Вероятностная оценка электротравматизма при эксплуатации средств малой механизации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Т.В. Ерёмина, д-р техн. наук, проф.

Д.С. Шурыгин, аспирант А.Ф. Калинин, аспирант Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления

УДК 658.382.3.631.1

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СРЕДСТВ МАЛОЙ МЕХАНИЗАЦИИ

Приведен анализ внедрения средств малой механизации в сельском хозяйстве. Отмечены основные причины возникновения электротравматизма людей. Выполнено моделирование основных средств защиты при работе с электроустановками. Дана сравнительная оценка уровня электробезопасности существующих средств электрозащиты и внедряемых в эксплуатацию при работе с электроустановками.

Ключевые слова: электроустановка, электробезопасность, вероятность электропоражения, зануление, УЗО.

T.V. Eryomina, D. Sc. Engineering, Prof.

D.S. Shurygin, P.G.

A.F. Kalinin, P.G. PROBABILISTIC ASSESSMENT OF ELECTRIC INJURIES WHEN OPERATING SMALL TOOLS AND EQUIPMENT

The article reveals the analysis of the small-scale tools and equipment implementation in agriculture. It highlights the key causes of electric injuries. The authors worked out modeling of electric protection when working with electrical equipment. A comparative assessment of existing and new means of electrical safety when working with electrical equipment is given.

Key words: electrical equipment, electrical safety, the probability of the electrocution, neutral grounding, switchboard equipment.

Расширение номенклатуры применения электрифицированных механизмов, машин ручного электроинструмента и бытовых электроприборов, а именно средств малой механизации на селе, должно быть направлено на сокращение затрат труда и повышение эффективности и комфортности проживания людей, повышение их культурного уровня. Известно, что развитие электровооруженности села, специфические условия эксплуатации и обслуживания электропотребителей выдвигают серьезную проблему обеспечения непрерывно возрастающих требований сельскохозяйственного производства и инфраструктуры села к надежности и безопасности способов и средств электрификации и автоматизации. Нарушения надежности функционирования электрохозяйства аграрного сектора экономики приводят к гибели людей и животных, значительным материальным потерям, обусловленным многочисленными авариями электрооборудования и пожарам, вызванным электротехническими причинами, ухудшению экологической обстановки [1, 2].

Основными причинами возникновения электротравм при эксплуатации электрифицированных средств малой механизации в сельском хозяйстве являются пробой изоляции токоведущих частей с выходом фазного напряжения на корпус, неправильное включение фазного и нулевого проводов питающей сети, механические повреждения изоляции кабеля в месте ввода и т.д.

В соответствие с требованием ПУЭ для защиты в передвижных электроустановках при косвенном прикосновении предусматривается зануление посредством соединения корпусов оборудования с заземленной нейтралью трансформатора или какого-либо источника электроэнергии с помощью нулевого рабочего или защитного проводника. При этом в случае пи-

тания от стационарного источника время отключения устройства защиты от сверхтоков (автоматического выключателя или плавкого предохранителя) для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса 1, должно быть не более 0,2 с. Поэтому эффективность зануления как защитной меры определяется прежде всего временем отключения поврежденного участка сети, которое зависит от токовременных характеристик электрозащиты. Допустимое с точки зрения безопасности время отключения защитной аппаратура обеспечивается за счет создания определенных значений тока короткого замыкания. Согласно ПУЭ предусматривается необходимая кратность тока к.з. к номинальному току защитного аппарата. Однако, с учетом нелинейных характеристик защитной аппаратуры, регламентируемое значение коэффициента кратности К не всегда способно обеспечить приемлемое с точки зрения безопасности время отключения сети.

Плавкие предохранители, отличаясь относительной простой и низкой стоимостью, даже при К>4 не обеспечивают безопасности НЭУ, так как время срабатывания при этом может составлять несколько десятков секунд.

Автоматические выключатели, имеющие более совершенные токовременные характеристики в сравнении с плавкими предохранителями, создают условия для повышения безопасности, что делает их основным видом защитных аппаратов, применяемых в системе за-нуления. Вместе с тем характеристики автоматических выключателей обладают нелинейностью, которая снижает электрозащитную эффективность. Кроме того, если требования действующего 6-го издания ПУЭ регламентируют обеспечение необходимой кратности тока к.з. по отношению к номинальному току защитного аппарата, то требования п. 1.7.79 7-го издания ПУЭ предусматривают такое согласование характеристик защитных аппаратов и параметров зануления, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи. Так, для стационарных электроустановок оно должно быть не более 0,4 с, а для нестационарных, как уже отмечалось, - 0,2 с.

Высокое требование обеспечения нормируемого времени не реализует в ряде случаев возможность использования системы зануления в нестационарных электроустановках. Кроме того, сама система зануления обусловливает появление таких опасных режимов, как:

- вынос потенциала по нулевому проводнику на связанные с ним металлоконструкции при замыкании на корпус стороннего электрооборудования;

- появление потенциала на корпусах оборудования, вызванного несимметричным режимом в четырехпроводных сетях;

- возможность электропоражения при несрабатывании электрической защиты, обусловленном обрывом нулевого проводника;

- необходимость осуществления действенного контроля целостности цепей зануления.

Перечисленные недостатки и повышенные нормативные требования делают бесперспективным использование зануления как меры электрозащиты при эксплуатации нестационарных электроустановок. Вместе с тем подавляющее количество находящихся в эксплуатации сельских электроустановок выполнено в соответствии с ранее принятыми требованиями ПУЭ. Поэтому отказаться от использования в настоящее время самой распространенной системы электрозащиты представляется нецелесообразным даже в свете ужесточенных нормативных требований.

При решении задач моделирования безопасной эксплуатации электроустановок возникает необходимость оценки эффективности комплекса организационно-технических меро-приятий, направленных на обеспечение электробезопасности. Причем приоритет здесь должен быть отдан количественным, а не качественным показателям, поскольку предназначением качественного анализа является изучение общих закономерностей, связанных с функционированием моделируемого объекта. Цель же количественного анализа достигается решением задач априорной оценки эффективности безопасной эксплуатации электроустановок и прогнозирования соответствующих характеристик. В работе [3] в качестве показателя эф-

фективности были предложены критерии уровня электробезопасности и уровня опасности электропоражения.

Понятие уровня электробезопасности (электробезопасного взаимодействия людей с электроустановками или их элементами) рассматривается как сопряженное с понятием уровня опасности электропоражения [3].

Основным количественным показателем последнего является вероятность электропоражения человека Р(ЭП). Соответственно основной показатель уровня электробезопасности

- вероятность электробезопасной работы человека:

Необходимо определить вероятность электропоражения человека, обслуживающего передвижную электроустановку и оказавшегося под воздействием электрического тока (в рассматриваемой электроустановке человек может оказаться в данной ситуации при переходе напряжения на корпус установки).

Если электроустановка не оборудована защитной аппаратурой, вероятность электропоражения человека, попавшего под напряжение, определяется по формуле [3]:

где^чел) - плотность вероятности протекающего по телу человека электрического тока;

F(iчел) - интегральная кривая «отпускающих» токов.

В данном случае смертельное поражение человека электрическим током произойдет, если протекающий через него ток окажется выше отпускающего; именно вероятность данного события можно вычислить по выражению (1).

При использовании способа защиты - защитного зануления - событие Апор (поражение человека, прикоснувшегося к металлоконструкциям, случайно оказавшимся под напряжением), возможно в следующих случаях:

1. Защитный нулевой провод оборван, а ток, протекающий при этом через тело человека, превышает нижнее значение «неотпускающего». В таком случае зануление из-за обрыва провода не срабатывает и человек самостоятельно не может освободиться от действия тока.

2. Защитный нулевой провод не поврежден, однако вследствие нарушения требований глав 1...УП действующих ПУЭ [2] выполняется только одна защитная функция - снижение напряжения на металлоконструкции. Второй защитной функции, т.е. отключения аварийного участка, не происходит, при этом ток, протекающий через тело человека, превышает нижнее значение неотпускающего.

3. Защитное зануление исправно, однако ток, протекающий через тело человека, превышает нижнее значение неотпускающего и является поражающим при данном времени срабатывания защитного зануления.

Вероятность электропоражения в данной ситуации

гдеУ1(/чел) иУ2(/чел) - плотность распределения токов, протекающих через тело человека соответственно в первом случае, а также во втором и третьем;

Роб и Рн.с - вероятность соответственно обрыва нулевого защитного провода и несрабатывания защиты (зануления);

У(/ф) - интегральная кривая фибрилляционных токов для заданного времени 1:, равного времени срабатывания системы защита - зануление.

Если установка оснащена устройством защитного отключения (УЗО), событие Апор возможно в следующих случаях.

1. Защитный нулевой провод оборван. В этом случае возможны два варианта:

Р(ЭБ) = 1 - Р(ЭП).

(1)

(2)

0

ос

О

(3)

(3)

УЗО исправно и срабатывает, величина протекающего тока за время срабатывания УЗО окажется фибрилляционной для данного человека;

УЗО неисправно, не срабатывает, величина протекающего тока для данного человека превышает предел неотпускающего.

2. Защитный нулевой провод не поврежден, но вследствие нарушения требований ПУЭ выполняется только одна защитная функция - снижение напряжения на металлоконструкции. В этом случае возможны также два варианта:

УЗО исправно, однако протекающий ток при данной длительности воздействия оказался фибрилляционным;

УЗО неисправно, не срабатывает, величина протекающего тока превысила предел неотпускающего.

3. Защитное зануление исправно и выполняет обе функции - снижение напряжения и отключение электросети. В этом случае также возможны два варианта:

УЗО исправно, однако протекающий ток при данной длительности воздействия оказался фибрилляционным;

УЗО неисправно, срабатывает только зануление, однако протекающий ток за время срабатывания зануления оказался поражающим.

Вероятность электропоражения в данной ситуации определяется по формуле

Если в формуле (4) РиспрУЗо = 0, получим (3), а если примем РиспрУЗо = 0 и Роб = 1, получим (2), т.е. по формуле (4) можно вычислить все вероятности электропоражения. Для определения числовых значений данных вероятностей необходимо располагать законами распределения:

токов, протекающих через тело человека, во всех перечисленных ситуациях;

неотпускающих токов;

фибрилляционных токов в зависимости от времени;

вероятности несрабатывания УЗО, системы зануления и обрыва зануляющего провода.

Ток, протекающий через тело человека, определяется:

сопротивлением растеканию с ног человека в землю Крас (складывается из сопротивления верхних слоев земли или пола Яп, на котором стоит человек, и сопротивления его обуви

сопротивлением тела человека Ят; напряжением и (до прикосновения).

Поскольку каждый из параметров Яп, Я^, Ят, И представляет собой бесконечное множество числовых значений с тем или иным законом распределения, значение тока, протекающего через тело пострадавшего, будет также содержать множество значений с неизвестным законом распределения. Для отыскания этого закона целесообразно [3] использовать метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) [4].

Для реализации предлагаемой модели требуется знать законы распределения параметров Яп, Я^, Ят, И. Для их нахождения нужны исходные данные, которые были получены непосредственными измерениями либо из литературных источников.

УЗО Рп5 РнспрУЗС

р,

нспрУЗО

нспрУЗО

Яоб);

При моделировании (методом Монте-Карло) попадания человека под напряжение и вычислении нескольких значений тока, протекающего через тело пострадавшего, были получены значения /1(/чел), УК^ел)- Остальные величины были взяты из литературных источников.

Подставив полученные параметры в формулы (2)...(4) и решив их, получили значения вероятности поражения человека Р(ЭП), Р(ЭП)о и Р(ЭП)УЗО. Подставив эти значения в выражение (1), определили уровень электробезопасности при эксплуатации передвижной электроустановки без УЗО и с использованием УЗО. В первом случае он составил: при отсутствии защиты - 0,6, при соответствии зануления требованиям ПУЭ - 0,8, при фактических эксплуатационных параметрах зануления - 0,7; во втором случае при безотказной работе УЗО соответственно 0,8; 0,9.

Таким образом, зануление корпусов электроустановок не обеспечивает снижение напряжения на корпусе до безопасного уровня при однофазном коротком замыкании. В этих условиях защитное отключение является наиболее эффективным способом предотвращения электропоражений, обеспечивая непрерывный контроль состояния изоляции токоведущих частей. Как показали исследования, использование УЗО в качестве основной защитной меры с введением питающего кабеля в зону защиты позволит сократить число электропоражений при эксплуатации передвижных, переносных приборов и ручного электроинструмента не менее чем на 90%. Причем наиболее целесообразно и удобно в эксплуатации применение УЗО-вилки типа ДПВ-Т и ДПВ-Р [5, 6].

Библиография

1. Карякин Р.Н. Нормативные основы устройства электроустановок. - М.: Энергосервис, 1999.

- 385 с.

2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). - М.: Энас, 2007. - 386 с.

3. О нормировании уровня электробезопасности и допустимого напряжения прикосновения / Дискуссии // Электричество. - 1978. - № 1. - С. 81-91.

4. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. - М.: Наука, 1973. - 446 с.

5. Патент 88848 Российская Федерация. Трёхфазное переносное устройство защитного отключения / Т.В. Ерёмина; заявитель и патентообладатель Улан-Удэ ВСГТУ. - 2009. - Бюл. № 32.

6. Патент 99656 Российская Федерация. Регулируемое устройство защитного отключения / Т.В. Ерёмина; заявитель и патентообладатель Улан-Удэ ВСГТУ.- 2010. - Бюл. № 32.

Bibliography

1. Karyakin R.N. Regulatory framework for Electrical devices. - M.: Energoservice, 1999. - 385 p.

2. Electrical safety rules (ESR). - M.: Publishing House Enas, 2007. - 386 p.

3. On the level of standardization of electrical and permissible voltage / Discussions // Elektrichestvo.

- 1978. - N 1. - P. 81-91.

4. SobolI.M. Numerical Monte Carlo methods. - M.: Nauka, 1973. - 446 p.

5. Patent 88848 of Russian Federation. Three phase portable shutoff protection device / T.V. Eremin, the Applicant and Patentee is Ulan-Ude VSGTU. - 2009. - Bull. N 32.

6. Patent 99656 of Russian Federation. Adjustable shutoff protection device / T.V. Eremin, the Applicant and Patentee is Ulan-Ude VSGTU. - 2010. - Bul. N 32.