CC BY
32
7. Taflove Allen, Susan С. (2005). Computational Electrodynamics: the finite-difference timeOdomain method.-2nd ed. Hagness.
8. Гаврилом B.P., Иванова E.E., Морозова В.Д. Кратные и криволинейные интегралы. Элементы теории поля II Математика в техническом университете. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. - VII.
9. Matthew N.O. Sadiku (2000).Numerical Techniques in Electromagnetics, Second Edition.
10. Sullivan, Dennis M. (2000). Electromagnetic simulation using the FDTD method II IEEE Microwave Theory and Techniques Society, sponsor.
11. Berenger J. (1994). A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves II Journal of Computational Physics 114:185-200. D0l:10.1006/jcph.1994.1159.
12. Deinega A., John S. (2012). Effective optical response of silicon to sunlight in the finite-difference time-domain method, Opt. Lett. 37,112.
--♦-
УДК 621.31 : 537.8 A.A. Сошников, Н.П. Воробьев, B.C. Компанеец, E.B. Титов
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ
УЧРЕЖДЕНИЙ
Рассмотрены новые технологии для использования в системах техногенной безопасности, обеспечивающие электрическую и пожарную безопасность электроустановок, а также электромагнитную безопасность в образовательных учреждениях.
Ключевые слова: электрическая и пожарная безопасность электроустановок, электромагнитная безопасность.
A.A. Soshnikov, N.P. Vorobyov, B.S. Kompaneets, E.V. Titov
ADVANCED TECHNOLOGIES IN THE TECHNOGENIC SECURITY SYSTEMS OF THE EDUCATIONAL
INSTITUTIONS
New technologies for use in the technogenic security systems, which provide electrical and fire security of the electrical installations, as well as electromagnetic security in the educational institutions are considered.
Key words: electrical and fire safety of the electrical installations, electromagnetic security
Одним из направлений повышения безопасности работников и учащихся образовательных учреждений (ОУ) во время их трудовой и учебной деятельности является создание комплексной системы техногенной безопасности, включающей три составляющие: электрическую и пожарную безопасность электроустановок, а также электромагнитную безопасность.
Для автоматического отключения питания при неисправности электроустановок широко используются предохранители и автоматические выключатели, в функции которых входит не только защита от аварийных режимов, но и предупреждение электропоражений людей. Однако опыт эксплуатации электроустановок показывает, что эта защита не всегда эффективна, как в части предупреждения электропожаров, так и обеспечения электробезопасности.
Во внутренних электропроводках высокую пожарную опасность представляют дуговые короткие замыкания (КЗ). При КЗ электрическая дуга, температура которой достигает нескольких тысяч градусов, может воспламенить изоляцию или другие горючие материалы, что вместе с действием искр и расплавленных частиц металла может привести к развитию пожара. Кроме того, действуя, как электросварка, дуга КЗ может пережечь электропроводку быстрее, чем сработает защита, что эквивалентно ее отсутствию и неконтролируемому протеканию пожароопасных процессов.
Современные методики выбора электрической защиты не учитывают воздействие электрической дуги КЗ на электропроводки. Тем самым допускается возможность электропожара еще на этапе проектирования защиты.
(ЪестнитчХрасГЯ'У■ 2012. №6
Для обеспечения пожарной безопасности электроустановок необходимы оценка функционирования и обоснование мероприятий по повышению эффективности электрической защиты как меры предупреждения пожаров от КЗ. С этой целью могут использоваться вероятностные методы оценки пожарной опасности КЗ. С использованием этих методов в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) создана технология повышения безопасности электроустановок, основанная на автоматизированных методах выявления пожароопасных участков системы электроснабжения и выбора экономически целесообразных сочетаний параметров защиты от КЗ и электропроводок по условию наименьшей вероятности пожара.
На первом этапе разработки этой технологии в качестве показателя эффективности электрической защиты использовалась вероятность пожара РхкТ' (77) от КЗ ¡-го вида в течение времени Т на э-м участке электрической сети [1, 2]
пК,
>АГ/
\Укз)
QYQpQтз' 0)
где РзТ - вероятность возникновения КЗ ¡-го вида на э-ом участке сети в течение времени Т; I- вероятность сосредоточения пожароопасного вещества вблизи электропроводки; (Эр - вероятность перерастания возникшего загорания в пожар; ()тз- вероятность отказа системы пожаротушения.
Затем были предложены новые критерии оценки противопожарной эффективности электрической защиты, определяющие условия пережога электропроводки током дугового КЗ до срабатывания электрической защиты [3,4].
Отношение диапазона токов КЗ, для которого время пережога меньше времени срабатывания защиты, к диапазону токов КЗ на участке сети характеризует долю незащищенной части участка сети.
Показатель, характеризующий возможность пережога электропроводки, называется коэффициентом незащищенности участка сети для ¡-го вида КЗ и определяется по формуле
/«МО
¿«(0 = 6/^0)=Л-( (2)
К
где 15 - длина э-го участка сети (э=1,2..., Б);
1"рг(,) - длина зоны пережога для КЗ ¡-го вида на этом участке; Ы"рг{,) - доля незащищенной части э-го участка сети для ¡-го вида КЗ.
Нулевое значение коэффициента незащищенности участка сети соответствует отсутствию опасности пережога на участке сети (и, как следствие, значительно меньшей опасности пожара, чем при наличии зоны пережога, так как процесс развития КЗ ограничивается электрической защитой), а единичное - полной незащищенности участка сети от пережога.
На основе показателя (2) строится показатель, характеризующий пожарную опасность пережога в сети в целом (и соответственно - эффективность системы электрической защиты) для ¡-го вида КЗ. Он определяется как отношение суммы длин зон пережога к сумме длин всех участков сети
К*зО) = АГг(/)=^=1_-_ (3)
Е'.
5=1
где _ доля незащищенной части электрической сета для ¡-го веда КЗ;
1"рг{,) - длина незащищенной части э-го участка сети.
Этот показатель называется коэффициентом незащищенности сети для ¡-го вида КЗ. Граничными его значениями являются 0 и 1. При этом меньшей опасности пережога в сети (большей эффективности системы электрической защиты) соответствует меньшее значение показателя.
С помощью показателей (2) и (3), можно сравнивать различные варианты систем защиты для одной и той же электрической сети.
Для практического использования методики принимаются следующие допущения:
- за время Т (обычно равное одному году) в сети происходит не более одного КЗ, причем вероятность
¡-го вида КЗ составляет РТ ;
- значение вероятности возникновения КЗ на э-м участке сети пропорционально доле протяженности участка сети
рк' — о ^ /,>
К,т ~*т ~—• (4)
П
На основе принятых допущений событие «пережог проводов в сети» оценивается вероятностью пережога проводов Р'3 (Прг) на одном из 5 участков сети за время Т для ¡-го вида КЗ
р;(Прг)=^р5к; р; (Прг/КЗ), (5)
,$=1
где Р'5 (Прг / КЗ) - условная вероятность пережога проводов при ¡-м виде КЗ на э-м участке сети.
Таким образом, в соответствии с предлагаемой методикой возникновение пожара ставится в соответствие с явлением пережога электропроводки до срабатывания защиты.
С учетом изложенного расчетная формула (1) может быть представлена в виде
где Р3к' (77) - вероятность пожара от КЗ ¡-го вида на э-том участке сети в течение времени Т ;
(2у - вероятность сосредоточения пожароопасного вещества (включая наличие горючей изоляции) вблизи электропроводки;
Q3 - вероятность воспламенения пожароопасного вещества в результате воздействия электрической дуги или раскаленных частиц металла;
() - вероятность перерастания возникшего загорания в пожар;
£1ТЗ - вероятность отказа системы пожаротушения.
В расчетах значения вероятностей Qy, Q3, Qp ^ 0ТЗ принимаются равными единице, поэтому Р$К' (77) называется показателем пожарной опасности \ -го вида КЗ на э-м участке электрической сети
р^(п)=р«1!к;з{0. (?)
Используя коэффициент незащищенности электрической сети, можно определить показатель пожарной опасности \ -го вида короткого замыкания для всей электрической сети рассматриваемого объекта по формуле
Фестник.'КрасГЯ'У- 2012. №6
Рк'(Л) = РТк'Кнз°\ (8)
С учетом введенных показателей интегральный показатель пожарной опасности всех видов КЗ в электрической сети может быть рассчитан по формуле
= 1 - [1 - РТК\П)][ 1 - РТК2(П)][ 1 - Р/3(Я)][1 - РТКК(П)], (9)
где [1 - РТК' (77)^ - вероятность отсутствия пережога проводов при КЗ ¡-го вида; Рткк (77) - показатель пожарной опасности к.з. на корпус.
Если сеть защищена УЗО, используется следующая формула:
Р/(Я) = 1 - [1 - РТК1(П)][ 1 - РТК\П)][\ - РТК\П)\. (10)
В процессе практического использовании технологии предупреждения пожаров от КЗ был выявлен ряд проблем.
В основу оценки пожарной опасности дуговых КЗ положено сопоставление характеристик срабатывания аппаратов защиты (предохранителей или автоматических выключателей) и характеристик пережога электропроводки электрической дугой, полученных экспериментально в АлтГТУ.
Характеристики срабатывания аппаратов защиты задаются заводами-изготовителями с учетом разброса возможных значений. Реальное время срабатывания защиты за счет наличия зоны разброса может отличаться в несколько раз при одном и том же токе. Аналогичный разброс имеют и характеристики пережога электропроводок. В общем случае возможны как благоприятные, так и неблагоприятные сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки на различных участках электрической сети. В первом случае защита может иметь высокую эффективность. Во втором - крайне низкую.
Таким образом, при проведении расчетов показателей пожарной опасности КЗ возникает неопределенность, обусловленная зонами разброса характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки. Поэтому для повышения точности расчетов представляется целесообразным проведение анализа влияния выбора сочетания этих характеристик на результаты расчетов и разработка соответствующих рекомендаций для практического использования.
Для обоснования выбора расчетных характеристик с помощью разработанного в АптГТУ программного комплекса «СКЭД -380» выполнены расчеты показателей пожарной опасности для различных вариантов электроснабжения и различных систем электрической защиты ОУ. Расчеты проводились для ПА-системы защиты (на основе предохранителей и автоматических выключателей) и ПАУ-системы защиты (с дополнительным использованием УЗО). При этом рассматривались верхние, средние и нижние характеристики срабатывания защиты и пережога электропроводки, обозначаемые далее соответственно В, С, Н в последовательности: для аппарата защиты - для пережога электропроводки.
Проведенный анализ показал, что для оценки эффективности системы электрической защиты можно ограничиться расчетом показателей пожарной опасности по следующим сочетаниям характеристик срабатывания защиты и пережога проводов: С-Н и С-С. При сочетании характеристик С-Н показатели пожарной опасности достигают максимальных значений, а при сочетании С-С можно рассчитывать усредненные значения пожарной опасности КЗ.
Дополнительным аргументом в пользу исключения из рассмотрения сочетаний характеристик В-Н и В-С является возможность отбраковки части автоматических выключателей с характеристиками выше средней в процессе монтажа системы электрической защиты. Остальные сочетания характеристик приводят к промежуточным значениям показателей пожарной опасности.
Опасность однофазных КЗ на корпус может быть устранена за счет применения УЗО, то есть использования ПАУ-системы защиты.
При неблагоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки Для снижения опасности оставшихся видов КЗ могут быть предложены использование быстродействующих предохранителей, например серии СН производства Словении, а также частичная замена алюминиевой электропроводки, прежде всего на участках с наименьшими сечениями проводов. Алюминиевые провода
сечением 2,5 мм2 целесообразно исключить еще на этапе проектирования системы электроснабжения и повысить тем самым пожарную безопасность при КЗ.
С учетом изложенного методика выбора оптимального варианта электрической защиты включает следующие этапы.
1. Составляется электрическая схема объекта электроснабжения, оцениваемого с точки зрения пожарной опасности КЗ. На схеме указываются параметры аппаратов электрической защиты и электропроводки.
2. Определяются участки сети в однофазном и трехфазном исполнениях.
3. Рассчитываются значения токов КЗ всех видов.
4. Для условий сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки С-С и С-Н рассчитываются:
- коэффициенты незащищенности по участкам сети и сети в целом для каждого вида КЗ в соответствии с числом фаз на участках;
- интегральные показатели пожарной опасности для всех видов КЗ, в том числе с учетом использования УЗО, в соответствии с числом фаз на участках;
5. По результатам расчетов выбираются альтернативные системы электрической защиты для принятого способа оценки пожарной опасности КЗ: по средним или максимальным показателям в соответствии с рисунком.
Альтернативные системы электрической защиты для принятого способа оценки пожарной опасности КЗ
6. Для выбранных вариантов рассчитываются экономические показатели.
7. Выбирается оптимальный вариант электрической защиты и (или) системы электроснабжения с учетом экономических и технических ограничений.
На основании расчетов, проведенных по изложенной методике, установлено, что при благоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки, худшим из которых является сочетание С-С, использование оптимальных ПА-систем защиты снижает пожарную опасность КЗ до 5 раз и более, а оптимальных ПАУ-систем - до 15 раз и более.
При неблагоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки (В-Н и С-Н) использование оптимальных ПАУ-систем защиты в сочетании с дополнительными мероприятиями позволяет снизить пожарную опасность КЗ в 2 раза и более.
При рассмотрении вопроса обеспечения электромагнитной безопасности следует отметить, что в настоящее время в России действует ряд нормативных документов, которые устанавливают предельно допус-
(Вестниц,Х^асТАУ- 2012. №6
тимые уровни (ПДУ) электромагнитных излучений (ЭМИ), влиянию которых подвержены население и рабочий персонал. Однако для ОУ более информативным и удобным для восприятия параметром является допустимое время пребывания человека в различных зонах помещений в условиях влияния результирующего электромагнитного поля независимо от уровней и частотных спектров отдельных электрических и магнитных составляющих. Разработанная в АлтГТУ новая концепция комплексных исследований электромагнитной обстановки [5] предусматривает проведение паспортизации помещений на основе пространственной картины опасности ЭМИ, в качестве которой используется допустимое время пребывания людей в различных зонах помещений.
Для получения пространственной картины опасности ЭМИ разработана следующая методика:
- измеряются уровни переменных электрических и магнитных полей, а также статических электрических полей для всех внешних поверхностей источников ЭМИ в диапазоне частот и на расстояниях, соответствующих требованиям санитарно-эпидемиологических правил и нормативов; при этом учитываются только наибольшие значения напряженностей электрического и магнитного полей;
- определяется наименьшее допустимое время пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ в измеренных частотных диапазонах переменных электрических и магнитных полей и статических электрических полях;
- измеренные значения напряженностей электрических и (или) магнитных полей, соответствующие наименьшему допустимому времени пребывания людей в зонах воздействия излучения от внешних поверхностей источников ЭМИ, используются для компьютерного моделирования пространственной картины электромагнитных полей в исследуемом помещении;
- с помощью полученной пространственной картины электромагнитных полей определяются области исследуемого пространства, характеризуемые превышением предельно допустимых уровней электрических и магнитных полей;
- формируется шкала допустимого времени пребывания человека в различных зонах помещения;
- шкала напряженности электрического или магнитного полей заменяется на шкалу допустимого времени пребывания человека в опасных по состоянию электромагнитной обстановки зонах исследуемых помещений.
Полученная пространственная картина опасности ЭМИ используется в качестве карты допустимого времени пребывания людей в различных зонах исследуемого помещения, а также для проведения организационно-технических мероприятий по снижению степени влияния электромагнитных излучений на людей, находящихся в рассматриваемом помещении.
Практическая реализация изложенных принципов на основе предложенных методик оценки состояния электрической и электромагнитной безопасности позволит в значительной степени повысить техногенную безопасность в ОУ.
Литература
1. Сошников A.A., Шелепов О.П. Развитие технологий обеспечения пожарной безопасности электроустановок низкого напряжения II Вестн. АлтТГУ им. И.И. Ползунова. - 2000. - № 3. - С. 50-54. Сошников A.A., Дробязко О.Н. Совершенствование системы безопасности электроустановок АПК II Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2002. - № 10. - С. 21-22. 3. Сошников С.А. Совершенствование способа предупреждения пожаров от коротких замыканий II Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 12. - С. 19 - 20. 4 Сошников A.A. Интегральный показатель пожарной опасности коротких замыканий в электроустановках зданий II Ползуновский вестник. - 2009. - № 4. 5. Сошников A.A., Воробьев Н.П. Принципы создания комплексной системы техногенной безопасности
образовательных учреждений II Ползуновский вестник. - 2011. - № 2/1. - С. 243-247.
-♦-
