CC BY
105.20.01 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА _(ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)_
Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф.
Ю.П. Хараев, д-р техн. наук, доц.
И.А. Шаныгин, ст. преподаватель, e-mail: i.shanygin.mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
М.П. Балданов, канд. техн. наук, доц. Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова
г. Улан-Удэ
УДК 658.382.3.631.1
МОДЕЛЬ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ
В статье рассмотрен метод построения оптимальной системы электробезопасности на объектах сельского хозяйства. Приведены этапы моделирования травмоопасных ситуаций при эксплуатации электроустановок. Выполнен анализ построения модели типа «дерево происшествий» для мобильной электротехники при возникновении травмоопасных ситуаций с определением вероятности электротравмирования, на основе статистических данных. В результате выполненного моделирования для случая «электротравма при прикосновении к корпусу мобильной электроустановки» определены вероятности двух групп: дерево событий и дерево исходов. Исходя из приведенного метода моделирования типа «дерево» представлены три варианта защитных мероприятий, направленных на создание оптимальной системы безопасности мобильной электротехники. При сравнении и выборе оптимального варианта дана количественная оценка по принципу «затраты - польза», определены исходный и неустраненный ущербы.
Ключевые слова: техногенная опасность, электроустановка, модель, дерево происшествий, травмоопасная ситуация, мобильная электротехника, ущерб, защитные мероприятия.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
Yu.P. Kharaev, Dr. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
I.A. Shanygin, Senior Lecture M.P. Baldanov, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
MODEL OF BUILDING THE OPTIMAL SAFETY STRUCTURE OF ELECTRICAL INSTALLATIONS ON AGRICULTURAL SITES
The article considers the method of building the optimal electrical safety system at agricultural facilities. The stages of modeling traumatic situations in the operation of electrical installations are given. Model building analysis of the type of "tree of accidents" when working with mobile electrical engineering on the basis of the occurrence of traumatic situations with the probability of electro-injury, based on statistics, was carried out. As a result of the simulation performed for the case "Electric injury when touching the body of a mobile electrical installation ", the probabilities of two groups were determined: the event tree and the outcome tree. Based on the above modeling method of the "tree" type, three variants ofprotective measures are presented, aimed at creating an optimal safety system for mobile electrical engineering. When comparing and choosing the best option, a quantitative assessment was given according to the cost-benefit principle, and the initial and unrepaired damage were determined.
Key words: man-made danger, electrical installation, model, tree of accidents, traumatic situation, mobile electrical equipment, damage, protective measures.
Введение
Улучшение жизни сельского населения, интенсификация сельскохозяйственного производства, расширение развития фермерских хозяйств являются важной задачей в укреплении экономики страны. Следует отметить увеличение темпов строительства, в первую очередь воздушных и кабельных, линий электропередач, протяженность которых составляет около
2500 тыс. км, более 500 тыс. действующих ТП и КТП, мощность которых превышает 100 млн. кВА. Создание благоприятных условий жизни, обустройство сел, поселков, активное развитие инфраструктуры, фермерских хозяйств связаны с увеличением потребления электроэнергии, которое на данном этапе составляет 83 млрд. кВт/ч [1].
Совершенствование и внедрение механизации разнообразных видов работ в сельском хозяйстве, применение обширного перечня электроустановок отечественного и зарубежного производства облегчают труд, повышают его производительность. С другой стороны, активизация оснащения населения электроустановками, интенсификация процессов сельскохозяйственного производства, широкое использование мобильной электротехники в фермерских хозяйствах, безусловно, могут негативно влиять на состояние электробезопасности, создавать определенную опасность для людей и животных, нарушать экологическое равновесие. Увеличение использования электроэнергии в сельской местности при изношенности (до 35%) электрических сетей и присутствие других негативных организационных и технических факторов, безусловно, влекут за собой рост случаев электротравматизма при эксплуатации электроустановок и возникновение аварий, пожаров. Таким образом, техногенная опасность проявляет себя в виде электропоражения людей, возникновения пожаров и аварийности, а также общего травматизма различного характера, нанесения урона окружающей среды.
Цель исследования - повышение безопасности мобильных электроустановок на основе разработки моделей электротравм и оптимизации превентивных мер электрической защиты.
Материалы и методы исследования
При рассмотрении системы безопасности электроустановок и изучении возникающих опасных процессов необходимо применять методы моделирования, полнота которых описывается следующими пунктами [2]:
- выбор факторов, способствующих появлению тех или иных опасностей, тяжести их последствий;
- формирование структурных моделей;
- декомпозиция техногенных происшествий, определение количественных параметров.
Руководствуясь данными пунктами, модель можно построить в форме блок-схемы, дедуктивным способом отражающей причинно-следственные связи [3]. Сложность указанных связей обусловлена отсутствием конкретизируемого описания появления происшествий и, как следствие, связанного с ними материального и экологического ущербов, а также ущерба от повреждения здоровья человека. Анализ системы безопасности и использование организационных и технических или технологических характеристик при описании опасных техногенных процессов, с учетом предпосылок происходящего события, позволяют создать условия, в форме, близкой к реальной, с высокой степенью насыщенности необходимой информацией и декомпозируемостью для последующего формирования модели типа «дерево происшествий». Указанная модель, не имея требуемых шаблонов, будет состоять из двух деревьев с одним головным событием, представляющим сочетание: дерево «опасная ситуация» - событие; дерево «последствия опасной ситуации» - исход. Допустим, что головное событие дерева происшествий представляет собой аварию электроустановки или электротравму, при этом «ветвями» дерева будут предпосылки с причинными связями, а «листьями» дерева являются исходные события - отказ электроустановки, ошибки оператора.
Наиболее значимыми пунктами моделирования опасной техногенной ситуации в электроустановках могут быть проведение качественного анализа для установления закономерностей выявления аварий, пожаров, электротравм и выполнение количественного анализа с получением достоверной оценки в численных значениях происходящих процессов. Имея численные значения технологических характеристик, следует сопоставить их с характеристиками, полученными аналитическим способом.
Поэтому при построении оптимизации системы безопасности электроустановок следует иметь надежную базу данных, в частности при описании признаков электротравматизма с различными исходами [4].
Принимая во внимание указанное выше, построим модель типа «дерево происшествий» при работе с мобильной электроустановкой (ручным электроинструментом) как наиболее опасным видом электроустановок, воспользовавшись данными, полученными из анализа возникновения электротравмы. При моделировании полученные результаты количественного анализа будут использованы для разработки защитных мер, направленных на предупреждение электротравматизма и появление опасных техногенных ситуаций, таких как аварии, пожары.
На основании изложенного выше следует выполнить оценку появления опасности электротравмирования при работе с электроустановкой, построив логическую модель типа «дерево». В таблице 1 приведены виды событий (явлений) «опасная ситуация».
Таблица 1
Виды событий дерева «опасная ситуация»
Виды опасностей Вероятность опасной ситуации, % Головное событие Вероятность появления событий, %
Человек прикасается к фазному и нулевому проводам 3,1 электротравма при попадании под фазное напряжение 27,8
Человек прикасается к нулевому проводу, находящемуся под напряжением 7,8
Человек прикасается к металлической конструкции, оказавшейся под напряжением 13,3
Человек прикасается к корпусу электроустановки, оказавшемуся под напряжением 75,8 электротравма при попадании под фазное напряжение при замыкании на корпус 72,7
Первые три потенциальные опасности представляют группу несовместимых событий, причиной возникновения которых является присутствие оголенных проводов, находящихся под напряжением. Причиной четвертой потенциальной опасности является нарушение системы электропитания, т.е. кабеля мобильной электроустановки. Сгруппированные первые три и четвертая опасность представляют собой два головных события. В качестве примера рассмотрим возникновение потенциальной опасности с головным событием «Электротравма при попадании под фазное напряжение при замыкании на корпус мобильной электроустановки». Для проведения анализа нужно выполнить следующие требования [5]:
- раскрыть конкретные события и частные предпосылки, предопределяющие головное событие;
- рассмотреть взаимодействие между событиями, используя логические операции, «И» и «ИЛИ»;
- выполнить структурный анализ модели типа «дерево».
На рисунке приведены дерево происшествий, представляющее дерево событий, и дерево исходов, рассматриваемое как частный случай (возникновение электротравмы при эксплуатации мобильной электроустановки).
Представленное на рисунке дерево происшествий следует прокомментировать таким образом.
Головное событие А происходит в результате совместного присутствия событий Б, В, Г, Д, которые определены входом логического условия И (символ +).
Событие Б происходит при появлении напряжения на корпусе мобильной электроустановки, связанном с замыканием токоведущих частей на корпус (событие Ж), не устраненным перед эксплуатацией электроустановки (событие К), определяемого входом логического условия И (символ +).
Событие В будет происходить при условии возникновения одного из событий: включения в сеть мобильной электроустановки (событие Л), или выполнения работ (событие М), или проведения профилактического ремонта (событие Н), которые определены входом логического условия ИЛИ (символ о).
Событие Г происходит, когда ток, протекающий по телу оператора, превысит допустимую величину при напряжении источника питания 220 В в случае эксплуатации однофазной мобильной электроустановки (событие П) или источника с напряжением 380 В (в случае эксплуатации трехфазной мобильной техники), (событие Р), определяемую входом логического условия ИЛИ (символ о), когда применяемая электрозащита неэффективна, т.е. действует небезотказно, неисправна (событие Ф), также отсутствуют средства индивидуальной защиты (событие Ц), определяемые входом логического условия И (символ +).
А
+
Ж
Замыкание
фазного провода
мобильной
электроуста-
новки
К
Проверка изоля-
ции мобильной
электроуста-
новки не прово-
дилась
Электротравма при попадании под фазное напряжение при замыкании на корпус мобильной электроустановки
+
П
При напряжении
источника 220 В
Р
При напряжении
источника 380 В
Б В Г Д
Появление напряжения на корпусе Оператор прикасается к корпусу Ток, протекающий по телу оператора, превышает допустимое значение Сопротивление тела оператора понижено
С
Неудовлетворительное состоя-
ние организма
Т
Несоответствующие метеорологические
условия
Ф Ц
Электрическая защита в нерабочем состоянии Индивидуальная защита не используется
Рисунок - Дерево происшествий (событий и исходов)
Событие Д непосредственно связано с индивидуальными особенностями оператора, его состоянием здоровья, самочувствием (событие С) и состоянием окружающей среды, ее неблагоприятными условиями (событие Т), которые определены входом логического условия ИЛИ (символ о).
Результаты исследования и их обсуждение
Исходя из сведений, представленных на рисунке и в таблице 1 , были получены вероятности появления опасных событий в течение одного года на основании статистических данных по электротравматизму [6]. Отсюда можно предположить, что в течение 1 года произошло 3 электротравмы со смертельным исходом при работе с мобильной электротехникой в количестве 1 млн. различных видов. Значит, вероятность попадания оператора под фазное напряжение при замыкании на корпус мобильной электроустановки (головное событие А) будет равна Ра = 3 10-6.
Оценку материального ущерба, связанного со смертельным исходом оператора, следует выразить в условных единицах (у. е.). Примем УЛ=1,5 106 у.е., поскольку величина ущерба соотносится с реальными экономическими показателями страны и зависит от причин и обстоятельств гибели человека. В результате средние потери от электротравм при работе с мобильными электроустановками за 1 год будут равны У;?р = РаУл = 3 10-61,5 106 = 4,5 у. е.
Таблица 2
Значения вероятностей событий дерева происшествий при головном событии А
Первая группа событий
Б=0,039 В=0,882 Г=0,12 Д=0,212
Вторая группа событий
Ж=0,29 К=0,531 Л=0,132 М=0,87 Н=0,085 П=0,072 Р=0,91 С=0,118 Т=0,122
Ф=0,013
Ц=0,921
В свою очередь, при создании системы электробезопасности полные затраты составляют:
Зполн = Унеуст + З, (1)
где Унеуст - неустраненный материальный ущерб от электротравматизма; З - затраты на создание системы электробезопасности.
У _ £Т=1М(Этуу1 ( Л
у неуст -р , (2)
где Т - период, равный 1 году; М(ЭТ) - математическое ожидание количества электротравм на 1 млн. чел.; Уi - нанесенный ущерб при смертельном исходе 1 человека.
Руководствуясь представленным выше материалом исследования метода построения модели типа «дерево», приведем следующие виды мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения электротравматизма при эксплуатации мобильной электротехники:
- первая мера безопасности заключается в периодическом контроле состояния изоляции мобильных электроустановок и перед каждым их применением. В данной ситуации будет значительно снижаться вероятность применения мобильных электроустановок в нерабочем состоянии, т.е. с нарушенной изоляцией токоведущих частей. Тем не менее всегда остается вероятность того, что может произойти нарушение изоляции (механические повреждения питающего кабеля при скручиваниях, перегибах и др.) в период работы с электроустановкой;
- вторая мера безопасности заключается в применении индивидуальных защитных средств оператором, обеспечивающих значительное снижение вероятности электропоражения при эксплуатации мобильной электротехники ввиду того, что будет снижаться величина тока, протекающего по телу человека в пределах допустимого;
- третья мера безопасности заключается в использовании устройства защитного отключения (стационарного или переносного). Такой вид мероприятий позволит значительно повысить эффективность защитных мер при мгновенном отключении (0,03 с) электроустановки от источника питания. В таблице 3 приведены виды мер безопасности при эксплуатации мобильной электротехники.
Таблица 3
Виды защитных мер мобильных электроустановок
Мероприятия безопасности электроустановок Потенциальные издержки (у. е.) Результаты повышения безопасности
Оперативный контроль за состоянием безопасности электроустановок (Правила безопасности) 0,93 вероятность события К составила 0,23
Использование средств индивидуальной защиты (ГОСТ, СНиП) 1,78 вероятность события Н составила 0,037; события П 0,048
Использование УЗО в системе электропитания с занулением 380/220 В электроустановки 1,67 вероятность события Г составила 0,031
При анализе травмоопасных ситуаций (см. табл. 1) и защитных мер безопасности (см. табл. 3) был сделан вывод, что электропоражения при работе с электроустановками стационарного и нестационарного типов происходят при нарушении изоляции обмоток электродвигателя и замыкании на корпус (или металлическую часть корпуса), при ошибочном присоединении фазного и нулевого проводников питающей сети, перегибы скручивания, соударения с фундаментом, конструкциями, грунтом питающего кабеля передвижной, переносной электротехники, в том числе электроинструмента, и др. Ввиду того что защитное зануление не обеспечивает снижение напряжения прикосновения до безопасной величины при коротком замыкании, применение устройства защитного отключения является наиболее эффективным средством, обеспечивающим защиту от электротравмирования и осуществляющим постоянный контроль состояния изоляции электроустановки. Согласно ГОСТу устройства защитного отключения могут быть одно- и трехфазные, стационарные и нестационарные (переносные) [8]. При эксплуатации мобильной электроустановки удобно и эффективно использовать переносное устройство защитного отключения (УЗО-вилка, УЗО-розетка) в качестве основной защитной меры с введением в зону защиты питающего кабеля. Причем проблема электробезопасности может быть решена в случае массового применения устройств защитного отключения.
Приведенные данные на рисунке и в таблице 3 следует сформировать в единую таблицу для получения картины системы электробезопасности и выбора оптимального варианта. С учетом того, что затраты и прибыль (польза) количественно представлены в условных единицах, доля субъективизма при сравнении вариантов будет минимальной. В таблице 4 приведено сравнение вариантов системы электробезопасности по показателям коэффициентов Кп - затраты/польза и Ку - затраты/ущерб в соответствии с принципом оптимизации затраты -польза, рассмотренным в [7].
Таблица 4
Варианты системы электробезопасности при эксплуатации мобильных электроустановок
№ п/п Издержки (у.е.) Первичная вероятность события А Расчетная вероятность события А Изначальный ущерб (у.е.) Полученный ущерб при внедрении системы электробезопасности (у.е.) Польза (выгода) (у.е.) Кп Ку
1 1 23 10-6 13,110-6 4,5 0,79 1,53 0,62 1,19
2 2 23 10-6 1,710-6 4,5 1,13 2,76 0,74 2,01
3 3 23 10-6 4,6 10-6 4,5 0,36 5,08 0,59 11,86
Выводы
Проводя анализ полученных расчетных величин, следует отметить, что более рационально использовать затраты на первую и третью меры безопасности (1 и 3 варианты), которые имеют близкие значения коэффициентов Кп. Однако внедрение первой меры безопасности требует качественного, регламентируемого контроля состояния изоляции токоведущих частей мобильной электротехники, а также испытания индивидуальной защиты. Указанные мероприятия не всегда выполнимы в условиях фермерских хозяйств и в селе.
Сравнение мер безопасности по второму показателю Ку по снижению ущерба при возникновении электротравматизма после внедрения системы электробезопасности показывает наибольший эффект использования устройств защитного отключения при эксплуатации электроустановок, в том числе мобильной электротехники.
Библиография
1. Российский статистический ежегодник 2019: Стат. сб. / Росстат. - М., 2019. - 708 с.
2. Ерёмина Т.В., Калинин А.Ф. Метод математического моделирования травмоопасных ситуаций при эксплуатации ручных электрических машин // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2013. - № 11. - С. 292-296.
3.БеловП.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. - М.: Академия, 2003. - 512 с.
4. Никольский О.К., Костюков А.Ф., Черкасова Н.И. Общие принципы построения системы безопасности электроустановок. Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: материалы XII Междунар. науч.-практ. интернет-конф. - Орёл: Изд-во Гос. ун-та УНПК, 2014. - С. 103-106.
5. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. - М.: Наука, 1988. -
208 с.
6. Условия труда, производственный травматизм // Российский статистический ежегодник. - М.: Статистика, 2019.
7. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. - Т. 1. - М.: Финансы и статистика, 1986. -
366 с.
8. ГОСТ Р.50571.6-94 (МЭК 364-7-705-84) Электроустановки зданий. Ч. 4. Требования по обеспечению безопасности. Защита от поражения электрическим током. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 4 с.
Bibliography
1. Russian Statistical Yearbook 2019: Stat. collection / Rosstat. - M., 2019. - 708 p.
2. Yeryomina T.V., Kalinin A.F. The method of mathematical modeling of traumatic situations in the operation of manual electric cars // Bulletin of the Krasnoyarsk State Agricultural University.- 2013. - N 11. - P.292-296.
3. Belov P.G. System analysis and simulation of hazardous processes in the technosphere. - M.: Academy, 2003. - 512 p.
4. Nikolsky O.K., Kostyukov A.F., Cherkasova N.I. General principles of building a safety system of electrical installations // Energy and resource savings - the 21st century: Materials of the XII Int. scientific -practical. Internet-conf. - Oryol: UNPC, 2014. - P. 103-106.
5. WentzelE.S. Operations research. Tasks, principles, methodology. - M.: Science, 1988. - 208 p.
6. Working conditions, industrial injuries / Russian statistical yearbook. - M.: Statistics, 2019.
7. Draper N. Applied regression analysis. Vol. 1. - M.: Finance and statistics, 1986. - 366 p.
8. GOST R.50571.6-94 (MEK 364-7-705-84).Electrical installations of buildings. Part 4. Security requirements. Protection from electric shock. - M.: IPC Standards Publishing, 2004. - 4 p.
