ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Многочисленные исследования в области электробезопасности, проведенные в нашей стране и за рубежом, показывают, что уровень электротравматизма как в промышленности, так и в быту по-прежнему является недопустимо высоким, несмотря на постоянное совершенствование защитных и организационных мер. При этом если в промышленности в целом отмечается устойчивое снижение числа случаев электротравматизма, то в бытовых сетях наблюдается их рост на протяжении нескольких последних десятилетий. Современная концепция электробезопасности, положенная в основу действующих нормативных документов, не распространяется на огромное количество существующих бытовых и промышленных сетей, уже находящихся в эксплуатации. Помимо этого, несовершенство устройств защитного отключения и новых схем питания электроустановок, на что в немалой степени сделан упор в современной концепции электробезопасности, а также малое время действия текущей нормативной базы пока не позволяют говорить о радикальном улучшении уровня электробезопасности при эксплуатации электрических сетей и электроустановок. В то же время, основанная на прежних положениях главная защитная мера в низковольтных сетях с заземленной нейтралью - зануление, как показывают многочисленные исследования, зачастую не обеспечивает необходимого уровня электробезопасности, что находит свое отражение в регулярно происходящих несчастных случаях, в том числе групповых, сопровождающихся тяжелыми электротравмами и летальным исходом.
В этих условиях традиционные меры защиты, в первую очередь -зануление -не только не теряют своей актуальности, но и, напротив, требуют повышенного внимания в свете современного ужесточения требований электробезопасности. Таким образом, повышение эффективности зануления как защитной меры, обусловленное выбором его оптимальных параметров,
является актуальной научной задачей, имеющей большое практическое
значение.
Цель работы. Улучшение условий электробезопасности в сетях до 1 кВ
с глухозаземленной нейтралью путем повышения эффективности зануления.
Идея работы. Расчет параметров схемы зануления и выбор токовременных
характеристик защитных аппаратов производится по условиям обеспечения
первичных критериев электробезопасности посредством моделирования
возникновения электроопасной ситуации (ВЭОС) при однофазных коротких
замыканиях на сторонние проводящие части.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Математическая модель возникновения электроопасной ситуации в сетях до 1 кВ с заземленной нейтралью должна учитывать количество и величину сопротивления повторных заземлений в сети с учетом ее конфигурации.
2. Выбор защитных аппаратов для систем зануления должен производиться как с учетом соображений селективности защиты, так и с учетом обеспечения первичных критериев электробезопасности.
3. Разработана методика выбора защитно-отключающих аппаратов и параметров цепи зануления, обеспечивающих соблюдение первичных критериев электробезопасности. Для выполнения расчетов по данной методике разработан программный комплекс, позволяющий автоматизировать расчеты и ускорить выбор параметров цепи зануления.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением известных методов анализа линейных электрических цепей в сочетании с современными методами моделирования, основанными на широком применении вычислительной техники и специализированного программного обеспечения; Научное значение работы состоит в разработке математической модели ВЭОС в электрических сетях напряжением до 1 кВ с заземленной нейтралью, происходящего при замыкании на сторонние проводящие части (СПЧ)
токоведущей фазы с одновременным прикосновением человека к оказавшимся под напряжением СПЧ. Принципиальной особенностью разработанной модели является учет разветвленности сети, количества, места расположения и сопротивления повторных заземлителей, токовременных характеристик защитных аппаратов. Впервые установлена зависимость величины напряжения прикосновения от величины сопротивления повторного заземления на вводе в электроустановку, а также от количества повторных заземлений корпусов электроприемников и электрооборудования с учетом конфигурации схемы электроснабжения.
Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора защитно-отключающих аппаратов и параметров цепи зануления, обеспечивающих соблюдение первичных критериев электробезопасности. Также установлено, что для улучшения условий электробезопасности требуется наличие обязательного повторного заземления на вводно-распределительном устройстве (ВРУ) здания с сопротивлением не выше 10 Ом.
Внедрение работы. Результаты работы внедрены в ООО
«Забайкалзолотопроект» и ООО «Читапромстройпроект», а также в учебный процесс кафедр электроснабжения и безопасности жизнедеятельности Читинского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и одобрены на ряде научных конференций: Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Новосибирск, 2002 г.), Второй Всероссийской научно-практической конференции (г.Челябинск, 2003 г.), Межрегиональных научно-практических конференциях (г. Чита, 2001-2003 г.), научных семинарах в университетах Читы и Челябинска. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 116 страницах, содержит 8 таблиц, 22 рисунка, список литературы из 105 наименований.
8
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксплуатация электрических установок и сетей на производстве и в
быту сопряжена с определенным риском для жизни и здоровья человека в силу специфики электрического тока, который не может быть напрямую обнаружен органами чувств в отличие от иных опасных факторов. Несмотря на многолетние исследования в данной области, задача обеспечения полной безопасности при эксплуатации электрических установок до сих пор не решена, и уровень электротравматизма по-прежнему остается недопустимо высоким. Таким образом, изучение условий, при которых возможно поражение человека электрическим током, влияние различных факторов на исход электропоражения, выработка и совершенствование защитных мероприятий является актуальной научной и практической задачей, имеющей важное социальное значение с учетом распространенности электрических сетей в современном мире.
1.1 Электротравматизм и защитные меры в электроустановках
В настоящее время механизм возникновения электротравмы достаточно хорошо изучен, благодаря большому количеству исследований, проводившемуся на протяжении более 100 лет, с конца XIX века - начала становления электробезопасности как научной дисциплины — и по настоящий момент. Огромный вклад в выяснение природы электропоражения внесли работы отечественных ученых - К.А. Ажибаева, Н.Л. Гурвича, А.П. Киселева, В.И. Щуцкого, Б.М. Ягудаева, П.А. Долина, В.Е. Манойлова, А.И. Сидорова, СП. Власова, Н.Ф. Шишкина, А.И. Якобса и многих других, а также ряда зарубежных ученых - в первую очередь, Ч.Дальцила, Г.Фрайбергера, Л.Ферриса, С. Кеппена, С.Елинека, П. Осипки, Г. Бигельмайера и других.
Обобщенные результаты проведенных исследований позволяют прийти к выводу, что, несмотря на большие успехи, достигнутые в данном направлении за несколько последних десятилетий, механизм электротравмы в настоящее время до конца не объяснен. Известно лишь, что при воздействии электрического тока на человека существует два основных варианта развития электротравмы. Первый вариант заключается в воздействии тока на дыхательную систему человека, что приводит к остановке дыхания и, при отсутствии незамедлительно принятых мер оказания первой помощи, к клинической, а затем и биологической смерти. Следует особо отметить, что поражение дыхательной системы человека, как показывает статистика электротравматизма[1], очень часто происходит в низковольтных сетях, при низких значениях поражающего напряжения и тока, что многими авторами[2, 3, 4] объясняется психофизическими особенностями конкретного человека и наличием определенной совокупности неблагоприятных условий. При втором варианте развития электротравмы электрический ток воздействует на сердечную мышцу, что приводит к фибрилляции сердца, то есть, фактически, к его остановке. Как и в первом случае, исходом поражения является смерть, если не были приняты немедленные меры (дефибрилляция). Необходимо отметить, что фибрилляция сердца, как показывают исследования^, 6, 7, 8, 9], наступает при больших значениях поражающего тока, нежели остановка дыхания. При этом, однако, во многих работах, посвященных этому вопросу, в частности, в весьма полном и исчерпыващем исследовании [1] указывается, что условия и обстоятельства возникновения электротравмы, гарантированно приводящие или, наоборот, гарантированно не приводящие к смертельному исходу или тяжелым последствиям для здоровья, в точности неизвестны. В силу этого не представляется возможным четко установить диапазоны значений параметров электрической сети, обеспечивающих абсолютную безопасность ее эксплуатации человеком. Прямым следствием этого является необходимость использования усредненных значений поражающего тока при
10
организации защитных мероприятий в электрических сетях и установках. При этом большой фактический материал, собранный, в частности, В.Е. Манойловым[1], показывает, что имели место как случаи смертельного исхода при поражении человека токами, имеющими гораздо более низкие значения, чем определенные соответствующими ГОСТ как безопасные, так и случаи благополучного исхода даже при поражении человека токами порядка нескольких ампер, которые являются безусловно смертельными. Наличие подобных случаев в практике эксплуатации электрических сетей показывает, что указанные в ГОСТ нормы предельно допустимых значений напряжений и токов не могут рассматриваться как обеспечивающие абсолютную безопасность, а принимаются, исходя из соображений обеспечения малой (но не нулевой) вероятности поражения и практической целесообразности.
В то же время проведенные к настоящему моменту исследования позволили вполне достоверно установить основные параметры электрической сети, определяющие исход и тяжесть возможной электротравмы:
¦ Род тока. Известно, что переменный ток промышленной частоты 50 Гц при прочих равных условиях опаснее постоянного, что доказывается, в частности, статистическими данными. Кроме того, в [7,10] показано, что существует зависимость между формой несинусоидального тока и его воздействием на организм человека. Данное обстоятельство имеет особое значение, например, при наличии в сети защитных устройств, работающих на оперативном токе непромышленной частоты, что приводит к воздействию на человека смешанного тока и повышает опасность электропоражения.
¦ Электрическое сопротивление тела человека. Согласно современным научным представлениям, сопротивление тела человека в общем случае является сложной нелинейной величиной, зависящей от множества факторов, что сильно затрудняет ее практическое определение.
11
Проведенные непосредственно на добровольцах эксперименты [11, 12] осуществлялись при приложении к телу человека напряжения, значительно меньшего напряжения промышленных электроустановок. Определение же сопротивления тела человека при напряжениях 220/380 В возможно только расчетным путем с учетом известных особенностей электропроводности тела человека [1, 3, 4]. При этом, однако, возможны существенные колебания этой величины в ту или иную сторону в зависимости от различных факторов. Как правило, величина сопротивления тела человека в практических расчетах принимается равной 1000 Ом.
¦ Напряжение прикосновения, на основе которого, в частности, производится расчет систем заземления и зануления. В настоящее время принято считать[1, 13, 14], что величина напряжения прикосновения является одним из основных критериев, определяющих безопасность эксплуатации электроустановки. Предельно допустимые напряжения прикосновения для различной длительности воздействия регламентируются в ГОСТ 12.1.038 - 82[15]. Такие защитные мероприятия, как повторное, заземление зануленных корпусов оборудования или системы уравнивания потенциалов по своей сути направлены на снижение величины напряжения прикосновения до безопасных значений.
¦ Величина тока, проходящего через тело человека в аварийном режиме электроустановки. Традиционно величина тока совместно с напряжением прикосновения рассматриваются как наиболее важные величины, подлежащие нормированию. Долгое время считалось, что опасность для жизни человека представляют токи промышленной частоты величиной от 100 мА и выше. Однако современные исследования показывают, что приемлемый уровень безопасности обеспечивается лишь в том случае, когда значение поражающего тока соответствует, либо превышает в течение очень короткого времени величину неотпускающего тока,
12
составляющую 10-15 мА[1, 5, 6, 7, 13, 14]. Снижение величины поражающего тока определяется в целом снижением напряжения прикосновения путем применения соответствующих защитных мер.
¦ Длительность существования цепи через тело человека при возникновении аварийного режима установки. Данный параметр, как и все прочие, в значительной мере определяется особенностями состояния человека и наличием, либо отсутствием ряда неблагоприятных факторов. В настоящее время наблюдается тенденция к разработке методов, обеспечивающих как можно более быстрое отключение поврежденного участка сети или установки, работающей в аварийном режиме (в частности, все более широкое внедрение УЗО) в целях уменьшения длительности воздействия тока на человека.
¦ Наличие опасных психофизиологических факторов (усталость, наличие нервно-психологических перегрузок и т.п.) и факторов окружающей среды (повышенная влажность, повышенная температура в помещении, загазованность, пониженное атмосферное давление и т.п.). Каждый из указанных факторов или все они в совокупности оказывают существенное влияние на рассмотренные выше параметры электрической сети, например, уменьшают допустимое время воздействия тока на человека, снижают значение порогового неотпускающего тока, уменьшают сопротивление тела человека.
Важным практическим результатом исследований, проведенных в данном направлении, стало отражение в ГОСТ 12.1.038—82[15] (переиздан в 1996 году) предельно допустимых'значений напряжений прикосновения и токов. Согласно современным тенденциям, требования ГОСТ 12.1.038-82 следует рассматривать как приоритетные при обеспечении безопасной эксплуатации электроустановок.
13
Таблица 1.1 — Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов для промышленных электроустановок[15]
Нормируемая величина Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока f, с
0,01-0,08 од 0,2 0,3 04 05 06 07 08 09 1 0 Св. 1,0
и, в 550 340 160 135 120 105 95 85 75 70 60 20
/, мА 650 400 190 160 140 125 105 90 75 65 50 6
Таблица 1.2 - Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов для бытовых электроустановок[15]
Нормируемая величина Предельно допустимые значения, не более, при продолжительности воздействия тока /, с
0,01-0,08 од 0,2 0,3 04 0S 06 07 08 09 1 0 Св. 1,0
и, в 220 200 100 70 55 50 40 35 30 27 25 12
/, мА 220 200 100 70 55 50 40 35 30 27 25 12
Другим важным направлением в области электробезопасности является изучение статистики электротравматизма, позволяющее выявить наиболее проблемные с точки зрения безопасности виды сетей и электроустановок, а также оценить в целом эффективность предпринимаемых защитных мер и факторы, приводящие к возникновению электротравматизма. Исследования, проведенные В.Ф. Бухтояровым [16], показывают, что электротравматизм следует рассматривать как сложное комплексное явление, обусловленное большим количеством причин, зачастую взаимосвязанных. Таким образом, возникает необходимость тщательного учета всех факторов, которые привели к электропоражению, и применения к ним вероятностно-
14
статистических методов в целях повышения качества защитных мероприятий и профилактики электротравматизма, а также более объективной оценки общего уровня электробезопасности.
Глубокий анализ большого числа случаев электротравматизма был выполнен в 70-80-х годах прошлого века Г.Ю. Гордон [17, 18, 19, 20]. Он включал в себя как изучение электротравматизма по отраслям промышленности, так и по различным другим категориям, включая разделение электропоражений по напряжению электроустановок, по возрасту и профессиональной принадлежности потерпевших и многим другим категориям. Результаты этих исследований до сих пор имеют важное практическое значение, так как позволяют не только оценить эффективность существующих защитных мер в различных отраслях промышленности и в комунально-бытовых сетях, но и осуществлять обоснованный прогноз развития электротравматизма, а также отслеживать общие закономерности этого процесса.
Данные Г.Ю. Гордон [18] и более поздние исследования В.Е. Манойлова [1] показывают, что с начала регулярного изучения электротравматизма в масштабах страны в 50-х годах XX века, наблюдается устойчивое снижение количества несчастных случаев, связанных с поражением электрическим током на производстве, что объясняется, главным образом, разработкой все более современных технических мер защиты и повышением уровня охраны труда на производстве. При этом, несмотря на постоянное снижение числа случаев электротравматизма на производстве в целом, указанными авторами отмечается рост электротравматизма в отдельных отраслях, где темпы повышения электрификации производства в 70-80-х годах XX века значительно превышали темпы организации соответствующих защитных мероприятий в полном объеме, либо существовали факторы, затрудняющие повсеместное распространение защитных мероприятий. В частности, по данным В.Е. Манойлова [1] по состоянию на конец 80-х годов XX века,
.. 15
отраслями, где наблюдался рост электротравматизма, были сельское хозяйство, что подтверждается и данными А.И. Якобса [21], строительство и коммунально-бытовые предприятия.
При отсутствии достоверных статистических данных о промышленном электротравматизме в масштабах России по состоянию на начало XXI века и с учетом социально-экономической обстановки в стране в период 90-х годов XX века есть основания предполагать, что основные статистические закономерности, существовавшие в конце 80-х - начале 90-х годов, в целом сохранились. Возможно, в связи со снижением промышленного производства в масштабах страны в 90-х годах, число случаев промышленного электротравматизма в абсолютном выражении снизилось, но, в то же время, нет объективных предпосылок предполагать в тот же период резкое снижение уровня электротравматизма в тех отраслях, где он традиционно был высок, прежде всего - в сельском хозяйстве и коммунально-бытовых сетях.
При анализе статистики электротравматизма следует также обратить особое внимание на следующее обстоятельство. Если в промышленности в целом многолетнее повышение " качества защитных мероприятий и улучшение организационной составляющей охраны труда совместно со стандартизацией и выработкой единых правил эксплуатации электроустановок привело к значительному снижению числа случаев электротравматизма за последние 50 лет, то количество электротравм в быту на протяжении этих же 50 лет неуклонно возрастает. Данные, приведенные Р.Н. Карякиным [22, 23], показывают, что ежегодное число смертельных поражений электрическим током в жилых зданиях страны в период с 1952 года по 1988 год подчинялось зависимости:
S(AT) = (1,0349 + 7,55 • 10"4 AT) дт • 621, (1.1)
16
где AT - число лет, прошедших с 1952 года до рассматриваемого года. В работе [23] указывается, что нет оснований предполагать, что зависимость S(AT) после 1988 года изменила свой характер, в связи с чем следует ожидать рост числа смертельных поражений в жилых зданиях с 5435 в 1998 году до примерно 8400 в 2000 году и, вероятно - около 8500 в 2003 году, и более 10000 - к 2005 году. В настоящее время, в связи с пересмотром ПУЭ, ужесточением требований, предъявляемых к обеспечению безопасности в жилых зданиях, и приближением этих требований к стандартам МЭК, следует, по-видимому, ожидать изменения характера зависимости S(AT) в течение последующих лет и уменьшения случаев электротравматизма в жилых зданиях относительно прогнозируемых величин. Вместе с тем, в настоящее время пока нет оснований прогнозировать резкое снижение уровня электротравматизма в жилых зданиях.
На основе многолетнего опыта защитных мероприятий при эксплуатации электроустановок, современных представлений о воздействии электрического тока на организм человека и изучения статистики травматизма в настоящее время разработана современная концепция электробезопасности, являющаяся научной основой современных «Правил устройства электроустановок» 7-го издания[24]. Современная концепция электробезопасности формировалась на протяжении длительного времени благодаря усилиям многих ведущих отечественных ученых: Е.Ф. Цапенко, Ф.Я. Мотуско, А.И. Якобса, O.K. Никольского, В.Ф. Бухтоярова, В.Е. Манойлова, Б.И. Князевского, П.А. Долина, В.И. Щуцкого, А.И. Сидорова, Р.Н. Карякина, Н.Ф. Шишкина, М.Р. Найфельда, В.В. Бургсдорфа, А.Б. Ослона, Ю.И. Солуянова, А.Х. Слободкина, В.П. Кораблева, П.И. Спевакова, Н.Д. Душкина, В.И. Монакова, В.И. Солнцева, А. И. Ревякина и многих других. Следует особо отметить большую работу по популяризации данной концепции, проведенную Р.Н. Карякиным[25-28, 23]. В частности, им сформулировано так называемое основное правило устройства электроустановок, нашедшее отражение в ПУЭ 7-го издания. Указанное
17
правило определяет выполнение защитных мероприятий таким образом, чтобы опасные токоведущие части электроустановки не были доступны для преднамеренного прикосновения к ним, а доступные прикосновению открытые проводящие части - . не были опасны как при прямом прикосновении к ним, так и при повреждении изоляции опасных токоведущих частей[25]. Подобная формулировка фактически описывает современную систему защиты электроустановок, которая весьма отличается от ранее принятой системы защиты, регламентируемой более ранними изданиями ПУЭ (по 6-е включительно)[26] и выполненной, исходя из принципа «разумной достаточности» и «технико-экономической целесообразности» [22].
В целом, анализ работ, посвященных современной концепции электробезопасности, позволяет выделить ее следующие ключевые особенности, отраженные в 7-м издании ПУЭ, по сравнению с существовавшими ранее взглядами на организацию защитных мер при эксплуатации электроустановок:
1. Современная система защиты электроустановок, предполагающая значительное ужесточение требований, предъявляемых к организации защитных мер, в частности - обязательную защиту от косвенного прикосновения всех электроустановок напряжением выше 50 В переменного тока (по более ранним Правилам — 380 В переменного тока и выше), обязательную дополнительную защиту от прямого прикосновения в виде УЗО и ряд других дополнительных или измененных требований.
2. Очевидная тенденция к такой организации защитных мер, при которой снижается напряжение прикосновения при выносе потенциала на открытые проводящие части электроустановок: требования о выполнении системы уравнивания потенциалов, снижение рабочего напряжения, при котором не требуется защиты от косвенного прикосновения, до 50 В, не нормируемые сопротивления повторных заземлителей нулевых проводников на вводе в здания и т.п. |
