CC BY
2Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф., e-mail: a.k.brit@mail.ru Г.Б. Зонхоев, канд. техн. наук, доц., e-mail: zgb13@mail.ru А.Л. Гармаев, соискатель, e-mail: gal787@rambler.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 621.315
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАВМООПАСНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН НА ОБЪЕКТАХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
В статье дан анализ развития электроэнергетики в стране. Указаны причины возникновения опасных техногенных ситуаций, связанных с возникновением аварий, пожаров и электротравм, на этих объектах. Выполнено моделирование травмоопасных ситуаций при работе с электрической мобильной машиной. Рассмотрен частотный анализ электротравматизма с описанием его структуры. Приведены принципы построения диаграмм типа «дерево» с описанием качественного анализа моделируемого технологического процесса. Отмечены основные предпосылки, отражающие взаимосвязи в системе безопасности мобильной электроустановки, а именно состояние окружающей среды, наличие системы электрозащиты, пути электропоражения человека, исход электротравмы. Дан количественный анализ диаграмм типа «дерево» с определением априорной оценки числовых параметров при моделировании опасных ситуаций. Определены вероятности появления несчастных случаев с описанием причин потенциальных опасностей при работе с ручным электроперфоратором. Приведена структура построения деревьев событий и исходов, а также признаков электротравматизма.
Ключевые слова: техногенная опасность, электротравма, травмоопасная ситуация, электрическая мобильная машина, моделирование, дерево событий, дерево исходов, электрозащита.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
G.B. Zonkhoev, Cand. Sc. Engineering, Assoc. Prof.
A.L. Garmaev, P.G.
MODELING TRAUMATIC SITUATIONS WHEN USING ELECTRIC MOBILE MACHINES IN POWER GENERATION FACILITIES
The article analyzes the development of electric power in the country. The causes of the dangerous technogenic situations connected with emergence of accidents, the fires and electric traumas on these objects are specified in the work. It offers modeling of traumatic situations when working with an electric mobile machine. The authors consider electro-frequency analysis with the description of its structure. The principles of tree charts construction with the description of the qualitative analysis of the modelled technological process are provided in the research. The authors analyze the main prerequisites reflecting interrelations in a security system of mobile electrical installation, namely state of environment, existence of an electrical protection system, ways of a person's electrocution, an electric trauma outcome. They carry out the quantitative analysis of tree charts with definition of aprioristic assessment of numerical parameters when modeling dangerous situations. The work determines the probability of accidents' occurrence with a description of the causes of potential hazards when working with manual electric perforator. The structure of events and outcomes' trees creation and electrical traumatism signs are analyzed in the paper.
Key words: technogenic danger, electric trauma, injury-causing situation, electrical mobile machine, modeling, tree of events, tree of outcomes, electrical protection.
Введение
Рост потребления электроэнергии - одна из основных тенденций развития мировой экономики. В соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства, к 2025 г. потребление электроэнергии в мире возрастет до 26 трлн. кВт-ч по сравнению с
14,8 трлн. кВт-ч в 2003 г. При этом установленная мощность электростанций возрастет с 3400 ГВт в 2003 г. до 5500 ГВт в 2025 г.
В России потребление электроэнергии после затяжного спада 1990-1998 гг. неуклонно растет и в 2015 г., по прогнозам МЭРТ, превысило уровень 1993 г. Все это таит в себе огромную потенциальную опасность для людей и окружающей среды.
Анализ причин аварийности на этих объектах показал, что более 30 % аварий, пожаров и электротравм происходит из-за крайней степени изношенности электрических сетей, 40 % -из-за несовершенства нормативно-правовой базы и несоблюдения правил технической эксплуатации электроустановок, а также из-за неквалифицированного обслуживания электроустановок и приборов персоналом.
Законом, регламентирующим функционирование опасных объектов, предусматривается введение специальной декларации, обязательной частью которой являются оценка и прогноз аварийного риска, который характеризует уровень опасности данного объекта. Теоретические основы безопасности, содержащие концепцию риска, изложены в работах [1]. Вместе с тем следует признать, что в настоящее время отсутствуют исследования, посвященные проблеме анализа техногенных рисков в электроустановках, применяемых на объектах электроэнергетики страны.
К основным видам техногенных опасностей относится электрическая (или электромагнитная), которая в силу своей массовости проявляется во многих аварийных или нормальных режимах работы электроустановок, в виде электропоражения людей, пожаров и опасных электромагнитных излучений.
Цель исследования - математический анализ возникновения травмоопасных ситуаций при эксплуатации электрических мобильных машин.
Задачей исследования является построение алгоритма математической модели травмоопасной ситуации и отбор наиболее опасных инцидентов.
Для изучения возникающих в системе электробезопасности травмоопасных ситуаций следует использовать методы моделирования, в общем виде исключающие следующие этапы:
- учет наиболее существенных факторов, определяющих возникновение травмоопасных ситуаций и их последствий;
- составление смысловых (описательных) моделей;
- формализация травмоопасной ситуации и оценка количественных характеристик.
Наиболее полно рассматриваемой модели удовлетворяет формализованное представление системы в виде графических диаграмм причинно-следственных связей. На наш взгляд, предпочтительными являются диаграммы типа «дерево происшествий», которые обладают высокой информативностью представления и описания изучаемых явлений, хорошей наглядностью и декомпозируемостью, возможностью применения формализованных процедур системного анализа этих моделей и системного синтеза мероприятий, направленных на реализацию заданных целей системы.
Результаты исследования и их обслуживание
Выполним анализ электротравматизма с помощью моделирования возникновения опасных ситуаций при работе с электрической мобильной машиной (ЭММ), в частности ручным электроинструментом.
Частотный анализ электротравматизма. Частотный анализ (ЧА) является одним из основных этапов оценки и прогнозирования индивидуального риска. Если отсутствуют необходимые данные, позволяющие определить интенсивность (вероятность) травмоопасных ситуаций (ТС), то определить риск травмы, порождаемой электроустановкой, проблематично. Частотный анализ опирается на использование основных положений теории вероятностей и математической статистики, теории надежности и алгебры логики [2, 3]. На рисунке 1 представлена блок-схема частотного анализа, которая отражает различные процедуры.
Определение интенсивностей (вероятностей) электротравмы 6
Возврат к предварительному анализу опасностей
Рисунок 1 - Блок-схема частотного анализа
Известны различные пути решения данной задачи. Традиционный путь основан на использовании ретроспективных данных в соответствующих объемах информации, последующей обработкой этих данных и применении метода экспертных оценок. Математические методы описывают формализованное состояние исследуемой системы с помощью Марковских цепей. Третий путь, по нашему мнению, - наиболее перспективный, состоит в использовании графических представлений совокупности различных случайных событий, приводящих к
электротравматизму [4]. Это сочетание событий, предшествующих инциденту (ТС), и сочетание последующих событий от инцидента до его исхода. Первые, как уже отмечалось, графически изображаются с помощью деревьев событий (ДС), вторые - с помощью деревьев исходов (ДИ).
Качественный анализ ДС включает построение минимальных сочетаний ТС. При количественном анализе деревьев событий используются теория надежности, алгебра логики, метод статистических испытаний Монте-Карло. После того как определены интенсивности (вероятности) несчастных случаев, необходимо выполнить их оценку (блок 7), т.е. сравнить их с допустимыми приемлемыми значениями. Если результаты сравнения приемлемы, то частотный анализ закончен и следует приступать к последствиям исхода, т.е. оценке материального ущерба. В противном случае (блок 8) необходимо выработать рекомендации по снижению ин-тенсивностей (вероятностей) наиболее опасных событий, связанных с поражением человека от электроустановки.
Принципы построения диаграмм типа «дерево». Рассмотрим процедуру построения дерева событий. При этом будем руководствоваться следующими соображениями.
Во-первых, данная модель должна состоять из одного головного события и в общем случае множества, предшествующих ему предпосылок. К ним отнесем аварии электроустановки, отказы средств электрозащиты, ошибки и неправильные действия оператора или персонала, физиологическое состояние человека, неблагоприятные условия для него внешние воздействия.
Во-вторых, в состав этого дерева будем включать все те же логически условные и безусловные связи между такими предпосылками, соблюдение которых необходимо и достаточно для возникновения исходов, т.е. построения дерева исходов.
В-третьих, построение конечной системы событий (дерева исходов) будем начинать не снизу вверх (т.е. от исходных ошибок, отказов и опасных внешних воздействий - к головному событию-электротравме), а наоборот. При этом само головное событие, соответствующие ему предпосылки верхнего и последующих уровней, а также образованные ими причинные связи необходимо выявлять дедуктивно - на основе знания общих закономерностей возникновения техногенных происшествий и особенностей их проявления в конкретных обстоятельствах.
Качественный анализ событий сводится к выявлению возникновения и снижения ущерба от техногенного происшествия, т.е. к выявлению в соответствующем дереве (ДС и ДИ) тех предпосылок и логических цепочек, реализация которых приводит к появлению либо к непоявлению его головного события.
Для иллюстрации качественного анализа моделируемой опасной ситуации и ее последствий воспользуемся составлением деревьев событий и исходов. На рисунке 2 показаны условия возможного поражения человека электрическим током. Условимся считать, что головное для этой модели (событие Х) - это результат одновременного наложения шести предпосылок верхнего уровня:
а) производственные связи человека с электроустановкой (электрической мобильной машиной (ЭММ)) - (I);
б) состояние среды в системе (человек - электроустановка - среда) - (II);
в) система электрической защиты - (III);
г) аварийное состояние электроустановки (ЭММ) - (IV);
д) основные пути попадания человека под напряжение - (V);
е) исходы электротравмы - (VI).
Предпосылка I, отражающая взаимосвязи в системе «безопасности ЭММ, - это следствие одного из четырех событий: А - эксплуатация передвижной электроустановки; В - обслуживание переносных электроприемников; С - работа с ручным электроинструментом; D -ремонт и профилактика электроустановки, в том числе электропроводки.
Предпосылка II характеризует состояние среды при использовании ЭММ. В соответствии с принятой классификацией [5] будем считать: событие Е - эксплуатация электроустановок в помещении без повышенной опасности; событие F отражает обслуживание электроустановок в помещении с повышенной опасностью, а события G и Н - эксплуатация электроустановок в особо опасных помещениях и вне их соответственно.
Предпосылка III отражает функционирование системы электрической защиты: событие K - отсутствие необходимых средств защиты; событие L - отказ (неисправность) защитных средств; событие M - нормальное функционирование защиты.
Предпосылка IV отражает виды аварийных состояний электроустановки. Здесь ограничимся рассмотрением трех наиболее типичных аварий: событие N - замыкание на землю; событие Р - замыкание на корпус; событие S - занос электрического потенциала по цепям зану-ления с других объектов.
Предпосылка V характеризует пути попадания человека под напряжение (ТС): событие T - прикосновение к токопроводящим частям электроустановки, оказавшимся под напряжением; событие U - прикосновение к токоведущим частям, находящимся под напряжением.
Предпосылка VI отражает исходы электротравмы. Здесь рассматриваем событие V, представляющее собой совокупность следующих факторов: сопротивление тела человека Zh, сопротивление обуви Rоб и сопротивление растеканию тока Rраст.. Событие W обусловлено имманентными свойствами организма человека, попавшего в цепь тока, и определяющими тяжесть электротравмы. В связи с этим событие W будем рассматривать как вероятность электротравмы в ]-й электроустановке, представляющей произведение вероятностей двух событий: попадание человека в травмоопасную ситуацию и такого его состояния, при котором ток через тело человека Ь (при заданной длительности его протекания является поражающим, т.е. P(ЭП)ij= pij•Pпорj. Здесь pij - вероятность попадания под напряжение 1-го человека в ]-й электроустановке, Pпорj - условная вероятность электропоражения в ]-й электроустановке.
Заметим, что данная модель имитирует тяжесть и исход электротравмы при эксплуатации ЭММ с допущением, что каждая предпосылка выражается некоторой совокупностью несовместных событий. В действительности (что подтверждается и в данной модели) одно дерево события может иметь несколько минимальных сочетаний предпосылок, необходимых и достаточных для реализации или недопущения его головного события.
Как показывает опыт моделирования, использование алгоритма построения и проведения качественного анализа исследуемых здесь деревьев событий и исходов дает определенную степень гарантии адекватности реальным моделируемым опасным процессам, протекающим в электроустановках и установлении на качественном уровне закономерностей проявления и предупреждения несчастных случаев, аварий и пожаров. Это, в свою очередь, обеспечивает точность количественной оценки эффективности мер по снижению индивидуального риска и требуемую достоверность его прогноза.
Количественный анализ диаграмм типа «дерево». Следующим этапом моделирования опасных процессов в электроустановках является априорная оценка их числовых параметров. Как правило, она связана с определением вероятности появления конкретных несчастных случаев, аварий и т.д., в том числе и математического ожидания их количества на заданном интервале времени. Здесь же рассчитываются размеры ущерба и затрат, связанных с возникновением и предупреждением опасных ситуаций в электроустановках.
Рисунок 2 - Деревья событий и исходов
Рассмотрим применение методики оценки риска, возникающего при работе с ручным перфоратором (табл. 1).
Таблица 1
Определение травмоопасных ситуаций дерева событий
Потенциальные опасности Вероятность, % Головные события Вероятность, %
Двухфазное прикосновение 2,0 Прикосновение к токо-ведущим частям 22,4
Однофазное прикосновение между фазным и нулевым проводом 8,2
Однофазное прикосновение между фазным проводом и землей 12.2
Прикосновение между корпусом электроинструмента, на котором произошло замыкание фазного провода и землей 77,6 Прикосновение к токо-проводящему корпусу перфоратора, оказавшемуся под напряжением 77,6
Разделим вероятности, находящиеся в левой колонке на совместимые группы, учитывая, что общей причиной первых трех групп является наличие открытых токоведущих частей. Причина четвертой опасности - повреждение изоляции фазного провода, питающего электроинструмент. Два головных события приведены в правой колонке таблицы 1.
Руководствуясь изложенным выше подходом (рис. 2), рассмотрим головное событие «Электротравма при прикосновении к корпусу ручного электроинструмента». Выполним следующие процедуры:
а) определим все предпосылки и элементарные события, которые могут вызвать головное событие;
б) рассмотрим отношения между событиями с помощью логических операций И или
ИЛИ;
в) проведем количественный анализ диаграмм типа «дерево».
Головное событие А (рис. 3) произойдет, если будут иметь место все четыре события Б, В, Г и Д, представленные входами логической операции И. Наличие напряжения на корпусе
перфоратора (событие Б) возможно, если имевшее место замыкание токоведущих частей на его корпус (событие Е) не было устранено перед применением перфоратора (событие Ж).
Касание человеком корпуса электроперфоратора (событие В) возможно при любом из событий И, К и Л, которые представлены входами логической операции ИЛИ.
Ток, проходящий через тело человека, может превысить допустимое значение (событие Г) как при источнике напряжением не более 42 В (событие М), так и при источнике напряжением более 42 В (событие Н) при неэффективных индивидуальных защитных средствах (событие Т) и недейственных автоматических средствах электрозащиты (событие С).
Рисунок 3 - Деревья событий и исходов (частный случай)
На основании анализа статистического материала на рисунке 4 приведены (в соответствии с рисунком 3) вероятности событий для интервала времени, равного одному году. Предположим, из статистики известно, что в течение года произошла 21 электротравма с леталь-
ным исходом на 1 млн. электроперфораторов. Тогда вероятность головного события А составит Ра=2110-6. Примем, что материальный ущерб, вызванный гибелью человека, равен У=2 • 105долл. США. Тогда ожидаемые средние потери от электротравм при использовании одного электроперфоратора в течение года составят Уср=РА У=4,2 долл. США.
В порядке демонстрации изложенного выше метода количественного анализа диаграмм типа дерево в таблице 2 приведены три варианта, направленные на уменьшение вероятности возникновения электротравматизма при работе с электроперфоратором.
Рисунок 4 - Дерево признаков электротравматизма
Таблица 2
Вариант предлагаемых защитных мер
№ п/п Защитные меры Затраты, долл. США Эффект
1 Гарантия соблюдения требований к испытаниям изоляции электроперфоратора 1 Снижение вероятности события Ж до 0,1
2 Гарантия того, что работы с электроперфоратором напряжением более 42 В будут выполняться с применением диэлектрических перчаток 2 Снижение вероятности события Л до 0,1 и события Н до 0,001
3 Подключение электроперфоратора напряжением более 42 В к сети с использованием УЗО 1,25 Снижение вероятности события Н до 0,01
Выводы
Первый вариант предлагаемых мер состоит в предположении о том, что сопротивление изоляции электроинструмента будет гарантированно измеряться периодически через 6 меся-
цев, а также перед каждым его применением. При выполнении этого условия вероятность использования ручного инструмента, имеющего поврежденную изоляцию, уменьшится. Однако полностью не исключается возможность повреждения изоляции во время работы.
Второй вариант защитных мер состоит в том, что применение диэлектрических перчаток снизит вероятность травмирования человека при работе с электроинструментом за счет уменьшения тока, проходящего через тело, до значения меньше порогового ощутимого.
Третий вариант заключается в том, что применение комбинированного устройства защитного отключения (УЗО) значительно повысит эффективность защиты путем практически мгновенного отключения электроинструмента от сети.
Библиография
1. Быков А.А., Мурзин Н.В. Проблемы анализа безопасности человека, общества и природы. -СПб.: Наука, 1997. - 681 с.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высшая школа, 1998. - 576 с.
3. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем. - СПб.: Политехника, 2000. - 248 с.
4. Антонов Г.Н., Можаев А.С. Основные подходы к построению логико-вероятностных моделей безопасности структурно сложных систем // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. -1999. - № 9. - 14 с.
5. Правила устройства, эксплуатация и безопасность электроустановок // Нормативно-техн. сб. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2004. - 840 с.
Bibliography
1. Bykov A.A., Murzin N.V. Human safety, society and nature analysis problems. - SPb.: Nauka, 1997. -681 p.
2. Wentzel E.S. Probability theory. - M.: Vysshaya shkola, 1998. - 576 p.
3. RyabininI.A. Reliability and safety of structurally complicated systems. - SPb.: Polittekhnika, 2000. -248 p.
4. Antonov G.N., Mozhaev A.S. Main approaches to the construction of logical and probabilistic models of structurally complicated security systems // Problems of safety in emergencies. - 1999. - N 9. - 14 p.
5. Rules for arrangement, operation and safety of electrical installations // Normative-technical collection. - Barnaul: AltSTU Publishing of I.I. Polzunov, 2004. - 840 p.
