Введение
Актуальность работы. Все более широкое использование электроэнергии во всех областях деятельности человека, неуклонный рост энерговооруженности труда, резкое увеличение количества электроприборов в быту и на производстве, естественным образом повлекли за собой повышение опасности поражения человека электрическим током.
В нашей стране проблеме электробезопасности уделяется большое внимание. Большой вклад в решение проблем электробезопасности внесли такие известные ученые как Ю.Г. Бацежев, А.А. Буралков, Л.В. Гладилин, П.А. Долин, В.О. Жидков, Р. Н. Карякин, В.П. Колосюк, В.Е. Манойлов, А.И. Сидоров, Е.Ф. Цапенко, В.И. Щуцкий, А.И. Якобе и многих других.
В электрических сетях жилищно-коммунального, сельскохозяйственного и промышленного назначения широко используется асинхронный привод с большим диапазоном номинальных мощностей электродвигателей. Для снижения потребления реактивной мощности в указанных сетях применяется групповая, централизованная и индивидуальная ее компенсация с использованием конденсаторных батарей.
На протяжении ряда лет внимание исследователей в области электробезопасности привлечено к выбегу электродвигателей и его влиянию на безопасную эксплуатацию электроустановок. В результате исследований [6-8, 45,58,70] было однозначно доказано, что пренебрежение влиянием ЭДС отключаемых электродвигателей в сетях с изолированной нейтралью до 1000 В приводит к увеличению опасности поражения человека электрическим током. Общеизвестно влияние электродвигательной нагрузки на токи короткого замыкания (К3)[28]. Однако влияние электродвигателей на величину возможного напряжения прикосновения, длительность существования которого определяется временем отключения аппарата защиты от сверхтоков не рассматривалось. При однофазном КЗ происходит вынос потенциала на все корпуса электроустановок, которые электрически связаны с местом воз-
4
никновения несимметричного КЗ. Величина этого потенциала будет также зависеть от мощности электродвигательной нагрузки. В сети, оборудованной устройством защитного отключения, при прикосновении к одной из фаз существует опасность поражения человека электрическим током, обусловленным ЭДС выбега отключаемого электродвигателя, степенью компенсации реактивной мощности и величиной сопротивления повторного заземлителя.
При расследовании электротравм все вышеуказанные факторы в комплексе в настоящее время не учитываются. Повышение уровня электробезопасности сдерживается или недостаточностью, или отсутствием обоснованных методик оптимизации условий электробезопасности и устройств, предотвращающих отрицательное влияние отдельных факторов на исход электротравм. Таким образом, выявление новых факторов и разработка методик оценки их влияния на уровень электробезопасности в сетях с глухозаземлен-ной нейтралью (ГЗН) является актуальной научной задачей, решение которой будет способствовать снижению электротравматизма.
-ч^ Целью работы является повышение уровня электробезопасности в се-
тях с ГЗН напряжением до 1 кВ.
Идея работы заключается в том, что в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ при анализе условий электробезопасности необходимо учитывать электродвигательную нагрузку и степень компенсации реактивной мощности.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Наличие электродвигателей в сети до 1 кВ приводит к увеличению тока через тело человека в случае косвенного прикосновения, а в случае прикосновения к одной из фаз сети, оснащенной устройством защитного отключения (УЗО), увеличивает длительность действия тока.
2. Предложена математическая модель электрической сети напряжением до 1000 В с глухозаземленной нейтралью отличающаяся тем, что в ней учитывается влияние электродвигателей и конденсаторных батарей компенсации реактивной мощности на условия электробезопасности.
•f''"
3. При использовании конденсаторных батарей индивидуальной компенсации реактивной мощности электродвигателя в системах электроснаб-жения с ГЗН необходимо учитывать их влияние на поражение человека электрическим током, обусловленным ЭДС выбега.
4. Установлены зависимости количества электричества, получаемого человеком при случайном его прикосновении к фазному проводу и отключении в этот момент электроустановки с помощью УЗО, от мощности электродвигателя, времени срабатывания УЗО и степени компенсации потребляемой электродвигателем реактивной мощности.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований, полученных при математическом моделировании на ЭВМ с результатами экспериментальных исследований - на физической модели; применением вычислительной техники и специализированного программного обеспечения, прошедшего всестороннюю апробацию во многих странах мира.
Научное значение работы заключается в обосновании необходимости при анализе опасности поражения человека, учета тока, обусловленного ЭДС, генерируемой отключаемыми электродвигателями в сетях с ГЗН до 1000 В, что является дальнейшим развитием теории электробезопасности.
Практическое значение заключается в разработке методики оценки электрических сетей до 1 кВ с ГЗН по условиям электробезопасности, учитывающей наличие электродвигательной нагрузки, входящей в состав этих сетей. Разработано устройство гашения ЭДС выбега электродвигателя, отличающееся от известных тем, что при прикосновении человека к фазному проводнику нулевая точка электродвигателя автоматически соединяется с РЕ проводником.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы внедрены в электрических сетях до 1000 В с ГЗН ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение», а также в учебный процесс
кафедры электроснабжения Читинского государственного университета при ведении практических и лабораторных занятий по курсу «Специальные во-просы электроснабжения».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и одобрены на ряде научных конференций: Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001 г.), Второй межрегиональной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (Чита, 2003 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (Челябинск, 2003 г.), VIII международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: творчество и прогресс» (Чита, 2004 г.), IV межрегиональная научно-практическая конференция «Кулагинские чтения» (Чита, 2004 г.), Второй Всероссийской конференции по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2005 г.), международной научно-технической конференции EPQ2005 «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, Украина, 2005 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Читинского государственного университета (2001.. .2004 гг.).
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных работ.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, включая 58 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 106 наименований; имеются приложения.
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования
1.1. Анализ электротравматизма в электроустановках до 1 кВ
Обеспечение безопасности электроустановок является одной из самых острых и сложных социально-экономических проблем. С самого начала промышленного применения электричества ученые всего мира занимались изучением воздействия электрического тока на человека и последствий этого воздействия.
Большой вклад в исследование безопасности работы с электроустановками внесли работы следующих авторов: Н.Н. Egyptein, L.P. Ferris, D.G. King, H.B. Williams, W.B. Kouwenhoven, C.F. Dalziel, S. Koeppen, G. Irresberger, M. Охаси, Т.Кавасэ, В.Е. Манойлова, В.И. Щуцкого, Карякина Р.Н., С.К. Киселева, А.И. Сидорова, Ю.В. Ситчихина, Б.А. Князевского, Е.Ф. Цапенко и многих других.
Ежегодно от поражений электрическим током только в электроустановках зданий гибнет более 4,5 тысяч человек, теряют трудоспособность и получают инвалидность из-за электротравм около 30 тысяч человек [52]. Демографическая частота электротравматизма в десятки раз превышает аналогичный показатель в развитых странах [40]. В странах, использующих стандарты Международной электротехнической комиссии (МЭК), в среднем за десятилетие происходит снижение электротравматизма в 2 раза. В 80-х годах демографическая частота электротравматизма (количество электропоражений со смертельным исходом на 1 млн. населения) составила: в Германии -1хЮ"6, в Испании - 0,96x1 О*6, в Нидерландах - 0,42x10"6. Среднее значение этого показателя в настоящее время по 20 развитым странам не превышает 1хЮ-6[40].
Для получения полной картины причины возникновения электротравматизма необходим глубокий анализ данных о поражениях, вызванных воздействием электрического тока. Из всех видов телесных повреждений элек-тротавмы являются наиболее сложными и наиболее трудно поддающимся
анализу. Расследование электротравмы будет квалифицированным и полным только в том случае, если к нему приступят сразу же после происшествия и
с:
если в нем примут участие наряду с инженерно-техническими работниками также и врачи [48].
Глубокий анализ электротравм имеет важнейшее значение не только для выявления очагов электротравм, но и для корректировки наших представлений об опасности электричества по численным значениям поражающих факторов: напряжения, тока, времени существования электрической цепи и т.д. В технической документации зачастую фиксируется лишь напряжение электрической сети, в зоне действия которой произошла электротравма, но не определяется значение поражающего напряжения, хотя эти напряжения далеко не всегда совпадают [48]. Причины множества электротравм необоснованно скрываются за формулировкой говорящей о нарушении правил техники безопасности. А значит, вместо выявления технических причин электропоражения формулируются рекомендации по проведению внеочередных инструктажей и проверок. Таким образом, подобные случаи не позволяют достаточно эффективно повысить уровень безопасного обслуживания электроустановок.
В конце прошлого века под руководством В.И. Филиппова и Г.Ю. Гордон анализируется электротравматизм на производстве [24]. Распределение производственных электротравм по отраслям народного хозяйства показано в табл. 1.1.
Очевидно, что все электротравмы происходят при различных напряжениях электроустановок. Таким образом, встает вопрос о распределении электротравматизма по различным напряжениям. Основной градацией здесь может служить электротравматизм на установках выше и ниже 1000 В. По данным исследований, приведенных в [48], охватывающим время до 1985 г. включительно, при эксплуатации установок напряжением ниже 1000 В про- изошло 76,8%, а при эксплуатации установок напряжением выше 1000 В -23,3% всех электротравм, закончившихся смертью пораженных. В это число
¦yA
попали и погибшие непосредственно от электрического тока на месте происшествия, и скончавшиеся спустя некоторое время после происшествия от
ожогов, вызванных прохождением электрического тока.
Таблица 1.1.
Распределение (в процентах к итогу) производственных электротравм по
отраслям народного хозяйства
Отрасль Годы
1951-1952 1964-1966 1985-1987
Сельское хозяйство 6,6 27,7 31,4
Электростанции, электротехническая и радиоэлектронная промышленность 8,9 15,6 8,3
Строительство и промышленность строительных материалов 10,9 11,7 16,4
Железнодорожный транспорт (без транспортного строительства) 7,9 5,1 4
Машиностроение и судостроение 6,1 4,7 1,2
Пищевая промышленность * 4,5 4,4
Коммунально-бытовые предприятия 3,8 4,3 8,5
Металлургическая промышленность 8 4 2
Государственная торговля и потребительская кооперация * 3,7 3,4
Нефтяная и химическая промышленность 7,8 3,6 3
Предприятия связи, автотранспорта и шоссейных дорог 3,5 3,5 3
Лесная, бумажная и деревообрабатывающая промышленность 2,1 2,9 3
Угольная промышленность 17,1 2,8 4,7
Текстильная и легкая промышленность * 2 2,!
Геологоразведка 1 0,5
Морской и речной флот 2,4 0,8 0,6
Гражданская авиация * 0,2 0,3
Прочие отрасли (государственные, культурно-просветительные, медицинские и научные учреждения, учебные заведения) 14,9 1,9 3,2
Итого: 100 100 100
* Из-за отсутствия сопоставимых данных отнесены к «Прочим отраслям»
По данным [25], число пострадавших на установках напряжением ниже
1000 В составляло в 1951-52 гг. 74,6%, в 1964-1966 гг. - 66,7%, в 1975-1980
гг. - 58,7%, а в 1980-1988 гг. - 55%.
Интересно также распределение электротравматизма по напряжению
электроустановок. В [23] проведена такая работа. Результаты распределения
представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Электротравматизм на установках различного напряжения
Напряжение электроустановки Доля электропоражений, %
12-60 В 0,5
65-90 В 2,5
220 В 16,3
380 В 31
6кВ 16,4
10 кВ 21,7
27,5 кВ 1,5
35 кВ 2,0
ПОкВ 1,4
Постоянный ток 1,7
Прочие электроустановки 5,0
10
Как видно из табл. 1.2. на электроустановки 380/220 В приходится 47,3% электротравматизма. Примечательно, что на электроустановках 65, 36 и 12 В также случаются поражения электрическим током со смертельным исходом. По данным [48] на электроустановках 65 В и ниже погибало в 1951-1980 гг. по 28-30 человек в год. При этом 30% электротравм в установках напряжением 65 В и ниже произошло вследствие того, что рассматриваемые сети оказывались под напряжением 220 или 380 В. Из литературных источников видно, что в США было немало поражений при напряжении 42 В и промышленной частоте тока 60 Гц [48]. Причина смерти в электроустановках при данном напряжении - остановка дыхания. Многие авторы, пытаясь объяснить летальные исходы, вызываемые малым напряжением, ссылаются на наличие у погибших тех или иных заболеваний. Однако в 86% изученных случаев исчерпывающе указывалось, что пострадавшие были до электротравмы вполне здоровыми и физически крепкими людьми [48]. Причина поражения поражения однозначна - возникновение электрической цепи через акупунктурные зоны [48, 89].
Так же представляет интерес анализ распределения электротравм по видам оборудования, поскольку он может дать богатый материал по выявлению травмоопасного оборудования. В табл. 1.3. приведено распределение электротравм по видам оборудования в СССР и Англии [48] на период до 1988 г.
Большой процент поражений (22,2 % общего их числа) наблюдается при обслуживании электропривода и пускорегулирующей аппаратуры. Если общее число электротравм на электроприводе принять за 100%, то поражения на электродвигателях напряжением до 1000 В составят 86%. В [48] обращается внимание на недостаточную надежность изоляции маломощных электродвигателей.
В [23] также отмечается высокий уровень электротравматизма на элек-трифицированных машинах. На данном электрооборудовании происходит 14,8% травм, вызванных воздействием электрического тока.
11
Таблица 1.3.
Распределение электротравм по видам оборудования
Наименование оборудования Процент от общего числа обследованных случаев
СССР Англия
Электрооборудование электрических сетей и электростанций, включая распределительные устройства, силовые трансформаторы в сети В том числе: воздушные сети, включая и временные подземные и кабельные сети, и внутренняя проводка 42,3 29,4 12,9 34,4
Электрифицированный транспорт В том числе: электрооборудование и провода магистральных и пригородных железных дорог внутризаводской транспорт 7,4 2,1 5,3
Электропривод, включая пускорегулируюшую аппаратуру 22,2 22,3
Сварочные аппараты и временная проводка к ним 8,1 22,9
Высокочастотные установки 1,5 —
Электрооборудование подъемно-транспортных механизмов 4,8 4,0
Ручной переносной инструмент и провода к нему 3,3 5,0
Электроосвещение В том числе: стационарное переносное 9,4 7,2 2,2 8,9
Прочее 1,0 2,5
Итого: 100,0 100,0,
Аналогичные цифры указываются и в иностранной литературе. В табл. 1.4. приведены данные по электропоражениям на электрических машинах различного назначения в Израиле в 1960-1969 гг [105].
Таблица 1.4. Распределение электротравм на электрических машинах
Все несчастные случаи Случаи со смертельным исходом
В год на 1 млн. чел В процентах к общему числу электротравм В год на 1 млн. чел В процентах к общему числу смертельных случаев
Промышленные электродвигатели 0,48 9,1 0,12 5,8
Электродвигатели ЖКХ 0,16 3,0 0,04 1,9
Электродвигатели в сельском хозяйстве 0,08 1,5 0,08 3,9
В [23] приведено также распределение электротравматизма по режиму работы нейтрали, согласно которому в сетях с изолированной нейтралью происходит 42% поражений электрическим током, в сетях с глухозаземлен-ной нейтралью - 52,4%, а оставшиеся 5,6% отнесены к прочим режимам нейтрали. В [68] приведено аналогичное распределение, однако указано что в сетях с изолированной нейтралью произошло 57,5% электротравм, а в сетях с
12
глухозаземленной нейтралью 42,5%. Таким образом, можно сказать, что на сети с глухозаземленной нейтралью приходится около половины зарегистри-рованных случаев электротравматизма.
1.2. Факторы, определяющие условия электробезопасности в сетях с глухозаземленной нейтралью до 1 кВ
В числе работ, рассматривающих действие электрического тока на человека, влияние различных внешних факторов на исход электропоражения, следует назвать работы К.А. Ажибаева [2], Н.Л. Гурвича, А.П.Киселева, П.А. Долина [33, 34], Б.А. Князевского[54], В.И. Корольковой[47], зарубежных ученых - Ч. Дальзила, С. Еллинека, П. Осипки, С. Кеппена, В. Ковенховена, Л. Фер-риса, а также - исследования, проведенные А.И. Ревякиным [1, 59, 60], В.И. Шуцким [55,87-95], А.И. Сидоровым [68, 93, 95] и Ю.В. Ситчихиным [93, 95], Р.Н. Карякиным [38-42], Е.Ф. Цапенко [75-79], А.И. Якобсом [96-99] и др.. На особом месте стоит работа по обобщению результатов предыдущих исследований и формированию современных представлений об электротрав-^ матизме и мерах по его предотвращению, произведенная выдающимся уче-
ным В.Е. Манойловым [48].
О том, что электричество действует на человека известно давно. Первая монография на эту тему (1600 г.) принадлежит английскому врачу и физику У. Гилберту, в которой описывается благотворное действие статического электричества. В дальнейшем англичанин А. Уориш, итальянцы Л. Галь-вани, А. Вольта и ряд других ученых установили, что на человека действует разряд, полученный не только от источника статического электричества, но и от электрохимического элемента. Впервые установил опасность воздействия электрического разряда на человека установил изобретатель первого в мире электрохимического высоковольтного источника напряжения В.В, Петров [48].
• у\ В XIX веке в периодической печати стали появляться публикации о не-
счастных случаях, вызванных воздействием электрического тока. С первых же номеров русский журнал «Электричество», основанный в 1880 г., регу-
13
t г
лярно публиковал сообщения об электротравматизме. В журнале «Электротехник» только за период с 1898 по 1903 г. приведены данные более чем о 20 электротравмах, сопровождавшихся тяжелым исходом [48].
В 1950-х годах было установлено, что при воздействии электрического тока на человека, наиболее уязвимым органом является его сердце. Однако, в диапазоне от порогового неотпускающего до порогового фибрилляционного тока смерть может наступить в результате шока или асфиксии с последующей остановкой сердца. По данным [9] и [91], наиболее распространенной причиной летального исхода при травматизме электрическим током является фибрилляция сердца, шок, паралич дыхания и спазм голосовой щели.
Отличительной особенностью шока является рефлекторное действие электрического тока. По данным [2], в опытах на животных электрический шок приводил к их гибели, несмотря на искусственное дыхание и отсутствие фибрилляции желудочков.
Согласно современным стандартам, система электробезопасности должна обеспечивать защиту человека от поражения электрическим током как в случае прямого прикосновения к токоведущим частям, так и в случае косвенного прикосновения. Косвенным прикосновением называется прикосновение к проводящим частям оборудования, которые нормально не находятся под напряжением, но на которых в силу каких-либо неисправностей возник опасный для жизни и здоровья человека потенциал [61].
Анализ опасности электрических сетей практически сводится к нахождению значения тока, протекающего через тело человека в различных условиях, в которых может оказаться человек при эксплуатации электрических сетей и электроустановок, а также времени воздействия этого тока.
В начале XX в. проводились широкие исследования воздействия электрического тока на животных. Достаточно убедительно было доказано, что ток 100 мА является для них смертельным [48]. Однако вскоре после того, как учеными было высказано категорическое утверждение о смертельной опасности тока 100 мА, в печати появились сообщения, в которых говори-
14
лось, что одни люди погибают от значительно меньшего по значению тока, а другие выдерживают воздействие тока большей величины. Примеры электротравм такого рода приведены в [48].
В дальнейшем исследователями было доказано, что тяжесть исхода поражения человека электрическим током в значительной степени обусловлена состоянием его нервной системы в момент поражения, пути тока через тело человека, а также от частоты тока, формы кривой, коэффициента пульсаций и других факторов. В значительной степени на исход электропоражения оказывает влияние фактор внимания. Жестко закрепленное в станке животное, пытающееся освободиться, погибало с поднятием напряжения до 220 В, да и то лишь через 15-20 мин после начала опыта. Спокойное же животное, не ожидавшее беды, мгновенно погибало при воздействии напряжения 30-40 В [48].
Одним из факторов, влияющим на тяжесть электротравмы, является путь протекания тока. Как показывает статистический анализ электротравматизма, наиболее распространенными путями протекания тока через человека являются рука-ноги, рука-рука и рука-туловище (соответственно 56,7; 12,2 и 9,8% травм)[23]. В [68] данное распределение разделено по режимам нейтрали электроустановок (табл. 1.5.).
Таблица 1.5.
Распределение электротравм в зависимости от пути протекания тока при различных режимах нейтрали
Режим нейтрали сети Всего электротравм, % В том числе для различных путей протекания тока
рука - ноги голова - ноги рука - рука нога - нога прочие
Изолированная нейтраль 57,5 34,9 5,7 4,7 1,9 10,3
Глухозаземленная нейтраль 42,5 27,4 - 5,7 - 9,4
Другим важнейшим фактором, влияющим на тяжесть электротравмы, является величина тока и время его воздействия на организм человека. Вопрос о допустимых для организма уровнях токов и напряжений является одним основных вопросов электробезопасности. Знание величин этих токов необходимо для оценки эффективности средств обеспечения электробезопасно-
15
сти. В 30-х годах в США Л. Феррисом и другими исследователями [102] были проведены эксперименты на нескольких тысячах животных (мыши, кролики, кошки, собаки, овцы и др.)> в результате которых было доказано, что ток 100 мА является смертельно опасным. В дальнейшем, Дальзиелем и Ли [101] были также проведены исследования на животных с попыткой экстраполяции данных на человека в зависимости от массы тела. Полученные в экспериментах результаты показаны на рис. 1.1. Экстраполяция зависимости фибриляционного тока от массы тела 1ф = f(W) в область, соответствующую массе животных 60-100 кг показана пунктиром.
400
300
200
100
1ф,мА 3 >^
1 /I
W, кг
20
40
60
80
100
Рис. 1.1. Зависимости фибрилляционного тока от массы животных: 1 - собаки; 2 - овцы; 3 - телята; 4 - свиньи
Математическая зависимость средних значений тока фибрилляции от массы, описывающая данную экстраполяцию, выражается формулой
1Ф = 3,13-^ + 48,6, (i.i)
где 1Ф - среднее значение фибрилляционного тока, мА; W - масса тала животного, кг.
Однако применение метода весовой экстраполяции данных с животного на человека реально возможные величины фибрилляционных токов завы-
16
шаются более чем в 6 раз, в то время как необходимо поступать наоборот, т.е. снижать экспериментальные данные, полученные на животных[95].
В ряде европейских стран в качестве достоверной основы для определения предельно допустимых напряжений прикосновения используются пределы по току и времени, связанные с появлением определенных последствий поражения, установленные рабочей группой Международной Комиссии по электротехнике (МЭК). Определенные этой комиссией пределы тока через человека относятся к поражениям взрослых лиц электрическим током частотой 50-60 Гц для пути протекания тока через человека: рука - рука или рука -ноги. Зависимости предельных токов через человека от времени, согласно МЭК, изображены на рис. 1.2.
Ike. мА
"•—------
103 "-—- ""ill 5
-——. ""---------.
"—-^. -— 4 -------------. —-—-.
ю2
3 •—*——— —-------— —----------- *¦ ——
----------
10 ...-"--------- -------—^ —-—_
2
1
0.1 1
t. с
0.01
0.1
10
Рис. 1.2. Зависимость предельных токов через человека от времени согласно рекомендаций МЭК(1-5-токовременные пределы)
На рис. 1.2. различают 5 пределов тока через тело человека.
1. Предел неощутимых токов.
2. Предел, в котором не появляются опасные последствия поражения.
3. Предел, в котором существует опасность задержки дыхания, а вероятность фибрилляции желудочков невелико (не более 0,5%).
17 |
