Повышение безопасности электроустановок на объектах социальной инфраструктуры села

На правах рукописи

БАЛАШОВ Олег Петрович ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА ОБЪЕКТАХ СОЦИАЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ СЕЛА Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Барнаул - 2006

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова.

Научный консультант: заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор НИКОЛЬСКИЙ Олег Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ХУДОНОГОВ Анатолий Михайлович;

кандидат технических наук, доцент МЕНОВЩИКОВ Юрий Александрович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет»

Защита состоится « 21 » декабря 2006г. в 12 00 на заседании диссертаци онного совета Д212.004.02 при Алтайском государственном техническом уни верситете им И.И. Ползунова по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (3855) 36-71-29. www.astu.secna.ru, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государст венного технического университета им. И.И. Ползунова.

Автореферат разослан « » ноября 2006г.

И. о. учёного секретаря диссертационного совета д.т.н., профессор КУЛИКОВА Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Структурные преобразования, произошедшие в стране в течение последних 10 лет и, в частности, в сельском хозяйстве, обу словленные ослаблением функций и контролем со стороны государства, при вели к различным отрицательным последствиям. В первую очередь это связа но с изменением финансирования объектов сельского хозяйства, которое вы ражается в передаче их с федерального бюджета на территориальный. Дефи цит территориальных бюджетов и кризисное положение сельскохозяйствен ных производителей резко сократили инвестиционную деятельность, что ска залось на содержании объектов социальной инфраструктуры села (СИС), в первую очередь бюджетной сферы (образования, здравоохранения, культуры и др.), и явилось предпосылкой для создавшегося неудовлетворительного со стояния в области безопасности электроустановок, выражающееся в неуклон ном росте аварий, травматизме людей и пожаров.

Специфические условия эксплуатации электроустановок зданий в сель ской местности, характеризующиеся низким уровнем обслуживания электро приборов (как правило, неэлектротехническим персоналом), существенным износом сетей и электропроводок, отсутствием современных электрозащитных средств, являются причиной возникновения аварийных режимов, увеличивают вероятность электротравм и пожаров. В настоящее время ежегодно от электро травматизма погибает более 4500 человек, при этом на долю сельской местно сти приходится порядка 67 % от общего числа. Одним из опасных и часто встречающихся случаев является электропоражение при косвенном прикосно вении к открытым проводящим частям (ОПЧ) электроустановок, которые мо гут оказаться под напряжением в результате различных аварийных режимов.

Как показывает статистика, за последние 5 лет количество пожаров со храняется примерно на том же уровне, а прямой материальный ущерб от них значительно вырос. Причем весомая доля пожаров (около 30%) вызвана элек тротехническими причинами. Так, число пожаров в сельской местности только за 2005 год по России составило около 80000, а прямой материальный ущерб 2244,0 млн. рублей. По данным МЧС России максимальное количество пожа ров приходится на здания и сооружения жилого, социально-бытового и куль турного назначения. Отметим при этом, что в настоящее время не проводится работа по профилактике предупреждения техногенных аварий и опасных си туаций. Отсутствует также необходимое методическое и проектное обеспече ние, связанное с безопасностью электроустановок.

С этих позиций важным и своевременным является разработка меро приятий, направленных на предупреждения электротравм и пожаров на объек тах социальной инфраструктуры села.

Целью работы является повышение безопасности электроустановок зданий в сельских населенных пунктах путем теоретического обоснования и практической реализации нового метода расчета и проектирования электриче ской защиты, позволяющего значительно снизить электропоражение людей и получить при этом экономический эффект, обусловленный предотвращенным материальным ущербом от электротравматизма.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ос новные задачи:

-провести анализ современного состояния безопасности сельских элек троустановок и определить основные пути повышения эффективности мер по предупреждению электротравматизма;

- разработать математические модели электропоражения при возникно вении основных травмоопасных ситуаций (прикосновения человека к токове дущим и проводящим частям электроустановок), позволяющие оценить пре дотвращенный материальный ущерб от электротравматизма;

- экспериментально исследовать распределение тока утечки в электро проводках зданий и выявить основные факторы, влияющие на его величину;

- разработать экспресс-метод выбора уставок устройств защитного от ключения (УЗО-Д) применительно к электропроводкам зданий;

- разработать методику расчета и проектирования системы электробезо пасности объектов СИС и провести оценку её технико-экономической эффек тивности.

Объект исследования. Объектом исследования являются электроуста новки зданий сельских населенных пунктов.

Предмет исследования. Модели и методы повышения безопасности сельских электроустановок.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы методы математического моделирования, системотехники, исследования опе раций, теория вероятностей и математическая статистика, теория планирова ния эксперимента. Экспериментальная часть выполнена с применением ком пьютерной техники и методов объектно-ориентированного программирования, специальных прикладных пакетов компьютерных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны математические модели электропоражения при возникно вении основных травмоопасных ситуаций (прикосновения человека к токове дущим и токопроводящим частям электроустановки), позволяющие оценить предотвращенный материальный ущерб от электротравматизма людей по кри териям технической и экономической эффективности электрической защиты;

- получены статистические распределения тока утечки в электропровод ках зданий, с помощью которых представляется возможным оценивать и про гнозировать состояние электрической и пожарной безопасности объектов;

- на основе построения специальных номограмм разработан экспресс метод, позволяющий выбирать такую величину уставки тока срабатывания УЗО-Д, которая бы обеспечивала необходимый уровень безопасности при со блюдении бесперебойного электроснабжения потребителей.

Практическая значимость работы Внедрение в проектную практику разработанных математических моде лей электропоражения с учетом возникновения опасных ситуаций повышает эффективность систем электрической защиты на объекте. Так, для сельских образовательных учреждений предложенные методы дают возможность путем варьирования параметров электрической защиты и типов систем электроснаб жения снизить вероятность электропоражения на 25% без дополнительных ка питальных вложений.

Применение УЗО в различных системах электроснабжения позволит уменьшить вероятность электропоражения на объекте в 9,8…15 раз.

Внедрение экспресс-метода выбора уставок УЗО-Д при выполнении про ектных и электромонтажных работ создает предпосылки для массового осна щения жилых, общественных и производственных зданий высокоэффектив ными средствами электрической защиты без применения дорогостоящей им портной аппаратуры и проведения специальных расчетов.

Реализация и внедрение результатов работы Основные результаты работы внедрены в районах Алтайского края на объектах бюджетной сферы (школы, медицинские учреждения и т.д.), в Руб цовских районных электрических сетях, в ОАО «АСМ-Запчасть», в ЗАО «Кон такт 108». Разработанные методические рекомендации по проектированию систем электробезопасности объектов социальной инфраструктуры села пере даны в Главное управление сельского хозяйства Алтайского края для их прак тического использования.

Результаты работы используются в учебном процессе на электротехни ческом факультете Рубцовского индустриального института при чтении лек ций, проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Безопас ность жизнедеятельности», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Результаты диссертационной работы были представлены на всероссий ском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приори тетному направлению «Безопасность и противодействие терроризму» 2005 г. и отмечены дипломом.

Результаты работы были реализованы при создании руководящих и нор мативных документов федерального и регионального уровня (Программа Ми нистерства образования Российской федерации «Безопасность образователь ного учреждения на 2004-2006 годы» и «План мероприятий по обеспечению безопасности электроустановок в городах и районах Алтайского края 2004 2008 годы», утвержденный постановлением администрации Алтайского края от 24 ноября 2003г. №613).

Работа выполнялась в соответствии с государственной научно технической программой 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» и Концепцией энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики», принятой РАСХН в 1999 г.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы пред ставлялись и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Рубцовск, май 2004 г.);

на восьмой международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-8-2002)» (Кемерово, 26, сентября 2002 г.);

на всероссийской научно-технической конференции (Руб цовск, 1-3 октября 2002г.), на всероссийской научно-практической конферен ции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (Бийск, сентябрь 2003г.);

на второй международной научно-практической конференции «Регио нальные аспекты обеспечения социальной безопасности населения юга Запад ной Сибири - проблемы снижения рисков и смягчения последствий чрезвы чайных ситуаций природного и техногенного характера» (Барнаул, 10 декабря 2004г.);

на одиннадцатой международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-11-2005)» (Барнаул, 26-28 сентября 2005 г.).

На защиту выносятся:

1. Комплексный подход к повышению эффективности системы электро безопасности, направленный на развитие методов моделирования, совершен ствования диагностики состояния изоляции электропроводок и создание алго ритма объективного выбора уставки тока срабатывания УЗО-Д.

2. Математические модели электропоражения при возникновении основ ных травмоопасных ситуаций, позволяющие определить показатели техниче ской и экономической эффективности СЭБ с учетом предотвращенного мате риального ущерба от электротравматизма.

3. Результаты экспериментальных исследований распределения тока утечки в электропроводках зданий.

4. Экспресс-метод выбора уставки тока срабатывания УЗО-Д при выпол нении проектных и электромонтажных работ.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опублико вано 14 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 22 таблицы.

Список литературы включает в себя 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов работы.

В первой главе проведен анализ состояния безопасности электроустано вок на объектах, расположенных в сельской местности, обоснованы цель и за дачи исследования.

Проблему безопасности электроустановок следует рассматривать в двух аспектах: электрическом и пожарном.

Установлено, что состояние электробезопасности в России остается в настоящее время неблагополучным по сравнению с другими высокоразвитыми странами. За последнее десятилетие прошлого века показатель электротравма тизма возрос в 2,3 раза, тогда как в других странах он снизился: в США - в 1,25 раза, в Японии и Австрии - в 2,35 раза, в Германии - в 2 раза, в Испании в 2,28 раза.

Установлено также, что около 69% электропоражений происходит при прямом прикосновении к токоведущим частям, а 28,3% - при прикосновении к ОПЧ электроустановок, оказавшихся под напряжением. Используемые в на стоящее время средства электрической защиты из-за их низкой эффективности не обеспечивают электробезопасность человека. Широко распространенная система зануления в ряде случаев не способна осуществить надежную элек трическую защиту, даже если ее параметры выбраны в соответствии с требо ванием ПУЭ. Причинами здесь могут быть значительный разброс времени срабатывания автоматических выключателей и предохранителей, обрыв нуле вых защитных проводников и т.д. Согласно статистическим данным, электро травматизм среди сельского населения составляет 67% от общего их числа.

Обращает на себя внимание большой удельный вес пожаров на объектах в сельских населенных пунктах при их относительно малой энерговооружен ности. Подавляющее количество пожаров здесь происходит в жилом секторе и на объектах бюджетной сферы (85%). Причем доля пожаров по электротехни ческим причинам (короткие замыкания, перегрузки и токи утечки) в 2005 году составила 32,2% от общего числа. В целом динамика пожаров в сельской ме стности за последние пять лет не претерпела существенных изменений и их количество составляет примерно 80 тысяч в год. Прогноз показывает, что ко личество пожаров от электроустановок в ближайшие годы может увеличиться.

Основными причинами сложившегося положения в области электро травматизма и пожарной безопасности в сельской местности являются: не удовлетворительное техническое состояние внутренних электрических сетей и аппаратов, обусловленное их износом, который достигает более 60%;

недоста точная эффективность средств электрической защиты (предохранителей и ав томатических выключателей);

уменьшение объемов и несвоевременность ка питальных и планово-предупредительных ремонтов электрических машин, ап паратов и электрических сетей;

недостаточное выделение финансовых ресур сов на мероприятия по охране труда, электро- и пожаробезопасности устано вок;

недостаточная проработка научно-методических вопросов, касающихся расчета, проектирования и массового оснащения объектов инфраструктуры села современными устройствами защитного отключения.

Большой вклад в развитие теории и практики электробезопасности вне сли профессора Карякин Р.Н., Никольский O.K., Сидоров А.И., Сошников А.А., Якобс А.И. и др. Областью их деятельности явилось изучение вероятно стных закономерностей причинно-следственных связей электротравматизма, диагностика состояния электроустановок, методы оценки и прогнозирования пожарной и электрической безопасности в электропроводках зданий. Вместе с тем, ряд важных вопросов, касающихся возникновения электротравматизма и оценки экономического ущерба от их последствий, остаются неизученными.

Результаты исследований показали, что наиболее опасными и распро страненными являются ситуации, связанные с попаданием человека под на пряжение путем непосредственного прикосновения к токоведущим или токо проводящим частям электроустановок. Такие ситуации являются основной причиной электропоражения с летальным исходом.

Рассматривая электропоражение как сложное случайное событие, отме тим, что для его описания в настоящее время широко применяется методика вероятностного моделирования. При проектировании систем электробезопас ности (СЭБ) и выполнении расчетов, связанных с выбором рациональных её вариантов, возникает необходимость рассмотрения совокупности критериев (показателей) эффективности функционирования такой системы, носящих как технический, так и экономический характер. При этом эффективность СЭБ должна обосновываться не за счет увеличения количества защитных аппаратов и значительных капиталовложений, а путем определения из множества вари антов наиболее рациональных удовлетворяющих критериям технической и экономической эффективности.

Серьезным препятствием, сдерживающим в настоящее время массовое внедрение высокоэффективной меры – УЗО-Д, является также отсутствие дан ных о распределении утечек тока через изоляцию на землю. Естественный фон тока утечки в электрических сетях зданий зависит от многих факторов: физи ческих и геометрических параметров электропроводки, качества монтажа и обслуживания, вида нагрузки, длительности эксплуатации и т.д. Поэтому можно считать, что естественный фон тока утечки является некоторым функ ционалом от ряда случайных переменных. Отсутствие же данных о распреде лении утечки тока не позволяет априори диагностировать состояние изоляции электропроводки. Кроме того, при производстве электромонтажных работ, связанных с установкой УЗО-Д, в настоящее время при выборе уставки защи ты требуется специальная дорогостоящая электроизмерительная аппаратура.

Применение такой аппаратуры, не выпускаемой отечественной промышленно стью, в условиях сельского хозяйства не представляется возможным. Поэтому в работе рассматривается задача создания специального метода, с помощью которого возможно в условиях эксплуатации или монтажа электрооборудова ния оперативно выбирать уставку тока срабатывания УЗО-Д без выполнения специальных расчетов, измерений и привлечения высококвалифицированных специалистов.

На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи иссле дования.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей электро поражения, позволяющих определить техническую и экономическую эффек тивность СЭБ с учетом предотвращенного материального ущерба от электро травматизма.

Рассмотрены основные опасные ситуации, которые возникают в процес се трудовой деятельности человека на объектах СИС. К ним относятся: пря мые прикосновения к токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением;

косвенные прикосновения к ОПЧ электроустановки, нахо дящейся под напряжением в результате короткого замыкания фазы на корпус и обрыва PEN-проводника.

Общая задача моделирования формулируется следующим образом: по заданной совокупности средств электрозащиты требуется определить техниче скую эффективность проектируемой системы электробезопасности и основные ее экономические характеристики: капитальные вложения (К) на создание СЭБ, эксплуатационные затраты (С) и экономическую эффективность Э, обу словленную предотвращенным материальным ущербом от электротравм.

В диссертации введены и обоснованы показатели технической и эконо мической эффективности. Показатель технической эффективности Э1 пред ставляет собой количественную оценку степени выполнения поставленной це ли - создание электробезопасных условий для людей при обслуживании про изводственных электроустановок и бытовых электроприборов. Руководствуясь известным положением о том, что каждое электропоражение случайно и коли чественной мерой случайного события является вероятность, в качестве пока зателя Э1 могут быть использованы: Р (ЭП) - вероятность электропоражения человека, принадлежащего к данному множеству N, за время Т;

М(ЭП) - мате матическое ожидание числа электропоражений на том же множестве;

Р(ЭБ) вероятность электробезопасности человека на объекте, сопряженное с вероят ностью Р(ЭП). Полученные показатели характеризуют уровень электробезо пасности или электропоражения человека.

При формировании модели Р(ЭП) принято допущение о том, что данный человек, принадлежащий к однородному множеству N за время Т может быть поражен только на одной конкретной установке. Это допущение позволяет, используя теорему сложения вероятностей несовместных событий, предста вить вероятность электропоражения i-го человека на объекте в виде суммы ве роятностей поражения в каждой электроустановке. В свою очередь, вероят ность электропоражения в j-й установке, при определенных допущениях мож но рассматривать как произведение вероятностей двух событий: попадания человека в опасную ситуацию (под напряжение) и такого его состояния, при котором ток, протекающий через тело человека Ih (при длительности воздейст вия tB), является поражающим, т.е.

B Р(ЭП)ij = Р ij Pпорj, (1) где Рij - вероятность возникновения опасной ситуации для i-го человека при прикосновении к j-й электроустановке;

Pпорj - условная вероятность электропоражения в j-й электроустановке.

Тогда вероятность электропоражения любого человека на объекте следу ет рассматривать как сумму произведений вероятностей отдельных элемен тарных событий { ЭПij } в виде:

P(ЭП) = {P(ЭП) ij }.

MN (2) i j Применяя теоремы сложения и умножения вероятностей, вероятность электропоражения i-го человека за время Т на множестве М электроустановок равна:

Р(ЭП)i = Р(ЭП)i1 · (1-Р(ЭП)i2) ·... · (1-Р(ЭП)iм) + + (1-Р (ЭП)i1) · Р(ЭП)i2 ·...· (1-Р(ЭП)iм)+ (3) …………………………………………… + (1-Р(ЭП)i1) · (1-Р(ЭП)i2) ·...· Р(ЭП)iм.

Заметим, что сомножители Р(ЭП)ij имеют весьма малые значения (по рядка 10-4... 10-6). Тогда, принимая 1-Р(ЭП)ij 1, получим матричную форму вероятностей электропоражения множества N людей на объекте:

Р(ЭП)1 Р11... Р ij... Р iм Р пор Р(ЭП) = Р... Р... Р Р iм пор j, (4) i 2 ij Р(ЭП) N Р N1... Р Nj... Р Nм Р пор м * или Р(ЭП) = Р Рпор, (5) где Р(ЭП) - вектор-столбец вероятностей электропоражения людей на объек те, Р* - матрица опасных ситуаций, членами которой являются вероятности попадания людей под напряжение;

Рпор - вектор-столбец условных вероятно стей электропоражения.

Заметим, что в качестве опасных ситуаций рассматриваются случаи по падания под напряжение либо путем прикосновения к токоведущим частям электроустановки, либо - к токопроводящим частям оборудования, оказав шимся под напряжением в результате аварии.

Оценку технической эффективности СЭБ и прогнозирования уровня электропоражения для отраслей сельского хозяйства или регионов целесооб разно проводить с помощью интегрального показателя:

Q М (ЭП) = М(ЭП) k, (6) k = где М(ЭП) - математическое ожидание числа электропоражений на множе стве N за время Т;

Q — количество объектов, населенных пунктов в регионе и т.д.

Экономическая эффективность СЭБ Э2 представляет собой количествен ную оценку, которая может быть выражена одним из показателей:

а) среднегодовым экономическим эффектом, обусловленным предот вращенным материальным ущербом от электропоражений:

Э2/ = Эпр - 3, (7) где Эпр - предотвращенный материальный ущерб от электротравматизма по сле внедрения СЭБ;

3 - приведенные затраты.

Если Эпр З, то СЭБ имеет экономическую эффективность, в противном случае – СЭБ экономически затратная.

б) приведенными затратами:

Э2// = З = К·Е + С, (8) где Е – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

К – капитальные вложения в СЭБ;

С – ежегодные затраты на эксплуатацию системы;

в) полными затратами с учетом остаточного (не предотвращенного) ущерба после внедрения или модернизации СЭБ:

Э2/// = Зп= 3 + Уос, (9) где Уос - остаточный ущерб, который имеет место после внедрения СЭБ.

В свою очередь:

Т Т М(ЭП) пр i У р i М(ЭП)ос i У р i i =1 i = Э пр = и У ос =, (10) Т Т где Ур i - среднестатистический ущерб, вызванный гибелью одного человека в i-м году рассматриваемого периода Т.

Вопрос о материальной оценке ущерба от гибели человека до сих пор является дискуссионным, поскольку он затрагивает так называемую стоимость человеческой жизни. Однако здесь необходимо различать два понятия: жизнь конкретного человека и жизнь среднестатистического человека. Безусловно, что жизнь индивида бесценна и ее нельзя сводить к некоему денежному экви валенту. В то же время при допустимом (приемлемом риске для жизни) цен ность статистической жизни можно считать конечной, которую можно пред ставить в денежном выражении. Следует также понимать, что далеко не все затраты, направленные на снижение риска для здоровья и жизни, экономиче ски возможны. Поэтому добиваться снижения такого риска любыми средства ми нереально. Выходом здесь может быть установление некоторого предела финансовых средств, выше которого их расходование становится нецелесооб разным при определенном уровне экономического развития общества. Нахож дение величины финансовых затрат может быть определено путем рациональ ного варианта СЭБ.

В диссертации рассмотрен приближенный метод оценки стоимости ста тистической жизни человека (ССЖЧ), в основе которого лежит расчет экономи ческого ущерба от преждевременной его гибели (в данном случае, вызванной электротравмой). Преждевременная смерть здесь связана с материальными по терями общественной полезности человека. Тогда среднегодовой доход на че ловека можно представить как количественную характеристику общественной полезности статистического человека.

На основании этого, стоимость статистической жизни человека или эко номический ущерб от его гибели может быть определен:

Т У р i = С СЖЧ = ВВПср.душ еxp(Е t )dt, (11) о где ВВПср. душ - валовый внутренний продукт на душу населения;

Е - норма дисконтирования, Т - ожидаемая продолжительность жизни.

Принимая допущения о неизменности на протяжении Т лет величин ВВПср. душ = 152098 руб. (по данным 2005 г.) и Е = 0,08 год-1 и считая, что про должительность предстоящей жизни статистического человека равна 30 годам, получаем величину ущерба Ур i, в размере 1676603 рубля или около 58500 $ США.

Ценность статистической жизни может значительно увеличиться по мере стабилизации экономического положения в России.

Основой определения показателей эффективности СЭБ явилась обоб щенная математическая модель (рисунок 1) и разработанный в диссертации программно-вычислительный комплекс.

Обобщенная математическая модель Показатель технической Показатель экономической эффективности системы эффективности системы // /// Модель Э 2, Э 2, Э Модель Э Р(ЭП), М(ЭП), М(ЭП)пр, К, С, Эпр, Уос М(ЭП)ос, Кс / Э 2 = Э пр Е К С * Р(ЭП) = Р Рпор, // Э2 = Е К + С М(ЭП) /// Э 2 = Е К + С + У ос Рисунок 1. Структура обобщенной математической модели Разработанный метод моделирования и алгоритмы расчета позволили решить ряд практических задач, связанных с проектированием и выбором ра циональной СЭБ для объектов инфраструктуры сельских населенных пунктов.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям распреде ления тока утечки в электроустановках зданий и разработке на этой основе экспресс-метода выбора уставок УЗО-Д на объектах.

Разработанная в диссертации методика проведения экспериментальных исследований позволяет определить:

- максимальную величину тока утечки в электропроводках зданий;

- характер распределения тока утечки;

- закономерности изменения уровней фона токов утечки в электроуста новках.

Были проведены экспериментальные исследования естественных токов утечки на 153 объектах в сельских населенных пунктах Алтайского края. При этом было выделено пять групп объектов инфраструктуры села: медицинские и образовательные учреждения, предприятия бытового обслуживания и тор говли, учреждения культуры.

Целью исследований являлось определение основных факторов, влияю щих на величину тока утечки в электрических сетях зданий. В процессе изме рения тока утечки фиксировались марка электропроводки и давность ее мон тажа, режим работы электроустановки (отключенная и включенная электриче ская нагрузка), протяженность питающих линий (осветительные и силовые се ти), мощность и вид нагрузки (осветительная, электротермическая и электро двигательная). Измерению тока утечки подвергались наиболее распространен ные электропроводки (АПВ, АППВС и АПР) скрытого и наружного исполне ния.

Измерения проводились с помощью специального прибора, в основе ко торого лежит принцип работы устройства защитного отключения. Измери тельный прибор включался в рассечку фазных и нулевого проводов, что дало возможность определить нескомпенсированный ток утечки при отключенной нагрузке, в осветительных и силовых линий под нагрузкой, суммарный ток утечки на вводах при максимальной нагрузке каждой групповой линии.

Обработка результатов осуществлялась на персональном компьютере Pentium III с помощью ряда прикладных программ (SPSS 10, SPSS Sigma, Plot, Statistica 6.0, Matlab), в которых реализованы необходимые методы обработки данных.

Репрезентативность выборки экспериментальных данных подтверждена критерием Стьюдента при доверительной вероятности Р=0,95 и относительной погрешности 5 %, нормальность распределения величины тока утечки в элек тропроводках - критериями Пирсона (2) и Колмогорова - Смирнова.

В результате обработки статистических данных установлено:

1. Ток утечки зависит от вида электрической нагрузки и не превышает следующих значений: для сети освещения – не более 3 мА;

для электротерми ческой нагрузки – 15…17 мА;

для электродвигателей - не более 24 мА. При этом не установлено существенной разницы величин тока утечки от вида об следованных объектов.

2. При включении нагрузки происходит заметное увеличение тока утеч ки, однако верхний предел его в трехфазных сетях не превышает 30 мА. Зна чительное увеличение тока утечки наблюдается при включении электротерми ческих устройств (один киловатт активной нагрузки соответствует прираще нию тока утечки примерно на 0,5 мА). При включении электродвигателей в результате переходного процесса наблюдаются кратковременные скачки тока утечки.

3. Не замечено ухудшение изоляционных свойств электропроводки зда ний от времени эксплуатации, что можно объяснить отсутствием воздействия внешних условий и других временных факторов на параметры изоляции. Наи лучшими изоляционными свойствами обладают скрытые электропроводки, выполненные маркой провода ППВ и AППB с поливинилхлоридной изоляци ей.

4. Кривые распределения тока утечки близки к нормальному закону, имеют полимодальный характер, положительную асимметрию, что свидетель ствует о наличии факторов, наиболее влияющих на параметры изоляции.

Задача корреляционного анализа состояла в определении тесноты и фор мы связи между факторными и результативными признаками. Измерение тес ноты связи сводилось к определению коэффициентов корреляции, а изучение формы связи, т.е. характера изменения одного признака зависимости от изме нения другого - к построению линий регрессии.

Задача многофакторного анализа параметров изоляции представляется как функция отклика:

yi = f(x1, x2,..., хn), (12) где уi - зависимая переменная (величина естественного тока утечки), х1, х2,..., хn - значения факторов (аргументов), определяющих величину тока утечки Iyтi.

При составлении парных корреляционных зависимостей в качестве рас сматриваемых факторных признаков были приняты мощность включенных электроприемников (Р) и вид нагрузки, количество включенных электропри емников (n), протяженность внутренних силовых сетей и осветительных элек тропроводок ( l ), давность монтажа (t), марка провода.

В диссертации показано, что существует тесная положительная корреля ция (более 0,7) между величиной тока утечки и общим количеством включен ных в сеть электроприемников, их мощностью и видом нагрузки. Корреляци онная связь между током утечки и протяженностью электрических линий не значительная (не более 0,3).

В работе получены уравнения регрессии (с учетом принятого допущения о линейной модели и представления схемы замещения электропроводки как цепи с распределенными параметрами):

I осв = 9,87 + 0,23Р + 0,11n + 0,007l [мА], (13) ут I терм = 17,21 + 0,513Р + 0,91n + 0,037l [мА], (14) ут I двиг = 23,91 + 0,874Р + 0,79n + 0,097l [мА], (15) ут где Р - активная мощность электроприемников[кВт];

n - количество электро приемников;

l - длина линий [м].

Уравнения множественной регрессии, освобождающей от искажающего влияния сопутствующего фактора (наличия положительной связи между n и Р, корреляционно связанного с исследуемым фактором), позволяют достаточно точно проводить мониторинг состояния электрических сетей и электрообору дования, а следовательно, прогнозировать ожидаемый ток утечки в рабочем режиме по заданным их характеристикам.

На основании проведенных исследований в диссертации разработан экс пресс-метод, с помощью которого можно выбирать уставки тока срабатывания УЗО-Д, не производя специальных расчетов и измерений. В основе этого ме тода лежат номограммы, устанавливающие статистические связи между током утечки и мощностью электрической нагрузки, количеством включенных в сеть электроприемников и протяженностью внутренних электрических сетей. Но мограммы построенные на плоскости, позволяют по заданным параметрам Р, n и l однозначно определить значение уставки УЗО-Д.

В диссертации разработан алгоритм применения экспресс-метода для выбора уставки УЗО-Д, при этом относительная погрешность получаемого значения величины тока утечки не превышает 6% по сравнению с соответст вующими уравнениями регрессии.

В четвертой главе осуществлена практическая реализация метода рас чета и проектирования системы электробезопасности и проведена оценка её технико-экономической эффективности.

Для решения поставленной задачи обоснована необходимость примене ния автоматизированных средств проектирования и сформулированы требова ния к программному комплексу (учитывающие специфику вычислительных операций и потребности пользователя), определены его компоненты: класс персонального компьютера, операционная система, система программирова ния, прикладное программное обеспечение. В качестве системы программиро вания целесообразно использовать объектно-ориентированную программную среду «Delphi». Структура программного комплекса представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структура программного комплекса В основу программного комплекса положен модульный принцип. Он да ет возможность при необходимости использовать дополнительные расчетные модули и подпрограммы для определения различных показателей эффектив ности СЭБ в его рамках.

Разработанные математические модели электропоражения, позволяющие оценить предотвращенный материальный ущерб, реализованы на основании алгоритмов в программном комплексе «САРК» для персонального компьюте ра. Комплекс дает возможность выполнить расчет технико-экономических по казателей для оценки эффективности системы электробезопасности. Такие расчеты были произведены на ряде действующих объектах СИС. В качестве примера был выбран типичный объект - учебно-производственный комплекс средней школы с. Новоегорьевское Егорьевского района Алтайского края, для которого рассматривались четыре варианта СЭБ.

Первый вариант - реально существующая на объекте система зануления, часть аппаратов защиты которой (предохранители, автоматические выключа тели) выбраны с нарушениями требований ПУЭ, например, использование не калиброванных плавких вставок или несоответствие параметров защиты токам короткого замыкания в электроустановках.

Второй вариант – параметры системы зануления соответствуют требова ниям ПУЭ.

Третий и четвертый варианты СЭБ – предполагают использование уст ройств защитного отключения в сочетании с традиционной системой зануле ния. Третий вариант соответствует установке УЗО в главном шкафу, в четвер том – аппаратура устанавливается на отходящих линиях к электроприемникам (селективная защита).

Определение технических показателей эффективности СЭБ осуществля лось по формулам (2), (4), (5) и (6). В таблице 1 приведены значения техниче ских показателей для каждого из вариантов, которые сравнивались с норма тивным уровнем электробезопасности 110-6 принятым МЭК.

Таблица Уровень электробезопасности при различных вариантах СЭБ Электротравма при опасной ситуации прямое прикос косвенное косвенное прикосно Номер варианта новение к токо прикосновение вение при обрыве ведущим участ при о.к.з PEN-проводника кам 9,84·10-2 2,79·10-3 8,99·10- Вариант первый 7,93·10-3 2,22·10-3 8,99·10- Вариант второй 5,44·10-4 1,56·10-4 9,17·10- Вариант третий 3,97·10-6 3,35·10-6 6,74·10- Вариант четвертый Из анализа данных, приведенных в таблице 1, следует:

1. Традиционная система защиты (первый и второй варианты) не обеспе чивают электробезопасность в случае прямого прикосновения к токоведущим частям электроустановки (попадание под фазное напряжение).

2. Наиболее опасным аварийным режимом является обрыв PEN проводника, исключающий функционирование системы зануления.

3. Применение УЗО обеспечивает высокий уровень электробезопасности (3…510-6) при возникающей наиболее опасной ситуации – прямого прикос новения к оголенному проводу.

4. Обрыв PEN-проводника в системе электроснабжения практически не снижает электрозащитную эффективность УЗО.

На основании разработанного в диссертации метода расчета выполнен проект системы электробезопасности объекта при оснащении его устройства ми защитного отключения (таблица 2).

Таблица Результаты расчета технико-экономических показателей СЭБ при установке УЗО на объекте Показатель экономической эффективности Э Экономиче Кол-во Показатель тех- ский эффект установ- нической эффек- Приведен- с учетом пре Вид защиты Полные ленных тивности Э1 ные затра- дотвращен затраты УЗО [Р(ЭП)] ты ного элек /// Э2,(руб.) // Э2 (руб.) тротравма тизма Э2/ (руб.) Головная (установка 7,8410- 1 2250 2293,7 УЗО на вводе) Групповая (установ 5,2910- ка УЗО на отходя- 4 2700 2700,3 щих линиях) Индивидуальная (установка УЗО на 4,7610- 17 6600 6600,27 отдельных электро приемниках) Результаты расчета позволяют сделать следующие выводы:

1. Принимая во внимание, что установка УЗО обеспечивает достаточно высокий уровень электробезопасности (7,8410-4;

5,2910-6;

4,7610-6), наибо лее предпочтительным в экономическом отношении (минимальные приведен ные затраты) представляет головное исполнение защиты путем установки за щитного аппарата на вводе.

2. Групповая защита, осуществляемая посредством установки УЗО, об ладает селективностью в сравнении с головной защитой. Поэтому следует ре комендовать применение этого вида защиты, улучшающего условия эксплуа тации электрооборудования и сводящего к минимуму перерывы электроснаб жения объекта.

3. Использование индивидуальной системы защиты оправдано на элек троприемниках, относящихся к первой категории электроснабжения.

4. Экономический эффект с учетом предотвращенного материального ущерба от электропоражений, более чем на порядок превышает затраты, свя занные с установкой УЗО на объекте.

Разработанные методы расчета СЭБ были положены в основу «Методи ческих рекомендаций по проектированию систем электробезопасности объек тов социальной инфраструктуры села», переданных в Главное управление сельского хозяйства Алтайского края для практического применения.

Основные выводы и результаты исследований 1. Основными причинами неудовлетворительного состояния безопасно сти электроустановок объектов в сельских населенных пунктах являются низ кая эффективность применяемых традиционных электрозащитных средств, значительный износ сетей и электропроводок, сдерживание использования со временных технологий предупреждения аварий, электротравматизма и пожа ров из-за недостаточности проработки ряда научно-методических задач в об ласти моделирования и проектирования систем электробезопасности.

2. Разработаны математические модели электропоражения при возник новении основных травмоопасных ситуаций, вызванных прикосновением че ловека к токоведущим и токопроводящим частям электроустановки, и аварий ных режимов.

3. Разработана методика расчета показателей технической и экономиче ской эффективности СЭБ с учетом варьирования номенклатуры электроза щитных средств и их параметров. Впервые для оценки экономической эффек тивности было предложено использовать показатель предотвращенного мате риального ущерба от электротравматизма.

4. Определены статистические распределения токов утечки в электро проводках зданий и выявлены основные факторы, влияющие на его величину.

Установлено, что ток утечки существенно зависит от вида электрической на грузки и не превышает следующих значений: для сетей освещения - 3 мА;

для электротермической нагрузки – 15…17 мА;

для электродвигателей – 24 мА.

Значительное увеличение тока утечки наблюдается при включении электро термических устройств (один киловатт активной нагрузки соответствует при ращению естественного фона тока утечки на 0,5 мА).

5. Разработанный экспресс-метод позволяет обоснованно выбирать ус тавку тока срабатывания УЗО-Д с учетом естественного фона тока утечки, га рантируя тем самым необходимый уровень электробезопасности и беспере бойность электроснабжения потребителя. Применение этого метода создает предпосылки массового оснащения жилых, общественных и производствен ных зданий в сельской местности устройствами защитного отключения, не требует использования специальной измерительной аппаратуры и выполнения расчетов, привлечения высококвалифицированного персонала.

6. Разработанная методика расчета и проектирования СЭБ позволила провести оценку её технико-экономической эффективности. Установлено, что массовое оснащение объектов инфраструктуры села устройствами защитного отключения позволяет обеспечить уровень электробезопасности (3…710-6), сопоставимый с нормативом МЭК (110-6). При этом экономический эффект от внедрения УЗО, обусловленный предотвращенным материальным ущербом от электротравматизма, в среднем на порядок превышает финансовые затраты на создание современных систем электробезопасности.

7. Результаты работы были реализованы при создании руководящих и нормативных документов федерального и регионального уровня (Программа Министерства образования Российской федерации «Безопасность образова тельного учреждения на 2004-2006 годы» и «План мероприятий по обеспече нию безопасности электроустановок в городах и районах Алтайского края 2004-2008 годы», утвержденный постановлением администрации Алтайского края от 24 ноября 2003г. №613).

Список основных публикаций по теме диссертационной работы 1. Балашов, О.П. Перспективы развития устройств защитного отключе ния/ О.П. Балашов // Вестник Алтайского государственного технического уни верситета. 2001. №1. С. 77-81.

2. Балашов, О.П. Выбор оптимальных систем электробезопасности элек трооборудования технологических процессов в сельском хозяйстве/ О.П. Ба лашов // Известия ТулГУ. Вып. 2. - Тула. Изд-во ТулГУ, 2004. – С.3-9.

3. Балашов, О.П. Модель оценки качества элементов электрической за щиты/ О.П. Балашов // Вестник Алтайского государственного технического университета. 2003. №1. С. 230-232.

4. Балашов, О.П. Определение критерия надежности системы электро безопасности на объектах сельского хозяйства и инфраструктуры села/ О.П.

Балашов // Ползуновский альманах. 2004. №1. С. 179-181.

5. Никольский, О.К. Повышение пожаробезопасности в установках низ кого напряжения при возникновении перенапряжения большой кратности/ О.К. Никольский, О.П. Балашов // Региональные аспекты обеспечения соци альной безопасности населения юга Западной Сибири – проблемы снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техно генного характера: Материалы 2-й международной научно-практической кон ференции 10 декабря 2004г. Барнаул: Изд-во АлтГТУ. С.16-17.

6. Никольский, О.К. Некоторые особенности использования устройств защитного отключения в сетях с глухозаземленной нейтралью/ О.К. Николь ский, О.П. Балашов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБ РЕСУРС – 11 – 2005): Доклады 11-й международной научно-практической конференции, Барнаул, 26-28 сент. 2005 /Отв. ред. В.Н. Масленников. - Томск:

ТГУ, 2005. С. 119-122.

7. Никольский, О.К. Особенности применения электронных устройств защитного отключения в сетях с глухозаземленной нейтралью/ О.К. Николь ский, О.П. Балашов //Вестник Алтайского научного центра САН ВШ. – Изд-во АлтГТУ, 2005. №8. С. 133-139.

8. Балашов, О.П. Оптимизационные методы исследования систем элек тропожаробезопасности/ О.П. Балашов, О.К. Никольский // Вестник Алтайско го государственного технического университета. 2003. №1. С. 47-50.

9. Балашов, О.П. Исследования распределения тока утечки в электроус тановках низкого напряжения общественных зданий/ О.П. Балашов // Известия ТулГУ. Вып. 2. - Тула. Изд-во ТулГУ, 2006. – С.147-154.

10. Балашов, О.П. Автоматизация моделирования систем электропожа робезопасности в среде Windows/ О.П. Балашов // Всероссийская научно техническая конференция: Тезисы научных сообщений. 1-3 октября 2002г. / Рубцовский индустриальный институт. – Рубцовск, 2002. С. 55-56.

11. Балашов, О.П. Повышение эффективности действия устройств за щитного отключения/ О.П. Балашов, В.Г. Плеханов // Природные и интеллек туальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС – 8 – 2002): Доклады 8-й междуна родной научно-практической конференции. Кемерово, 26-27 сент. 2002г.: В ч., ч.1. - Томск: ТГУ, 2002. С. 64-66.

12. Балашов, О.П. Устройства защитного отключения: развитие функ циональных возможностей/ О.П. Балашов // Вестник Алтайского государст венного технического университета. 2003. №1. С. 51-53.

13. Балашов, О.П. Использование средств автоматизированного проек тирования при разработке систем электрической защиты/ О.П. Балашов // Ре сурсосберегающие технологии в машиностроении: Материалы 3-й всероссий ской научно-практической конференции 25-26 сентября 2003 г. Бийск: АлтГ ТУ, 2003. С. 152-155.

14. Балашов, О.П. Сравнительный анализ программных продуктов САПР электропожаробезопасности/ О.П. Балашов, Г.В. Плеханов // Новые ма териалы и технологии в машиностроении: Всероссийская научно-техническая конференция 24-25 мая 2004 года / Рубцовский индустриальный институт. Рубцовск, 2004. С. 83-84.

Подписано в печать 14.11.06.

У. п. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 06-523. Рег. №69.