Влияние параметров электрической дуги на выбор СИЗ персонала электроэнергетики

Page 1

Page 2

120

охрана труда

Влияние параметров
электрической дуги на
выбор СИЗ персонала
электроэнергетики

УДК 331.453:621.31

нергетическая отрасль

во всем мире традици-

онно связана с высоким

уровнем электротравма-

тизма. При этом одним из самых

опасных факторов поражения

является электрическая дуга, ко-

торая характеризуется большой

плотностью тока и высокой тем-

пературой.

По экспертным оценкам, на

российских энергетических объ-

ектах в результате воздействия

электрической дуги ежегодно по-

гибает от 7 до 10 человек. Схожую

ситуацию можно увидеть и в дру-

гих странах. Так, например, в США

каждый день происходят от 10 до

15 серьезных вспышек электриче-

ской дуги, которые приводят как

к летальным исходам, так и к ожо-

говым травмам, требующим лече-

ния в специальных ожоговых цен-

трах [1].

Учитывая достаточно весо-

мый вклад несчастных случаев

в результате поражения персона-

ла электрической дугой в общий

уровень электротравматизма на

энергетических объектах, выбор

средств индивидуальной защи-

ты (СИЗ), способных обеспечить

максимально возможную безопас-

ность работника, имеет особую

актуальность. Основные подходы

к выбору таких СИЗ во многом

определяет сам механизм возник-

новения дуги.

Электрическая дуга по своей

сути представляет собой молнию

(разряд), при мгновенном пере-

крытии воздушного зазора между

проводниками или проводниками

и землей. При этом всегда име-

ется запускающее такую вспышку

событие, часто связанное с вме-

шательством человека.

Основными причинами и спо-

собствующими факторами вспы-

шек электрической дуги являются:

– неисправность/отказ электро-

оборудования;

– ошибочные действия персонала;

– внешние воздействия.

Процесс образования элек-

трической дуги может быть упро-

щенно представлен следующим

образом: в момент расхождения

контактов на контактном проме-

жутке быстро восстанавливается

напряжение. Поскольку при этом

расстояние между контактами

мало, возникает электрическое

поле высокой напряженности,

под воздействием которого с по-

верхности электрода вырывают-

ся электроны. Они разгоняются

в электрическом поле и при ударе

в нейтральный атом отдают ему

свою кинетическую энергию. Если

этой энергии достаточно, чтобы

оторвать хотя бы один электрон

с оболочки нейтрального атома,

то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные

электроны и ионы составляют

плазму ствола дуги, то есть ио-

низированного канала, в котором

горит дуга и обеспечивается не-

прерывное движение частиц. При

статье

описан

процесс

образования

дуги

рассмотрены

методики

опреде

ления

падающей

энергии

электрической

дуги

основные

подходы

выбору

термостойких

СИЗ

для

защиты

персонала

электроэнергетических

предприятий

от

воздействия

дуги

также

даны

предложения

по

улучшению

методики

опре

деления

падающей

энергии

электрической

дуги

обеспечивающие

дальнейшее

повышение

безопасности

данного

вида

работ

Королев

к.т.н., доцент кафедры

ИЭиОТ ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

Галунов

руководитель

отдела АО «ФПГ

ЭНЕРГОКОНТРАКТ»

Щербачева

аспирант кафедры

ИЭиОТ ФГБОУ ВО

«НИУ «МЭИ»

Ключевые

слова

электрическая дуга,

вспышка дуги, безопас-

ность работ, термостой-

кие СИЗ

Page 3

121

этом отрицательно заряженные

частицы (в первую очередь —

электроны) движутся в одном

направлении (к аноду), а атомы

и молекулы газов, лишенные од-

ного или нескольких электронов

и являющиеся положительно за-

ряженными частицами, — в про-

тивоположном направлении (к ка-

тоду).

В стволе дуги проходит боль-

шой ток и создается высокая

температура. Такая температура

ствола дуги приводит к термо-

ионизации — процессу образова-

ния ионов вследствие соударения

молекул и атомов, обладающих

большой кинетической энергией

при высоких скоростях их движе-

ния (молекулы и атомы среды, где

горит дуга, распадаются на элек-

троны и положительно заряжен-

ные ионы). Интенсивная термо -

ионизация поддерживает высо-

кую проводимость плазмы. Поэто-

му падение напряжения по длине

дуги невелико.

В дуге можно отметить три

области, весьма различные по

характеру протекающих в них

процессов. Непосредственно к от-

рицательному электроду (катоду)

дуги прилегает область катодно-

го падения напряжения. Далее

идет плазменный ствол дуги. Не-

посредственно к положительному

электроду (аноду) прилегает об-

ласть анодного падения напряже-

ния. Эти области схематично по-

казаны на рисунке 1.

В обычных условиях воздух яв-

ляется хорошим изолятором. Не-

обходимое для пробоя воздушно-

го промежутка в 1 см напряжение

составляет около 30 кВ. Чтобы

воздушный промежуток стал про-

водником, необходимо создать

в нем определенную концентра-

цию заряженных частиц (электро-

нов и ионов).

Очевидно, что при выборе СИЗ

для защиты от дуги необходимо

учитывать потенциальную опас-

ность воздействия дуги, которая

во многом зависит:

– от мощности источника излу-

чения, характеризующегося си-

лой тока короткого замыкания,

и (как следствие) силой тока

в самой дуге, и длительностью

ее горения;

– от удаленности персонала от

источника излучения;

– от параметров окружающей

среды (влажности воздуха

и атмосферного давления).

Основным показателем защит-

ных свойств СИЗ является спо-

собность ослаблять тепловое воз-

действие электрической дуги на

кожу человека до уровня, который

не сможет вызвать тяжелые ожо-

говые травмы. Этот показатель

устанавливается

эксперимен-

тально на основании результатов

испытаний, проходящих в соот-

ветствии с требованиями методи-

ки ГОСТ Р 12.4.234-2012 [3] в ак-

кредитованных лабораториях на

специальной установке.

В основе методики лежат под-

твержденные экспериментальные

данные (эталонная кривая Столл),

которые определяют предел фи-

зиологических способностей кожи

человека противостоять воздей-

ствию теплового излучения до

возникновения ожогов II степени.

Кривая задает предельные зна-

чения скорости изменения тем-

пературы на поверхности кожи

человека, которые не приведут

к возникновению ожогов (рису-

нок 2).

В России для определения

основных принципов выбора

комплектов для защиты от воз-

действия электрической дуги

используются

Методические

указания [6], в которых указаны

требования к СИЗ от термических

воздействий, то есть обеспечение

комплексной термостойкой защи-

ты работающего. Но данный доку-

мент в настоящее время не имеет

правового статуса и может приме-

няться только как справочный.

В мире существуют различные

методики определения падающей

энергии электрической дуги. На-

циональный электротехнический

кодекс (NEC) [2] представляет со-

бой стандарт конструирования,

монтажа и проверки электриче-

ского оборудования и систем. Для

обеспечения безопасности работы

около находящегося под напряже-

нием электрооборудования введен

стандарт обеспечения безопас-

ного проведения электротехниче-

ских работ — общенациональное

соглашение NFPA 70E, которое

применяется в США на промыш-

ленных предприятиях. В стандар-

те NFPA 70E рассматриваются во-

просы, связанные с безопасными

методами работы, безопасностью

технического обслуживания и тре-

бованиями к безопасности для

специального оборудования.

Область катодного

падения напряжения

Плазменный ствол

Электрическая дуга

Область анодного

падения напряжения

Рис

. 1.

Строение

электрической

дуги

Рис

. 2.

Эталонная

кривая

Столл

По

дъе

м те

мперат

уры о

т нор

альной

те

мперат

уры тела чел

ов

ека (36,6°С)

Время воздействия, сек

25°С

20°С

15°С

10°С

5°С

№

3 (60) 2020

Page 4

122

ОХРАНА ТРУДА

Данный документ предпола-

гает выбор СИЗ с соответствую-

щим уровнем защиты по уровню

риска рабочего места. В соответ-

ствии с NFPA 70E, работодатели

при определении потенциальной

энергии опасности и защитных

границ зон для безопасной ра-

боты обязаны выполнять анализ

опасности вспышки дуги, кото-

рая представляет собой неже-

лательный электрический раз-

ряд, проходящий через воздух,

сопровождающийся ярким све-

том и интенсивным тепловыде-

лением.

Анализ опасности дугового за-

мыкания может быть выполнен

путем расчета потенциальной

падающей энергии оборудования

или с использованием классифи-

кации категорий опасности/риска.

Защитная одежда должна соот-

ветствовать расчетной падающей

энергии или соответствующей ка-

тегории риска.

Анализ опасности поражения

электрическим током позволяет

определить напряжение, под кото-

рое может попасть работник, тре-

бования к границам зон для без-

опасной работы и характеристики

СИЗ, необходимые для сведения

к минимуму возможности пора-

жения человека электрическим

током. В рамках стандарта NFPA

70E предусмотрено определение

зон и границ зон (расстояний) от

электрооборудования, в которых

возможно поражение работника

электрической дугой (таблица 1).

При этом выделяют три вида зон:

допустимую, ограниченную и за-

прещенную (рисунок 3). В Рос-

сии аналогичный подход отражен

в Правилах охраны труда при экс-

плуатации электроустановок [4],

где регламентируются допусти-

мые расстояния до токоведущих

частей электроустановок, нахо-

дящихся под напряжением. При

этом в NFPA 70E не только учи-

тывается безопасная дистанция

от электроустановки, но и произ-

водится расчет границы вспышки

дуги.

Анализ опасности дугового

разряда проводится с целью за-

щиты персонала от травм, полу-

чаемых при термическом воздей-

ствии вспышки электрической

дуги. С учетом анализа опасно-

сти вспышки или оценки риска

выполняемой работы можно по-

добрать оптимальный уровень

защиты СИЗ.

Для подбора термостойкой

спецодежды для защиты от терми-

ческих рисков электрической дуги

используют следующие основные

параметры в качестве оценки воз-

действия на человека [2, 3]:

– падающая энергия

(incident

energy) — тепловая энергия,

получаемая единицей площа-

ди, как прямой результат воз-

действия электрической дуги;

– пороговая энергия вскрытия

пв50

(break open threshold ener-

gy) — значение падающей

энергии на ткань или пакет

материалов, при котором

существует 50% вероятности,

что количество тепла, пере-

данного через образец, доста-

точно для его вскрытия;

– значение электродугового тер-

мического воздействия ЗЭТВ

(arc thermal performance value,

ATPV) — количество пада-

ющей энергии, прошедшее

сквозь материал или пакет

материалов и с 50-процентной

вероятностью

достаточной

для возникновения ожоговой

травмы второй степени (в соот-

ветствии с кривой Столл).

При электродуговых испыта-

ниях для определения уровня за-

щиты материала или пакета мате-

риалов, из которых в дальнейшем

изготавливаются

термостойкие

костюмы и комплектующие, па-

дающая энергия измеряется в ка-

лориях на квадратный сантиметр

(кал/см

). Общие технические

требования и методы испытаний

к специальной одежде для защи-

ты от термических рисков элек-

трической дуги прописаны в ГОСТ

Р 12.4.234-2012 [3].

В зависимости от значения

падающей энергии, выделяемой

электрической дугой, термостой-

кую спецодежду подразделяют по

ЗЭТВ или

пв50

в кал/см

на следу-

ющие уровни защиты [3]:

1-й уровень — не менее 5;

2-й уровень — не менее 10;

3-й уровень — не менее 20;

Табл. 1. Зоны и границы зон (расстояния)

для безопасной работы и защиты от электрической дуги

Системное

напряжение

Допустимая

зона

Ограниченная

зона

Запрещенная

зона

До 750 В

1070 мм

305 мм

25 мм

От 750 В до 15 кВ

1525 мм

660 мм

178 мм

От 15 кВ до 36 кВ

1830 мм

788 мм

254 мм

От 36 кВ до 46 кВ

2440 мм

840 мм

432 мм

Рис

. 3.

Зоны

границы

зон

для

безопасной

работы

защиты

от

электри

чес

кой

дуги

Граница

вспышки

дуги

Граница

ограниченного

подхода

Граница

опасного

подхода

Запре-

щенная

зона

Ограни-

ченная

зона

Допус-

тимая

зона

Page 5

123

4-й уровень — не менее 30;

5-й уровень — не менее 40;

6-й уровень — не менее 60;

7-й уровень — не менее 80;

8-й уровень — 100±5.

На величину падающей энер-

гии Eп влияет ориентация элек-

тродов (токоведущих частей)

в пространстве. Основное отли-

чие — в конвективной составля-

ющей теплообмена. Массы теп-

лого воздуха всегда стремятся

переместиться вверх, что оказы-

вает значительное расхождение

результатов при проведении ис-

пытаний при вертикальной и го-

ризонтальной ориентации прово-

дников.

Обзор основных существую-

щих в мире методик определения

падающей энергии электриче-

ской дуги и соответствующих про-

граммных продуктов представлен

в таблице 2.

Для оценки значения электро-

дугового термического воздей-

ствия конкретной электроуста-

новки необходимы следующие

данные:

– величина тока короткого замы-

кания;

– расстояние между электрода-

ми электрической дуги;

– напряжение электрооборудо-

вания;

– расстояние от источника элек-

трической дуги до тела чело-

века;

– продолжительность

воздей-

ствия электрической дуги до

момента срабатывания отклю-

чающих устройств;

– т и п р а с п р ед ел и тел ь н о го

устройства (ОРУ или ЗРУ);

– вариант расположения токо-

ведущих частей (электродов).

Методологию для расчета по-

тенциальных опасностей вспыш-

ки дуги предоставляет стандарт

IEEE 1584-2018 «Руководство

IEEE для выполнения расчетов

опасности вспышки дуги» [5].

Важным параметром для расче-

та энергии дуги в соответствии с

данным стандартом является ток

короткого замыкания (Iкз), так как

он существенно влияет на силу

тока в теле самой дуги, что также

влияет на итоговые результаты

расчетного значения падающей

энергии.

Комитет IEEE Std 1584-2002

Guide for Performing Arc-Flash

Табл. 2. Обзор существующих в мире методик определения падающей энергии электрической дуги

№

Методы расчета

дуговой вспышки

Преимущества

Недостатки

Модели и методы, описан-

ные в стандарте IEEE Std

1584

-2018 «Руководство

Института инженеров по

электротехнике и электро-

ники по методике рас-

чета опасных факторов

дуговой вспышки» (Guide

for Performing Arc-Flash

Hazard Calculations)

Наиболее полный документ, описывающий методи-

ку определения параметров электрооборудования

для проведения расчета потенциальной падающей

энергии. Основан на анализе результатов более

2300 лабораторных испытаний. Разработан при

содействии NFPA. Применяется для расчета тока

дуги, теплового потока дуги, определения границ

дуговой вспышки и подбора защитных устройств

(времени их срабатывания) для ограничения тер-

мического воздействия и установления безопас-

ных расстояний. В редакции 2018 года множество

изменений (относительно редакции 2002 года)

и дополнительно — учет пространственного рас-

положения электродов и размера ячейки.

Имеются 2 модели с эмпирически

выведенными формулами: для ЭУ

до 600 В и для ЭУ до 15 кВ с токами

короткого замыкания 0,5÷106 кА

и 0,2 ÷ 65 кА соответственно, то

есть для ЭУ с классом напряже-

ния выше 15 кВ может быть при-

менена только экстраполяция со

значительными погрешностями.

Сложные и громоздкие формулы

с поэтапными промежуточными

расчетами. Применение Руковод-

ства не гарантирует точность рас-

четов и защиту персонала.

Программы по инженерно-

му анализу электрических

цепей на основе прин-

ципиальных схем (SKM,

EasyPower

, ETAP)

Позволяют производить автоматизированный рас-

чет токов КЗ с интегрированными калькуляторами

расчета возможной энергии электродуги.

Требуется закупка ПО, установ-

ка и применение на всем пред-

приятии. Требует сбора огром-

ного количества данных (более

1000 параметров). В подобных

программах невозможна отрисов-

ка реально существующих схем

ЭУ, реализованных в РФ. Огра-

ничен выбор заданных вариантов

оборудования (некоторое предла-

гается на выбор только из выпада-

ющего списка).

Готовые таблицы амери-

канской Национальной

ассоциации пожарной за-

щиты NFPA 70E ed.2018

Применяются в США на промышленных предпри-

ятиях без проведения расчета оценки риска. Обо-

рудование подлежит классификации по уровням

риска. По уровню риска рабочего места подбира-

ются СИЗ с соответствующим уровнем защиты.

Не применяются в электроэнер-

гетике, где действуют стандарты

NEC и ASTM. Имеет классифи-

кацию оборудования на 4 класса

опасности до 40 кал/см

Программный продукт,

разработанный лаборато-

рией Kinectrics Inc., Toronto:

Калькулятор ARCPRO

версия 3.0 (2017 год)

Простота в использовании. Возможность расчетов

при однофазных и трехфазных КЗ, а также воз-

можность выбора ОРУ/ЗРУ. Дополнительно есть

возможность расчета для ЭУ постоянного тока до

1000 В.

Модель ARCPROTM 3.0 имеет

ограничения и оговорки: не прини-

мает во внимание перемещение

дуги, имеет диапазон применения

(ЭУ до 120 кВ).

Калькулятор Duke Heat

Flux Calculator Software

by Alan Privette

Бесплатная программа в свободном доступе, вы-

дает приемлемые результаты при расчетах тока

в диапазоне 1–10 кА.

Имеет ограничения по диапазону

применения. Для магистральных

электросетей не применима.

№

3 (60) 2020

Page 6

124

Hazard Calculations на основе

тес товых данных разработал эм-

пирические уравнения для рас-

чета энергии вспышки дуги для

систем переменного тока. Фор-

мулы стандарта IEEE 1584, полу-

чившиеся на основе измерений,

достаточно сложны, так как дуга

является случайным динамиче-

ским процессом, и испытания на

тестовых установках не всегда

будут давать данные, идентич-

ные конкретному случаю.

Расчет энергии дуги зависит от

многих составляющих, чья вариа-

тивность вносит значительную по-

грешность в измерения. Парамет-

ры самой установки существенно

влияют на количество падающей

энергии, но также дополнитель-

ное влияние оказывают и те фак-

торы, которыми пренебрегали при

проведении испытаний, такие как

влажность воздуха, наличие пере-

ходных процессов, нелинейность

тока КЗ во времени, взаимное

влияние элементов цепи и многое

другое.

Из всех факторов наибольшее

влияние оказывают мощность ис-

точника излучения (дуга), характе-

ризующаяся силой тока КЗ и, как

следствие, силой тока в самой

дуге и длительностью ее горения,

а также удаленность персонала

от источника излучения. Для воз-

можности аппроксимации резуль-

татов на другое оборудование,

отличное от испытательных уста-

новок, принимается, что физика

дуги не меняется, импеданс дуги

остается неизменным, геометри-

ческая пространственная форма

дуги постоянна и прямолинейна,

и сохраняются все расстояния.

Такие же факторы, как влажность

воздуха, атмосферное давление,

частички испаренного металла,

конечно, тоже вносят коррективы,

но в сравнении с основными вы-

шеперечисленными параметрами

ими можно пренебречь.

Существенным недостатком

методологии расчета, предлага-

емой в [5], является достаточно

большая погрешность, связан-

ная с высокой неопределенно-

стью и вариативностью данных,

особенно при проведении расче-

тов для крупногабаритного обо-

рудования сверхвысоких и уль-

травысоких классов напряжения.

Ни одна из существующих ме-

тодик, моделей и методов рас-

чета не может быть применена

без изменений для определения

вероятного значения падаю-

щей энергии электрической дуги

в целях выбора оптимальных

параметров (уровня защиты)

термостойкой спецодежды, ис-

пользуемой производственным

персоналом предприятий рос-

сийской энергетики.

Наиболее применимым алго-

ритмом определения вероятно-

го значения падающей энергии

электрической дуги, основанным

на использовании минимального

набора входных данных и под-

твердившим свою эффектив-

ность, в частности, в условиях

Северной Америки, является

– сбор данных об оборудовании;

– отнесение электроустановки

(рабочего места) к классу опас-

ности поражения термически-

ми факторами электрической

дуги;

– определение соответствующе-

го классу опасности оборудо-

вания уровня защиты термо-

стойкой спецодежды.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время в нашей

стране выбор СИЗ для защиты от

воздействия электрической дуги

на персонал электроэнергетиче-

ских объектов проводится с уче-

том потенциальной падающей

энергии оборудования, но не учи-

тывает ориентацию электродов

(токоведущих частей) в простран-

стве. При этом учет ориентации

электродов необходим, так как

при этом увеличивается точность

расчета падающей энергии.

2. Для расчета вероятных значе-

ний падающей энергии дуговых

разрядов от электрооборудова-

ния, эксплуатируемого на терри-

тории РФ, необходима разработка

документа, совмещающего тре-

бования стандартов NFPA 70E,

методологию подхода стандар-

та IEEE-1584 и адаптированного

под требования ПОТЭЭ по без-

опасным расстояниям и возмож-

ности соотнесения с уровнями

защиты СИЗ, указанных в ГОСТ Р

12.4.234-2012.

ЛИТЕРАТУРА

1. NFPA 70E, arc ﬂ ash, and safe and eﬃ cient thermography

practices reliableplant. URL: https://www.reliableplant.com.

2. NFPA 70. Национальный электротехнический кодекс

(NEC). Национальная ассоциация противопожарной за-

щиты (NFPA). URL: https://www.nfpa.org.

3. ГОСТ Р 12.4.234-2012. Система стандартов безопас-

ности труда (ССБТ). Одежда специальная для защиты

от термических рисков электрической дуги. Общие тех-

нические требования и методы испытаний. URL: http://

docs.cntd.ru/document/1200104572.

4. Правила по охране труда при эксплуатации электро-

установок, утвержденные приказом Минтруда России от

24 июля 2013 г. № 328н (с изменениями на 19 февраля

2016 года). URL: https://base.garant.ru/70543150/.

5. IEEE Std 1584-2002 Guide for Performing Arc-Flash Ha-

zard Calculations. URL: https://standards.ieee.org/stan dard/

1584-2002.html.

6. Методические указания по выбору комплектов для за-

щиты от воздействия электрической дуги. URL: https://

www.el-info.ru/metodicheskie-ukazaniya-po-vyboru-komp/.

REFERENCES

1. NFPA 70E, arc ﬂ ash, and safe and eﬃ cient thermography

practices reliableplant. URL: https://www.reliableplant.

com.

2. NFPA 70. National Electrotechnical code (NEC). National Fire

Protection Association. (NFPA). URL: https://www.nfpa.org.

3. State Standard GOST R 12.4.234-2012. Occupational

safety standards system. Protective clothing for thermal

hazards of an electric arc. General technical require-

ment and test methods. URL: http://docs.cntd.ru/docu-

ment/1200104572.

4. Rules of labor protection in electric installation operation

approved by the order of the Ministry of Labor of RF dated

July, 24, 2013 no. 328n (with amendments dated February,

19, 2016). URL: https://base.garant.ru/70543150/.

5. IEEE Std 1584-2002 Guide for Performing Arc-Flash Haz-

ard Calculations. URL: https://standards.ieee.org/standard/

1584-2002.html.

6. Methodical guidelines on selection of arc protection sets.

URL: https://www.el-info.ru/metodicheskie-ukazaniya-po-vy -

boru-komp/.

ОХРАНА ТРУДА

Оригинал статьи: Влияние параметров электрической дуги на выбор СИЗ персонала электроэнергетики

Ключевые слова: электрическая дуга, вспышка дуги, безопасность работ, термостойкие СИЗ

Читать онлайн

В статье описан процесс образования дуги, рассмотрены методики определения падающей энергии электрической дуги и основные подходы к выбору термостойких СИЗ для защиты персонала электроэнергетических предприятий от воздействия дуги, а также даны предложения по улучшению методики определения падающей энергии электрической дуги, обеспечивающие дальнейшее повышение безопасности данного вида работ.