Методология обеспечения безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Костюков Александр Владимирович

• Костюков Александр Владимирович
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Костюков Александр Владимирович

Введение

Глава 1. Обзор существующих исследований в области обеспечения безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта

1.1. Анализ существующих исследований шума и вибрации силовых трансформаторов

1.2. Существующие методы расчёта шума и вибрации вспомогательного оборудования силовых трансформаторов

1.3. Анализ характеристик вредных и опасных производственных факторов, влияющих на работников предприятий

1.4. Существующие методы контроля опасных и вредных производственных факторов

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Анализ состояния условий труда работников предприятий

2.1. Статистический анализ несчастных случаев на производстве

2.2. Анализ производственного травматизма на эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта

2.3. Выявление причин возникновения аварий в энергетических хозяйствах эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Теоретические исследования основных показателей, обеспечивающих безопасные условия труда работников предприятий

3.1. Исследование величин токов короткого замыкания

3.2. Исследование изоляционных характеристик обмоток силовых трансформаторов

3.3. Исследование электродинамических характеристик силовых трансформаторов

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования силового электрооборудования на предмет безопасных условий эксплуатации

4.1. Исследование шума силовых трансформаторов на эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта

4.2. Исследование шума вспомогательного электрооборудования силовых трансформаторов

4.3. Исследование защитного заземления электрических подстанций

4.4. Выводы по главе

Глава 5. Комплексная система мониторинга опасных и вредных производственных факторов

5.1. Общие принципы диагностики состояния силовых трансформаторов

5.2. Определение остаточного ресурса силовых трансформаторов

5.3. Использование нейронных сетей для прогнозирования состояния силовых

трансформаторов

5.4 Мониторинг состояния устройств электроснабжения с использованием

искусственного интеллекта

5.5. Выводы по главе

Глава 6. Организационно-технические мероприятия, направленные на обеспечение безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта

6.1. Устройства по снижению токов короткого замыкания

6.2. Продление срока службы изоляции высоковольтного оборудования

6.3. Безопасная конструкция силовых трансформаторов

6.4. Практические рекомендации по снижению шума силовых

трансформаторов

6.5. Методы контроля по использованию индивидуальных средств защиты

6.6. Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология обеспечения безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта»

ВВЕДЕНИЕ

В современном обществе вопросы охраны труда рассматриваются на государственном уровне. С развитием науки и появлением современных технологий разрабатываются новые нормы и правила, издаются регламентирующие документы, которые определяют требования к структуре и организации труда на предприятиях: соблюдение требований к охране труда, определение ответственности за нарушение и несоблюдение норм охраны труда, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и другие мероприятия.

С расширением производственных мощностей и развитием отдельных отраслей промышленного производства предприятиям требуется разноплановое высокотехнологичное оборудование, что, в свою очередь, приводит к увеличению энергопотребления и использованию систем электроснабжения повышенной мощности. Использование

электрооборудования повышенной мощности приводит к увеличению уровня шума на производственных участках предприятий. Работа силовых трансформаторов характеризуется постоянным шумом, вредно воздействующим на работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта, а также на жителей прилегающих домовладений.

На современном этапе развития экономики каждое происшествие на предприятии приводит к потерям, которые выражаются в виде ущерба для предприятия и общества, а также социально-экономического статуса.

Таким образом, каждое происшествие на предприятии имеет как экономическую, так и социальную составляющие.

По данным Федеральной службы государственной статистики в 2023 году в Российской Федерации было выявлено 20,9 тысяч несчастных случаев с

утратой трудоспособности, что по сравнению с 2022 годом число несчастных случаев увеличилось на 2,4%. Число несчастных случаев со смертельным исходом в 2023 году по сравнению с 2022 годом также возросло на 2,5% и составило 1094. Потери предприятий от нетрудоспособности работников при несчастных случаях на производстве составили около 1000000 человеко-дней, что равно такому показателю: приблизительно 4048 человек в течении года должны были выйти на работу, но к своим обязанностям не приступили в силу вышеназванных причин.

В то же время следует отметить, что за последние 10 лет число несчастных случаев на производстве снизилось вдвое. Руководители более серьезно подходят к вопросам охраны труда и экологической безопасности на предприятиях, затраты на мероприятия по охране труда в 2023 г. составили 24,384 тыс. рублей на одного работника.

За 2023 г. на объектах электрических сетей произошёл 21 несчастный случай со смертельным исходом, в электроустановках потребителей - 18, на тепловых электростанциях - 2. Работники энергетической отрасли, в том числе и энергетических хозяйств эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта, чаще всего попадают под воздействие вредных и опасных факторов из-за специфики выполняемых работ, поэтому вопросы обеспечения безопасных условий труда являются актуальными, в связи с этим требуется комплексный анализ причин возникновения несчастных случаев и принятие превентивных мер для устранения травматизма на производстве.

С 1 апреля 2021 г. вступили в силу Приказы, разработанные Минтруда России и Минздрава России от 21.12.2020 г. №988н/1420н «Об утверждении перечня вредных и (или) опасных производственных факторов и работ, при выполнении которых проводятся обязательные медицинские осмотры при поступлении на работу и периодические медицинские осмотры» и Приказ Минздрава России от 28.01.2021 г. №29н «Об утверждении Порядка проведения

обязательных предварительных и периодических осмотров работников, предусмотренных частью четвёртой статьи 213 Трудового кодекса Российской Федерации, перечня медицинских противопоказаний к осуществлению работ с вредными (или) опасными производственными факторами, а также работ, при выполнении которых проводятся обязательные предварительные и периодические медицинские осмотры», в которых к физическим вредным факторам относят вибрацию и шум, а также электрическое и магнитное поле и выполняемые виды работ, связанных с техническим обслуживанием электроустановок переменного и постоянного тока, проведением в них оперативных переключений, проведение монтажных, строительных, наладочных, ремонтных работ, проведение измерений и испытаний.

Нейросенсорная тугоухость у работников энергетических хозяйств от общих профессиональных заболеваний составляет 26,5%, а вибрационная болезнь - 14%.

Влияние вибрации и шума на работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта сказывается на центральной и вегетативной нервной системе, ухудшении внимания и физического состояния работника, а неадекватность его реакции при таком воздействии может привести к несчастному случаю и авариям на производстве.

На железнодорожном транспорте одним из ключевых направлений развития является обеспечение безопасных условий труда работников железнодорожного транспорта. В «Стратегии научно-технического развития холдинга ОАО «РЖД» на период до 2025 г. и на перспективу до 2030 г. (Белая книга)» для работников энергетических хозяйств представлена разработка и внедрение системы управления безопасностью труда и охраны здоровья на основе применения и внедрения мероприятий, направленных на предупреждение и сокращение производственного травматизма и

профессиональных заболеваний, формирование корпоративной культуры безопасности труда.

Анализ работ в области обеспечения электро- и виброакустической безопасности работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта показал, что в основном эти исследования носят разрозненный характер, недостаточно полно изучены процессы проявления шума и вибраций электрооборудования железнодорожных предприятий, с силовыми трансформаторами и электрическими машинами. Также не в полной мере отражены исследования по обеспечению безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов заводских и тяговых подстанций, теоретические исследования по расчёту шума и вибрации, создаваемых силовыми трансформаторами, системой охлаждения электрооборудования, а также эффективность средств защиты работников энергетических хозяйств предприятий.

Условия труда работников энергетических хозяйств предприятий напрямую зависят от состояния и обновления зданий, сооружений, оборудования, в том числе и от состояния и обновления парка силовых трансформаторов и высоковольтного оборудования.

В процессе эксплуатации высоковольтного электрооборудования, в частности силовых трансформаторов, возникает износ и старение элементов конструкций, что отражается не только на эксплуатационных характеристиках, но и на безопасности эксплуатации данного электрооборудования.

Выход из строя изоляции, систем охлаждения, распрессовка и деформация обмоток приводит к возникновению короткого замыкания, электрической дуге, а в конечном итоге к взрыву и пожару, что, в свою очередь, повышает уровень риска возникновения несчастного случая и других необратимых последствий на производстве.

Воздействие опасных и вредных производственных факторов может быть сведено к минимуму, но только при своевременном обнаружении и комплексном изучении производственной среды и выявлении источников опасных и вредных производственных факторов.

Сравнение уровней шума силового электрооборудования, создаваемого в процессе эксплуатации, с предельно-допустимыми значениями, анализ гармонических составляющих и уровня звукового давления, а также выявление причин превышения уровня вибрации и шума силовых трансформаторов позволяют внести конструктивные изменения на стадии проектирования, а также осуществлять организационно-технические мероприятия в процессе эксплуатации.

С развитием науки и инновационных технологий внедряются новые средства индивидуальной и коллективной защиты, автоматизированные системы мониторинга вредных и опасных производственных факторов, пересматриваются организационно-технические мероприятия в области охраны труда и экологической безопасности: все достижения направлены на обеспечение безопасных условий труда, а также на предупреждение возникновения чрезвычайных ситуаций, определение неисправности оборудования, возникновения опасных и вредных производственных факторов.

На рис. 1.1 показана структура научных исследований по обеспечению безопасных условий труда в транспортной отрасли по критериям электро- и виброакустической безопасности.

Управление охраной труда на любом предприятии, в том числе железнодорожном, направлено на решение проблем, характерных для любого производства. При этом направления работ в области охраны труда будут зависеть от специфики производственного процесса, структуры и организации производства, а также внешних факторов (климатических и географических

особенностей региона). Необходим комплексный подход к решению проблем по обеспечению безопасных условий труда на предприятиях.

Комплексное решение вопросов по обеспечению безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта является актуальными и имеет большое научно-техническое и социально-экономическое значение для железнодорожной отрасли. Перманентный рост спроса на развитие методологии обеспечения безопасных условий труда на предприятиях железнодорожного транспорта в условиях роста энергоёмкости исполнения транспортной работы определил направление диссертационного исследования.

Цель исследования заключается в разработке научной базы методов обеспечения безопасности при техническом обслуживании, ремонте и эксплуатации силовых трансформаторов работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

Задачи исследований:

1. Провести анализ и определить закономерности причин возникновения несчастных случаев, опасных ситуаций на эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта.

2. Определить основные показатели, обеспечивающие безопасные условия труда работников при эксплуатации и обслуживании электрооборудования предприятий железнодорожного транспорта.

3. Идентифицировать и оценить источники шума силовых трансформаторов на предприятиях железнодорожного транспорта.

4. Получить аналитические зависимости основных показателей аварийности силовых трансформаторов предприятий железнодорожного транспорта для прогнозирования состояния силовых трансформаторов и обеспечения безопасности труда.

Обзор существующих исследований е области обеспечения безопасных условий труда при эксплуатации и обслуживании силовых трансформаторов

Анализ существующих исследований шума и вибрации в энергетических хозяйствах

Существующие методы контроля опасных и вредных производственных факторов

Анализ характеристик вредных и опасных производственных факторов, влияющих на работников энергетических

хозяйств предприятий

Апализ состояния условна условий труда работников предприятий

Т.

Анализ условий труда работников

предприятий при эксплуатации электрооборудова

Статистический анализ несчастных случаев на производстве

X

Анализ проиэводствеииог о травматизма в энергетических хозяйствах предприятий

I

Выявление причин

возникновения аварий в энергетических хозяйствах предприятий

Теоретические исследования основных показателей, обеспечивающих безопасные условия труда работников энергетических хозяйств предприятий

Анвлиз токов короткого замыкания

Исследования

ИЗОЛЯЦИОННЫХ

характеристик обмоток силовых трансформаторов

Исследования электродинамических характеристик высоковольтного электрооборудования

Исследование шума и вибрации силовых трансформаторов

Исследование шума Вспомогательного

оборудования трансформаторов

Экспериментальные исследования силового электрооборудования

на предмет безопасных условий эксплуатации

Экспериментальные исследования шума

силовых трансформаторов

Экспериментальные исследования шума вспомогательного трансформаторного оборудования

Экспериментальные исследования основных показателей безопасных условий эксплуатации силовых трансформаторов

Комплексная система мониторинга опасных и вредных производственных

фвкторов с использованием искусственного интеллекта

Использование нейронных сетей для прогнозирования состояния силовых трансформаторов

Диагностика состояния устройств электроснабжения

Определение остаточного ресурса

устройств электроснабжения

Мониторинг состояния устройств электроснабжения С использованием искусственного интеллекта

Органимцнонно-технические мероприятия направленные на обеспечение безопасных

условий труда работников предприятий

Устройства по снижению токов короткого замыкания

Продление срока службы изоляции высоковольтного оборудования

I

Новая безопасная

конструкция силовых трансформаторов

Мероприятия по снижению шума

силовых трансформаторов

Методы контроля по использованию индивидуальных средств защиты

Рис. 1.1 - Структура научных исследований по обеспечению безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта по критериям электро- и

виброакустической безопасности

5. Разработать организационно-технические мероприятия, направленные на минимизацию количества аварий высоковольтного оборудования в энергетических хозяйствах железнодорожных предприятий.

6. Разработать комплексную систему мониторинга опасных и вредных производственных факторов с использованием искусственного интеллекта.

7. Определить закономерности воздействий виброакустических характеристик электрооборудования на работников эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта.

8. Установить аналитические зависимости уровней звукового давления, производимого силовыми трансформаторами электрических подстанций, и оценить его влияние на работников предприятий железнодорожного транспорта.

9. Разработать методы прогнозирования состояния устройств электроснабжения в целях снижения количества аварий и травматизма в энергетических хозяйствах предприятий железнодорожной отрасли.

10. Разработать рекомендации по выполнению требований безопасной эксплуатации силовых трансформаторов с целью обеспечения безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта.

Научная новизна работы

1. Разработан научный подход по оценке человеческого фактора в системе человек-производственная среда с целью повышения безопасности труда.

2. Разработаны методологические основы обеспечения безопасности, позволяющие на стадии проектирования повысить надёжность и безаварийность работы силовых трансформаторов при их эксплуатации.

3. Выявлены закономерности возникновения несчастных случаев при эксплуатации и обслуживании высоковольтного оборудования, позволяющие определить основные направления работы для обеспечения безопасных условий труда работников предприятий, а также определены и описаны основные показатели, характеризующие безопасную работу устройств электроснабжения, с целью снижения количеств несчастных случаев и аварий на производстве.

4. Сформулированы научные основы теории расчёта вибрации и шума силовых трансформаторов на основе применения уравнений для вынужденных колебаний объема воздуха прямоугольной формы, вызванных точечным источником, в том числе сформулированы научные основы для расчёта вибрации и шума системы охлаждения силовых трансформаторов с использованием математической модели асинхронного двигателя на базе обобщенной электрической машины.

5. Разработана система мониторинга производственных факторов по критериям электробезопасности и вибробезопасности, позволяющая выявить неисправности и предотвратить аварии устройств электроснабжения на эксплуатационных и ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта, а также разработан системный подход к прогнозированию параметров состояния силовых трансформаторов и аварий на предприятиях железнодорожного транспорта. Отличием предложенной системы от ранее известных является комплексный многофакторный подход на основе интеллектуального принятия решений с использованием искусственного интеллекта.

6. Разработан комплекс инженерно-технических решений, позволяющий повысить безопасность при техническом обслуживании, ремонте и эксплуатации силовых трансформаторов.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. На основе теоретических исследований разработан системный подход к обеспечению безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

2. Проанализированы и сформулированы требования к основным показателям, характеризующим техническое состояние и безопасность условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

3. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования силовых трансформаторов легли в основу разработанной методики инженерного расчёта звукового давления шума силовых трансформаторов тяговых и заводских подстанций предприятий железнодорожного транспорта.

4. Разработана комплексная система мониторинга опасных и вредных производственных факторов при обслуживании и эксплуатации силовых трансформаторов эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта с использованием искусственного интеллекта с целью обеспечения безопасных условий труда и доведение их до санитарно-гигиенических нормативов.

5. Разработана методика организации эффективных мероприятий, направленных на снижение аварийности силовых трансформаторов предприятий железнодорожного транспорта, с учетом новых научно-обоснованных критериев эффективности внедряемых мероприятий.

6. Предложены организационно-технические мероприятия, направленные на обеспечение безопасности при обслуживании и эксплуатации силовых трансформаторов эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта. Предложенный комплекс

мероприятий является эффективным для энергетических хозяйств предприятий железнодорожного транспорта, так как позволяет снизить влияния опасных и вредных производственных факторов на работников предприятий железнодорожного транспорта.

Предложенные организационно-технические мероприятия прошли испытания и апробации на предприятиях: Служба охраны труда и промышленной безопасности Северо-Кавказской железной дороги -филиала ОАО «РЖД», Ростовский-на-Дону электровозоремонтный завод -филиал АО «Желдорреммаш», ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Ростовской области», акты проведения испытаний прилагаются.

Объектом исследований являются опасные и вредные производственные факторы, влияющие на работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

Предметом исследований послужили закономерности формирования опасных и вредных факторов, влияющих на работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

Цель исследования заключается в развитии методологии обеспечения безопасности труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта при техническом обслуживании, ремонте и эксплуатации силовых трансформаторов.

Методы исследования

При выполнении научных исследований использовались законы физики, электротехники и электромеханического преобразования энергии, закономерности формирования спектров колебаний и звукового давления, методы математической статистики и планирования эксперимента, методики расчёта основных параметров силовых трансформаторов и их систем

охлаждения, а также методы машинного обучения, системного и сравнительного анализа.

Экспериментальные исследования проводились с использованием штатного оборудования кафедр «Теоретические основы электротехники», «Электрические машины и аппараты», «Безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО РГУПС, сертифицированной аппаратуры «Ассистент», «Октава», «Экофизика» научно-производственного центра «Охрана труда» ОНИИЦ Научно-исследовательской части ФГБОУ ВО РГУПС, многоканальные контроллеры сбора данных ZET ЭТМС.411168.008 с пьезоэлектрическими акселерометрами ВС 110, а также для обработки результатов измерений была использована искусственная нейронная сеть YOLO, все расчёты выполнялись на компьютере с ОС Ubuntu 20.04, процессор Intel Core I7-9700, 16 Гб RAM, видеокартой Nvidia Geforce 1650 6Gb RAM.

Положения, выносимые на защиту

1. Анализ состояния условий труда по показателям электрической и виброакустической безопасности работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

2. Комплексная система мониторинга и прогнозирования состояния силовых трансформаторов с целью обеспечения безопасных условий обслуживания и эксплуатации работниками эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

3. Результаты экспериментальных исследований спектров шума и вибрации элементов силовых трансформаторов.

4. Теоретические исследования шума и звукового давления силовых трансформаторов на предприятиях железнодорожного транспорта.

5. Методика инженерных расчётов уровней вибрации и шума систем охлаждения силовых трансформаторов железнодорожных предприятий.

6. Инженерные решения по снижению шума, аварий и электротравматизма на рабочих местах эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта.

7. Результаты внедрения научных разработок на предприятиях железнодорожной отрасли.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на региональных, всероссийских, национальных и международных конференциях: Второй международной научно-технической конференции «Повышение надёжности энергетических устройств и ЭПС» (г. Варшава, Варшавский политехнический университет, 1997г.); Региональной научной конференции студентов и молодых учёных (Ростов-на-Дону, РГСУ, 1998 г.); 57-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998); Второй международной отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2000); Научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2001г., 2007 г., 2008г., 2009г., 2012г.); Шестой Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы Сибири» (Новосибирск, СГУПС, 2009); Четвёртой международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, УрФУ, 2011); Второй Всероссийской научно-техническая конференция «Отечественный и зарубежный опыт обеспечения качества в машиностроении» (г. Тула, ТулГУ, 2020г.); International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (г. Липецк, 2020 г., 2021 г.); The 21th International Multi-Conference Reliability and Statistics in Transportation and Communication (Riga, Transport and Telecommunication Institute, 2021), VII

Международной научно-практической конференции. «Энергетика транспорта. Актуальные проблемы и задачи» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2023 г.); VII Международная научно-практическая конференция «Транспорт и логистика: развитие в условиях глобальных изменений потоков» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2023 г.).

Область исследования.

Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 2.10.3 Безопасность труда: в части п.1 - Разработка научно обоснованных методов анализа и прогнозирования параметров состояния производственной среды, опасных ситуаций и опасных зон и п. 10 -Совершенствование методов обеспечения безопасности при техническом обслуживании, предремонтной подготовке, ремонте и эксплуатации технических средств, оборудования и сооружений объектов.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 64 публикации, в том числе в журналах и научных изданиях, входящих в международные базы данных Scopus - 3, Wos - 1, 25 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, опубликована 1 монография, получено 5 патентов РФ, общим объёмом 37,88 п.л., в том числе доля соискателя составила 28,32 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка используемой литературы из 278 наименований, имеет 76 рисунков, 34 таблицы и изложена на 355 страницах машинописного текста. В приложениях вынесены результаты интеллектуальной собственности, акты проведения испытаний и сведения о внедрении.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ТРУДА РАБОТНИКОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И РЕМОНТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Производственный процесс сопровождается сопутствующими факторами, которые воздействуют не только на окружающую среду, но и на работников предприятий. Мониторинг состояния производственной среды и своевременное выявление несоответствия факторов производственного процесса требованиям нормативных документов позволяет исключить негативные воздействия на организм работника предприятия, снизить вероятность возникновения профессиональных заболеваний и травм на производстве.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Костюков Александр Владимирович, 2024 год

- -

| | | ' | | "

Ш, Вб

0,5

0,0 -0,5

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

- шл /

- -

" | " | " | " " " "

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

без скоса пазов ротора

со скосом пазов ротора

Ш, мВб 0,10

0,00

-0,10

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 Ш * 1 гд 1 1 1 1 _

Л А 1ь

| ' | ' | | ~

Ш, мВб 0,10

0,00

-0,10

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

л л * ш* шгд А А Л

" 1 1 1 1 1 1 | " 1 ■ | " ~

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

Рис. 4.22 - Электроманитный момент, потокосцепления обмотки статора, проекция потокосцепления ротора на ось ц

без скоса пазов ротора

со скосом пазов ротора

В, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

- / "

- -

" 1 1 1 1 " " "

В, Тл 1,0 0,0 -1,0

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

- BZs / -

- -

" " " | " " | " " "

0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180

0, градусы 0,градусы

без скоса пазов ротора

со скосом пазов ротора

В, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

- BZr -

- -

■' 1 | ' | | ' | "

В, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _

- BZr -

- -

" " | ■ " | " " " "

0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180

0, градусы 0, градусы

Рис. 4.23 - Зависимости магнитной индукции в центре зубцов статора и ротора от углового положения ротора

В настоящее время одним из наиболее распространенных способов регулирования производительности вентиляторов, насосов и других механизмов, используемых на трансформаторных подстанциях, является частотное регулирование АД. Применение такого способа требует осуществлять питание двигателя переменным, трехфазным напряжением с регулируемой частотой и амплитудой. Для этого применяются статические полупроводниковые преобразователи на базе ключевых полупроводниковых приборов, особенностью которых является импульсный принцип формирования выходного напряжения. В результате питание фаз АД

осуществляется напряжением с содержанием высших гармоник. Порождаемые ими пульсации тока являются причиной увеличения величины пульсаций магнитной индукции в воздушном зазоре, появления дополнительных пространственных и временных гармоник. Поэтому для анализа влияния формы питающего напряжения на характер и уровень вибраций были выполнены расчеты для случаев питания АД от синусоидального источника напряжения и от статического преобразователя.

При выполнении расчетов принимается, что двигатель вращается с номинальной частотой и скольжением 2,5%. В первом случае АД питается от источника синусоидального напряжения с фазным напряжением величиной 275,6 В (амплитудное значение). Во втором случае питание осуществляется от автономного инвертора напряжения. Выходное напряжение формируется с использованием синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Напряжение в звене постоянного тока принято 550 В, коэффициент модуляции равен 1,0; кратность частоты модуляции к частоте выходного напряжения равна 21. Параметры модуляции подобраны таким образом, чтобы основная гармоника выходного напряжения соответствовала синусоидальному напряжению, используемому в первом случае.

На рис. 4.24 приведены напряжения и токи фаз статора, проекции токов ротора на оси системы координат й - д при питании от синусоидального источника и от автономного инвертора напряжения. Из приведенных зависимостей видно, что наличие высших гармоник в напряжении статора являются причиной возникновения значительных пульсаций токов статора и ротора, оказывающих существенное влияние на распределение магнитной индукции в воздушном зазоре.

U, В 250

0

-250 -500

I, А 5,0

0,0

-5,0

_ 1 1 : uc i i i i uB 1 1 1 1 uA i i _

- Л-

-

■' i i ' ' 1 i i

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

_ 1 1 1 1 -Ja i i i i -v'b i i i

- \ / -

" 1 1 i ' i " " ""

U, В 250

0

-250

¡I I

Mili III

Т-г-г

ППИ1

Г" 11111

II I

ГШ IIII

¡IIIIR'IjIIIIIIIIIIIRIiiIIIIIIIUiII'In!

¡il lililí I iil lililí 1 iil lililí i

|l IIIUUUIIIIIIIUUUIH

500 Г i i i i I i i i i I

UUIIIIIIII

.....

UUIIIi

I I

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

I, А 5,0

0,0

-5,0

-10,0

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

I, А

250

i i i i • * lrq l l l l i i i i

- • * lrd -

■ ' ■ "

I, А

250

i i i i • r lrq 11 1 1 i i 1 1

#

Ы Л л/ к AÜ • r lrd iul zlaI

n i i í V 11 / V 1 1 n г v 1 1 r\ 1 1

0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 0, градусы 0, градусы

0

0

Рис. 4.24 - Напряжения и токи фаз статора, проекции токов ротора на

оси системы координат й - q при питании от синусоидального источника (слева) и от автономного инвертора напряжения (справа)

На рис. 4.25 показаны зависимости электромагнитного момента, потокосцепления фазы статора, проекций потокосцепления ротора на оси системы координат й - q при питании от синусоидального источника и от автономного инвертора напряжения.

М, Нм 15,0

10,0

5,0

_ 1 1 11 11 11 Мэм 11 11 _

т ш т т м

- -

I" 1 1 "

М, Н м 15,0

10,0

5,0

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0,0 г I I I I I I I I I I I I I I I I I

'0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

*, Вб

0,5

0,0 -0,5

1 1 : *а 1 1 1 1 *в 1 1 1 1 1 1 _

- . д. -

- / -

-1 ' | ' ■ ' | ' | i-

*, Вб

0,5

0,0 -0,5

1 1 : *а 1 1 1 1 *в 1 1 1 1 1 1 _

- ч "

- / -

' 1 1 | | 1 ' 1 ' "

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

*, мВб

0,5

0,0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

- -

- ш* * щ -

1 1 1 1 1 1

*, мВб

0,5

0,0

1 1 1 1 * 1 1 1 1 1 1 1 1

- * * щ -

1 1 1 1 1 1

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

Рис. 4.25 - Электромагнитный момент, потокосцепление фазы статора, проекции потокосцепления ротора на оси системы координат й - q при питании от синусоидального источника (слева) и от автономного инвертора напряжения (справа)

Отметим при этом значительно больший уровень пульсаций при питании от преобразователя. На рис. 4.26. показаны зависимости индукции в зубцах статора и ротора. Также приведено пространственное и временное распределение индукции в воздушном зазоре для обоих расчетных случаев.

B, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ 1 1 1 1 1 1 i i BZr i i i i _

-

- BZs -

" 1 1 I 1 ■ " i "-

B, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ i i i i i i i i BZr i i i i _

- y -

- BZs -

■ " i "-

0 30 60 90 120 150 180 0,градусы

0 30 60 90 120 150 180 0, градусы

B, Тл 1,0 0,0 -1,0

B, Тл 1,0

0,0

-1,0

2 0 Г| 1111 ..... ..... ..... .....11111 п -2 0 ............ ..... ..... ..... .....

0 60 120 180 240 300 360 0, градусы

0 60 120 180 240 300 360 0, градусы

B, Тл 1,0 0,0 -1,0

_ i i i i iiii iiii b5 i i i i _

- -

j \u -

"iiii ■ ■■i ■ ■■i i i i i ~

B, Тл 1,0

0,0

-1,0

_ i i i i iiii iiii b5 1 1 1 1 _

-

•j vw -

"lili iiii iiii lili"

0 0,005 0,010 0,015 360 t, с

0 0,005 0,010 0,015 360 t, с

Рис. 4.26 - Зависимости индукции в зубцах статора и ротора, пространственное и временное распределение индукции в воздушном зазоре при питании от синусоидального источника (слева) и от автономного инвертора напряжения (справа)

Характер полученных зависимостей пространственного и временного распределения индукции в воздушном зазоре соответствует приведенным в [84] аналогичным зависимостям.

С использованием полученных результатов расчетов для двух рассмотренных случаев были определены амплитуды пространственно-временных волн магнитной индукции, соответствующие модам пространственных колебаний статора и ротора. Для этого использовался метод наименьших квадратов. Затем, по формулам (1.6-1.10) рассчитаны амплитуды колебания (вибрации) статора, соответствующие модам пространственных колебаний. Был выполнен расчет амплитуды колебаний ротора, соответствующий пространственной моде колебаний с номером т = 1. Результаты расчета приведены в Табл. 4.1 [274].

Таблица 4.1.

Результаты расчета амплитуды вибраций для мод пространственных

колебаний статора и ротора

т /т, Гц Синусоида ШИМ

Бът, Тл Ршт, Н ут, мм бът, Тл Ршт, Н ут, мм

0 7693,33 0.000065 0,00332 0,000066 0,000646 0.332381 0,006571

1 645,53 0,000012 0,000106 0,4710-12 0,000012 0,000119 0,53 10-12

2 1116,85 0,007395 43,516483 0,860336 0,010572 88,935315 1,758283

3 2927,86 7,828 10-6 0,000049 0,96 10-6 5,474 10-6 0,000024 0,47 10-6

4 5121,44 0,00019 0,028841 0,00057 0,000424 0,143236 0,002832

5 7508,31 1,34 10-6 1,426 10-6 0,03 10-6 2,548 10-6 5,16810-6 0,1010-6

Анализ полученных результатов показывает, что в обоих случаях наиболее выраженной является вибрация, соответствующая пространственной моде колебаний с номером т = 2. Это связано с тем, что

наиболее сильно проявляются пространственные гармоники, соответствующие числу пар полюсов асинхронной электрической машины. Это соответствует результатам, приведенным в [83-86]. Колебания с другими пространственными модами имеют намного меньшую величину, сопоставимую с погрешностями вычислений. Следует отметить, что наличие высших гармоник в питающем напряжении при использовании ШИМ значительно, более, чем в два раза увеличивает амплитуду колебаний вибрации.

Выводы

1. Одним из источников шумов и вибрации на транформаторных подстанциях является работа вспомогательного оборудования. В качестве привода насосов и вентиляторов, как правило, используются асинхронные электрические машины. Применение для регулирования частоты вращения статических преобразователей электроэнергии является причиной появления высших гармоники магнитного поля в воздушном зазоре. Они являются причиной появления магнитной вибрации, увеличивающей шум.

2. Для разработки способов борьбы с магнитными вибрациями необходимы методы для их определения и влияния на них особенностей конструкции электрических машин и особенностей их питания.

3. Анализ магнитных вибраций в асинхронных электрических машинах возможен с использованием подхода, основанного на том, что магнитные поля, радиальные магнитные силы и деформации статора рассматриваются как волны определенной частоты, пространственного порядка и амплитуды.

4. Вибрации статора и ротора электрических машин наиболее выражены в случае, когда частота вибровозмущающих сил совпадает с частотой одной из мод пространственных колебаний. Поэтому для оценки влияния различных волн радиальных магнитных сил на вибрацию и шум

необходимо провести определение собственных частот различных мод пространственных колебаний статора и ротора.

5. Анализ полученных результатов расчета распределения магнитного поля в активном слое рассматриваемого АД показал, что наличие зубцов на статоре и роторе является причиной появления значительных пульсаций магнитного поля в воздушном зазоре и элементах магнитной системы. С целью снижения влияния зубцовых пульсаций в рассматриваемом АД пазы ротора выполнены со скосом. Отказ от учета скоса пазов может привести к существенному искажению определяемых по этому распределению магнитных сил. Поэтому при расчете вибрации и шума асинхронной электрической машины учет скоса пазов является обязательным.

6. Наличие высших гармоник в питающем напряжении при использовании ШИМ значительно (более, чем в два раза) увеличивает амплитуду колебаний вибрации. Поэтому одним из действенных методов борьбы с шумом и вибрациями АД при питании от преобразователя является снижение уровня высших гармоник в питающем двигатель напряжении.

4.3. Исследование защитного заземления электрических подстанций

Защитное заземление подстанций, цехов и других производственных помещений является неотъемлемой частью обеспечения безопасных условий труда работников предприятий, а также служит для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений и электромагнитной совместимости.

При обслуживании и эксплуатации электрооборудования работники предприятий в случае возникновения коротких замыканий, пробоя изоляции могут попасть под напряжение. Как было сказано выше, самой

распространённой причиной возникновения несчастных случаев при аварийных режимах является замыкание фазы на нетоковедущие элементы устройств электроснабжения и электрооборудования, а также другие токопроводящие конструкции цехов и подстанций. В данном случае работники предприятий попадают под напряжение прикосновения, что приводит к электротравмам и смертельным случаям на производстве, поэтому вопросы по точному проектированию защитного заземления с учётом всех сопутствующих факторов будут всегда актуальными.

Требования, которые предъявляются к защитному заземлению, определяются исходя из нормативных документов (ГОСТ Р 58882-20207. «Заземляющие устройства. Системы уравнивания потенциалов. Заземлители. Заземляющие проводники», ПУЭ. 7-е издание п.1.7.49-1.7.120). По требованиям на подстанциях используется три вида заземления: защитное, рабочее и молниезащитное [275].

Точность расчёта защитного заземления

Для защитного заземления подстанций 6/0,4 кВ должны выполняться требования, которые прописаны в п.1.7.98 ПУЭ:

- вокруг здания подстанции на глубине не более 0,5 метра и на расстоянии 1 м от края фундамента здания и открыто установленного оборудования должен быть установлен замкнутый контур заземления, подсоединённый к заземляющему устройству;

- вокруг здания подстанции должно быть выполнено одно общее заземление к которому подсоединяют: нейтраль трансформатора на стороне напряжения до 1 кВ; бак силового трансформатора; металлические оболочки и броню кабельной линии напряжением до 1 кВ и выше; открытые проводящие части электроустановок и сторонние проводящие части.

Сопротивление заземлителя, к которому подсоединяются нейтраль трансформатора и корпуса, а также непроводящие электрический ток части оборудования, в любое время года при линейных напряжениях 660, 380, 220 В должно быть не более 2, 4 и 8 Ом.

При расчёте защитного заземления необходимо, чтобы выполнялись все требования по электробезопасности для электроустановок различных назначений и уровней напряжений по защите персонала от поражения электрическим током при пробое изоляции, различных условий эксплуатации электрооборудования, а также от перенапряжений и возможных аварий высоковольтного оборудования.

Для расчёта защитного заземления подстанций используются стандартные расчётные методики, карты почв, учитываются климатические условия региона, а также проводятся инженерно-геологические изыскания.

Для моделирования различных вариантов исполнения защитного заземления за основу была использована реальная распределительная заводская подстанция с установленными тремя силовыми трансформаторами ТМ 4000/6/0,4.

Расчётные характеристики заводской подстанции. Подстанция представлена в виде здания с размерами 28x20 метров с высотой потолка помещений 5 м. Толщина стен помещений - 0,2 м, толщина бетонной плиты, на которой установлены трансформаторы - 0,4 м, фундамент здания - 4 м.

Внешний заземлитель изготовлен из стального уголка с размерами 50*50*5 мм, расположен по контуру здания на расстоянии 1 метра от стен, заземлитель погружён в грунт на 0,7 м. С учётом площади здания, внешний заземляющий контур имеет вертикальные электроды длиной 3 м, диаметром 0,016м с шагом расположения 4 м, общее число вертикальных заземлителей - 25. Для базовых расчётов брали тип почвы - суглинок, для данного района

удельное сопротивление грунта 100 Ом*м. Внешний заземлитель соединен с заземлением контура здания в четырёх местах.

В качестве рабочего заземления использовали полосу из стали с размерами 35*5 размещённого от уровня пола на 0,4 м, все металлические части, не находящиеся под напряжением, заземлены.

Параметры для моделирования и расчёта распределения потенциала на подстанции представлены в таблице 4.2.

Для стандартных методик расчёты защитного заземления с учётом проводимости почвы делают приблизительными по карте почв, во многих случаях почва имеет неоднородную структуру, встречается места со слоистой структурой, состоящей из суглинка, песка, известняка и др. Дополнительно при расчётах необходимо учитывать сезонные изменения грунта.

Основными факторами, влияющими на удельное сопротивление почвы, являются коэффициенты промерзания и увлажнения. При сильном увлажнении почвы и удержании влаги в грунте удельное сопротивление может снижаться в десятки раз, поэтому необходимо учитывать все эти факторы при расчёте и проектировании подстанций (таблица 4.2).

Следует также учесть, что для небольших подстанций сезонные изменения сильно влияют на общее сопротивление заземлителя, поэтому для уменьшения влияния и равномерного распределения потенциала используют вертикальные электроды. Расчёты защитного заземления выполняются для неблагоприятных случаев с учётом сезонности и слоистости почвы. На рисунке 4.27 представлена расчётная модель заводской подстанции с расположением электрооборудования.

Таблица 4.2

Параметры удельного сопротивления различных материалов и почв

№ Материал (почва) Параметр удельного сопротивления, Ом*м

1 Песок (сильно увлажнённый/сухой) (10 - 60)/(1500-4200)

2 Супесок 150-400

3 Глина 8-70

4 Чернозём 10-50

5 Суглинок 40-150

6 Каменистая глина 100

7 Известняк 1000-2000

8 Щебень (сухой/мокрый) 5000/3000

9 Смешанный грунт (известь, щебень, глина) 80-100

10 Бетон с поглощением 4,2 % 10000

11 Железо 0,097*10-6

В качестве аварийного режима рассмотрим пробой фазы на корпус силового трансформатора и распределение потенциала на заземляющем контуре выбранной подстанции.

Потенциал, создаваемый точечным источником на глубине расположения внешнего заземлителя, будет описываться уравнением Лапласа:

д2ф + 5 + Й = ° (4.46)

dx2 dy2 dz2

Вычисление потенциала сводится к нахождению функции ф (х, у, z), которая во всём пространстве между проводниками удовлетворяет выражению (4.46), а на самих проводниках принимала бы заданные значения.

Для распределения потенциала в зоне расположения подстанции разработана математическая модель, учитывающая все параметры, которые влияют на распределение потенциала (параметры защитного заземления, глубина залегания, параметры грунта, места расположения электрооборудования, электрические параметра помещения и др.) (рис. 4.27).

Уравнения, которые были использованы в модели:

] = оЕ+]е,

Е = -Уф, (4.47)

V/ = Qj(p,

где / - вектор плотности тока, А/м2;

о- удельная проводимость, См/м;

Е - вектор напряженности электрического поля, В/м;

]е - вектор плотности внешнего тока, А/м2;

V - векторный дифференциальный оператор Набла;

Ф - потенциал, В;

Qjф - суммарный заряд, Кл.

Начальные условия для модели:

1) начальное значение потенциала ф = 0, кроме точки приложения напряжения на корпусе трансформатора и=400В.

2) токи распространяются по всему контуру заземления, грунту и помещению подстанции.

Данная модель имеет следующие допущения:

1) среда поверхности однородная и для каждого сегмента проводимости своя (контуры заземлений, пол, слой грунта);

2) все слои грунта и пол имеют ровную поверхность;

3) расчёты проводились для нормальных условий, без повышенной влажности и температуры;

3) не учитывались переходные сопротивления сварных соединений заземляющего контура.

Рис. 4.27 - Расчётная модель заводской подстанции

1 - силовые трансформаторы; 2 - КРУ 6 кВ, 3 - распределительное устройство 0,4 кВ, 4 - шкафы управления и шкафы собственных нужд; 5 - контур внешнего заземления; 6 - вертикальные заземлители; 7 - контур внутреннего заземления.

Результаты моделирования

Моделирование проводили для разных вариантов заземления. На рисунке 4.28 представлена расчётная схема распределения потенциала. При расчёте аварийного режима (пробой изоляции силового трансформатора со стороны низкого напряжения) принимается, что на корпусе силового трансформатора Тр2 приложено напряжение 400В. На рисунке 4.29 показано распределение потенциала при условии пробоя изоляции трансформатора по низкому напряжению.

Рис.4.28 - Расчётная модель распределения потенциалов

Уо1ите: Вес<г1с р<Яепйа1

V

▲ 400 в 400

Рис.4.29 - Распределение потенциала при пробое изоляции на стороне

0,4 кВ на корпус трансформатора

Выполнены расчёты для различных вариантов защитного заземления, результаты расчётов представлены в таблицах 4.3 и 4.4.

Таблица 4.3

Результаты расчётов различных вариантов исполнения защитного заземления

Погружение внешнего 0,10 0,30 0,50 0,70 0,90 1,10

контура, м

Заземляющий контур без 1,11 1,03 0,99 0,97 0,94 0,82

вертикальных электродов, ДЗ, Ом

50% вертикальных 0,93 0,88 0,86 0,84 0,82 0,80

электродов у

заземляющего контура

отсутствуют, Я", Ом

Заземляющий контур с 0,83 0,80 0,78 0,76 0,75 0,73

вертикальными

электродами, Из, Ом

Все варианты расчёта (таблица 4.3) защитного заземления удовлетворяют требованиям ПУЭ, уменьшение величины сопротивления в зависимости от углубления внешнего контура очевидно. Для стандартного заглубления 0,7 м разница заземляющего контура составляет: для заземляющего контура без вертикальных электродов - 27,6%, при отсутствии 50% вертикальных электродов - 10,5%.

В таблице 4.4 представлены результаты моделирования защитного контура заземления подстанции с учётом слоистости почвы.

Таблица 4.4

Результаты расчётов защитного заземления с учётом влияния грунта

Слои почвы (варианты) 1 2 3 4

Общее сопротивление заземления. Дз, Ом 0,76 0,15 1,90 2,93

Были рассмотрены следующие варианты грунта: 1 - суглинок, 2 - глина, 3 -каменистая глина, 4 - смешанный грунт, состоящий из: 0,5 м - мокрый песок, 1,5 м - суглинок, 4,0 м (19 м) - известняк.

Неоднородная слоистость почвы существенным образом влияет на величину защитного заземления. Представленная модель позволяет смоделировать различные конструкции защитного заземления в зависимости от условий эксплуатации подстанции и геологических особенностей региона, провести предварительные изыскания и предложить наиболее целесообразный вариант с учётом безопасных условий эксплуатации высоковольтного электрооборудования и экономически эффективный.

Вывод. Разработанная модель позволяет проводить расчёты распределения потенциала на территории подстанции, моделировать растекание токов в земле, а также моделировать различные варианты исполнения защитного заземления с учётом всех влияющих факторов: грунта, влажности, элементов конструкции защитного заземления, строительных материалов, фундамента, расположения трансформаторов и др. Может быть использована для проектирования защитного заземления подстанций в регионах со сложными инженеро-геологическими и климатическими условиями.

4.4 Выводы по главе 4

1. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования шума силовых трансформаторов. Выявлено, что силовой трансформатор различной мощности издаёт постоянно шум, уровень шума силового трансформатора зависит от многих факторов, но в основном связан с магнитострикцией, причём средний диапазон шума от магнитострикции практически не меняется от нагрузки и присутствует при работе трансформатора на холостом ходу, то есть постоянный шум от магнитострикции будет наблюдаться всегда у работающего трансформатора.

2. Получена аналитическая зависимость оценки уровня шума силовых трансформаторов, которая позволяет производить расчёты шума силовых трансформаторов с учётом ограждающих конструкций.

3. Уточнена методика расчёта звукоизоляции защитных экранов силовых трансформаторов, позволяющая рассчитать и выбрать необходимый защитный экран для снижения уровня шума не превышавшего допустимых значений.

4. Одним из источников шумов и вибрации на трансформаторных подстанциях является работа вспомогательного оборудования. В качестве привода насосов и вентиляторов, как правило, используются асинхронные электрические машины. Применение для регулирования частоты вращения

статических преобразователей электроэнергии является причиной появления высших гармоники магнитного поля в воздушном зазоре. Наличие высших гармоник в питающем напряжении при использовании ШИМ значительно (более, чем в два раза) увеличивает амплитуду колебаний вибрации. Поэтому одним из действенных методов борьбы с шумом и вибрациями АД при питании от преобразователя является снижение уровня высших гармоник в питающем двигатель напряжении.

6. Вибрации статора и ротора электрических машин наиболее выражены в случае, когда частота вибровозмущающих сил совпадает с частотой одной из мод пространственных колебаний. Поэтому для оценки влияния различных волн радиальных магнитных сил на вибрацию и шум необходимо провести определение собственных частот различных мод пространственных колебаний статора и ротора.

7. Анализ полученных результатов расчета распределения магнитного поля в активном слое рассматриваемого АД показал, что наличие зубцов на статоре и роторе является причиной появления значительных пульсаций магнитного поля в воздушном зазоре и элементах магнитной системы. С целью снижения влияния зубцовых пульсаций в рассматриваемом АД пазы ротора выполнены со скосом. Отказ от учета скоса пазов может привести к существенному искажению определяемых по этому распределению магнитных сил. Поэтому при расчете вибрации и шума асинхронной электрической машины учет скоса пазов является обязательным.

8. Предложена расчётная модель защитного заземления энергетических подстанций с учётом влияния различных факторов, определяющих величину распределения потенциала при аварийных режимах и величину защитного заземления подстанции.

5. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ

5.1 Общие принципы диагностики состояния силовых трансформаторов

Анализ несчастных случаев в энергетических хозяйствах предприятий показал, что в основном травмы на производстве получают работники при обслуживании распределительных устройств и силовых трансформаторов. Силовые трансформаторы являются основными конструктивными элементами в электроснабжении транспортных предприятий. Аварии и выход из строя силовых трансформаторов сопровождаются дугой и короткими замыканиями, если учесть, что трансформаторы располагаются на территории подстанций, а также внутри цехов, то последствия могут быть непредсказуемые.

Для исключения несчастных случаев при обслуживании и эксплуатации высоковольтного оборудования необходимо уделять особое внимание методам и способам мониторинга состояния силовых трансформаторов, высоковольтных вводов, изоляторов и др.

Как было сказано выше в п. 3.1 (Таблица 3.5), нормативные документы устанавливают значения показателей надёжности силовых трансформаторов и для выяснения целесообразности продления эксплуатации, замены или остановки для проведения ремонта необходим индивидуальный подход к каждому трансформатору, в том числе к системам диагностики, поскольку условия эксплуатации различные.

В настоящее время техническое обслуживание и эксплуатация силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации, осуществляется в соответствии с нормативными документами [200, 219-222], которые определяют виды, объёмы,

периодичность работ и диагностических исследований при техническом обслуживании силовых трансформаторов.

В основном сроки проведения диагностических мероприятий носят регламентирующий характер, независимо от фактического состояния оборудования.

Как указано выше в п. 1.4 методы контроля состояния оборудования, с учётом использования комплексной системы диагностики, не определяют остаточный ресурс состояния элементов конструкции трансформатора, а также вероятность возникновения аварий из-за развития дефектов [248, 250, 253, 254]. Отсутствует чёткая взаимосвязь между динамикой развивающихся дефектов и анализом причин возникновения аварий.

Дефекты, возникающие в трансформаторе, приводят к выходу из строя электрооборудования, а эксплуатация неисправного оборудования увеличивает вероятность возникновения несчастных случаев при обслуживании и эксплуатации трансформаторов.

Дефекты, возникающие в трансформаторе, можно разделить на следующие виды:

- дефекты, которые мгновенно развиваются под действием токов короткого замыкания, а также при перенапряжениях. Аварии в данном случае предотвращаются при использовании быстродействующих защит, предохранителей, разрядников, ограничителей тока короткого замыкания;

- быстро развивающиеся дефекты, которые в процессе эксплуатации в короткий промежуток времени приводят к авариям и к выходу из строя силового трансформатора. К таким дефектам можно отнести: повреждения системы охлаждения, повреждение высоковольтных вводов, резкое снижение сопротивления изоляции (искрение, наличие поверхностных разрядов, быстрое нарастание содержания газа и примесей в

трансформаторном масле) и др. Быстро развивающиеся дефекты выявляются с помощью датчиков непрерывного контроля, а также с помощью сигнализаторов;

- медленно развивающиеся дефекты, которые определяются средствами диагностического контроля. К медленно развивающимся дефектам можно отнести: наличие частичных разрядов, деформацию обмоток, увлажнение изоляции, содержание примесей в трансформаторном масле, нагрев отдельных элементов конструкций, усадка и деформация распорок, ослабление элементов крепления обмоток и магнитопровода, снижение диэлектрических характеристик изоляции, подгорание контактов РПН и др.

Все перечисленные виды дефектов зависят от многих факторов: климатических условий, режимов эксплуатации, загруженности фаз, сроков эксплуатации электрооборудования, а также своевременного технического обслуживания и ремонта. Безусловно, своевременная диагностика может выявить факт наличия дефекта или проследить динамику развития дефекта в процессе эксплуатации трансформаторного оборудования, но спрогнозировать состояние силового трансформатора не представляется возможным. Состояние силового трансформатора является важным фактором, который определяет безопасные условия эксплуатации и обслуживания.

Следовательно, система мониторинга и прогнозирования состояния силовых трансформаторов должна выполнять следующие функции:

- включать все современные методы диагностики, выявляющие по возможности все виды дефектов элементов конструкции трансформатора;

- содержать индивидуальную базу данных диагностических мероприятий, начиная от времени ввода трансформатора в эксплуатацию, включая информацию о заводских испытаниях;

- включать справочно-нормативную документацию об основных параметрах и характеристиках элементов конструкции трансформатора, системы охлаждения и изоляции;

- определение вида, степени развития и места повреждения элемента или узла силового трансформатора;

- определение состояния и прогнозирование остаточного ресурса силового трансформатора c использованием математического моделирования и математической обработки данных с целью исключения аварий и несчастных случаев при обслуживании и эксплуатации силовых трансформаторов;

- точность определения принятия решения.

Рассмотрим подход по обработке основных параметров состояния силовых трансформаторов с использованием регрессионного анализа [204, 223-225, 253].

При рассмотрении задачи по принятию решений за выходной параметр возьмем - D (принятие решения), который определяет следующие решения:

- вывод трансформатора в ремонт, демонтаж выемной части, межвитковые короткие замыкания, намотка и замена новых секций обмоток, крепежных элементов конструкции трансформатора;

- вывод трансформатора в ремонт, демонтаж выемной части, износ изоляции, наличие частичных разрядом, частичная или полная замена изоляции обмоток трансформатора.

В данном случае выходной параметр будет зависеть от многих входных факторов, которые оказывают существенное влияние на выходной параметр:

- частые ударные токи короткого замыкания;

- резкопеременная нагрузка;

- местные перегревы элементов конструкции;

- срок эксплуатации трансформатора;

- климатические условия эксплуатации трансформатора;

- продолжительность предельных режимов работы трансформатора;

- характеристики изоляционных материалов;

- эффективность работы системы охлаждения силовых трансформаторов;

- своевременное обслуживание силовых трансформаторов и др.

Рассмотрим в качестве примера силовой трансформатор, который осуществляет электроснабжение локомотивного депо. Выходной параметр D будет зависеть от следующих входных факторов Bi, а именно от: электрических параметров фидерной зоны; числа коротких замыканий при проведении испытаний электроподвижного состава (ЭПС); числа ЭПС в фидерной зоне; климатических условий эксплуатации; загруженности фаз; технических характеристик трансформатора и др. Зависимости выходного параметра D от входных факторов Bi, т.е. принятие решения в зависимости от параметров результатов наблюдений таблицу 5.1.

Принимаемые решения в технических задачах с использованием математических подходов напрямую зависят от исходных данных. Из-за этого возникают определенные проблемы: формирование таблицы 5.1 исходных данных осуществляется на основе параметров различных величин,

полученных в процессе эксплуатации оборудования, а также мнений экспертов и статистических данных.

Таблица 5.1

Результаты наблюдений за силовым трансформатором

1 В1 В2 Вт

1 В11 В21 В1т

2 В12 В22 В2т Э2

п Вп1 Вп2 Впт Эт

где I - номер наблюдений;

В№ - значение} фактора в / наблюдении;

Э - принимаемое решение.

Возникают вопросы:

- какие параметры являются основными;

- по каким методикам проводить измерения;

- как обрабатывать и интерпретировать полученные данные.

Рассмотрим возникшую проблему на примере. Пусть модель принятия решений имеет вид:

Э=А1В1+А2В2 (5.1)

Допустим, что для идентификации этой модели (определения А± и А2) получены следующие данные (таблица 5.2).

Таблица 5.2

Пример расчёта наблюдений

1 В1 В1 В

1 1 2 5

2 2 4 10

3 2 2 6

Результаты наблюдений генерируются следующей зависимостью:

Б = В1 + 2 В2 (5.2)

Это уравнение в дальнейшем будем использовать для оценки качества и сходимости модели.