Основы создания оптимальных систем обеспечения электробезопасности людей при эксплуатации электроустановок сельскохозяйственного назначения напряжением 380 В тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, доктор технических наук Никольский, Олег Константинович

• Никольский, Олег Константинович
• доктор технических наук
• 1978

Оглавление диссертации доктор технических наук Никольский, Олег Константинович

Введение.*.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Развитие электрификации сельского хозяйства и анализ производственного электротравматизма

1.2. Общая характеристика и анализ организационно-технических мероприятий и защитных средств, применяемых в сельском хозяйстве

1.3. Обзор основных научных направлений и работ в области электробезопасности в СССР и за рубежом

1Л. Обоснование нового перспективного научного направления в области теории электробезопасности - основ создания оптимальных систем.электробезопасности в сельском хозяйстве

1.5. Основные результаты научных исследований в девятой пятилетке по электробезопасности в сельском хозяйстве

1.6. Обоснование выбора объекта исследования

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПОСТРОЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ С СОЭБ)

2.1. Определение СОЭБ, основные понятия. Системные свойства СОЭБ

2.2. Структура СОЭБ, функции её подсистем и элементов. Структура системы "человек - внешняя среда - СОЭБ".,.

2.5. Система показателей уровня электробезопасности

2Л. Параметры системы "человек - внешняя среда - СОЭБ" и их классификация.

2.5. Характеристики (показатели) функционирования системы.

Глава РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СБОРА И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОТРАВМАТИЗМА ЛЮДЕЙ С ЦЕЛЫ) ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАЧ

НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СОЭБ.

3.1. Вероятностно-детерминистический подход к анализу электротрэвматизма.

3.2. Информационные задачи и требования к структуре системы сбора и анализа электротравматизма в сельском хозяйстве.

3.3. Факторный метод анализа злентротравыатизма.

3.4. Постановка задачи прогнозирования уровня электробезопасности.*. 124'

Глава 4. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

ДЛЯ СБОРА И АНАЛИЗА ДАННЫХ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ.

4.1. Формирование функциональной структуры информационно-измерительного комплекса.

4.2. Метод автоматического сбора информации о динамике состояния электрической изоляции.

4.3. Структура измерительной информационной системы.

4.4. Подсистема эксплуатационного контроля параметров злектробезопасности и диагностики состояния технических мероприятий и защитных средств.

4.5. Методы и средства эксплуатационного контроля параметров злектробезопасности и диагностики состояния технических мероприятий и защитных средств.

4.5.1. Контроль тока утечки.

4.5.2. Контроль напряжений прикосновения, шага и тока короткого замыкания.

----т. -.—---

4.6. Методика планирования измерительных экспериментов при использовании информационно-измерительного комплекса.

4.6.1. Планирование экспериментов на этапе решения научных задач (статистический анализ случайных значений измеряемых параметров, определяющих состояние изоляции в электроустановках).

4.6.2. Планирование экспериментов на этапе проектирования оптимальной СОЭБ.

4.7, Математические модели состояния электрической изоляции, зависящего от параметров микроклимата животноводческих помещения.

Глава 5. ОБОСНОВАНИЕ И ОБОБЩЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЗАЩИТНЫМ СРЕДСТВАМ, РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭТИХ СРЕДСТВ. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЭБ.

5.1. Обоснование и обобщение требований к основным параметрам устройств защитного отключения по току утечки.

5.2. Исследование и разработка устройств защитного отключения по току утечки серии РУД.

5.2.1. Основные результаты исследований чувствительного органа защиты.

5.2.2. Реле утечки типа РУД-01.

5.2.3. Реле утечки типа РУД-02.

5.2.4. Реле утечки типа РУД-035(РУД-035Ю.

5.2.5. Реле утечки РУД-036.

5.3. Развитие методики вероятностной оценки технической эффективности технических мероприятий и защитных средств.

5.3.1, Сущность методики.

5.3.2.'Вероятности опасного и смертельного исходов воздействия электрического тока на человека в ситуациях Q , R и 5 (при отсутствии средств электро-запуяты).,,.

5.3.3. Вероятностная оценка технической эффективности устройства защитного отключения.

5.3.4. Вероятностная оценка технической эффективности защитного заземления.

5.3.5. Вероятностная оценка технической эффективности за-нуления.*.

5.3.6. Вероятностная оценка технической эффективности системы УЗО - зануление.

5Л. Разработка методики оценки экономической эффективности СОЭБ,.

5.4.1. Предотвращенные среднегодовые материальные потери.

5.4.2. Приведённые затраты.

Глава 6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В УСЛОВИЯХ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ

ПОМЕЩЕНИЙ.

6.1. Виды исполнения и особенности функционирования СОЭБ.

6.2. Детерминированная математическая модель опасных ситуаций Q и R .23?

6.3. Вероятностная модель формирования условий опасности поражения человека в ситуациях Q и R

6.3.1. Определение условной вероятности электропоражения при использовании одного защитного средства.

6.3.2. Определение условной вероятности электропоражения при использовании системы технических мероприятий

- б и защитных средств (УЗО - зануление)

6.4. Матричный метод определения вероятности элентропораженин человека (опасного или смертельного исхода) на производственном объекте

6.5. Математическая модель ущербов от перерывов электроснабжения, обусловленных применением СЗО

6.5.1. Математическая модель времени перерыва электроснабжения

6.5.2. Метод расчета длительностей перерывов электроснабжения в аварийном режиме

6.5.3. Метод расчета длительностей перерывов электроснабжения в эксплуатационном режиме

6.5.4. Метод расчета ущербов от перерывов электроснабжения

6.6. Структура математической модели системы "человек - внешняя среда - СОЭБ"

Глава 7, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ЛЮДЕЙ НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ.

7.1. Основные задачи оптимизации.

7.2. Методы системной оптимизации СОЭБ

7.2.1. Параметрическая оптимизация

7.2.2. Структурная оптимизация

7.2.3. Структурно-параметрическая оптимизация

7.2.4. Методика инженерного расчета оптимальных структур электрозащитных средств и рекомендации по выбору этих структур для животноводческих объектов

7.2.5. Оптимизация в условиях неопределенности . 298з

7.3. Методический подход к оптимизации стратегии эксплуатации СОЭБ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы создания оптимальных систем обеспечения электробезопасности людей при эксплуатации электроустановок сельскохозяйственного назначения напряжением 380 В»

Большие и важные задачи ставятся перед сельским хозяйством в период развитого социализма. Сущность аграрной политики нашей партии, сформулированной Л.И.Брежневым на ХХУ съезде КПСС, состоит в том, чтобы "добиться надёжного снабжения страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьём,. идти всё дальше по пути сближения материальных и культурно-бытовых условий кизни города и деревни".

Среди мер, направленных на повышение эффективности сельского хозяйства, большое значение имеет техническое перевооружение отрасли, специализация и концентрация производства, создание агропромышленных объединений и предприятий. Одним из важных факторов развития технической базы сельского хозяйства, как известно, является электрификация технологических процессов, позволяющая ревко повысить производительность труда и облегчить условия работы тружеников деревни.

Рост электрификации сельского хозяйства неизбежно связан с повышением интенсивности взаимодействия людей с электроустановками. Если при этом не предусматриваются дополнительные меры, направленные на улучшение электробезопасности, то вероятность поражения людей электрическим токои резко повышается. Этим и объясняется наблюдавшаяся в 50-х годах тенденция к резкому возрастанию сельскохозяйственного (и бытового) электротравматизна. К концу б0-х годов электротравыатизы на селе (по данным ВНИИ охраны труда ВЦСПС, г.Ленинград ) составил уже около 30% от общего числа злектропоражений во всех отраслях народного хозяйства. Одной, иэ основных причин неудовлетворительного состояния злектро-безопасности в сельсвом хозяйстве является недостаточность научного обеспечения мероприятий, направленных на создание безопас

- 10 i-шх условий обслуживания электроустановок.

Партия и правительство проявляют большую заботу о здоровье советских людей, дальнейшем улучшении условий их труда. Профилактика производственного травматизма (в том числе и электротравматизма) рабочих и служащих рассматривается в нашей стране как важнейшая государственная задача.

Программа социального развития и повышения уровня жизни советского народа нашла свое отражение в историческом документе "Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976-1980 годы". Этой программой предусматривается "дальнейшее улучшение условий и охраны труда, широкое использование достижений науки и техники, совершенствование технологии и оборудования для обеспечения безопасных условии работы". При этом особо акцентируется внимание разработке фундаментальных научных основ охраны труда и опережающем развитии теоретических исследований в области техники безопасности. "Нет ничего более практичного, - говорил на ХХУ съезде товарищ Л.И.Брежнев, - чем хорошая теория". Весьма ванным также является доведение в кратчайшие сроки теоретических и прикладных работ до стадии внедрения. Как указывает Л.И.Брежнев: "Практическое внедрение новых научных идей - это сегодня не менее важная задача, чем их разработка" [4] .

Выбор темы диссертационной работы основывается автором на решениях ХНУ и ЮСУ съездов КПСС об улучшении охраны труда и техники злектробезопасности в народном хозяйстве, а значимость выбранной теш подтверждается последующими партийными документами, в том числе постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР 1979 г. "О мерах г>о дальнейшему развитию электрификации сельского хозяйства".

Диссертационная работа посвящена важной в научном и практическом аспектах проблеме повышения эффективности системы обеспечения электробезопасности (СОЭБ) людей при их взаимодействии с-сельскохозяйственными электроустановками напряжением 0,38 кВ с глухозаземленной нейтралью. В научном отношении проблема состоит в разработке теоретических основ построения оптимальных систем электробезопасности, а в практическом - в создании такой системы, которая бы обеспечила при известных организационных мероприятиях и заданных затратах наивысший уровень электробезопасности.

В качестве объектов исследования были выбраны молочные фермы и животноводческие комплексы крупного рогатого скота. Выбор этих объектов не случаен, поскольку яивотноводство является важнейшей отраслью сельскохозяйственного производства с высоким уровнем электромеханизации технологических процессов. В настоящее время в этой отрасли занята значительная часть сельских тружеников, причём суммарные затраты труда состовляют около 50% общих затрат труда в сельскохозяйственном производстве [19] . Следует отметить также, что животноводческие фермы крупного рогатого скота относятся к категории помещений с высокой опасностью электропоракения [122,227].

Актуальность проблемы электробезопасности объясняется двумя основными причинами. Первая - социальная значимость. Как известно [95] , электротравматизм в сельском хозяйстве нашей страны продолжает расти, хотя и замедленными темпами. Вторая причина состоит в том, что при использовании известных в настоящее время защитных средств для резкого снижения сельскохозяйственного электротравматизма потребуются огромные капиталовложения, исчисляемые миллиардами рублей. Отсутствие научных основ электробезопасности в сельском хозяйстве отрицательно сказывается на эффективности применяемых электрозащитных средств и мероприятий. Поэтому актуальной и важной задачей стало развитие и обобщение основных положений общей теории электробезопасности, поиск новых эффективных и экономически целесообразных путей предупреждения и ликвидации элек-тротравматизыа.

В диссертации выдвинута системотехническая концепция изучения условий злектробезопасности, состоящая в комплексном рассмотрении компонентов системы "человек - внешняя среда - СОЭБ" и выявление их взаимодействия.

Разработаны научные основы построения оптимальных систем обеспечения электробезопасности, позволившие сформировать структуру СОЭБ и представить её в виде совокупности ряда подсистем (информационного обеспечения, организационных мероприятий, технических мероприятии и защитных средств, эксплуатационного контроля параметров электробезопасности и диагностики состояния технических мероприятий и защитных средств), неразрывно связанных друг с другом и объединённых общей целью функционирования.

Развитый в работе вероятностный подход к изучению условий электробезопасности позволил выявить наиболее значимые факторы и параметры, лдияюцие на возникновение опасных ситуаций и исход электротравмы, научно обосновать требования к средствам электрозащиты и количественно оценить эффективность разработанной системы злектробезопасности с технической и экономической сторон.

Выдвинутая идея и разработанные основы оптимизации СоЭБ служат научной базой для создания системы, обеспечивающей при заданных затратах наивысший уровень злектробезопасности.

Разработанные на базе новой теории рекомендации при их практическом использовании позволяют решить две главные задачи: социальную - обеспечение высокого уровня электробезопасности труда работников сельскохозяйственных профессий и экономическую -резкое снижение затрат на создание системы злектробезопасности и материальных ущербов, вызванных электротравматизмом. Социальный эффект состоит в снижении вероятности электропоражения почти в 5 раз. Внедрение разработанных рекомендаций только в отрасль животноводства страны приведёт к предотвращению материальных ущербов в среднем в размере 11 млн.руб/год

Практическое значение выполненной работы состоит: -в создании научных основ для разработки наиболее совершенных и перспективных систем обеспечения электробезопасности в сельском хозяйстве;

- разработке эффективных организационно-технических мероприятий и электрозащитных средств (информационной системы сбора и анализа злектротравматизма, высокочувствительных устройств защитного отключения по току утечки, приборов для эксплуатационного контроля состояния электробезопасности);

- создании современной экспериментальной базы для проведения научных исследований по изучению условий электробезопасности в действующих электроустановках;

- разработке методик количественной оценки технической и экономической эффективности систем электробезопасности в сельском хозяйстве;

- разработке инженерных методов оптимизации СОЭБ, положенных в основу проектирования сельскохозяйственных объектов;

- использовании результатов исследования в учебном процессе,

Результаты работы были использованы при разработке следующих директивных.и руководящих документов: "Технические требования на высокочувствительные дифференциальные реле для защитного отключения по току утечки в сетях 380/220 В с глухозаземлённой нейтралью", "Рекомендации по монтажу и эксплуатации защитно-отключающих устройств по току утечки" и "Временные указания по проектированию электроснабжения комплексов по производству продуктов животноводства на промышленной основе".

Научные результаты и выводы, сформулированные в работе, были использованы при составлении координационных планов научно-исследовательских работ Минеельхоза СССР, и Минвуза РС<ЮР. на 10-ую пятилетку, а также при разработке проекта долгосрочной.программы научных исследований по технике электробезопасности и сельском хозяйстве на 1981-2000гг.

По результатам исследований разработаны и изданы в СО ВАСХНИЛ "Рекомендации по созданию системы обеспечения электробезопасности в животноводстве Западной Сибири",являющиеся практическим руководством для зоны СиОири и Дальнего Востока.

Результаты исследований явились основой разработанных методических материалов ("Методика экономической эффективности системы обеспечения электробезопасности в сельском хозяйстве" и "Методические указания по проектированию оптимальных систем электробезопасности для сельскохозяйственных объектов"), переданных в органы Госэнергонадзора и подразделения Минсельхоза РС«СР для использования и внедрения в проектную практику.

Отдельные результаты исследований реализованы при выполнении хоздоговорных работ в созданной и руководимой автором научно-исследовательской лаборатории (НИЛ-5), являющейся головной координирующей организацией по проблемам электрификации сельскохозяйственного производства в системе Минвуза РС<ЮР:

- разработаны и внедрены в ряде сельскохозяйственных и промышленных предприятий Западной Сиоири опытные образцы высокоэффективных устройств защитного отключения серии РУД (РУД-035, РУД-035М, РУД-036);

- разработаны и апробированы в ВИХХе, МШСНе и ЧШХХе измерительные информационные системы (ИИС-02, АСР и ЙИК-1), с помощью которых были проведены научные исследования по проблемам электробезопасности, электроснабжения и эксплуатации установок напряжением до 1000 В;

- разработаны и переданы в ВИЭСХ новые устройства эксплуатационного контроля состояния электробезопасности (НШН-01, НПШ-ОЗ,

ИТУ-OI и др.), опытные образцы прошли многолетнюю эксплуатационную проверку в различных зонах страны;

- разработаны технические условия и проектная документация на серийное производство измерителя напряжений прикосновения и шага для сельских электроустановок;

- разработана и внедрена в "Барнэулэнерго" информационная система сбора и анализа злектротравматизма.

Проведенный комплекс научных и практических работ способствует решению проблемы ликвидации злектротравматизма в сельском хозяйстве. Только от внедрения устройств защитного отключения в отдельных районах Алтайского края экономический эффект, обусловленный предотвращенным от электротравм ущербом, составил в среднем 550 тысяч рублей в год.

Опытные образцы разработанных элементов системы злектробезопэс-ности неоднократно экспонировались на ВДНХ СССР и ВДНХ Алтайского края, отмечены дипломами.

Автор защищает:

I. Новое перспективное научное направление в области теории электробезопасности в сельском хозяйстве. Новизна этого направления состоит в том, что важная в социальном и экономическом аспектах проблема создания эффективной системы злектробезопэсности людей, обеспечивающей при известных организационных мероприятиях и заданных затратах наивысший уровень злектробезопэсности, решается с учетом существенных связей методу информационной подсистемой (сбор, хранение, обработка и анализ данных.об электротравматизме и о состоянии электробезопасности в действующих электроустановках), подсистемой электрозащит ных средств и мероприятий (устройства защитного отключения, за-нулеиие, изоляция, выравнивание электрических потенциалов и т.п.) и подсистемой средств эксплуатационного контроля параметров, определяющих меру электробезопасности (специализированные приборы для измерения напряжений прикосновения и шага, тока утечки, сопротивления петли "фаза - нуль" и др.)*

2. Теоретические основы создания эффективных систем обеспечения электробезопасности, базирующиеся на современных системотехнических и зероятностных представлениях (позволивших достаточно полно и обоснованно учесть основные случайные факторы, оказывающие наибольшее влияние на состояние элентробезопасности) к содержащие: новые определения и обобщения основных положений теории электробезопасности; функциональное и структурное описание системы электробезопасности, зё подсистем и элементов; количественные показатели, характеризующие свойства и взаимосвязи элементов системы "человек (объект защиты) - внешняя среда (сельскохозяйственные электроустановки) - СОЭБ"; количественные показатели, характеризующие техническую и экономическую эффективность СОЭБ, и методику их оценки; обобщенную математическую модель функционирования системы элентробезопасности в условиях сельскохозяйственного производства; методы структурной и параметрической оптимизации СОЭБ для сельскохозяйственных объектов.

3. Обобщенную математическую модель системы "человек - внешняя среда - СОЗБ", в которой специфика сельского хозяйства отражается путем установления основных взаимосвязей между её компонентами и учета следующих факторов: электрических параметров тела человека, его профессиональной деятельности, параметров микроклимата производственных помещений, электроустановок и опасных ситуаций, структуры подсистемы электрозащитных средств и мероприятий, их параметров и ущерба от перерывов электроснабжения, вызванных срабатыванием устройств защитного отключения, а такие предотвращенного материального ущерба, обусловленного производственным электротравматизмом.

Методы оптимизации СОЭБ, в основе которых лежит выбор структуры (размещение электрозащитных средств на объекте) и определение параметров этих средств, обеспечивающие наивысший уровень электробезопасности в условиях ряда ограничений (заданы набор технических мероприятий и защитных средств, система электроснабжения, условия эксплуатации электрооборудования, приведенные затраты и т.д.), учитывающих особенности сельскохозяйственного производства.

5. Систему сбсра и анализа злектротравматизма, обеспечивающую учет многочисленных факторов (оказывающих влияние на электробезопасность) и автоматизацию переработки больших объемов информации и позволяющую решать принципиально новые задачи: проектирование оптимальных СОЭБ, количественную оценку её эффективности и прогнозирование уровня злектробезопасности.

6. Информационно-измерительный комплекс для сбора и анализа данных, определяющих состояние электробезопасности, позволяющий надежно обеспечивать необходимой информацией все основные этапы разработки к функционирования системы злентрозащитных средств и решить ряд новых научных задач в области эксплуатации сельских электроустановок я электробезспаоности, в том числе изучить влияние параметров микроклимата сельскохозяйственных помещений на изоляцию внутренних сетей.

7. Технические требования на устройства защитного отключения и новые электрозащитные средства по току утечки серии РУД, учитывающие результаты многолетних исследований по обоснованию параметров и схем, а также накопленный опыт производственной эксплуатации первых отечественных и зарубежных устройств защиты и являющиеся базой для создания промышленностью унифицированных устройств защитного отключения для сельского хозяйства.

В. Систему приборов эксплуатационного контроля, устанавливающую соответствие между состоянием электробезопасности, характеризуемым определенным "набором" контролируемых параметров, и заданными нормируемыми их значениями и позволяющую осуществлять периодическую проверку исправности электрозащитных средств и мероприятий, а также диагностику электробезопасности в действующих сельскохозяйственных электроустановках.

9. Методику оценки экономической эффективности систем обеспечения электробезопасности, в основе которой лежит учет (или прогноз) предотвращенных материальных ущербов, обусловленных производственным электротравматизмом со смертельным исходом.

10. Рекомендации по проектированию эффективных систем электробезопасности для животноводческих помещений, позволяющие добиться значительного снижения злектротравматизма и экономии затрат и базирующиеся на новых математических .методах оптимизации и на инженерном расчете структур подсистемы взаимосвязанных технических электрозащитных средств и мероприятий.

Выполненный в диссертации комплекс работ явился базой для создания новой эффективной системы электробезопасности людей в сельском хозяйстве, обеспечивающей значительный социальный и экономический эффект. Наиболее важные научные и практические результаты исследований составляют основу дальнейшей работы научных подразделений, проектных организаций, Тосэнергонадзора, предприятий Минэлектротехппома и Минприбора, профсоюзных органов по профилактике и ликвидации производственного электротравматизма.

Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, подтверждены экспериментальной проверкой и многолетним опытом производственной эксплуатации элементов системы электробезопасности в действующих электроустановках сельскохозяйственного назначения в различных зонах страны (Западной О'Дбири, Нечерноземной зоны РСФСР, Украины и Закавказья) .

Исследования, проведенные в последние годы за рубежом (Альтман и Ланге в ГДР, Мезцаров в ВНР, Гизек в ЧССР) в области разработки общей теории электробезопасности, а также диссертационные работы Упита А,Р. и Халина S.B. (ВИЭСХ), Сошникова А.А. (МИИСП) и Хоиутова О.И. (ЧИМЭСХ), выполненные при научной консультации автора, являются дополнительным подтверждением обоснованности научных положений, сформулированных в диссертации.

Диссертационная работа была выполнена в Алтайском политехническом институте им.И.И.Ползунова в 1968-1978 гг.

Разработка отдельных элементов системы электробезопасности и их производственная эксплуатация осуществлялись сотрудниками НИЛ-5 и аспирантами под руководством и .при личном участии автора. Полученные при этом результаты использовались в качестве иллюстрации научных положений, изложенных в диссертации. В разработке алгоритмов и проведении расчетов принимал участие О.Н.Дробязко.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии со следующими государственными и ведомственными планами.

I, Координационный план работ на I97I-I975 гг., утвержденный Постановлением Президиума ВЦСПС и Госкомитетом СМ СССР по науке и технике от 30 октября 1970 г., № 20-10/44.

Проблема 0.69.225 "Разработать научные основы и мероприятия по оздоровлению условий труда, снижению профессиональной заболеваемости, предупреждению травматизма и социальным вопросам охраны труда":

раздел 2-16 "Разработать рекомендации по рациональной эксплуатации устройств защитного отключения применительно к условиям сельскохозяйственного производства, разработать устройство поиска мест повреждения изоляции и методику определения оптимальных мест установки устройств защитного отключения".

раздел 2-4 "Разработать методику вероятностной оценки условий электробезопасности людей и животных в сельском хозяйстве".

Р. Координационный план работ на I97I-I975 гг. Минсельхоза СССР и ВАСХНИЛ по решению научно-технической проблемы 16.26 "Разработать системы электроснабжения сельскохозяйственных мобильных электроагрегатов, эксплуатации и электробезопасности электроустановок и обосновать требования к электроснабжению сельского хозяйства":

раздел Г "Разработать научные основы и технические средства обеспечения электробезопасности эксплуатации мобильных электроагре-гагов и стационарных электроустановок".

7>. Координационный план научно-исследовательских работ на I97I-I975 гг. Минвуза РСФСР по проблемам сельского хозяйства.

Тема: "Разработка и исследование систем обеспечения элентробез-опасности людей при эксплуатации электроустановок напряжением до 1000 В в сзльском хозяйстве". Головная организация - Алтайский политехнический институт.

Координационный план работ на 1976-1980 гг. Минсельхоза СССР и ВДСХНКЛ по решению научно-технического задания 16.05 "Обосновать требования к электроснабжению сельского хозяйства и разработать рекомендации по созданию рациональных систем электроснабжения, электро-безопэсности и организации эксплуатации электроустановок с учетом промышленного способа производстве сельскохозяйственной продукции": раздел 02.06.04 "Разработать и обосновать на перспективу рациональную систему электробезопасносги на комплексах по производству сельскохозяйственной продукции на промышленной основе, обеспечивающую заданный уровень электробезопасности при минимальных затратах по зонам (Сибирь и Алтайский край)".

раздел 02.07.02 "Разработать методы контроля и средства поиска и определения мест повреждения изоляции проводок в сельскохозяйственных помещениях".

5. "Координационный план межвузовской научно-технической программы "Повышение продуктивности сельского хозяйства Нечерноземной зоны РСФСР" на 1976-1980 гг.

Тема: "Разработать и исследовать системы обеспечения электробезопасности при эксплуатации электроустановок напряжением до 1000 Б с учетом промышленного способа производства сельскохозяйственных продуктов". Головная организация - Алтайский политехнический институт.

Автор глубоко признателен доктору технических наук, профессору Якобсу А.И. за внимание, полезные советы и критические замечания, сделанные ем при подготовке диссертации.

- 20

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Никольский, Олег Константинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОБЩЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведенных исследований разработано новое перспективное направление в области электробезопасности в сельском хозяйстве - научные основы и практические методы создания эффективных (оптимальных) систем, обеспечивающих при заданных затратах наивысший уровень электробезопасности людей; намечены дальнейшие научные задачи решения социальной проблемы - ликвидации производственного злектротравматизма.

Разработанные научные оснбви, базирующиеся на современных систомотехнических и вероятностных представлениях, содержат: новые определения pi обобщения основных положений теории электробезопас-постм; функциональное и структурное описание системы злектробезопасности, ее подсистем и элементов; количественные показатели (параметры и их классификация), характеризующие свойства и взаимосвязи компонентов системы "человек (объект защиты) - внешняя среда (сельскохозяйственные электроустановки) - СОЭБ"; количественные показатели, характеризующие техническую и экономическую эффективность системы злектробезопасности, и методику их оценки; обобщенную математическую модель функционирования системы электробезопасности в условиях сельскохозяйственного производства; методы структурной и параметрической оптимизации СОЭБ для сельскохозяйственных объектов.

На основе развитой теории разработана эффективная система злектробезопасности, представляющая собой (при известных организационных мероприятиях) единую совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем информационного обеспечения, технических мероприятий и защитных средств, эксплуатационного контроля.

Выполненный в диссертации комплекс работ является научно-технической базой, с помощью которой в дальнейшем проектными организациями, Госэнергонадзором, предприятиями Минэ л е кт р о т е хпр ома и Минприбора могут быть решены задачи создания оптимальной системы электробезопасности людей в сельском хозяйстве, обеспечивающей значительный социальный и экономический эффект. Установлено, что внедрение разработанных рекомендаций позволит в ближайшие годы снизить сельскохозяйственный электротравматизм почти в 5 раз и добиться при этом существенной экономии затрат. Предотвращенный материальный ущерб от производственного злектротравматизма только на фермах и комплексах крупного рогатого скота ежегодно составит з среднем II млн.руб.

Б результате проведенных исследований сделаны следующие общие выводы:

1, Разработанный на основе системного анализа методический подход, который позволил комплексно и целенаправленно изучить взаимодействие компонентов сложной стохастической системы "человек

- внешняя среда - СОЭБ", является научной базой для создания эффективных и экономически целесообразных систем обеспечения электробезопасности людей в сельском хозяйстве.

2. Для описания свойств и взаимосвязей компонентов системы "человек - внешняя среда - СОЭБ" с целью дальнейшего ее моделирования введены соответствующие параметры к разработана их классификация.

Оценку качества функционирования СОЭБ необходимо проводить з помощью введенных в диссертации показателей технической и экономической эффективности. В качестве показателей технической эффективности, отражающих степень выполнения поставленной перед СОЭБ цели, следует использовать вероятностные характеристики уровня злектробезопэсности: векторы вероятностей электропоражения вероятностей электробезопасности РШка производственном объекте, математическое ожидание уровня электробезопасности коэффициент снижения электротравматизмаКс и математическое ожидание числа злектропоражений М(ЭП)^ за время Т в отрасли. Для оценки экономической эффективности СОЭБ в зависимости от постановки задачи оптимизации предложены приведенные затраты, полные затраты, учитывающие остаточный (непредотвращенный) материальный ущерб от производственного электротравматизма, и среднегодовой экономический эффект, представляющий разность между предотвращенным ущербом и приведенными затратами.

3. 3 основе методики оценки экономической эффективности СОЭБ лежит расчет (прогноз) предотвращенных материальных ущербов от электротравм (непосредственно связанных с производственной деятельностью работников) и учет предотвращенных затрат, обусловленных возможными последствиям этих электротравм (выплата пенсий, пособий II т.п.).

4. По функциональным свойствам СОЭБ ее структуру следует рассматривать как совокупность взаимосвязанных 4-х подсистем: информационного обеспечения ПСх , организационных мероприятий ПС^ , технических мероприятий и защитных средств ПС/jr- , эксплуатационного контроля параметров электробезопасности и диагностики технических мероприятий к защитных средств ПС ft . Такое структурное подразделение системы электробезопасности дает возможность с одной стороны провести анализ основных её составляющих, а с другой -зыяы-'ть связи между этими составляющими и представить СОЭБ как единое целостное образование.

5. Обобщенная математическая модель системы "человек - внешняя среда - СОЭБ" отражает специфику сельского хозяйства путем установления основных связей между её компонентами и учета следующих факторов: электрических параметров тела человека, его профессиональной деятельности, параметров микроклимата производственных помещений, электроустановок и опасных ситуаций, структуры подсистемы технических мероприятий и защитных средств, их параметров и ущерба от перерывов электроснабжения, вызванных срабатыванием УЗО, а также предотвращенного материального ущерба, обусловленного производственным электротравматизмом. Эта модель является основой проектирования на ЭВМ оптимальных СОЭБ для различных сельскохозяйственных объектов,

6. Предложенный в диссертации методический подход к оптимизации системы электробезопасности в сельском хозяйстве позволяет выделить два основных направления. Первое направление включает круг задач, связанных с обоснованием качественного состава всей СОЭБ и отдельных её подсистем. Задачи такого вида могут решаться на основе приближенно--! оптимизации. Ко второму направлению относится оптимизация структур и параметров заданной подсистемы электрозащитных средств и мероприятий применительно к сельскохозяйственным объектам. Решение такой задачи требует разработку специальных методов системной оптимизации.

7. Методы структурной и параметрической оптимизации СОЗБ позволили решить основную задачу современной теории электробезопасности - разработать и обосновать рекомендации по созданию системы, обеспечивающей при заданных затратах наивысший уровень электробезопасности.

При выборе наилучших вариантов исполнения СОЭБ традиционные критерии оптимизации не приемлемы: "приведенные затраты" не учитывают ущерба от электротразм, а "минимум полных затрат" не дает желаемого электрозащитного эффекта. Поэтому при проектировании СОЭБ выбор её наилучшего варианта (с учетом социальной значимости проблемы ликвидации производственного электротравматизма) следует проводить по критерию "максимум технической эффективности" при ограничениях на приведенные затраты.

Наиболее эффективной оптимизацией СОЭБ является структурная, в основе которой легат поиск рационального размещения электрозэ-щитннх средств на производственном объекте в условиях ряда ограничений (заданы набор технических мероприятий и защитных средств, система электроснабжения, условия эксплуатации электрооборудования, затраты и т.п.), учитывающих особенности сельскохозяйственного производства. В настоящее время метод структурной оптимизации внедряется в практику проектирования животноводческих объектов (ферм и комплексов).

8. Структура системы сбора и анализа электротравматизма в сельском хозяйстве содержит тезаурус электротравмы, представляющий первичную информацию (данные о случае электропоражения) в систематизированном и формализованном виде. Это дает возможность с одной стороны учесть многочисленные факторы, оказывающие влияние на электробезопасность, а с другой - автоматизировать переработку -ольшх массивов информации. Разработанный факторный метод позволяет провести количественный анализ основных признаков электротрэв-: <;т 'з.чэ. Применение системы сбора и анализа электротравматизма делает возможным получение-исходных данных, необходимых для решения принципиально новых задач, например, прогнозирование уровня элект-робезопзсности. Систему целесообразно использовать в рамках всей отрасли сельскохозяйственного производства. Основные затраты при гтом пойдут на создание математического обеспечения и проведения ежегодных расчетов на ЭВМ, длительностью не более 2-3 часов.

9. Информационно-измерительный комплекс, состоящий из измерительной информационной системы (ШС) и технических средств подсистемы эксплуатационного контроля позволяет автоматизировать сбор и обработку данных о факторах и параметрах, оказывающих влияние на состояние электробезопасности в сельском хозяйстве. Использование ЙЙС дало возможность значительно повысить качество проведения научных экспериментов и решить ряд новых задач в области эксплуатации сельских электроустановок и злектробезопасности, в том числе изучить влияние параметров микроклимата сельскохозяйственных помещений на изоляцию внутренних сетей. Затраты при использовании ИИС в два раза меньше, чем при "ручном" сборе информации.

10. Опыт применения в сельском хозяйстве первътх отечественных и зарубежных устройств защитного отключения, а также оценка электрозащитной эффективности УЗО в работах ВМЭСХа полностью подтвердили обоснованность выдвинутого автором в 1968 г. положения о том, что "наиболее эффективным средством электрозащиты в установках напряжением до 1000 В являются защитно-отключающие устройства, обеспечивающие безопасность человека при появлении основных опасных ситуаций".

Разработанные технические требования на УЗО учитывают результаты многолетних исследований по обоснованию параметров и схем защитного отключения, (в частности, чувствительности защиты на основе определения уровней естественных токов утечки в сельскохозяйственных помещениях), а также накопленный опыт производственной эксплуатации устройств защиты серии РУД и

Разработанные новые модификации защитной аппаратуры (РУД-035, РУД-035м, РУД-036 и др.) имеют улучшенные параметры (номинальный ток до 150 Л, регулируемая уставка и др.) в сравнении с аналогично''! защитой, выпускаемой промышленностью. Б процессе производственной эксплуатации защитных устройств зарегистрированы случаи предотвращения смертельных электропоражений людей.

Проведенный комплекс исследований в области защитного отключения служит базой для создания промышленностью унифицированных УЗО для сельского хозяйства.

11. Важным условием, обеспечивающим безопасность эксплуатации электроустановок, является высокая надежность изоляции токо-ведущих частей оборудования. Количественная оценка электрозащитной эффективности изоляции показала, что применение (в соответствии с ПТЭ) в животноводческих помещениях с высокой влажностью и наличием агрессивных паров аммиака электродвигателей в химически стойком исполнении позволяет (при прочих равных условиях) снизить электротравматизм (обусловленный прикосновением людей к корпусам оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции) в 4,4 раза. При этом затраты возрастут на 60%.

12. Структура оптимальной системы электробезопасности на сельскохозяйственных объектах представляет собой рациональный набор основных злектрозащитных средств и мероприятий (УЗО, зануленив, УВЗП) при наличии дополнительных (изоляция токоведущкх частей электрооборудования и естественное выравнивание электрических потенциалов внутри производственных помещений) и возможного использования вспомогательных (разделяющие трансформаторы, изолирующие вставки, система малых напряжений, защитные изолирующие средства), регламентируемых ПТБ и инструкциями с учетом местных условий. Такой набор средств является достаточным для достижения поставленной цели -создание электробеэопасных условий .работы сельских тружеников.

Установлено, что главным фактором,■обеспечивающим высокую электрозащитную эффективность средств, является не столько наличие большого количества аппаратов защитного отключения на объекте, сколько рациональное размещение этих аппаратов в производственном помещении. Оптимизация по максимуму показателя, характеризующего степень снижения злектротравматизма, при наличии ограничений на

- 3136 приведенные затраты (не более 60 руб. применительно к типовому проекту коровника на 200 ролов) позволяет выбрать структуру, обеспечивающую снижение электротравматизма в 4,84 раза и экономию затрат почти в 3 раза. Для достижения такого эффекта необходимо и достаточно установить аппараты защитного отключения (серии РУД) на вводе и в осветительной сети со следующими параметрами:Х= 100 и 25 А ' Г - 60 и 50 мА.

JfCitt

Потребность в устройствах защитного отключения для животноводческих помещений первой группы (коровники и комплексы КРС) оценивается в 0,537 млн.шт., приведенные затраты составляют 12,2 млн.руб.

В животноводческих помещениях второй (свинарники и овчарни) и третьей (конюшни и птичники) групп целесообразна комбинированная защита, представляющая собой сочетание головной (или групповой) с одиночной, с установкой УЗО на главных щитах (или в распределительных шкафах) и в осветительных сетях. Установка аппаратуры защитного отключения непосредственно на отдельных электроприёмниках не обеспечивает необходимый уровень злектробезопасности на объекте и нецелесообразна по экономическим соображениям.

Разработанная методика для проектирования оптимальной подсистемы технических электрозащитных средств и мероприятий может быть использована для различных сельскохозяйственных объектов (зерно-токи, ремонтные мастерские и др.) с учетом их специфики и при наличии определенной исходной информации.

13. Подсистема эксплуатационного контроляПС^, , в состав которой входят новые специализированные приборы для измерения^ , Уш , X, позволит обслуживающему персоналу проводить периодическую

J Jrff проверку исправности технических мероприятий и защитных средств (зануления, УЗО и УВЭП) в действующих электроустановках. Годовой эффект от внедрения прибора типа НПШ в Алтайском крае составил в среднем

430 тысяч рублей.

14. Применение б сельском хозяйстве оптимальной системы электробезопзсности, содержащей в своем составе разработанные подсистемы информационного обеспечения, технических мероприятий и защитных средств, эксплуатационного контроля, позволит получить социальный эшсиект, заключающийся в снижении среднего уровня опасности электпо

-6 поранения до значения 2-2,5*10 . Это означает, что в отрасли в ближайшие годы может быть достигнут наивысший уровень электробезопасности развитых стран.

Проведенный комплекс научных и практических работ уже способствует решению проблемы ликвидации электротрдвмэтизма в сельском хозяйстве. Только от внедрения устройств защитного отключения в отдельных районах Алтайского края экономический эффект, обусловленный предотвращенным от электротравм ущербом, составил в среднем 550 тыс. рублей в год.

15. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке ряда директивных и руководящих документов, в том числе раздела по злектробезопасности во "Временных указаниях по проектированию электроснабжения комплексов по производству продуктов животноводства на промышленной основе", а также методических материалов и долгосрочной программы научных исследований по технике злектробезопасности в сельском хозяйстве на 1981-2000 гг.

Перспективное развитие научных основ создания оптимальных систем электробезопасности, изложенных ъ настоящей работе, должно идти по двум основным направлениям.

Первое направление состоит в развитии и совершенствовании методов построения оптимальных СОЭБ, включая этапы внешнего и внутреннего проектирования.

Внешнее проектирование должно объединять круг задач, связанных с разработкой научно обоснованных требований к системе электробезопасности. Эти требования должки учитывать непрерывный рост электрификации сельского хозяйства и достижения научно-технического прогресса, разрабатываться на основе комплексного рассмотрения проблемы электробезопасности во всех её аспектах. Особо следует подчеркнуть при этом необходимость дальнейшего развитии так называемой концепции системной электробезопасности, преодолевающей односторонность в исследованиях объекта и направленной на изучение взаимодействия компонентов системы "человек - внешняя среда - СОЗБ".

Этап внутреннего проектирования предусматривает синтез и анализ системы электробезопасности. Этот этап включает в себя развитие методов формализованного представления процессов функционирования созб, исследование отдельных её подсистем и элементов, совершенствование математических моделей и алгоритмов для выполнения инженерных расчетов при проектировании и оптимизации СОЭБ.

Второе направление связано с решением различных прикладных задач по дальнейшему совершенствованию подсистем и элементов СОЭБ, созданию новых средств электрозащиты и рациональному их применению в сельском хозяйстве.

Подводя итог, сформулируем основные научные задачи на ближайшие годы и нэ перспективу, вытекающие из диссертационной работы, рекомендованные для включения в долгосрочную программу научных исследований в области техники злектробезопасности в сельском хозяйстве на I981-2000 гг.

1. Разработать и обосновать требования к автоматизированной системе учета и анализа электротрэвматизма (с летальным исходом и с тяжелыми последствиями), предназначенной для оперативной профилактики несчастных случаев и прогнозирования развития систем электробезопасности.

2. Разработать методику оптимального планирования научных экспериментов по изучению физических процессов, характеризующих

- 31 Зд состояние электробезопасности в сельских электроустановках, и усовершенствовать на этой основе методы и технические средства автоматизированного сбора, обработки и анализа измерительной информации.

3. Обосновать требования и разработать оптимальную систему эксплуатационного контроля и диагностики технических мероприятий и защитных средств с учетом норм, отражающих патофизиологические последствия воздействия электрического тока на человека.

4. Разработать инженерные методы поэтапной и многоуровневой оптимизации для проектирования систем обеспечения электробезопасности.

5. Разработать оптимальную комбинированную систему защитного отключения (УЗО, УВЗП, зануление) с зоной действия от трансформаторной подстанции 0,4 кВ до производственных и бытовых потребителей.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Никольский, Олег Константинович, 1978 год

1. Борисов Ю.С, Выбор числа и мест установки устройств заЛипзнтьева Н.Н. щитного отключения н.э молочных фермах. 3 кн.: Электробезопаснооть сельскохозяйстзег-шого производства.: Сб. науч.тр. B^ i3GX. ,".i., 1977, - Т. 43. с. 94-99,

2. ГурБич Н.Л. Фибрилляция и дефибрилляция сердца.-М.;Медгиз, 1957. - 252 с .

3. Л.-'ЯЬЗиель Ч. Отключаю'дие устройстБа остаточного токадля выключения низковольтных сетей, использующие транзистор. - Энергетические системы и электрическое оборудование, 1965, ;Й 65.

4. Динамика национального дохода СССР. - Наука и жизнь, 1978,№ 2, с. 14-15.

5. Долин II.А,, О проекте временных норм допустишхОлбзров Ю.Г. напряжений прикосновения и токов через тело человека. - Прог^ лыаленная энергетика, 1974, ;';? 9, с. 6-7,

6. Дру;кинмн B.ii., Лроблемы системологии (проблемы теорииliOHTopoB Д.Св елонных оистегл). С предисловием акад. Глушкова ВЛш - ^Lt Советское радио, 1976. - 295 с.

7. Карякин Р.Н. 1!ССледованке электромагнитных процессов в тяговых сетях переменного тока, (В связи с проблеыащ электробезопасности),: Автореф. дисс, на соиск. учён. степ. докт. техн. наук. - М., 1976, 34 с. - В надзаг.: Бсесоюзн, HHll железнодор. тр-та.

8. Левин 'i.e. Основы построения оптимальных сельскихэлектрических сетей,: Автореф. дисс. на соиск, учён. степ. докт. техн. HCIJ^K. М., 1965,-34с. - В надз.: Моск. ин-т инженеров с.-х. производства.

9. Новые слова и значения. Словарь-справочник АН СССР. - М.:Советская энциклопедия, I97I . - 543 с.

10. B J . Ойрота ii.ii. 4уБСТВительиая защита генератора отзамыканий на землю. - Сб. ьн-та электротехники АН УССР. - Киев, 1949, вып. 3 . 1Ы. Gi'^ CTeivja стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Теруины и определения, М'.,.19?8.2470.

11. Altmann S. Anwenduns logischer Modelle bei derquantitativen Sicherheitsbeurteilimg elektrotechnischer Anlagen."Electrie", 235- Altmann 3. 236. Alvenssieben К. 237- Biegelmeier G. 233. Biegelmeier G,, Obenaus H. 239. bodier G, 240, Boll G.

12. Steinberg Gh. Der Unfallgefahrdete und die Unfallverhtltung im Bohrbergbau. Berlin, Duneker und Humblot, 1957. 257. Schnell P. 253. Schrank W. - 349