CC BY
1Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, доц.
Г.Б. Зонхоев, канд. техн. наук, доц., e-mail: zgb13@mail. ru Ю.П. Хараев, д-р техн. наук, доц., e-mail: dekanat634@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 621.315
МОДЕЛЬ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРАВМООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ
В статье рассмотрены этапы анализа риска возникновения опасности в электроустановках. Предположено, что анализ риска необходимо рассматривать как процедуру идентификации травмоопасных ситуаций с определением их количественной оценки. Одной из основных задач анализа является получение информации о состоянии изоляции электроустановок для установления их остаточного ресурса и прогнозирования срока эксплуатации. Обоснование предельного (нормативного) срока эксплуатации электроустановок осуществляется при проведении диагностики технического состояния последних и определении количественной оценки риска при сопоставлении с нормативными значениями. Приведены этапы прогнозирования электротравматизма с описанием математической модели. Объективным показателем для статистической оценки уровня электробезопасности является количество электротравм за весь период эксплуатации. Основой решения данной задачи являются создание нормативно-правовой базы и начавшееся внедрение комплекса организационно-технических мероприятий, регламентирующих безопасную эксплуатацию электроустановок.
Ключевые слова: электроустановка, риск, управление риском, авария, пожар, электротравма, ущерб, электропроводка, анализ, прогнозирование, электробезопасность.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
G.B. Zonkhoev, Cand. Sc. Engineering Yu.P. Kharaev, Dr. Sc. Engineering
RESIDUAL LIFE MODEL OF ELEMENTS OF ELECTRICAL INSTALLATIONS AND PREDICTION OF INJURY SITUATIONS
The article considers the stages of the risk analysis of the danger emergence in electrical installations. It is suggested that risk analysis should be considered as a procedure for identifying traumatic situations with the definition of their quantitative assessment. One of the main tasks of the analysis is to obtain information about the state of insulation of electrical installations to determine their residual life and to predict the service life.
The justification for the maximum service life of electrical installations is carried out when diagnosing the technical condition of the latter and when determining the quantitative risk assessment comparing it with the normative values. The stages of electrical injuries prediction are described with a description of the mathematical model. An objective indicator for the statistical assessment of the level of electrical safety is the number of injuries for the entire period of service life. The basis for solving this problem is the creation of a regulatory framework and the introduction of a complex of organizational and technical measures regulating the safe operation of electrical installations.
Key words: electrical installation, electrical wiring, analysis, forecasting, electrical safety, risk, risk management, accident, fire, electric injury, damage.
Введение
В результате многолетней недооценки проблемы безопасности электроустановок действующая структура мероприятий по охране труда и технике безопасности не удовлетворяет современным требованиям надежного функционирования электрооборудования и электроустановок.
Применение структуры управления риском опасности электротравмирования в электроустановках и анализа идентификации опасностей, связанных с возникновением аварий, травм, пожаров, делает возможным получение данных, необходимых для оценки эффективности организационно-технических мер и прогнозирования уровня электробезопасности.
Процедуру анализа риска электротравмирования необходимо рассматривать в виде двух взаимосвязанных этапов:
1. Прогнозирование и сравнительная оценка риска.
2. Управление индивидуальным (или совокупным) риском.
Назначением первого этапа является прогнозирование величины совокупного риска электротравматизма с учетом возможного ущерба от каждой отдельной травмы и сравнение величины риска с приемлемым значением. Назначение второго - разработка рекомендаций по снижению вероятности возникновения электротравм и возможного от них ущерба, направленных на достижение приемлемого риска при ограниченных экономических затратах.
Цель исследования - анализ риска повреждения элементов электроустановки, электропроводки и методов прогнозирования электротравматизма.
Методы и организация исследований
Анализ риска представляет собой проведение процедуры идентификации опасностей и определение оценки риска применительно к человеку и окружающей среде. Одна из основных задач анализа состоит в получении объективной информации о состоянии изоляции электроустановки с целью установления остаточного ресурса и прогнозирования срока эксплуатации. Известно, что наиболее опасным элементом электроустановки является электропроводка. Ежегодно на объектах экономики страны выходит из строя до 20% электропроводок зданий и сооружений [1].
В основе решения указанной задачи лежат научно обоснованные принципы, разработка которых потребует реализации таких общих вопросов, как: обоснование срока службы электропроводки и совершенствование критериев оценки безопасности; сбор и исследование сведений о случаях повреждения, развития аварий, возникновения травм и пожаров, анализ их основных причин; изучение деградации физико-механических свойств твердой изоляции проводов и кабелей и механизма изменения их характеристик в условиях эксплуатации; расчетное прогнозирование долговечности электропроводки в производственных помещениях, жилых и общественных зданиях населенных пунктов; создание и внедрение в инженерную практику пакета вычислительных программ для вероятностных оценок возникновения дефектов в электропроводках, приводящих к опасным последствиям, и расчета потенциального ущерба от них.
Перечисленное образует единый взаимосвязанный комплекс (рис. 1), в состав которого входят блоки научно-методического и нормативного обеспечения, выполнения организационно-технических мероприятий [2].
Важным фактором является решение задачи, связанной с определением оптимального срока службы эксплуатации электроустановки, так как желание увеличить срок службы, с одной стороны, позволяет экономить материальные ресурсы, а с другой - повышает вероятность возникновения повреждений, аварий и т.д.
Обоснование оптимального срока предполагает, во-первых, проведение диагностики технического состояния электропроводки путем оснащения объекта средствами автоматического контроля изоляции (устройствами защитного отключения), а во-вторых, определение количественной оценки риска и сопоставление с нормативным значением. Последнее сводится к процедуре выполнения методических и практических мер по управлению риском (рис. 2). Отметим, что здесь следует отдавать предпочтение методам количественного анализа, сводящимся к расчету показателей риска путем определения вероятности опасного события (аварии, травмы, пожара) математического ожидания ущерба (материальных потерь), вызванного этим событием.
Проектные (нормативные) сроки эксплуатации
Фактическое (эксплуатационное) состояние электропроводки здания
Научно-методическое обеспечение
Организационно-технические мероприятия
X
s 3C
:
U о
О CD
3- о
s f— го s CL С о CL
CJ fr- S
ГО m
S с:
m
о ЗС S
S m S 3"
S DC
-e- с; о
x ro
s
zr к
ro cl s I
ro Q. 01 CL
О ГО
< t
01 S
s I Ш аз о
5- IS о
s CD u
о
S I
t- et ГО о и
s
CL
О о. с
о
CL £ QJ
с; <у m
? га
х и
Ol Q-^ >-
О U ci (U
о о.
CL С
О
0
ш g-
5 ш
х о
01 а.
й- о
t CL
Ш н
Q. X
С 01
ф s
1 §
Я Р
со нО го
-1
го с
0 и
1 *
О О. С
ГО
О
с
о
о
ГО
5
s
Б
0 о
1 CL
га g
5- с? -
s 0) с;
s
CL
0
fc
s
1
о
m
0 ю го CL dl S ae и
<LP OC 3- s
5 =r
fc 05
ra S
1 * -!• g" о S;
M
си Ъ
I
о S
OJ
If
ç ro s m
§ 9
CL
£
о
i Jt 01 CL О
Нормы и регламенты электрической и пожарной безопасности
Экономические показатели эксплуатации электропроводки (экономическая целесообразность)
Страхование рисков
Контроль безопасности объектов надзорными органами
Реклама и про па га ЦДЛ среди населения об эффективности
использования электрозащитных средств
Рисунок 1 - Модель определения остаточного ресурса и сроки эксплуатации
электропроводки
Анализ риска повреждения электропроводки
Идентификация опасностей
Оценка риска -fi-
Сравнение с нормативным значением риска
«
s
Я =1
ей
4 W
« о S
S a
о Q
w 0
<D
a и
S <D sa
H
о я
Ю <D
a s
îP M ^
я о
рц a
Методы анализа
Рисунок 2 - Блок схема управления риском
В общем случае прогнозирующая система может включать математические, логические и эвристические элементы [3]. На вход системы поступает имеющаяся информация о прогнозируемом явлении электротравматизма; на выходе выдаются данные о будущих параметрах явления, т.е. прогноз. Блок-схема прогнозирующей системы электротравматизма приведена на рисунке 3.
В соответствии с рассматриваемой блок-схемой первым этапом при прогнозировании является сбор и анализ необходимой исходной информации о несчастных случаях. Здесь возможно получение статистических данных как путем использования ретроспективных сведений, так и с помощью автоматизированной системы сбора и анализа данных по электротравматизму. Причем данные, поступающие по двум каналам, не должны быть противоречивыми и должны подтверждать достоверность полученной информации.
Второй этап прогнозирования состоит в создании математической модели травмоопасных ситуаций и их исходов (деревья событий и исходов), а также методического аппарата для определения неизвестных параметров модели. Необходимо отметить, что при создании моделей нужно исходить из целей и задач прогнозирования и учитывать так называемый интервал упреждения, в течение которого формируется банк статистических данных по электротравматизму.
Третьим этапом являются проведение необходимых расчетов и визуализация их результатов.
На четвертом этапе выполняется оценка адекватности модели реальным явлениям и достоверности получаемых прогнозных ситуаций.
В настоящее время широко используются различные методы прогнозирования, в основе которых лежат математические и эвристические модели [3]. Математические модели, в свою очередь, можно подразделить на детерминированные и вероятностные. Первые основываются на установлении функциональных зависимостей между первичными критериями безопасности и параметрами человеко-машинной системы. Эти зависимости могут быть выражены в аналитической, графической или табличной формах. В вероятностных моделях учитывается стохастическая природа параметров, характеризующих источник электрической опасности, а также процессов формирования и исхода травмоопасных ситуаций.
Рисунок 3 - Блок-схема прогнозирования электротравматизма
К разновидностям вероятностных моделей прогнозирования травмоопасных ситуаций следует отнести метод экстраполяции, с помощью которого на основании статистических данных по электротравматизму осуществляется оценка интересующих нас показателей на определенный временной интервал. Этот метод может найти применение, например, при прогнозе электротравматизма с различными исходами. В качестве прогнозируемого параметра могут выступать как макропоказатели, например интегральный риск электротравматизма региона или отрасли, включающий в себя социальный, материальный и экономический ущерб, выраженный в едином денежном эквиваленте, так и микропоказатели - дифференцированные характеристики, определяющие исходы электротравмы.
Наиболее объективным показателем, который может быть использован для статистической оценки уровня электробезопасности в какой-либо отрасли, является количество электротравм.
В качестве примера на рисунке 4 приведена динамика изменения показателя М(ЭП) (математического ожидания количества электротравм) на промышленных предприятиях Байкальского района за период с 2005 по 2015 г. [4]. «Сглаживание» статистической кривой изменения среднегодового количества несчастных случаев, проведенное методом наименьших квадратов, позволило установить характер регрессионной зависимости, которая имеет следующий вид:
м (зи)Ъг = 1,5+1,8 * (е02г), (1)
где i = 1, 2... п - время, в течение которого были получены статистические данные по электротравматизму.
Как следует из графика, характерной чертой рассматриваемого периода является явно выраженная тенденция к постепенному снижению количества электротравм. Причиной этого следует считать создание в России нормативной правовой базы в области охраны труда, а также начавшееся внедрение комплекса эффективных организационно-технических мероприятий, регламентирующих безопасную работу в электроустановках до 1000 В. Вместе с тем следует отметить не соответствующий требованиям неудовлетворительный фронт снижения показателя М(ЭП). Экстраполяция этого показателя подтверждает низкий уровень электробезопасности в отрасли, который будет сохраняться до тех пор, пока государство не примет действенных мер в этом направлении.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
1/ 1нтер вал у прен- ¡денк 1Я
Интервал прогноза
1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2012 2013 2015
Рисунок 4 - Динамика изменения показателя М(ЭП)
Имеющиеся на кривой (см. рис. 4) «всплески» и «провалы» в значениях показателя М(ЭП) подтверждают гипотезу о случайном возникновении этих событий. Несмотря на то что каждая электротравма в этом потоке обусловлена конкретными «своими» причинами, можно сделать предположение, что весь поток электротравм как редких событий подчиняется дискретным распределениям биномиального типа [5]. Наиболее подходящим для описания частоты электротравм является распределение Пуассона.
^ = ап *ехр(-а),и = 0,1,2... , (2)
где п = 0, 1, 2, ... - число электротравм; а - параметр распределения. Математическое ожидание и дисперсия для распределения Пуассона соответственно равны:
да
M{n} = Yn f = a,
J n
n=0
D{n)=Gn=m {(n-a)2} = Y (n-a)2 fn = a. (3)
n=0
На основании теоремы Бернулли средняя частота рассматриваемых событий (электротравм), равная a/n, при бесконечном росте n стремится к вероятности электротравматизма Рэт:
lim a = Рт . (4)
n
Тогда f можно представить как
J n
f = ^ПРэт)" *еМ-"РэгУ (5)
Причем Рэт не должна превышать значения верхнего допустимого (нормируемого) уровня риска.
Наряду с математическими методами прогнозирования электротравматизма могут быть использованы эвристические, в частности дельфийский метод [6], суть которого состоит в проведении экспертного прогнозирования путем организации системы сбора экспертных оценок и их статистической обработки. Несмотря на содержащуюся в нем долю субъективизма, заключающуюся в интуитивном мнении отдельных специалистов-экспертов, этот метод в сочетании с аналитическим не только дает достоверные и качественные результаты прогноза, но и позволяет составить возможные сценарии будущего. Эвристический метод свободен от формализованных математических описаний и позволяет прогнозировать событие на ближайшие 10-15 лет, учитывает при этом возможное «вмешательство» внешних факторов социально-экономического и политического характера.
Выводы
1. В настоящее время отсутствуют эффективные методы определения ресурса безопасности эксплуатации электроустановок (электропроводок) зданий и сооружений. Поэтому для повышения эффективности и безопасной эксплуатации электрооборудования и электроустановок на каких-либо объектах представляется перспективным создание системы технической диагностики состояния электропроводок, оценки и прогнозирования остаточного ресурса и продления сроков их эксплуатации.
2. Системный подход к анализу и прогнозированию электротравматизма представляет собой общую методологическую основу для комплексного решения проблемы повышения безопасности электроустановок, применяемых на объектах экономики.
Библиография
1. Полухин О.В., Сошников А.А. Исследование пережога электропроводки электрической дугой // Механизация и электризация сельского хозяйства. - 2009. - № 5. - С. 17-19.
2. Ерёмина Т.В., Зонхоев Г.Б., Гармаев А.Л. Моделирование травмоопасных ситуаций при использовании электрических мобильных машин на объектах электроэнергетики // Вестник ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления. - Улан-Удэ, 2016. - № 6 (63).
- С. 38-46.
3. Гмошинский В.Г. Инженерное прогнозирование. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 208 с.
4. Условия труда, производственный травматизм // Российский статистический ежегодник. -М.: Статистика, 2006-2016.
5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 1988.
- 688 с.
6. Байд Д. Научно-техническое прогнозирование для промышленности и правительственных учреждений. - М.: Прогресс, 1972. - 497 с.
7. Правила устройства, эксплуатация и безопасность электроустановок // Нормативно-технический сборник. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2004. - 840 с.
Bibliography
1. Polukhin O. V., Soshnikov A.A. Study of electric wiring burnout by electric arc // Mechanization and electrification of agriculture. - 2009. - N 5. - P. 17-19.
2. Eryomina T.V., Zonkhoev G.B., GarmaevA.L. Modeling of traumatic situations when using electric mobile machines at power plants // Bulletin of the East Siberian State University of Technology and Management. - Ulan-Ude, 2016. - N 6 (63). - P. 38-46.
3. Gmoshinskiy V.G. Engineering forecasting. - M.: Energoatomizdat, 1982. - 208 p.
4. Working conditions, industrial injuries // Russian Annual Abstract of Statistics. - M.: Statistics, 2006-2016.
5. Gmurman V.E. Theory of Probability and Mathematical Statistics. - M., 1988. - 688 p.
6. Baid D. Scientific and technical forecasting for industry and government agencies. - M.: Progress, 1972. - 497 p.
7. Rules of the arrangement, operation and safety of electrical installations // Normative-technical collection. - Barnaul: Publishing house of I.I. Polzunov AltSTU, 2004. - 840 p.
