Результаты статистического исследования видов однофазных замыканий в низковольтных судовых электросетях

*Калининградский государственный университет, г. Калининград, Россия; e-mail: , ORCID:

Кажекин И. Е. и др. Результаты статистического исследования видов однофазных замыканий в низковольтных судовых электросетях. Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 4. С. 431–440. DOI:

e-mail: , ORCID:

По мере развития морской техники повышаются технико-экономические показатели судового электрооборудования, растет мощность судовых электростанций, увеличиваются общая протяженность кабельных линий и количество электрофицированных механизмов.

Несмотря на развитие средств повышения безопасности и надежности морского электрооборудования, аварии на флотах продолжают происходить, возрастает тяжесть последствий повреждений судового электрооборудования, увеличиваются затраты на его техническое обслуживание и ремонт. Выполненный на основе представленных в работе ( Глазюк и др., 2022 ) данных анализ общей аварийности за несколько лет (2016–2021 гг.) показал, что количество аварийных событий составляет примерно 187 (значения отклоняются от этого показателя не более чем на 17 %).

2015      2016      2017      2018      2019      2020      2021       Год

Рис. 1. Аварийность морского флота Российской Федерации за 2016–2021 гг. ( Глазюк и др., 2022 )

Fig. 1. Accident rate of the Russian Federation maritime fleet, 2016–2021 ( Глазюк и др., 2022 )

Снижение количества аварийных случаев, а также тяжести их последствий достигается в ходе мероприятий по воздействию на конкретные факторы. Выбор технических решений для минимизации рисков при эксплуатации морской техники должен осуществляться с использованием результатов анализа морских аварий. Согласно статистике ( Kwieciǹska, 2015 ) значительная доля инцидентов в общем количестве аварий судов связана с пожарами (20 %). Пожары занимают второе место среди причин несчастных случаев на флоте (рис. 2).

Рис. 2. Виды аварий и инцидентов на море по данным 2009–2014 гг. ( Kwieciǹska, 2015 )

Fig. 2. Types of accidents and incidents at sea according to data from 2009–2014 ( Kwieciǹska, 2015 )

Процентное распределение пожаров по типам судов представлено на рис. 3. Значительная часть пожаров приходится на суда рыбопромыслового флота, отличающиеся наибольшим разнообразием технологического электрооборудования и возрастного состава ( Жук и др., 2015 ).

Решение проблемы судовых пожаров не должно основываться лишь на совершенствовании систем пожаротушения. Следует отметить, что существующие системы противопожарной защиты, расположенные как в грузовых отсеках, так и на палубах, неэффективны, так как с их помощью (без посторонней помощи) удалось потушить всего 17 % пожаров; 30 % случаев завершилось тем, что судно было оставлено экипажем, а среди его членов были раненые или погибшие ( Krmek et al., 2022 ).

Рис. 3. Распределение пожаров по типам судов ( Kwieciǹska, 2015 )

Fig. 3. Distribution of fires by type of vessel ( Kwieciǹska, 2015 )

По тяжести последствий судовой пожар является также одним из наиболее опасных происшествий. По данным, указанным в работе ( Kwieciǹska, 2015 ), 18,7 % судовых пожаров связано со смертельными травмами людей или их пропажей без вести, а 14,8 % случаев приводит к гибели судна. При этом оценка ущерба от судовых пожаров не должна ограничиваться повреждением судна и его груза. Значительный материальный ущерб пожарами наносится из-за возникающего загрязнения окружающей среды. Последствия этих аварий усугубляются тем, что 90 % всех судовых пожаров происходит на расстоянии до 300 миль от берега ( Bespalko et al., 1998 ).

Существуют различные классификации причин возникновения пожаров на судах. В работе ( Ahn et al., 2021 ) проанализированы технические причины: скопление горючих газов в грузовом танке; возникновение электрических дуг; нарушения при проведении огневых работ; появление статического электричества; самовозгорание грузов. Более детальный анализ причин приводится в работе ( Подобед, 2011 ) , описывающей распределение пожаров согласно причинам их возникновения на судах рыбопромыслового флота Северного бассейна. По данным указанной статистики, основная их часть (37 %) вызвана нарушениями требований безопасности при огневых работах, 23 % – неосторожным обращением с огнем, 18 % – ошибками при работе с электрооборудованием, 15 % – попаданием горючих материалов на горячие поверхности. Эти данные согласуются со сведениями, полученными национальными агентствами различных стран на основе отчетов о происшествиях на морском транспорте в 1990–2015 гг. ( Baalisampang et al., 2018 ). Причины возникновения пожаров сгруппированы в пять категорий: человеческий фактор; механическая неисправность; самовозгорание грузов; электрическая неисправность; неустановленные причины. Под электрическими неисправностями автором понимается возникновение электрических разрядов; использование неисправного оборудования; замыкания и плохие контакты токопроводов. Категории причин судовых пожаров и взрывов и их процентное распределение приведены на рис. 4.

Рис. 4. Причины возникновения пожаров и взрывов ( Baalisampang et al., 2018 )

Fig. 4. Causes of fires and explosions ( Baalisampang et al., 2018 )

В работе ( Jadin et al., 2012 ) в дополнение к перечисленным видам повреждений низковольтного электрооборудования отмечены также его перегрузки, дисбаланс нагрузки и неправильная установка оборудования. Наиболее тяжелыми последствиями повреждений судового электрооборудования являются поражение электрическим током, возгорание и нарушение бесперебойности электроснабжения.

При анализе особенностей эксплуатации электроэнерговооруженных объектов морской техники отмечается значительная роль электрооборудования в возникновении и развитии пожаров ( Скороходов, 2018 ) и в целом аварий. Более 80 % пожаров на подобных объектах связано с электрическими сетями ( Каракаев и др., 2011 ). В работе ( Соболенко и др., 2019 ) показано, что на протяжении тридцати лет треть аварийных случаев на судах рыбопромыслового флота происходит по причинам отказа или поломки судовых технических средств. Среди общей аварийности на судах типа БАТМ за 2011–2020 гг. 43–67 % случаев связано с повреждениями электрооборудования ( Омельченко, 2022 ). Чаще всего аварийные дефекты возникают в генераторах и кабельных сетях ( Власов и др., 2013 ).

Аварийность, обусловленная повреждениями судового электрооборудования, может быть снижена за счет совершенствования методов его диагностики ( Yu et al., 2022; Власов и др., 2021 ), а также уменьшения степени тяжести последствий повреждений ( Кажекин, 2019; Острейковский и др., 2007 ). Одним из наиболее опасных и распространенных видов повреждений судового электрооборудования следует признать однофазные замыкания. В частности, с этим видом замыканий связана значительная часть случаев выхода из строя судовых кабелей ( Кузнецов и др., 1991 ) и электроприводов ( Кузнецов и др., 2011 ). Опасность повреждений обусловлена тем, что в большинстве случаев однофазные замыкания в судовых электросистемах являются неотключаемыми. Длительность существования замыкания фазы на корпус судна ограничивается возможностью членов экипажа локализовать место повреждения оборудования. При этом место замыкания в течение всего времени, пока происходит его локализация, может подвергаться тепловым воздействиям протекающего через него тока или дуговых процессов.

Выбор технологии повышения безопасности судового электрооборудования в режиме однофазного замыкания должен проводиться с учетом сведений о его эксплуатации. Целью проведенного исследования являлся статистический анализ особенностей однофазных замыканий в действующих низковольтных электросистемах объектов морской техники, выполненный на основе анкетирования экспертов в области судового электрооборудования.

Материалы и методы

Получение информации об особенностях развития однофазных замыканий в действующих судовых электросистемах – достаточно трудная задача. К проблемам ее решения следует отнести недостаток систематизированных данных в открытой печати о результатах расследований аварийных ситуаций, а также отсутствие информации о наблюдениях за повреждениями электрооборудования. Таким образом, статистические данные об эксплуатации электросистем весьма ограничены и их использование при решении вопросов повышения безопасности электрооборудования затруднительно. Оценка показателей надежности и эффективности применения технических средств может проводиться посредством ( Prousalidis et al., 2008 ):

• –    испытаний в лабораторных и заводских условиях;

• –    компьютерного моделирования процессов, возникающих при эксплуатации;

• –    сбора и анализа статистических материалов, полученных в ходе наблюдений за работой технического оборудования в процессе эксплуатации.

Наиболее ценными следует признать результаты статистического анализа данных наблюдений за оборудованием в процессе эксплуатации. Получение такой информация и ее анализ должен проводиться в течение длительного времени; подобные исследования необходимо периодически повторять ( Борисов и др., 2012 ).

При разработке методики сбора информации следует учесть, что запрос излишних сведений затрудняет получение достоверных данных и их последующую обработку. Указанным требованиям к сбору информации удовлетворяет такой способ получения сведений, как проведение экспертных опросов, выполненных на основе количественных методов оценки ( Бубнова и др., 2018 ).

На основании вышеизложенного, а также общих рекомендаций к проведению экспертных опросов ( Осипов и др., 1977; Даулеткериев, 2009 ) была подготовлена методика анкетирования экспертов в области судового электрооборудования. Анкета содержала вопросы, ответы на которые позволяли оценить опасность и особенности однофазных повреждений изоляции низковольтного судового электрооборудования. В роли экспертов выступали судовые электромеханики, имеющие опыт работы в этой должности на судах различного типа не менее пяти лет. Для уменьшения степени субъективности ответов часть информации собиралась только по последнему рейсу эксперта. Опросы проводились в течение календарного года. В роли экспертов приняли участие 54 электромеханика, что превышает количество участников подобных опросов, проводимых ранее ( Кузнецов и др., 1991 ).

Разработанная анкета состояла из двух частей, направленных на выявление особенностей однофазных замыканий в низковольтных электрических системах. Первая часть вопросов касалась оценки периодичности возникновения и длительности замыканий. Оценка осуществлялась на основе всего опыта эксплуатации судового оборудования экспертом. Вторая часть анкеты содержала вопросы о видах, причинах, условиях возникновения и последствиях замыканий. В этой части опроса экспертами осуществлялось распределение случаев замыкания, произошедших во время их последнего рейса, по предложенным признакам. Возраст судов, участвовавших в наблюдении, варьировался от 1 года до 45 лет.

Результаты и обсуждение

Согласно проведенным опросам, 37 % специалистов отметили, что в их практике замыкания происходили более чем раз в месяц. Наибольшее указанное значение составило 12 раз в месяц. Распределение частоты возникновения однофазных повреждений изоляции приведено на рис. 5.

Рис. 5. Распределение частоты возникновения однофазных замыканий Fig. 5. Distribution of frequency of single-phase faults' occurrence

Почти три четверти замыканий (73,9 %) было устранено в течение первых суток; однако были отмечены замыкания, длившиеся трое суток. Распределение замыканий по их длительности представлено на рис. 6.

Рис. 6. Распределение однофазных замыканий по длительности их существования без отключения Fig. 6. Distribution of single-phase faults by their duration without shutdown

Среди наиболее вероятных причин возникновения однофазных замыканий эксперты выделили увлажнение изоляции (38,3 %), возникающее по различным причинам, в том числе в результате образования конденсата на электрооборудовании. На второе место экспертами поставлено старение изоляции (34,7 %), под которым понималось постепенное ухудшение ее свойств, обусловленное воздействием электрических, механических, тепловых и прочих факторов, не приводящих к немедленному пробою. Также большое значение имеют механические повреждения изоляции (15,2 %), возникающие как при монтаже электрооборудования, так и в результате случайных воздействий при эксплуатации. На рис. 7 показано распределение однофазных замыканий по причинам их возникновения.

Данные, представленные на рис. 7, согласуются с результатами опроса о наиболее вероятных местах возникновения замыканий (рис. 8). По мнению экспертов, значительная часть замыканий (53,2 %) возникает в связи с повреждением изоляции электрооборудования палубных механизмов, в наибольшей степени подвергаемых увлажнениям. Подобное мнение соответствует результатам более ранних опросов об эксплуатации кабельного оборудования, описанных в работе ( Кузнецов и др., 1991 ).

Рис. 7. Распределение однофазных замыканий по причинам их возникновения

Fig. 7. Distribution of single-phase faults by reasons for their occurrence

Рис. 8. Распределение однофазных замыканий в зависимости от места их возникновения Fig. 8. Distribution of single-phase faults depending on the location of their occurrence

В первую очередь замыкания возникали в кабельном оборудовании (40,3 %); большое количество замыканий происходило в бытовом оборудовании (29,3 %) и электрических машинах (16,8 %). Распределение случаев однофазных замыканий в судовом оборудовании представлено на рис. 9.

Рис. 9. Распределение однофазных замыканий по видам повреждаемого электрооборудования Fig. 9. Distribution of single-phase faults by type of damaged electrical equipment

По оценкам экспертов, наименее вероятно возникновение повреждений в низковольтных судовых электросистемах устойчивой дуги (4,16 % отмеченных случаев). Наибольшее число замыканий (29 %) произошло через переходное сопротивление, величина которого варьировалась от нескольких Ом до нескольких кОм. Около трети однофазных замыканий происходило в виде неустойчивой дуги, искрения, неустойчивого контакта фазы с корпусом (27,8 %). Распределение сопоставляемых видов однофазных замыканий показано на рис. 10.

Рис. 10. Распределение однофазных замыканий по их видам Fig. 10. Distribution of single-phase faults by their types

Последствия однофазных замыканий ограничиваются текущим ремонтом электрооборудования (53 %), направленным на восстановление его работоспособности, однако среди возможных последствий нельзя исключать и возникновение пожаров и взрывов (около 1,8 % случаев однофазных замыканий); нарушение электропитания ответственных потребителей (7,4 %); потерю питания судна (7,2 %). Распределение последствий возникших отказов приведено на рис. 11.

Рис. 11. Распределение однофазных замыканий по их последствиям

Fig. 11. Distribution of single-phase faults by their consequences

Проведенные исследования позволили выявить участки изоляции судовой электроэнергетической системы, которые наиболее подвержены повреждениям, способным развиться в однофазные замыкания. Впервые проведено сопоставление по количеству возникновений различных видов однофазных повреждений изоляции в низковольтных судовых электросетях, а также дана оценка их периодичности и длительности.

Заключение

Безопасность современного флота во многом определяется состоянием судового электрооборудования. Повышение безопасности технически оснащенных судов достигается посредством совершенствования технических мероприятий, направленных на своевременное выявление дефектов судового электрооборудования, а также на снижение тяжести последствий аварий. Значительная часть повреждений электрооборудования сопровождается однофазными замыканиями на корпус.

Полученные в ходе проведенного опроса сведения об этом виде замыкания в низковольтных судовых электросетях позволили выявить следующие закономерности:

• –    вероятность однофазных замыканий достаточно высока, их возникновение может происходить с периодичностью несколько раз в месяц;

• –    длительность замыканий (время от момента возникновения до момента устранения) может достигать нескольких суток;

• –    изоляция электрооборудования, располагающегося на палубе, наиболее подвержена повреждениям в сравнении с остальными элементами судовой электросистемы;

• –    основными механизмами повреждения изоляции судового электрооборудования являются увлажнение и различные виды старения;

• –    однофазные замыкания наиболее часто происходят при повреждениях изоляции кабельного оборудования и сопровождаются искрением, неустойчивыми дуговыми процессами или протеканием тока через переходное сопротивление;

• –    около 2 % замыканий в судовых электросетях способны привести к возникновению пожаров и взрывов, а около 7 % – к обесточиванию судна.

На основании проведенных статистических исследований выявлено, что наиболее актуальным направлением повышения безопасности судовых электрических сетей является снижение тяжести последствий в условиях протекания дуговых и искровых процессов, возникающих в условиях повреждения кабельной изоляции.

Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по рыболовству (контракт № 122030900054-0).