Современные методы и средства электрозащиты на животноводческих фермах и комплексах

УДК 621.316.9

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОЗАЩИТЫ НА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМАХ И КОМПЛЕКСАХ

© 2016 г. Р.Х. Давлятшин, П.Ф. Малышев, Р.В. Шкрабак, В.Г. Еникеев, Ю.Н. Брагинец

Целью работы является теоретический анализ методов и средств обеспечения электробезопасности на животноводческих фермах и комплексах. Применение электрифицированных технологических процессов облегчает труд и повышает его производительность. Вместе с тем появляется риск поражения электрическим током как людей, так и животных. О том, что такие случаи имеют место быть, говорят статистические данные Росстата. Рассмотрены различные устройства и системы, предназначенные для защиты от электропоражений, такие как защитное заземление, зануление, устройство защитного отключения, система выравнивания электрических потенциалов. Показаны их принципиальные схемы и схемы работы. Проанализированы рабочие характеристики приведенных устройств и их возможные причины отказов, выявлены преимущества и недостатки. Отмечено как перспективное направление в области обеспечения электрозащиты применение устройств на микропроцессорной элементной базе. Проанализированы также проблемы внедрения таковой в сельскохозяйственное производство. Таким образом, в результате проведения теоретического анализа методов и средств обеспечения электрозащиты на животноводческих фермах и комплексах, выявлены недостатки применяемых устройств, условия, при которых они не могут выполнить свои функции. Из этого следует, что необходимы совершенствование существующих и разработка новых средств обеспечения электробезопасности.

Ключевые слова: электротравматизм, электрозащита, животноводство, современные методы и средства, электробезопасность, теоретический анализ.

The purpose of the work is a theoretical analysis of the methods and means to ensure electrical safety on livestock farms and complexes. Application of electrified technological processes facilitates work and increases productivity. However, there is a risk of electrical shock of both humans and animals. Statistics from Rosstat confirmed the fact that such incidents are taking place. There are considered such different devices and systems which are designed to protect against electrocution as protective earthing, neutral earthing, protective cutout device, system of electric potentials alignment. There is shown their concepts and schemes of work. There is analyzed the performance of the listed devices and possible causes of their failures, identified the advantages and disadvantages. It was noted that as a promising direction in the field of electrical protection there can be used devices based on microprocessor components. There were analyzed also problems of implementation of such ones in agricultural production. Thus, as a result of the theoretical analysis of the methods and means of providing electrical protection on livestock farms and complexes, there were identified disadvantages of used devices, the conditions under which they can not perform their functions. From this it follows that there is need to improve existing and develop new means to ensure electrical safety.

Keywords: electrical traumatism, electrical protection, animal husbandry, modern methods and measures, electrical safety, theoretical analysis.

Введение. На сегодняшний день ни одно производство не обходится без применения электрической энергии. Электрификация производства позволила облегчить труд и повысить его производительность, а также

автоматизировать многие технологические процессы. Сельскохозяйственное

производство в этом плане не исключение.

Во всех отраслях сельского хозяйства и в частности в животноводстве применяются электрифицированные

технологии. Однако при всех преимуществах, электрическая энергия также является источником опасности и

травмирования людей и животных, а в худшем случае и их гибели. Об этом же говорят статистические данные по травматизму [1, 2]. За 2014 г. в Российской Федерации несчастные случаи имели место на 4499 животноводческих предприятиях из 5389. Численность пострадавших с утратой трудоспособности на один рабочий день и более составила 1898 человек, из них со смертельным исходом 75. На сельское хозяйство, охоту и лесное хозяйство приходится 10,2% несчастных случаев на производстве. Это четвертое место по производственному травматизму среди видов экономической деятельности в

процентном соотношении. Около 20% несчастных случаев от общего числа приходится на отрасль животноводства. А если говорить об электротравматизме, то более 60% несчастных случаев связано с непосредственным прикосновением к токоведущим частям, 22% случаев были вызваны их касанием к токопроводящим предметам, а в 13% случаев имело место нарушение изоляции электрических установок и оборудования. При этом электротравматизм среди

электротехнического персонала составил 25%, а оставшиеся 75% пришлись на работников, не имеющих знаний по основам электробезопасности. Количество электротравм по уровню напряжения электроустановок до 1000 В и свыше составило соответственно 56% и 44%. Исходя из этого можно сказать о необходимости повышения требований к ответственным за электрохозяйство на

предприятиях и организациях АПК, имеющих в основном электроустановки до 1000 В. К тому же большинство животноводческих помещений по степени опасности поражения током относятся к особо опасным, в связи с чем эксплуатация электрообоорудования должна

осуществляться со строгим соблюдением правил безопасности [3]. Поэтому вопрос обеспечения электробезопасности на этих объектах весьма актуален.

Одним из самых распространенных технических средств электрозащиты является защитное заземление

металлических частей оборудования, которые в нормальном режиме не находятся под напряжением (нетоковедущих) и могут при определенных обстоятельствах оказаться под напряжением. Существуют три системы заземления: TN (подразделяется на подсистемы Т^С, ТО-Б и Ш-С^), 1Т и ТТ (рисунок 1).

г~

а - ТК-С; б - ТК-Б; в - Ш-С-Б; г - ТТ; д - ГГ Рисунок 1 - Системы и подсистемы заземления электроустановок

При выполнении защитного заземления все металлические конструкции и металлические корпуса

электроприемников, которые могут из-за повреждения изоляции оказаться под опасным напряжением, соединяют с заземлителем. Однако стоит отметить, что при обрыве в цепи заземляющего устройства или ослаблении крепления заземляющего проводника значительно увеличивается опасность поражения током.

Отметим, что в системе ГТ нейтраль питающего трансформатора изолируется от земли или соединяется с землей через достаточно большое сопротивление, а все открытые проводящие части

электроустановки соединяются РЕ-проводниками с заземлителем этой электроустановки. Это означает, что ток замыкания на землю будет иметь небольшое значение (миллиамперы), поэтому не сможет вызвать значительных повреждений в месте первого замыкания, не приведет к появлению опасных напряжений прикосновения и не представит опасности возникновения пожара. Поэтому такую систему допускается нормально эксплуатировать до тех пор, пока не представится удобная возможность отключить поврежденный участок цепи для проведения ремонтных работ. Это способствует обеспечению бесперебойности электропитания. Поэтому такой вид заземления получил наибольшее распространение на предприятиях энергоснабжения, а также в газовой, нефтяной и химической промышленности,

где есть угроза воспламенения горючих веществ от используемого

электрооборудования. Для успешной эксплуатации такой системы заземления требуются специальные меры: постоянный контроль состояния изоляции

относительно земли с подачей звукового или светового сигнала в случае первого замыкания; установка устройства ограничения напряжения, которое может возникнуть в нейтральной точке питающего трансформатора относительно земли; использование отработанной процедуры обнаружения места «первого замыкания» высококвалифицированным персоналом; в случае если до устранения первого замыкания происходит второе замыкание, должны сработать

соответствующие автоматические

выключатели.

Ещё одним техническим средством защиты является зануление (рисунок 2), гарантирующее отключение аварийного участка электросети защитным аппаратом (предохранителем или автоматом) при коротком замыкании. Защитное действие зануления состоит в быстром и полном снятии появившегося напряжения с поврежденного оборудования. Зануление электрооборудования в сетях с глухозаземленной нейтралью дает возможность автоматически отключить поврежденный участок сети, но с задержкой до нескольких секунд (время срабатывания плавкой вставки предохранителя или расцепителя автомата).

1 - корпус; 2 - аппараты защиты от токов короткого замыкания; Я0 - сопротивление заземления нейтрали источника тока; Кп - сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника; 1к - ток короткого замыкания Рисунок 2 - Принципиальная схема зануления

За это время, до момента полного отключения, может произойти поражение электрическим током обслуживающего персонала.

На строящихся и реконструируемых фермах и комплексах крупного рогатого скота обеспечивают надежную

электрозащиту людей и животных прежде всего строительными методами, путем внедрения способа выравнивания электрических потенциалов (ВЭП) между электропроводящим полом или землей, с одной стороны, и доступными для прикосновения металлическими

нетоковедущими частями

электроустановок и технологического оборудования, металлическими

трубопроводами - с другой. Принцип электрозащитного действия ВЭП заключается в уменьшении до допустимых значений разности электрического потенциала (напряжения прикосновения), приходящегося на человека или животного, стоящих на полу или на земле и одновременно прикасающихся к частям оборудования фермы, находящегося под напряжением. На рисунок 3-5 приведены рекомендуемые [4] способы выравнивания электрических потенциалов на

животноводческих фермах.

1 - зона нулевого потенциала; 2 - участок с высоким удельным электрическим сопротивлением; 3 - бетонный пол; 4 - место сварки; 5 - металлический стержень (штырь); 6 - кормушка; 7 - грунт; 8 - металлоконструкции; 9 - деревянный настил; В - смещение верхних концов стержней относительно внешней стороны стойла;

Р и Н - длина и ширина стойла Рисунок 3 - Штыревое устройство для выравнивания электрических потенциалов

1 2

1 - зона нулевого потенциала; 2 - участок с высоким удельным электрическим сопротивлением; 3 - грунт; 4 - бетонный пол; 5 - элементы УВЭП (катанка) Рисунок 4 - Одноэлементное устройство для выравнивания электрических потенциалов

1 - зона нулевого потенциала; 2 - бетонный пол; 3 - грунт; 4 - элементы УВЭП (катанка) Рисунок 5 - Двухэлементное устройство для выравнивания электрических потенциалов

При содержании животных на открытых площадках (выгульное содержание) устройства выравнивания электрических потенциалов необходимо использовать только если там имеется стационарное электрифицированное

оборудование (например, автопоилки с электрообогревом) или зануленное оборудование. УВЭП в этом случае должно выполняться в виде кольцевых заземлителей.

При привязном содержании на фермах и комплексах применяют штыревые или протяженные УВЭП. В обоих случаях токопроводящий пол с установленными в нем элементами устройства выравнивания электрических потенциалов должен быть отделен от зоны нулевого потенциала участком с более высоким удельным электрическим сопротивлением. Это может быть гидроизоляция фундамента здания, бетонная или асфальтовая отмостка, пропитанная у стены животноводческого комплекса отходами нефтепродуктов.

Для защиты проводников УВЭП они должны находиться непосредственно в бетонном полу. На фермах с глинобитными и другими подобными полами элементы УВЭП необходимо проложить в канавках, которые после закладки в них проводников заливают цементным раствором. В этих случаях отпадает необходимость в периодической проверке целостности элементов УВЭП, а следовательно, и разъемных соединений для проверки - все соединения должны выполняться с помощью сварки.

Во всех указанных УВЭП проводники (штыри, стержни,

протяженные элементы) должны быть выполнены из оцинкованной стали, сварные швы выполняются внахлест с покрытием их антикоррозионным лаком или иметь иное антикоррозионное покрытие. На эксплуатируемых фермах старого типа допускается использовать неоцинкованную сталь для элементов УВЭП, но при этом появляется необходимость проверки исправности УВЭП не реже одного раза в квартал с оформлением результатов проверки соответствующим актом.

Выравнивание потенциалов

обеспечивает электробезопасность людей и животных при однофазном коротком замыкании сети с одновременным обрывом нулевого провода.

На свиноводческих и овцеводческих фермах электробезопасность

обеспечивается за счет естественного выравнивания электрического потенциала технологическими и строительными металлоконструкциями без применения специальных устройств.

Однако стоит указать, что при снижении сопротивления изоляции, а также при прикосновении к фазе устройство выравнивания электрических потенциалов и зануление неэффективны, поэтому устройство защитного отключения (УЗО) здесь незаменимо. Это устройство предназначено для автоматического отключения всех фаз (полюсов) участка сети, обеспечивающее безопасные для

человека (животных) сочетания тока и времени его прохождения (рисунок 6).

Устройство защитного отключения постоянно сравнивает ток, протекающий к электроприемнику, с током, протекающим от электроприемника (по нейтрали), и распознает утечку из электросети по появлению разницы между входящим и выходящим токами. Когда разность токов достигает опасного для жизни человека значения (обычно это 30 мА), то УЗО отключает напряжение.

Таким образом, ток утечки, текущий через поврежденную изоляцию или через тело человека, не успевает причинить вреда, так как время срабатывания УЗО

очень мало. По принципу срабатывания УЗО подразделяются на два вида: электромеханические и электронные. Электромеханические срабатывают

непосредственно при появлении тока утечки в поврежденной линии, и их работа не зависит от напряжения сети, тогда как для работы электронного УЗО необходимо наличие внешнего источника питания (сеть), чтобы подать питание на электрическую схему с электронным усилителем. Отсюда следует, что с точки зрения надежности работы и, следовательно, обеспечения безопасности, предпочтительнее использование

электромеханических УЗО.

1 - магнитный сердечник трансформатора тока; 2 - чувствительный магнитоэлектрический элемент; 3 - расцепляющее реле; 4 - кнопка для тестирования УЗО; Т - кнопка «Тест»; RT - тестовый резистор; ГУТ - ток утечки; РЕ - защитный проводник Рисунок 6 - Схема работы УЗО

Вместе с этим применение электронной микропроцессорной базы является на сегодняшний день перспективным направлением обеспечения электробезопасности на различных производствах, в том числе и в животноводстве. Сегодня многие предприятия, производящие устройства релейной защиты и электроавтоматики (РЗА), переходят на производство электронной микропроцессорной базы, которая имеет ряд неоспоримых достоинств: элементная база таких устройств очень схожа и практически одинакова, а различие заключается лишь в программном обеспечении;

микропроцессорные устройства РЗА органически входят в автоматизированные системы управления технологическими процессами; микропроцессорные

устройства обладают возможностью совершенствования изменением

программного обеспечения и

использования более перспективных алгоритмов, а изменение самих алгоритмов и программ можно производить в процессе эксплуатации. Благодаря этим качествам их можно внедрить практически в любой технологический процесс, поставить задачу контролировать тот или иной параметр (состояние изоляции, нахождение человека в травмоопасной зоне) и

«предпринимать» действия (отключение сети или оборудования, подача сигнализации и др.) к предотвращению трагических ситуаций.

К сожалению в нашей стране широкое внедрение микропроцессорных устройств в сельском хозяйстве сдерживается их высокой стоимостью и, как это ни печально, практически отсутствием производства таковой в России.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что необходимо усилить работу в области охраны труда и профилактики травматизма в

животноводстве с помощью современных и перспективных средств обеспечения электробезопасности, а также внедрять эффективные методы профилактики электротравматизма, так как несчастные случаи на производстве, как в нашей стране и за рубежом, происходят не только по причине несовершенства технической составляющей [5-7], но и вследствие неудовлетворительной организации работ; пренебрежения правилами безопасности и охраны труда; несогласованных и ошибочных действий персонала; подачи напряжения на установку, где работают люди; оставления установки под напряжением без надзора; допуска к работам на отключенном

электрооборудовании без проверки отсутствия напряжения; недостаточной эффективности мероприятий по обучению безопасным приемам работы и проведению инструктажей по электробезопасности; отсутствия надлежащего надзора и контроля за техническим состоянием электроустановок и оборудования, а также за обеспечением безопасности подготовки и проведения предстоящих работ на электроустановках.

Работа по снижению и ликвидации производственного травматизма вообще и электротравматизма в частности продуктивно ведётся на протяжении многих лет, и результаты её подробно изложены в материалах [8-10] по итогам деятельности трудоохранной научной школы Санкт-Петербургского

госагроуниверситета, где и сейчас

продолжается интенсивная работа по совершенствованию методов и средств профилактики электротравматизма.

Литература

1. Россия 2015: статистический справочник / Росстат. - Москва, 2015. - 62 с.

2. Методология группирования молодняка крупного рогатого скота по эффективности, стрессоустойчивости и травмоопасности в условиях промышленного производства: монография / Ю.Я. Кравайнис, Ю Н. Брагинец, Р.В. Шкрабак,

Р.С. Кравайне, В.С. Шкрабак; под ред. ЗДНТ РФ, д.т.н, профессора В.С. Шкрабака. Санкт-Петербург - Пушкин: СПбГАУ, 2015. - 416 с.

3. Шкрабак, В.С. Проблемы снижения травматизма и улучшения охраны труда в животноводстве / В.С. Шкрабак, П.А. Лапин, И.В. Гальянов; под общ. ред. д.т.н., профессора А.П. Лапина. - Орел: ВНИИОТ, 2002. - 420 с.

4. Правила устройства электроустановок. - 7-е изд. - Москва: Норматика, 2013. - 464 с.

5. Simpson K., Sebastian R., Arbuc-kle T.E., C. Bancej and W. Picket. 2004. "Stress on the Farm and Its Association with Injury" // Journal of Agricultural Safety and Health, No. 10(3). - Р. 141-154.

6. Risk Factors Associated with Farm. April 2007. Ottawa. Catalogue No. 21-601-MIE. URL: http://www.statcan.gc.ca/ca-ra2001/index-eng.htm.

7. Causes and circumstances of accidents at work in the EU. Luxemburg: Office for Official Publications of the European Communities, 2009. - 240 p.

8. Шкрабак В.С. Биобиблиографический указатель трудов / С.-Петерб. гос. агр. ун-т. Библиотека; сост. Н.В. Кубрицкая. - 2-е изд., перераб. и доп. - Санкт-Петербург, 2012. - 315 с.

9. Теория и практика охраны труда в АПК: монография / Ю.Н. Баранов, П.А. Пантюхин, Р.В. Шкрабак, Ю.Н. Брагинец, В.С. Шкрабак; под ред. ЗДНТ

РФ, д.т.н., проф. В.С. Шкрабака. - Санкт-Петербург, 2015. - 744 с.

10. Шкрабак, В.В. Стратегия и тактика динамичного снижения и ликвидации производственного

травматимзма в АПК. Теория и практика: монография

/ Р.В. Шкрабак. - Санкт-Петербург -Пушкин: СПбГАУ, 2007. - 580 с.

References

1. Rossiya 2015: Statisticheskii spravochnik [Russia 2015: Statistical Handbook], Rosstat, Moscow, 2015, 62 p.

2. Kravajnis Ju.Ja. Metodologija gruppirovanija molodnjaka krupnogo rogatogo skota po jeffektivnosti, stressoustojchivosti i travmoopasnosti v uslovijah promyshlennogo proizvodstvva: monografija [The methodology of grouping young cattle by performance, stress resistance, and injury possibility in terms of industrial production: monograph], pod. red. ZDNT RF, d.t.n., professora V.S. Shkrabaka, St.-Petersburg - Pushkin, SPbSAU, 2015, 416 p.

3. Shkrabak V.S., Lapin P.A., Gal'janov N.V. Problemy snizhenija travmatizma i uluchshenija ohrany truda v zhivotnovodstve: monografija [Problems of reducing injuries and improving labor protection in the livestock: monograph], pod obshh. red. d.t.n., prof. A.P. Lapina, Orel, VNIIOT, 2002, 420 p.

4. Pravila ustroistva elektroustanovok [The Rules of electrical installations], 7-e izd., Moscow, Normatika, 2013, 464 p.

5. Simpson K., Sebastian R., Arbuckle T.E., Bancej C. and Picket W. Stress on the Farm and Its Association with Injury, Journal of Agricultural Safety and Health, 2004, No. 10(3), pp. 141-154.

6. Risk Factors Associated with Farm. April 2007. Ottawa. Catalogue No. 21-601-MIE, available at: http://www.statcan. gc.ca/ca-ra 2001/index-eng.htm.

7. Causes and circumstances of accidents at work in the EU. Luxemburg: Office for Official Publications of the European Communities, 2009, 240 p.

8. Shkrabak V.S. Biobibliograficheskij ukazatel' trudov. Biblioteka S.-Peterburgskogo gos. agrarn. universiteta [Bibliographic index of works. Library of the St. Petersburg State Agrarian University], sostavitel' N.V. Kubrickaja, Izd. 2-e, pererab. i dop., St.-Petersburg, 2012, 315 p.

9. Baranov Yu.N. Pantyukhin P.A., Shkrabak R.V., Braginets Yu.N., Shkrabak V.S. Teoriya i praktika okhrany truda v APK: monografija [Theory and practice the protection of labor in the AIC: monograph], pod red. ZDNT RF, d.t.n., prof. V.S. Shkrabaka, St.-Petersburg, 2015, 744 p.

10. Shkrabak V.V. Strategija i taktika dinamichnogo snizhenija i likvidacii proizvodstvennogo travmatizma v APK. Teorija i praktika. [Strategy and tactics of dynamic reduction and elimination of occupational injuries in agriculture. Theory and practice], St.-Petersburg - Pushkin, SPbSAU, 2007, 580 p.

Сведения об авторах

Давлятшин Рузиль Хайсарович - аспирант кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)451-76-18. E-mail: irbis026@mail.ru.

Малышев Павел Фёдорович - аспирант кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)451-76-18. Email: malyshev_pavel_sam@mail.ru.

Шкрабак Роман Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Профессиональная аттестация и внедрение инноваций», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)451-76-18. E-mail: shkrabakrv@mail.ru.

Еникеев Виль Гумерович - доктор технических наук, профессор кафедры «Экономико-математические методы, статистика и информатика», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)476-11-23.

Брагинец Юрий Николаевич - кандидат сельскохозяйственных наук, докторант кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)451-76-18.

The information about the authors

Davlyatshin Ruzil Haysarovich - post-graduate student of the Safety of technological processes and production department, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. Email: irbis026@mail.ru.

Malyshev Pavel Fedorovich - post-graduate student of the Safety of technological processes and production department, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. Email: malyshev_pavel_sam@mail.ru.

Shkrabak Roman Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Professional certification and innovation implementation department, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. E-mail: shkrabakrv@mail.ru.

Enikeev Ville Gumerovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Economic and mathematical methods, statistics and informatics department, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)476-11-23.

Braginets Yuri Nikolaevich - Candidate of Agricultural Science, doctoral student of the Safety of technological processes and production department, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18.