CC BY
04.3.1 - ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)
DOI 10.53980/24131997_2023_3_52
Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф.
И.А. Галегузова, преподаватель, e-mail: irina.hmeleva@yandex.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 658.382.3.631.1
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА ОБЪЕКТАХ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
В статье приведен анализ энергонасыщенности объектов инфраструктуры и населения села стационарными и нестационарными электрическими машинами. Рассмотрены основные виды средств электрической защиты, отмечены недостатки использования плавких предохранителей и автоматических выключателей. Показаны эффективность и перспективы применения устройств защитного отключения. Определены функциональные характеристики данных устройств - величина уставки тока срабатывания и время срабатывания. Отмечены надежность эксплуатации, конструктивное исполнение, автоматический контроль исправности устройства. Указаны причины возникновения электротравмирования человека и появления возгораний изоляции токоведущих частей при аварийных режимах нестационарных электрических машин. Приведены типы переносных устройств защитного отключения для применения в одно- и трехфазных электрических сетях, осуществляющих защиту человека и защиту от возникновения пожаров при коротких замыканиях в электроустановках на сельскохозяйственных объектах.
Ключевые слова: безопасность, электроустановка, нестационарная электрическая машина, электротравма, система зануления, электрозащита, устройство защитного отключения, уставка срабатывания, время срабатывания, авария, пожар.
T.V. Eryomina, Dr. Sc. Engineering, Prof.
I.A. Galeguzova, Senior Lecturer
MAIN DIRECTIONS FOR INCREASING THE SAFETY OF ELECTRICAL INSTALLATIONS AT AGRICULTURAL FACILITIES
The article provides an analysis of the energy ratio of infrastructure facilities and the population of the countryside with stationary and non-stationary electric machines. It considers main types of electrical protective equipment, observinf shortcomings of fuses and automatic switches use. The authors show effectiveness and prospects for residual current devicesusage. The main functional characteristics of these devices are determined - the value of the tripping current setting and the tripping time. The paper marks reliable operation, structural design and automatic control of device health. The reasons for the occurrence of electrical injuries in humans and the appearance of insulation ignitions ofcurrent-conducting parts under emergency modes of non-stationary electrical machines are specified.
The types of portable protective disconnection devices for use in single-phase and three-phase electrical networks, which provide human protection and protection against fire in case of short-circuits in electrical installations at agricultural objects, are given.
Key words: safety, electrical installation, non-stationary electrical machine, electrical injury, neutral grounding system, electrical protection, residual current device, pickup setting, action time, accident, fire.
Введение
В настоящее время быстрое развитие села, интенсификация сельскохозяйственного производства, расширение фермерских хозяйств связаны с увеличением использования электрической аппаратуры, установок, в частности нестационарных электрических машин (НЭМ), обладающих высокой степенью причинения электротравмирования человеку [ 1, 2].
Среди используемых НЭМ на объектах сельского хозяйства наиболее востребован ручной электроинструмент, находящийся в постоянной эксплуатации при выполнении разнообразных операций в различных топографических и метеорологических условиях, которые могут быть опасными с точки зрения электробезопасности. Отсюда следует, что выполнение требований безопасности - это правильный путь к ликвидации электротравматизма при работе с НЭМ. Чаще всего ручной электроинструмент используется на железобетонном полу в помещении или на территории, на участке, т. е. непосредственно на земле, значит, в электроопасных условиях. При этом человек может нарушать или не знать правил техники безопасности, особенно это касается применения электротехники в бытовых условиях [3].
Руководящим документом, определяющим требования безопасности при эксплуатации передвижных, переносных электрических машин и ручного электроинструмента, является Публикация Международной электротехнической комиссии (МЭК-745-1-82).
Цель исследования - анализ безопасности электроустановок на основе теории и практики использования средств электрической защиты.
Материалы и методы исследования
На практике в электрических сетях широкое применение имеет система зануления. При эксплуатации электроустановок, в том числе НЭМ, зануление данных приемников электроэнергии как основного вида электрической защиты непосредственно связано с временем срабатывания аппаратуры электрозащиты и временем отключения аварийного участка сети или электроустановки при отклонениях от нормального режима работы, в частности при возникновении коротких замыканий. Отключающая способность защитной аппаратуры определяется кратностью тока срабатывания в аварийной ситуации.
Современные средства электрозащиты в некоторых случаях отключают аварийный участок сети за время недопустимое для сохранения безопасности человека. Защитные характеристики плавких предохранителей с временем срабатывания до 30-40 с не могут обеспечить безопасность электроустановок в рамках требований Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [4].
Аналогичная картина наблюдается и с автоматическими выключателями, несмотря на то что они имеют улучшенные характеристики с точки зрения безопасности и являются основными защитными аппаратами, устанавливаемыми в системе зануления электроустановок равно как и НЭМ. Допустимое время срабатывания защиты стационарных и нестационарных электроустановок составляет соответственно 0,4-0,3 с, однако автоматический выключатель может сработать с пределом времени до 1 с, что так же не обеспечивает безопасности, как и предыдущая электрозащита.
Отсюда следует, что на современном этапе развития применения НЭМ на объектах сельского хозяйства необходимо создать такие условия безопасности, которые возможны при создании новых совершенных средств защиты с высоким уровнем электробезопасности.
В конце прошлого тысячелетия в России появились национальные ГОСТы МЭК, что определило разработку нормативных документов по совершенствованию электрической защиты при эксплуатации электроустановок и создать основы для широкого использования высокоэффективной аппаратуры - устройств защитного отключения (УЗО), обеспечивающих высокий уровень электробезопасности людей, применяющих разнообразную электротехнику в сельском хозяйстве.
На рисунке 1 приведены способы повышения эффективности УЗО.
Традиционная система защитного отключения
Основная защита
Дополнительная защита (УЗО)
Структура рекомендуемой системы защитного отключения Обязательное применение УЗО с основной защитой
Обобщение технических требований на УЗО по специфике использования
Обеспечение соответствующей нормативно-технической документации
Рекомендуемые системы защитного отключения
Система ТК-С без зануления и заземления нулевого провода, 1устУЗО=10; 30 мА Система ТТ с занулением, уравниванием потенциалов, 1устУЗО < 10 мА Система ТК-С-Б (четырех-пяти-проводная), 1устУЗО=10; 30 мА
Рисунок 1 - Способы повышения эффективности системы защитного отключения
Ввиду относительно высокой опасности электротравмирования при работе с НЭМ по-прежнему не согласованы действия органов по безопасности труда для введения индивидуальной системы защитного отключения вследствие отсутствия положения об обязательном использовании при эксплуатации НЭМ индивидуальной защиты с помощью УЗО. Для обеспечения безопасности применение такой защиты в сетях без третьего защитного провода, какими являются практически все сельские электрические сети, необходимо широкое применение УЗО.
Выполнение внедренческих работ по массовому использованию УЗО должно проводиться в соответствии с нормативно-технической документацией, особенно это касается правильного выбора уставок срабатывания и времени срабатывания, являющихся основными защитными характеристиками устройства. Ниже приведены требования к устройствам защитного отключения для НЭМ, применяемым в зданиях и сооружениях и вне помещений на объектах АПК.
УЗО, используемые для установки в производственных помещениях агрохолдингов, жилых домах, учебных корпусах, а также вне сооружений, должны выполнять следующие функции: защиту человека при одно- и двухполюсных касаниях токоведущих частей или к открытым проводящим частям (ОПЧ) электроустановки, в случае когда есть связь с землей; при однополюсных касаниях корпуса при пробое изоляции токоведущих частей и замыкании на корпус при наличии связи с землей или к металлическим конструкциям, электрически связанным с корпусом электроустановки, с одной стороны, а с другой - нахождением человека
на железобетонном полу сельскохозяйственного помещения; защиту от пожара при коротких замыканиях в электроустановках, сопровождающихся воспламенением изоляции токоведу-щих частей.
Таким образом, УЗО реагирует на появление тока утечки на землю и отключает электроустановку или защищаемый участок питающей сети [5, 6].
Основной функцией УЗО будет защита человека при аварийных режима электроустановок на сельскохозяйственных объектах, используемых внутри помещений и на территории. Поэтому главным моментом при разработке УЗО будет подбор уставок тока срабатывания и времени срабатывания в соответствии с ГОСТ Р 50807-95 [7].
Уставка тока срабатывания УЗО напрямую зависит от требований электробезопасности, специфики сельских электрических сетей и электрооборудования. Руководствуясь Международными нормами с учетом физиологических возможностей человека, уставку УЗО следует снижать, одновременно нельзя не учитывать естественный ток утечки на землю, который может варьироваться и зависеть от многих факторов, в частности от параметров метеорологических условий, состояния воздушной среды в помещениях и вне их и др. Поэтому уставка тока срабатывания УЗО одновременно определяется максимальным током утечки Гут мах во избежание ложных срабатываний и значением нефибрилляционного тока 1нф [8]. В разнохарактерных сельскохозяйственных помещениях имеют место колебания относительной влажности воздуха и существует агрессивная среда, т. е. запыленность, загазованность, а это признаки колебаний токов утечки, близких к уставке УЗО. В такой ситуации ложное срабатывание УЗО неизбежно и при нормальном эксплуатационном режиме электроустановки. На основании изложенного уставку тока срабатывания УЗО следует определить при исследовании изоляции токоведущих частей электроустановок на основании мониторинга ее параметров, исходя из типовых данных [9].
Рассмотренные условия подбора уставки тока срабатывания и мониторинг состояния изоляции электроустановок и электроприборов дали возможность путем расчетов принять следующие уставки УЗО: для производственных помещений - 30 мА, для непроизводственных - 10 мА. Для НЭМ с незначительными токами утечки должно выполняться условие 1утах <10 мА, уставка УЗО определяется верхним пороговым значением отпускающего тока (6мА). Измерения токов утечки в сельском хозяйстве подтвердили правомерность прогноза типоряда уставок защиты [10].
Быстродействие или время срабатывания - это малая часть времени от появления отключающего дифференциального тока до размыкания контактов коммутационного блока УЗО. С учетом присутствия быстродействия электромеханических систем современной коммутационной аппаратуры максимальное время отключения УЗО целесообразно принять не более 0,03 с.
Не менее важной характеристикой безопасной и стабильной работы УЗО является надежность эксплуатации УЗО, которая представляет адекватность его конструкции техническому исполнению и требованиям электрических сетей и электрооборудования, используемых в сельской местности [11, 12].
Конструктивное УЗО по виду защиты от внешних воздействий следует выполнять при значительном перепаде температуры окружающего воздуха от -40 до +40 °С и колебаниях относительной влажности до 90 % внутри и вне помещений. В конструкции УЗО также предусматривается защитная оболочка при использовании в помещениях с большим выделением пыли, присутствием агрессивных сред (элеваторные, животноводческие помещения), концентрации которых составляют 70-90 мг/м3.
Надежность и эффективность УЗО определяются исходя из способности обеспечения безопасности человека при возникновении аварийной ситуации в электроустановке или питающей сети и исключении ложных срабатываний и отказов УЗО, появлении нестабильных характеристик некоторых узлов.
Эксплуатационная надежность УЗО заключается в подборе основного конструктивного элемента, а именно дифференциального трансформатора тока, отстроенного от радиопомех высокочастотных и низкочастотных, влияния температурного режима внешней среды, колебаний напряжения питающей сети в допустимых пределах с учетом перегрузочных способностей, иметь отстройку от вибрации для переносных УЗО.
Эффективность УЗО достигается за счет функциональных возможностей обеспечения защиты человека, защиты оборудования и исключения возникновения пожаров при коротких замыканиях в электрических сетях, электроустановках.
Применение УЗО на объектах инфраструктуры села связано с проблемой возникновения отказа защиты. Действительно, кратковременный режим работы УЗО, их распределение по различным объектам и отсутствие наглядных признаков неисправности делают невозможным обнаружение отказов, поэтому УЗО могут оставаться в нерабочем (аварийном) состоянии. В связи с этим необходимо использовать схему автоматического контроля исправности (самоконтроль), при котором происходит или отключение электроустановки, или включение сигнализации о неисправности УЗО. Однако самоконтроль снижает надежность устройства и повышает его стоимость. Самоконтроль УЗО можно использовать, в частности, при работе с НЭМ, например, с ручным электроинструментом, в помещениях с железобетонными полами, на территории, на участках, в животноводческих помещениях.
Результаты исследования и их обсуждение
При работе с НЭМ могут появиться травмоопасные ситуации, которые сопровождаются электротравмами, при этом чаще всего причиной является повреждение изоляции питающего кабеля ручного электроинструмента: при скручиваниях, перегибах, нахождение в запыленном состоянии, при этом не исключается короткое замыкание, приводящее к электротравмированию человека, возможному воспламенению и пожару изоляции. Пробой изоляции фазного провода и замыкание его на неизолированные металлические части НЭМ также приводят к электротравмированию, и другим опасным ситуациям, приводящим к несчастным случаям. В связи с этим УЗО является надежной и эффективной защитой от электротравм и пожаров. Результаты выполненных исследований показали, что при подключении питающего кабеля электроинструмента к УЗО от источника питания количество электротравм снижается на 70-80 %.
Для решения задачи снижения уровня электротравматизма при работе с электроустановками, в том числе НЭМ, были разработаны переносные УЗО для групповой и одиночной защиты, одно- и трехфазное следующих видов [13, 14]:
- однофазное с регулируемой уставкой тока срабатывания ВДТ-Р (УЗО-вилка);
- трехфазное с регулируемой уставкой тока срабатывания ВДТ-ПР (УЗО-розетка).
Основными характеристиками данных устройств являлись: напряжение питания 220
или 380 В; рабочий ток 16 А; уставка тока срабатывания трехфазного УЗО - 10, 30 мА; уставка тока срабатывания однофазного УЗО - 5, 10, 30 мА; время срабатывания 0,03 с.
Для примера на рисунке 2 представлена электрическая схема УЗО-розетки ВДТ-ПР.
На основании проведенного исследования было установлено, что имеющая широкое применение система зануления в сельском хозяйстве не обеспечивало требуемого уровеня безопасности при возникновении аварийных режимов в электроустановках и защиту человека от электротравмирования при попадании под действие напряжения. Во избежание возникновения электротравмы наиболее действенным и эффективным средством электрозащиты является устройство защитного отключения, обеспечивающее защиту человека и осуществляющее контроль состояния изоляции токоведущих частей электроустановок [15].
Рисунок 2 - Выключатель дифференциального тока плавного регулирования: 1- торроидальный сердечник дифференциального трансформатора тока , 2 - три фазных проводника первичной обмотки, 3 - нулевой проводник первичной обмотки, 4 - силовая контактная группа, 5 - вторичная обмотка, 6 - электронный усилитель, 7 - переменный резистор, 8 - рукоятка переключения, К - блок регулирования уставки тока срабатывания, 9 - пусковое устройство, 10 - катушка отключения, 11 - силовые зажимы
Применение переносных УЗО-вилок, УЗО-розеток при эксплуатации электроустановок и, в частности, НЭМ обеспечит значительное снижение уровня электротравматизма и возникновения возгораний и пожаров при авариях в электроустановках. Особенно важно применение в качестве защиты данных переносных УЗО при подключении к питающему кабелю ручного электроинструмента, имеющего широкое применение на объектах инфраструктуры и среди населения в сельской местности.
Заключение
1. Широкое использование электроустановок, в том числе НЭМ, на сельскохозяйственных объектах непосредственно связано с обеспечением условий электрической и пожарной безопасности.
2. Анализ существующих электрозащитных средств, применяемых в системах зануле-ния электроустановок, показал недостаточную эффективность их быстродействия при возникновении аварийных ситуаций.
3. Установлено, что устройство защитного отключения является наиболее эффективным и целесообразным средством электрозащиты людей и защиты от пожаров при коротких замыканиях в электроустановках.
Библиография
1. Степанов Н.М. Травматизм при эксплуатации энергоустановок // Безопасность жизнедеятельности. - 2005. - № 8.- С. 6-14.
2. Ванаев В.С., Козьяков А. Ф., Тупов В.В. Исследование электробезопасности ручных машин // Безопасность жизнедеятельности. - 2006. - № 7. - С. 11-15.
3. Христофоров Е.Н. Травматизм операторов мобильных машин в АПК // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 2. - С. 20-22.
4. Правила устройства электроустановок. - Изд. 6-е, 7-е. - М., 2022. - 832 с.
5. Штефан Ф. Устройства защитного отключения, управляемые дифференциальным током. - Прага: IN-EL, 2001.
6. Грунский Г.И., Шварц Г.К. Многофункциональность устройств защитного отключения бытового назначения // Промышленная энергетика. - 2006. - № 6. - С. 42-48.
7. IEC Standart 364-4-41 / Electrical installations of buildings. - Part 4: Protection for safety. Chapter 41 // Proctionagainst electric shoks. - 1992. - 10 p.
8. Куликов В.Н. К вопросу о допустимых уровнях кратковременного воздействия на человека электрических токов и напряжений промышленной частоты // Промышленная энергетика. - 2006. -№ 1. - С. 37-39.
9. Юсупов Р.Х., Зайнишев А.В., ГоршковЮ.Г. Производственная среда предприятия АПК как информационная динамическая система при анализе и прогнозировании травматизма и профессионально-обусловленной заболеваемости. - М., 2009. - 221 с.
10. Ерёмина Т.В. К вопросу о выборе уставок тока срабатывания аппаратов защитного отключения // Науч. техн. бюл. СибИМЭ СО ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1988. - Вып. 1. - С. 65-67.
11. Халин Е.В., Коструба С.И. Новые устройства обеспечения электробезопасности // Техника в сельском хозяйстве. - 2006. - № 6. - С. 19-23.
12. Слободкин А.Х., Пупин В.М. Обзор российского рынка устройств защитного отключения и анализ эффективности осуществляемой ими защиты в сетях напряжением 380/220 В // Промышленная энергетика. - 2000. - № 11. - С. 43-49.
13. Патент RU 134355 U1, Н01Н 83/00. Регулируемый выключатель дифференциального тока / Ерёмина Т.В., Калинин А.Ф. Патентообладатели: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2013121911/07, заявл. 13.05.2013, опубл. 10.11.2013.
14. Патент RU 212570 U1, Н01Н 83/00. Выключатель дифференциального тока плавного регулирования / Ерёмина Т.В., Галегузова И.А. Патентообладатели: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления». - Заявка № 2022108978, заявл. 05.04.2022, опубл. 28.07.2022.
15. Никольский О.К., Сошников А.А., Полонский А.В. Проблемы и перспективы массового применения устройств защитного отключения в России // Промышленная энергетика. - 2001. - № 2. -C.48-50.
16. Ерёмина Т.В., Хулукшинов Р.Г., Галегузова И.А. К проблеме техногенной безопасности электроустановок на объектах // Вестник ВСГУТУ. - 2022. - № 2. - С. 41-48.
Bibliography
1. Stepanov N.M. Injuries during power plants operation // Life Safety. - 2005. - N 8. - P. 6-14.
2. Vanaev V.S., Kozyakov A.F., Tupov V.V. Study of the electrical safety of manual machines // Life Safety. - 2006. - N 7. - P. 11-15.
3. Khristoforov E.N. Injuries of mobile machine operators in the agro-industrial complex // Mechanization and Electrification of Agriculture. - 2007. - N 2. - P. 20-22.
4. Electrical Regulations. - Edition 6, 7. - M., 2022. - 832 p.
5. Shtefan F. Protective shutdown devices controlled by differential current. - Prague: IN-EL, 2001.
6. Grunsky G.I., Schwartz G.K. Multifunctionality of protective shutdown devices for household purposes // Industrial Power Engineering. - 2006. - N 6. - P. 42-48.
7. IEC Standard 364-4-41 / Electrical installations of buildings. - Part 4: Protection for safety. Chapter 41 // Precaution against electric shoks. - 1992. - 10 p.
8. Kulikov V.N. On the question of the permissible levels of short-term exposure to human electric currents and voltages of industrial frequency // Industrial Power Engineering. - 2006. - N 1. - P. 37-39.
9. Yusupov R.Kh., Zainishev A.V., Gorshkov Yu.G. The production environment of the agro-industrial complex as an information dynamic system in the analysis and forecasting of injuries and occupational morbidity. - M., 2009. - 221 p.
10. Eryomina T.V. On the issue of choosing settings for the operating current of protective shutdown devices // Siberian Federal Research Centre of Agro-BioTechnologies of the Russian Academy of Sciences (SFSCA RAS). - Novosibirsk. - Issue 1. - 1988. - P. 65-67.
11. Khalin E.V., Kostruba S.I. New devices for ensuring electrical safety // Agriculture Machinery. -2006. - N 6. - P. 19-23.
12. Slobodkin A.Kh., Pupin V.M. Review of Russian market for residual current devices and analysis of the effectiveness of their protection in networks with a voltage of 380/220V // Industrial Power Engineering. - 2000. - N 11. - P. 43-49.
13. Patent RU 134355 U1, H01N 83/00. Adjustable residual current switch / Eryomina T.V., Kalinin A.F. Patent holders: Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «East Siberian State University of Technology and Management». - Appl. 13.05.2013, publ. 10.11.2013.
14. Patent RU 212570 U1, H01N 83/00. Variable regulation differential current switch / Eryomina T.V., Galeguzova I.A. Patent holders: Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education «East Siberian State University of Technology and Management». - Appl. 05.04.2022, publ. 28.07.2022.
15. Nikolsky O.K., SoshnikovA.A., Polonsky A.V. Problems and prospects of mass application of residual current devices in Russia // Industrial Power Engineering. - 2001. - N 2. - P. 48-50.
16. Eryomina T.V., Khulukshinov R.G., Galeguzova I.A .The problem of technological safety of electrical installations at facilities // The Bulletin of ESSTUM. - 2022. - N 2. - P. 41-48.
