановка России с развитыми странами установлено, что доля материального ущерба от пожаров в России по отношению к ВВП в 4,3 и 7,3 раза выше, чем соответственно в США и Японии. При этом доля затрат на обеспечение пожарной безопасности в этих странах в 3,5 и 2,7 раза выше, чем в России; причем затраты в этих странах сопоставимы с материальными потерями от пожаров. Так, в США затраты на обеспечение пожарной безопасности составляют 39 млрд. долл., что почти в два раза превышает ежегодный ущерб от пожаров (около 20 млрд. долл.). Аналогичное соотношение соблюдается и в Японии. В России эти затраты почти в 12 раз меньше потерь от пожаров.
Неблагополучным в России также остается положение с электротравматизмом населения. На его долю приходится от 30 до 70% общего числа регистрируемых электротравм, и тенденция к их снижению пока не наблюдается. Ежегодно от поражения электрическим током в электроустановках зданий гибнут более 4500 человек; теряют трудоспособность и получают инвалидность около 30 000 человек.
Демографическая частота электротравматизма (количество электропоражений со смертель -ным исходом на 1 млн населения) в России только в электроустановках зданий уже достигла значения 3х10-6 . Этот же показатель составляет в Германии - 1х10-6, в Испании - 0,96х10-6, в Нидерландах - 0,42х10-6. Среднее значение этого показателя по 20 развитым странам в настоящее время не превышает значения 1х10-6. При этом Россия имеет возрастающую динамику уровня смертельных электропоражений.
В целом сравнительный анализ статистических данных показывает, что электротравматизм в России в течение последних десятилетий возрастал и к настоящему времени увеличился почти в 3 раза, в то время как в США его снижение произошло- в 1,4, а в Японии - в 3,5 раза.
Таким образом, состояние безопасности электроустановок в России достигло недопустимо низкого уровня и привело к необходимости включения системы жизнеобеспечения и защиты человека, снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф в Перечень критических технологий, утвержденный Президентом РФ 30 марта 2002 г.
Решение этой проблемы представляет исключительную важность для развития страны. По существу, оно сводится к созданию эффективной системы управления безопасностью электроустановок для предупреждения пожаров и электротравм, базирующейся на перспективном нормативно-правовом, научном, техническом и технологическом обеспечении.
Новые технологии предупреждения электропоражений и пожаров и их нормативное правовое обеспечение
Анализ причин загорания электропроводок показывает, что в большинстве случаев процессу короткого замыкания, приводящему к воспламенению изоляции, предшествует локальное протекание токов утечки на землю. Появление токов утечки обусловливается рядом факторов, таких как механическое повреждение изоляции, ее старение, заводские дефекты и т.д. Предшествуя короткому замыканию, они могут существовать длительное время, локально разогревая поврежденный участок сети и тем самым усугубляя процесс пожароопасного развития ситуации. Отметим при этом, что традиционно применяемая в настоящее время электрическая защита (плавные вставки
предохранителей и автоматические выключатели), обладая низкой чувствительностью, не реагирует на утечки тока. Если же величина их превышает 100 мА, то под влиянием термического воздействия возникает воспламенение изоляции и последующее возгорание электроустановки. Устройства защитного отключения (УЗО) в настоящее время являются самым эффективным средством, применяемым для защиты как от пожаров, так и от поражения людей электрическим током. Таким образом, УЗО обеспечивает высокий уровень электрической и пожарной безопасности как в жилых и общественных зданиях, так и в производственных электроустановках. Благодаря этим качествам УЗО нашли широкое применение во всех развитых странах уже в середине прошлого столетия. В настоящее время в этих странах на каждого жителя приходится в среднем 35 единиц электрозащитной аппаратуры. В России за четверть века установлено не более одного миллиона УЗО отечественного и зарубежного производства, что составляет около 2% от номинальной потребности. Так, для региона Сибири с населением около 25 млн. человек минимальная потребность УЗО составляет 4,8 млн. шт. (из расчета одно УЗО на 5 человек). Основной причиной слабого использования УЗО в настоящее время в России является несовершенство нормативной базы -отсутствие документов, регламентирующих обязательное применение УЗО в электроустановках зданий. Кроме того, действует еще и человеческий фактор - недоверие и скептическое отношение у потребителей к принципиально новому товару.
В текущем году вступает в действие Федеральный закон РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», в котором предусматривается обязательная установка УЗО в зданиях и сооружениях. Это позволит не только обеспечить необходимый уровень электробезопасности населения и противопожарной защиты электрохозяйства инфраструктуры городов и населенных пунктов, но и создать крупные производственные мощности по выпуску УЗО в России.
Практическая реализация разработок АлтГТУ и основные направления государственной политики в области обеспечения техногенной безопасности электроустановок зданий
В АлтГТУ с 1980-х гг. ведутся работы по созданию оптимальных систем комплексной безопасности электроустановок низкого напряжения, обеспечивающих одновременное существенное снижение электротравматизма населения и пожаров от электроустановок зданий.
Основными результатами выполненных работ явились следующие.
1. Разработка современной концепции электробезопасности, основанной на вероятностном подходе к изучению электротравматизма и пожаров и методах системного анализа, позволяющих впервые в мировой практике провести оптимизацию системы безопасности электроустановок, обеспечивающую заданный уровень безопасности при минимуме затрат.
2. Создание уникальной технологии предотвращения пожаров от электроустановок на основе автоматизированных методов выявления и исключения пожароопасных элементов электрических сетей и применения современных средств электрической защиты (УЗО). Проведенный широкомасштабный эксперимент в различных регионах России подтвердил высокую эффективность массового применения УЗО для предотвращения электротравм и пожаров.
Полученные научные и практические результаты позволили в соответствии с Федеральной целевой программой «Пожарная безопасность и социальная защита» наладить промышленное производство конкурентоспособной продукции на ставропольском радиозаводе «Сигнал», дивногорском заводе низковольтной аппаратуры и барнаульском предприятии «Геофизика» общим объемом более 150000 шт. в год. Разработанные технологии крупносерийного производства устройств защитного отключения при общей их потребности для России не менее 150 млн. шт. дают возможность в ближайшие 10 лет насытить отечественный рынок и создать новые рабочие места.
Результаты работы рассмотрены и одобрены Научно-техническим советом Федерального центра науки и высоких технологий Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и ликвидации чрезвычайный ситуаций МЧС России (2002), на Первом всероссийском научно-практическом совещании «Проблемы и перспективы массового применения устройств защитного отключения в России» (Электричество». 2001. №4), на международных научно-практических конференциях «Проблемы защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера региона Сибири» (2003-2007).
За создание и широкое внедрение комплексной системы предотвращения пожаров и электротравматизма населения коллективу авторов присуждена премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники (2002).
Основными задачами государственной политики в области обеспечения электрической и пожарной безопасности является последовательное снижение до приемлемого уровня риска воздействия опасных факторов на население, инфраструктуру и экологическую систему. Приоритетными направлениями здесь являются:
1) разработка механизма реализации Федерального закона «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»;
2) разработка в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации» подпрограммы обеспечения электро-, пожаробезопасности;
3) создание мер государственной поддержки отечественных производителей УЗО, проведение социальной рекламы средствами массовой информации для населения, разработка механизмов страхования рисков несчастных случаев и пожаров от электроустановок;
4) реализация в Алтайском крае регионального пилотного проекта, обеспечивающего массовое оснащение электроустановок зданий устройствами защитного отключения.
Библиография
1. Воробьев Ю.Л. Государственная политика в области регулирования природной и техногенной безопасности // Актуальные проблемы регулирования природной и техногенной безопасности в XXI веке: материалы междунар. науч.-практ. конф. - М., 2005.
2. Никольский О.К. Научные основы создания оптимальных систем обеспечения электробезопасности: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М.,1979.
3. Германенко В.С. Обоснование стратегий повышения безопасности электроустановок: автореф. дис.
. канд. техн. наук. - Барнаул, 2004.
4. Никольский О.К., Сошников А.А. Развитие научных основ безопасности электроустановок зданий // Вестн. Алтайского гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова. - 2000. - №3.
5. Никольский О.К. Риск безопасности в энергетике // Вестн. Алтайского гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова. - 2000. - №3.
6. Никольский О.К., Дробязко О.Н. Основы построения оптимальной системы электробезопасности в сельском хозяйстве // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1982. - № 6.
Bibliography
1. Vorobiev Y.L. State policy in the field of natural and technogenic safety // Actual problems of regulation of natural and man-made security in the XXI century: Proceedings of the International Scientific Conference. - M., 2005.
2. Nikolsky O.K. Scientific bases of optimal delivery systems electrical security: Abstract of the Diss. ... D. Sc. Engineering. - M., 1979.
3. Germanenko V.S. Justification strategies to improve safety of electrical plants: Abstract of the Diss. ... Cand. Sc. Engineering. - Barnaul, 2004.
4. Nikolsky O.K., Soshnikov A.A. Development of scientific bases for safety of buildings electrical equipment // Bulletin of the Altai State Technical University named after I.I. Polzunov. - 2000. - N 3.
5. Nikolsky O.K. Security risks in the power economy // Bulletin of the Altai State of technical University. Named after I.I. Polzunov. - 2000. - N 3.
6. Nikolsky O.K., Drobiazko O.N. Fundamentals of building an optimal electric secure system for agriculture // Mehanizatsiya i elektrifikatsiya selskogo hozyajstva. - 1982. - N 6.
