Обеспечение безопасных условий труда работников энергетических хозяйств эксплуатационных и ремонтных предприятий

Введение. С развитием науки и инновационных технологий внедряются новые средства индивидуальной и коллективной защиты, автоматизированные системы мониторинга вредных и опасных производственных факторов, пересматриваются организационно-технические мероприятия в области охраны труда и экологической безопасности. Все достижения направлены на обеспечение безопасных условий труда, а также на предупреждение возникновения чрезвычайных ситуаций, возникновения опасных и вредных производственных факторов, определение неисправности оборудования [1–5].

Причины аварий и несчастных случаев, которые происходят на производстве как сельскохозяйственной отрасли, так и других, совпадают по ряду общих признаков, что приводит к трагическим последствиям. Даже при проведении на предприятиях регулярных организационно-технических мероприятий по снижению аварийности и травматизма, число аварий и травм на производстве остаётся на высоком уровне. Приблизительно 33,3% от общего числа аварий в энергетических хозяйствах предприятий происходят из-за технических неисправностей. В связи с финансовыми трудностями руководители многих предприятий эксплуатируют дорогостоящее высоковольтное оборудование, которое давно исчерпало свой ресурс, установленный заводом изготовителем. Особенно это касается силовых трансформаторов районных и заводских электроподстанций.

На эксплуатационных и ремонтных предприятиях как сельскохозяйственного назначения, так и предприятий других отраслей около 60% силовых трансформаторов эксплуатируются более 40 лет, даже при нормальных условиях эксплуатации они давно исчерпали свой ресурс. Всё это электрооборудование требует по- вышенного внимания, проведения профилактических мероприятий, капитального ремонта и текущего контроля состояния. При этом сроки проведения всех этих мероприятий должны быть индивидуальными и исходить из фактического состояния данного высоковольтного электрооборудования.

В процессе эксплуатации высоковольтного электрооборудования, в частности, силовых трансформаторов, возникает износ и старение элементов конструкций, что отражается не только на эксплуатационных характеристиках, но и на безопасности эксплуатации данного электрооборудования [5–8].

Выход из строя изоляции электрооборудования повышает уровень риска возникновения несчастного случая и других необратимых последствий на производстве.

Воздействие опасных и вредных производственных факторов может быть сведено к минимуму, но только при своевременном обнаружении и комплексном изучении производственной среды и выявлении источников опасных и вредных производственных факторов, а также при использовании различных технических и индивидуальных средств защиты.

При обслуживании и эксплуатации электрооборудования работники предприятий как сельскохозяйственного назначения так и предприятий других отраслей в случае возникновения коротких замыканий, пробоя изоляции могут попасть под высокое напряжение. Самой распространённой причиной возникновения несчастных случаев при аварийных режимах является замыкание фазы на нетоковедущие элементы устройств электроснабжения и электрооборудования, а также другие токопроводящие конструкции цехов и подстанций. В данном случае работники предприятий попадают под напряжение прикосновения, что приводит к электротравмам и смертельным случаям на производстве, поэтому вопросы по точному проектированию защитного заземления с учётом всех сопутствующих факторов будут всегда актуальными.

Защитное заземление подстанций, цехов и других производственных помещений является неотъемлемой частью обеспечения безопасных условий труда работников эксплуатационных и ремонтных предприятий железнодорожного транспорта, а также служит для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений и электромагнитного влияния [9–12].

Материалы и методы исследования. Объектом исследования являются опасные производственные факторы, возникающие при коротких замыканиях и пробое изоляции силовых трансформаторов на районных и заводских электрических подстанциях. Методика исследования предполагает выбор оптимального решения на основе законов электротехники по выбору конструкции защитного заземления с учётом сопутствующих производственных и природных факторов с целью снижения электротравматизма работников предприятий как сельскохозяйственного назначения, так и предприятий других отраслей [13–15].

Результаты исследования и их обсуждение. Требования, которые предъявляются к защитному заземлению, определяются исходя из нормативных документов (ГОСТ Р 58882-20207. Заземляющие устройства. Системы уравнивания потенциалов. Заземлители. Заземляющие проводники, ПУЭ. 7-е издание п.1.7.49-1.7.120). По требованиям нормативных документов на подстанциях используется три вида заземления: защитное, рабочее и молниезащитное.

Для защитного заземления подстанций 6/0,4 кВ должны выполняться требования, которые прописаны в п.1.7.98 ПУЭ:

– вокруг здания подстанции на глубине не более 0,5 метра и на расстоянии 1 м от края фундамента здания и открыто установленного оборудования должен быть установлен замкнутый контур заземления, подсоединённый к заземляющему устройству;

– вокруг здания подстанции должно быть выполнено одно общее заземление, к которому подсоединяют: нейтраль трансформатора на стороне напряжения до 1 кВ; бак силового трансформатора; металлические оболочки и броню кабельной линии напряжением до 1 кВ и выше; открытые проводящие части электроустановок и сторонние проводящие части.

Сопротивление заземлителя, к которому подсоединяются нейтраль трансформатора и корпуса, а также не проводящие электрический ток части оборудования, в любое время года при линейных напряжениях 660, 380, 220 В должно быть не более 2, 4 и 8 Ом.

При расчёте защитного заземления необходимо, чтобы выполнялись все требования по электробезопасности для электроустановок различных назначений и уровней напряжений по защите персонала от поражения электрическим током при пробое изоляции в различных условиях эксплуатации электрооборудования, а также от перенапряжений и возможных аварий высоковольтного оборудования.

Для расчёта защитного заземления подстанций используются стандартные расчётные методики, карты почв, учитываются климатические условия региона, а также проводятся инженерно-геологические изыскания.

Для моделирования различных вариантов исполнения защитного заземления за основу была взята реальная распределительная заводская подстанция с установленными тремя силовыми трансформаторами ТМ 4000/6/0,4.

Расчётные характеристики заводской подстанции. Подстанция представлена в виде здания с размерами 28×20 метров и высотой потолка помещений 5 м. Толщина стен помещений – 0,2 м, толщина бетонной плиты, на которой установлены трансформаторы – 0,4 м, фундамент здания – 4 м.

Внешний заземлитель изготовлен из стального уголка c размерами 50×50×5 мм, расположен по контуру здания на расстоянии 1 метра от стен, заземлитель погружён в грунт на 0,7 м. С учётом площади здания, внешний заземляющий контур имеет вертикальные электроды длиной 3 м, диаметром 0,016 м с шагом расположения 4 м, общее число вертикальных заземлителей – 25. Для базовых расчётов брали тип почвы – суглинок, для данного района удельное сопротивление грунта 100 Ом∙м. Внешний заземлитель соединен с заземлением контура здания в четырёх местах.

В качестве рабочего заземления использовали полосу из стали с размерами 35×5 мм, размещённого от уровня пола на 0,4 м, все ме- таллические части, не находящиеся под напряжением, заземлены.

Параметры для моделирования и расчёта распределения потенциала на подстанции представлены в таблице 1.

Для стандартных методик расчёты защитного заземления с учётом проводимости почвы делают приблизительными по карте почв. Во многих случаях почва имеет неоднородную структуру, встречаются места со слоистой структурой, состоящей из суглинка, песка, известняка и др. Дополнительно при расчётах необходимо учитывать сезонные изменения грунта.

Основными факторами, влияющими на удельное сопротивление почвы, являются коэффициенты промерзания и увлажнения [16– 17]. При сильном увлажнении почвы и удержании влаги в грунте удельное сопротивление мо- жет снижаться в десятки раз, поэтому необходимо учитывать эти факторы при расчёте и проектировании подстанций (таблица 1).

Следует также учесть, что для небольших подстанций сезонные изменения существенно влияют на общее сопротивление заземлителя, поэтому для уменьшения влияния и равномерного распределения потенциала используют вертикальные электроды. Расчёты защитного заземления выполняются для неблагоприятных случаев с учётом сезонности и слоистости почвы. На рисунке 1 представлена расчётная модель заводской подстанции с расположением электрооборудования.

В качестве аварийного режима рассмотрим пробой фазы на корпус силового трансформатора (однофазное короткое замыкание) и распределение потенциала на заземляющем контуре выбранной подстанции.

Таблица 1 – Параметры удельного сопротивления различных материалов и почв Table 1 – Resistivity parameters of various materials and soils

№	Материал (почва) Material (soil)	Параметр удельного сопротивления, Ом∙м Resistivity parameter, Ohm∙m
1	Песок (сильно увлажнённый/сухой) Sand (very wet/dry)	(10–60)/(1500–4200)
2	Супесок Sand clay	150–400
3	Глина Clay	8–70
4	Чернозём Black soil	10–50
5	Суглинок Loam	40–150
6	Каменистая глина Claystone	100
7	Известняк Limestone	1000–2000
8	Щебень (сухой/мокрый) Crushed stone (dry/wet)	5000/3000
9	Смешанный грунт (известь, щебень, глина) Mixed soil (lime, crushed stone, clay)	80–100
10	Бетон c поглощением 4,2% Absorption concrete 4,2%	10000
11	Железо Iron	0,097∙10-6

Потенциал, создаваемый точечным источником на глубине расположения внешнего заземлителя, будет описываться уравнением Лапласа:

^∂2φ + ^∂2φ + ^∂2φ =0. (1)

∂x ² ∂y ² ∂z ²

Вычисление потенциала сводится к нахождению функции φ (х, у, z), которая во всём пространстве между проводниками удовлетво- ряет выражению (1), а на самих проводниках принимала бы заданные значения.

Для распределения потенциала в зоне расположения подстанции разработана математическая модель, учитывающая все параметры, которые влияют на распределение потенциала (параметры защитного заземления, глубина залегания, параметры грунта, места расположения электрооборудования, электрические параметра помещения и др.) (рисунок 1).

1 – силовые трансформаторы; 2 – КРУ 6 кВ; 3 – распределительное устройство 0,4 кВ; 4 – шкафы управления и шкафы собственных нужд; 5 – контур внешнего заземления;

6 – вертикальные заземлители; 7 – контур внутреннего заземления Рисунок 1 – Расчётная модель заводской подстанции

1 – power transformers; 2 – 6 kV switchgear; 3 – 0,4 kV switchgear;

4 – control cabinets and auxiliary cabinets; 5 – external grounding loop;

6 – vertical grounding conductors; 7 – internal grounding loop Figure 1 – Design model of a factory substation

Уравнения, которые были использованы при математическом моделировании:

I = ^ + L ,

E = -Vp ,            (2)

VJ = Qj*, где J - вектор плотности тока, А/м2;

о - удельная проводимость, См/м;

E - вектор напряженности электрического поля, В/м;

J_e - вектор плотности внешнего тока, А/м²;

• V - векторный дифференциальный оператор Набла;

• p - потенциал, В;

Q j* - суммарный заряд, Кл.

Начальные условия, принятые для данной модели:

• 1)    начальное значение потенциала p = 0, кроме точки приложения напряжения на корпусе трансформатора U=400 В;

• 2)    токи распространяются по всему контуру заземления, грунту и помещению подстанции.

При моделировании приняты следующие допущения:

• 1)    среда поверхности однородная и для каждого сегмента проводимости своя (контуры заземлений, пол, слой грунта);

• 2)    все слои грунта и пол имеют ровную поверхность;

• 3)    расчёты проводились для нормальных условий, без повышенной влажности и температуры;

• 4)    не учитывались переходные сопротивления сварных соединений заземляющего контура.

Результаты моделирования: моделирование проводили для разных вариантов заземления. На рисунке 2 представлена расчётная схема распределения электрического потенциала.

Рисунок 2 – Расчётная модель распределения электрических потенциалов Figure 2 – Design model of electrical potential distribution

При расчёте аварийного режима (пробой изоляции силового трансформатора со стороны низкого напряжения) принимается, что на корпусе силового трансформатора Тр2 приложено напряжение 400 В. На рисунке 3 показано распределение электрического потенциала при условии пробоя изоляции трансформатора со стороны низшего напряжения.

Рисунок 3 – Распределение электрического потенциала при пробое изоляции на стороне напряжения 0,4 кВ на корпус трансформатора

Figure 3 – Electric potential distribution during insulation breakdown on the voltage of 0,4 kV on the transformer body

На рисунке 3 распределение электрического потенциала определяется по шкале цветов, максимальное значение электрического потенциала соответствует насыщенному красному цвету. Предложенная методика позволяет имитировать также различные аварийные ситуации с учётом удельной проводимости грунта, строительных материалов, из которых изготов- лены основания, стены, полы, а также позволяет произвести расчёт распределения потенциала на территории электроподстанции с учетом повреждения распределительных устройств.

Выполнены расчёты для различных вариантов защитного заземления, результаты расчётов представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Результаты расчётов различных вариантов исполнения защитного заземления Table 2 – Calculation results for various protective grounding options

Погружение внешнего контура в грунт, м Immersion of the external circuit into the ground, m	0,10	0,30	0,50	0,70	0,90	1,10
Заземляющий контур без вертикальных электродов, R ' , Ом Grounding circuit without vertical electrodes, R ' , , Ohm	1,11	1,03	0,99	0,97	0,94	0,82
50% вертикальных электродов у заземля ющего контура отсутствуют, R '3' , Ом 50% of vertical electrodes near the grounding loop are missing, R ' , Ohm	0,93	0,88	0,86	0,84	0,82	0,80
Заземляющий контур с вертикальными электродами, R3 , Ом Grounding circuit with vertical electrodes, R3 , Ohm	0,83	0,80	0,78	0,76	0,75	0,73

Все варианты расчёта (таблица 2) защитного заземления удовлетворяют требованиям ПУЭ, уменьшение величины сопротивления в зависимости от углубления внешнего контура очевидно. Для стандартного заглубления 0,7 м разница заземляющего контура составляет: для заземляющего контура без вертикальных электродов – 27,6%, при отсутствии 50% вертикальных электродов – 10,5%.

В таблице 3 представлены результаты моделирования защитного контура заземления подстанции с учётом слоистости почвы.

Таблица 3 – Результаты расчётов защитного заземления с учётом влияния грунта Table 3 – Results of calculations of protective grounding taking into account the influence of soil

Слои почвы (варианты) Soil layers (kinds)	1 суглинок 1 loam	2 глина 2 clay	3 каменистая глина 3 claystone	4 смешанный грунт 4 mixed soil
Общее сопротивление заземления R3 , Ом Total grounding resistance Rз, Ohm	0,76	0,15	1,90	2,93

Рассмотрены следующие варианты грунта: 1 – суглинок, 2 – глина, 3 – каменистая глина, 4 – смешанный грунт, состоящий из 0,5 м – мокрый песок, 1,5 м – суглинок, 4,0 м (19 м) – известняк. Неоднородная слоистость почвы существенным образом влияет на величину защитного заземления. Представленная расчётная модель позволяет провести анализ различных конструкций защитного заземления в зависимости от условий эксплуатации подстанции и геологических особенностей региона, провести предварительные изыскания и предложить наиболее целесообразный вариант с учётом безопасных условий эксплуатации высоковольтного электрооборудования и экономически эффективный. Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы.

Выводы. Предложенный метод позволяет проводить расчёты распределения электрического потенциала на территории подстанций, моделировать растекание токов в земле, а так- же проводить моделирование различных вариантов исполнения защитного заземления с учётом всех влияющих факторов: типа грунта, его влажности, элементов конструкции защитного заземления, используемых строительных материалов, типа фундамента, расположения силовых трансформаторов и электрооборудования и др.

С помощью программного комплекса Comsol Multiphysics рассмотрены и исследованы различные варианты выхода из строя конструкции защитного заземления внешнего контура, а также его отдельных элементов. Моделирование выхода из строя элементов заземления электрической подстанции позволяет провести расчёты величины сопротивления общего заземления и определить уровень влияния опасных производственных факторов на работников предприятий как сельскохозяйственной отрасли, так и других отраслей при возникновении аварий высоковольтного оборудования.

Предложенный подход позволит выбирать оптимальные варианты исполнения внешнего контура защитного заземления даже в условиях крайнего севера, а также проектировать устройства защитного заземления электроподстанций в регионах со сложными инженерно-геологическими условиями.