Влияние параметров электрической дуги на выбор СИЗ персонала электроэнергетики

Влияние параметров электрической дуги на выбор СИЗ персонала электроэнергетики

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.

Королев И.В.,к.т.н., доцент кафедры ИЭиОТ ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»
Галунов И.С.,руководитель отдела АО «ФПГ ЭНЕРГОКОНТРАКТ»
Щербачева О.С.,аспирант кафедры ИЭиОТ ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ»

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

Энергетическая отрасль во всем мире традиционно связана с высоким уровнем электротравматизма. При этом одним из самых опасных факторов поражения является электрическая дуга, которая характеризуется большой плотностью тока и высокой температурой. По экспертным оценкам, на российских энергетических объектах в результате воздействия электрической дуги на подстанции ежегодно погибает от 7 до 10 человек. Схожую ситуацию можно увидеть и в других странах. Так, например, в США каждый день происходят от 10 до 15 серьезных вспышек electric arcs, которые приводят как к летальным исходам, так и к ожоговым травмам, требующим лечения в специальных ожоговых центрах [1].

Учитывая достаточно весомый вклад несчастных случаев в результате поражения персонала электрической дугой на подстанции в общий уровень электротравматизма на энергетических объектах, выбор средств индивидуальной защиты (СИЗ), способных обеспечить максимально возможную безопасность работника, имеет особую актуальность. Основные подходы к выбору таких СИЗ во многом определяет сам механизм возникновения дуги.

Электрическая дуга по своей сути представляет собой молнию (разряд), при мгновенном перекрытии воздушного зазора между проводниками или проводниками и землей. При этом всегда имеется запускающее такую вспышку событие, часто связанное с вмешательством человека.

Основными причинами и способствующими факторами вспышек электродуги являются:

• неисправность/отказ электрооборудования;
• ошибочные действия персонала;
• внешние воздействия.

Процесс образования электродуги может быть упрощенно представлен следующим образом: в момент расхождения контактов на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются 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 ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы (в первую очередь — электроны) движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов и являющиеся положительно заряженными частицами, — в противоположном направлении (к катоду).

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термо ионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рисунке 1.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет около 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).

Очевидно, что при выборе средств индивидуальной защиты от дуги необходимо учитывать потенциальную опасность воздействия выделяемой при возникновении электрической дуги энергии, которая во многом зависит:

• от мощности источника излучения, характеризующегося силой 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 защитных свойств СИЗ является способность ослаблять тепловое воздействие электрической дуги на подстанции на кожу человека до уровня, который не сможет вызвать тяжелые ожоговые травмы. Этот показатель устанавливается экспериментально на основании результатов испытаний, проходящих в соответствии с требованиями методики ГОСТ Р 12.4.234-2012 [3] в аккредитованных лабораториях на специальной установке.

В основе методики лежат подтвержденные экспериментальные данные (эталонная кривая Столл), которые определяют предел физиологических способностей кожи человека противостоять воздействию теплового излучения до возникновения ожогов II степени. Кривая задает предельные значения скорости изменения температуры на поверхности кожи человека, которые не приведут к возникновению ожогов (рисунок 2).

В России для определения основных принципов выбора комплектов для защиты от воздействия электрической дуги используются Методические указания [6], в которых указаны требования к СИЗ от термических воздействий, то есть обеспечение комплексной термостойкой защиты работающего. Но данный документ в настоящее время не имеет правового статуса и может применяться только как справочный.

Методики определения падающей энергии электрической дуги. Национальный электротехнический кодекс (NEC) [2] представляет собой стандарт конструирования, монтажа и проверки электрического оборудования и систем. Для обеспечения безопасности работы около находящегося под напряжением электрооборудования введен стандарт обеспечения безопасного проведения электротехнических работ — общенациональное соглашение NFPA 70E, которое применяется в США на промышленных предприятиях. В стандарте NFPA 70E рассматриваются вопросы, связанные с безопасными методами работы, безопасностью технического обслуживания и требованиями к безопасности для специального оборудования.

Данный документ предполагает выбор СИЗ с соответствующим уровнем защиты по уровню риска рабочего места. В соответствии с NFPA 70E, работодатели при определении потенциальной энергии опасности и защитных границ зон для безопасной работы обязаны выполнять анализ опасности вспышки дуги, которая представляет собой нежелательный электрический разряд, проходящий через воздух, сопровождающийся ярким светом и интенсивным тепловыделением.

Анализ опасности дугового замыкания может быть выполнен путем расчета потенциальной падающей энергии оборудования или с использованием классификации категорий опасности/риска. Защитная одежда должна соответствовать расчетной падающей энергии или соответствующей категории риска.

Электрическим током позволяет определить напряжение, под которое может попасть работник, требования к границам зон для безопасной работы и характеристики СИЗ, необходимые для сведения к минимуму возможности поражения человека электрическим током. В рамках стандарта NFPA 70E предусмотрено определение зон и границ защиты (расстояний) от электрооборудования, в которых возможно поражение работника электрической дугой (таблица 1). При этом выделяют три вида зон: допустимую, ограниченную и запрещенную (рисунок 3). В России аналогичный подход отражен в Правилах охраны труда при эксплуатации электроустановок [4], где регламентируются допустимые расстояния до токоведущих частей электроустановок, находящихся под напряжением. При этом в NFPA 70E не только учитывается безопасная дистанция от электроустановки, но и производится расчет границы вспышки дуги.

Анализ опасности дугового разряда проводится с целью защиты персонала от травм, получаемых при термическом воздействии вспышки электрической дуги. С учетом анализа опасности вспышки или оценки риска выполняемой работы можно подобрать оптимальный уровень защиты СИЗ.

Для подбора термостойкой спецодежды для защиты от термических рисков и оценки воздействия падающей энергии электрической дуги используют следующие основные параметры в качестве оценки воздействия на человека [2, 3]:

• падающая энергия Eп (incident energy);
• тепловая энергия, получаемая единицей площади, как прямой результат воздействия электрической дуги;
• значение падающей энергии электрической дуги на ткань или пакет материалов, при котором существует 50% вероятности, что количество тепла, переданного через образец, достаточно для его вскрытия;
• значение электродугового термического воздействия ЗЭТВ (arc thermal performance value, ATPV);
• количество падающей энергии, прошедшее сквозь материал или пакет материалов и с 50-процентной вероятностью достаточной для возникновения ожоговой травмы второй степени (в соответствии с кривой Столл).

При электродуговых испытаниях для определения уровня защиты материала или пакета материалов, из которых в дальнейшем изготавливаются термостойкие костюмы и комплектующие, падающая энергия измеряется в калориях на квадратный сантиметр (кал/см2). Общие технические требования и методы испытаний к специальной одежде для защиты от термических рисков электрической дуги прописаны в ГОСТ Р 12.4.234-2012 [3].

В зависимости от значения падающей энергии, выделяемой электрической дугой, термостойкую спецодежду подразделяют по ЗЭТВ или Упв 50 в кал/см2 на следующие уровни защиты [3]:

• 1-й уровень — не менее 5;
• 2-й уровень — не менее 10;
• 3-й уровень — не менее 20;
• 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 энергии Eп влияет ориентация электродов (токоведущих частей) в пространстве. Основное отличие — в конвективной составляющей теплообмена. Массы теплого воздуха всегда стремятся переместиться вверх, что оказывает значительное расхождение результатов при проведении испытаний при вертикальной и горизонтальной ориентации проводников. Обзор основных существующих в мире методик определения падающей энергии электродуги и соответствующих программных продуктов представлен в таблице 2.

Для оценки значения электродугового термического воздействия конкретной электроустановки необходимы следующие данные:

• величина тока короткого замыкания;
• расстояние между электродами электродуги;
• напряжение электрооборудования;
• расстояние от источника электрической дуги до тела человека;
• продолжительность воздействия электрической дуги до момента срабатывания отключающих устройств;
• тип распределительного устройства (ОРУ или ЗРУ);
• вариант расположения токоведущих частей (электродов).

Методологию для расчета потенциальных опасностей вспышки дуги предоставляет стандарт IEEE 158-42018 «Руководство IEEE для выполнения расчетов опасности вспышки дуги» [5]. Важным параметром для расчета 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 15842002 Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations на основе тестовых данных разработал эмпирические уравнения для расчета энергии вспышки дуги для систем переменного тока. Формулы стандарта IEEE 1584, получившиеся на основе измерений, достаточно сложны, так как дуга является случайным динамическим процессом, и испытания на тестовых установках не всегда будут давать данные, идентичные конкретному случаю.

Расчет энергии дуги зависит от многих составляющих, чья вариативность вносит значительную погрешность в измерения. Параметры самой установки существенно влияют на количество падающей энергии, но также дополнительное влияние оказывают и те факторы, которыми пренебрегали при проведении испытаний, такие как влажность воздуха, наличие переходных процессов, нелинейность тока КЗ во времени, взаимное влияние элементов цепи и многое другое.

Из всех факторов наибольшее влияние оказывают мощность источника излучения (дуга), характеризующаяся силой тока КЗ и, как следствие, силой тока в самой дуге и длительностью ее горения, а также удаленность персонала от источника излучения. Для возможности аппроксимации результатов на другое оборудование, отличное от испытательных установок, принимается, что физика дуги не меняется, импеданс дуги остается неизменным, геометрическая 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 вышеперечисленными параметрами ими можно пренебречь.

Существенным недостатком методологии расчета, предлагаемой в [5], является достаточно большая погрешность, связанная с высокой неопределенностью и вариативностью данных, особенно при проведении расчетов для крупногабаритного оборудования сверхвысоких и ультравысоких классов напряжения.

Ни одна из существующих методик, моделей и методов расчета не может быть применена без изменений для определения вероятного значения падающей энергии электрической дуги в целях выбора оптимальных параметров (уровня защиты) термостойкой спецодежды, используемой производственным персоналом предприятий российской энергетики.

Наиболее применимым алгоритмом определения вероятного значения падающей энергии электродуги, основанным на использовании минимального набора входных данных и подтвердившим свою эффективность, в частности, в условиях Северной Америки, является следующий:

• сбор данных об оборудовании;
• отнесение электроустановки (рабочего места) к классу опасности поражения термическими факторами электрической дуги;
• определение соответствующего классу опасности оборудования уровня защиты термостойкой спецодежды.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время в нашей стране выбор средств индивидкальной защиты от воздействия электрической дуги на персонал электроэнергетических объектов проводится с учетом потенциальной падающей энергии оборудования, но не учитывает ориентацию электродов (токоведущих частей) в пространстве. При этом учет ориентации электродов необходим, так как при этом увеличивается точность расчета падающей энергии. Учет данного параметра следует включать в методику, ориентированную на соблюдение стандартов безопасности труда.
2. Для расчета вероятных значений падающей энергии дуговых разрядов от электрооборудования, эксплуатируемого на территории РФ, необходима разработка документа, совмещающего требования стандартов NFPA 70E, методологию подхода стандарта IEEE1584 и адаптированного под требования ПОТЭЭ по безопасным расстояниям и возможности соотнесения с уровнями защиты СИЗ, указанных в ГОСТ Р 12.4.234-2012.

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