Определение работоспособности электрооборудования в АПК

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

Ю.Н. Плескачев
Д.В. Зеляковский
А.Н. Чернявский

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В АПК

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2018

УДК 621.313:631.145
ББК 31.26:65.32
П-38

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Математическое моделирование и информатика»
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ            

А.Ф. Рогачев; кандидат технических наук, доцент кафедры «ЭТТГС           
и В» ФГБОУ ВО Волгоградский ГТУ В.Н. Злобин

Плескачев, Юрий Николаевич

П-38
Определение
работоспособности 
электрооборудования 
в 

АПК: учебно-методическое пособие по дисциплине «Материаловедение» / Ю.Н. Плескачев, Д.В. Зеляковский, А.Н. Чернявский – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018. –
76 с.

Рассмотрены основные вопросы использования современных 

методов обработки и анализа данных определения работоспособности  
электрооборудования и пожаробезопасности в АПК.

Материалы учебного пособия необходимы для выполнения раз
личных видов учебных заданий при изучении дисциплины «Электротехническое и конструкционное материаловедение» студентами, обучающимися по направлению подготовки 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника»

УДК 621.313:631.145

ББК 31.26:65.32

© ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018
© Плескачев Ю.Н., Зеляковский Д.В., 
Чернявский А.Н., 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..............................................................................................
4

Раздел 1. Обзор существующих систем анализа опасных
техногенных ситуаций в электроустановках ..............................
7

1.1 Статистика и анализ опасных техногенных ситуаций в электроустановках .......................................................................................
7

1.2 Анализ современных методов оценки и моделирования рисков техногенных опасностей применительно к электроустановкам 
объектов АПК ......................................................................................
10

1.3 Автоматизированный системно-когнитивный анализ (АСКанализ) ..................................................................................................
14

Раздел 2. Разработка метода решения проблемы исследования 31
2.1 Методика исследования ................................................................ 31
Раздел 3. Проектные и внедренческие решения проблемы
исследования ....................................................................................... 44
3.1 Интеллектуальная система прогнозирования электротравматизма персонала при эксплуатации  электрооборудования АПК ...
44

3.2 Когнитивная аналитическая система прогнозирования пожаров при эксплуатации электрооборудования АПК ........................... 46
Раздел 4. Экономический эффект ................................................... 56
Основные выводы ................................................................................ 69
Список использованной литературы .................................................
71

ВВЕДЕНИЕ

Ученые всего мира с самого начала промышленного примене
ния электричества, занимались изучением воздействия электрического тока на человека и последствия. Популярными в данной области являются работы таких авторов: L.P. Ferris, H.H. Egyptien, H.B. 
Williams, D.G. King, W.B. Kouwenhoven, S. Koeppen, C.F. Dalziel, H. 
Hofherr, G. Irresberger, J.T. Harley, G. Biegelmeier, Smola, E. Reindl, 
J. Jacobsen, B.J. Simpson, Т. Кавасэ, В.Е. Манойлова, М. Охаси, С.К. 
Киселева, В.И. Щуцкого, А.И. Сидорова, Ю.В. Ситчихина, и многих 
др.

Надежность энергоснабжения потребителей и как следствие 

этого устойчивость энергетических систем может быть повышена путем применения различных средств среди которых когнитивная интеллектуальная система «Эйдос». Когнитивная интеллектуальная система «Эйдос» может использоваться когда персоналу приходится 
принимать интуитивные решения по предотвращению опасных техногенных ситуаций, своевременному отключению электроустановки и 
вывода в ремонт и на профилактику. Состояние электробезопасности 
в сельском хозяйстве характеризуется следующим образом, что при 
общем ежегодном количестве людей, погибающих от воздействия 
электрического тока в сельской местности происходит около 70% 
электротравм, что составляет порядка 4,5 тыс. человек.

Актуальность темы. Персоналу приходится принимать инту
итивные решения по предотвращению опасных техногенных ситуаций при отсутствии методов прогнозирования технического состояния электроустановок (ЭУ) приводит к тому, что своевременному 
отключению электроустановки и вывода на профилактику или в ремонт.

Вызванные неопределенностью функционирования человеко
машинной системы (ЧМС) полученные априорных оценок рисков 
аварий, электротравм и пожаров в ЭУ наталкивается на принципиальные трудности. Эта неопределенность проявляется в неполноте, неточности или недостоверности информации об условиях и параметрах 
компонентов ЧМС: «человек – электроустановка – среда» (Ч-ЭУ-С). 
Отсутствуют также методы априорного количественного моделирования ЧМС в реальном масштабе времени в связи со сложной структурой и многоцелевым характером функционирования системы, наличием информационных и энергетических связей компонентов с нелинейными характеристиками, наличием нормативных и экономических 
ограничений.

Повышение требований к надёжности и безопасности электро
установок (ЭУ) предопределяет поиск новых решений в области диагностики их технического состояния. Вместе с тем, отсутствие методов априорного (количественного) моделирования и недостаточность 
проработки их научных основ является сдерживающим фактором решения проблемы безопасности человеко-машинной системы: Ч-ЭУ-С. 
Поэтому разработка и использование интеллектуальных систем контроля и диагностики технического состояния электроустановок путем 
построения знаниеориентированных систем с соответствующим программным обеспечением позволит реализовать важную функцию 
оценки техногенных рисков.

Разработка метода оценки и прогнозирования техногенного 

риска электроустановок является актуальной. Реализация метода позволяет повысить эффективность прогнозирования технического состояния ЭУ и определить её остаточный ресурс. Разработка метода 
многопараметрического анализа человеко-машинной системы Ч-ЭУ-С 
является основой. Создание знаниеориентированной системы (ЗОС) 
для оценки и прогнозирования техногенных рисков электроустановок. 
С помощью ЗОС представляется возможным учитывать ошибки персонала. При эксплуатации технологического электрооборудования, 
негативными являются отказы электроустановок и  воздействие  факторов внешней среды на остаточные ресурсы ЭУ.

Цель научного исследования заключается в эффективности 

прогнозирования технического состояния электроустановок на основе 
анализа рискообразующих факторов. Предупреждение возникновения 
опасных техногенных ситуаций, вызванных ошибочными действиями 
персонала, отказами ЭУ и неблагоприятными воздействиями внешней 
среды.

Задачи научного исследования заключаются в
достижения 

поставленной цели. Необходимо решить следующее: статистика и 
анализ опасных техногенных ситуаций в электроустановках; анализ 
современных методов оценки и моделирования рисков техногенных 
ситуаций в электроустановках; разработка концепции прогнозирования интегрального риска электроустановок, учитывающей вероятность возникновения опасного техногенного события и его последствий; разработка методологии принятия решения по управлению 
техногенным риском в условиях неопределенности, обусловленной 
недостаточностью исходных данных, вероятностной природой функционирования ЧМС и невозможностью количественной оценки 
рискообразующих факторов; разработать (выбрать) программную систему для ввода и предварительной обработки исходных данных, 

формирования моделей и базы знаний, обеспечивающих прогнозирование технического состояния электроустановок и определение вероятности возникновения техногенных рисков; разработать базу знаний 
и механизм принятия решений для экспертной системы диагностики 
технического состояния электроустановок реальных объектов.

Знаниеориентированная система прогнозирования технического 

состояния электроустановок опасных производственных объектов. 
Реализовывается на персональном компьютере, функционирующем 
под управлением операционной системы Windows 7. Ориентировочный объем оперативной памяти, необходимой для хранения ЗОС, составляет 500Мб вместе с техническим описанием.

Научная новизна полученных результатов. Пользователями 

ЗОС могут быть предприятия с высоким риском возникновения аварий на опасных производственных объектах. Потребителями системы 
могут быть предприятия таких областей, как предприятия газоснабжения, нефтепродуктообеспечения, тепло- и электроэнергетики, металлургической промышленности, химической, нефтехимической и 
нефтеперерабатывающей промышленности, магистрального трубопроводного транспорта, пищевой и масложировой промышленности и 
других. Заказчику проекта после его окончания предоставляется право 
самостоятельно реализовывать и внедрять ЗОС на своих предприятиях. Данный проектируемый продукт составляет несколько тысяч промышленных предприятий. 

Реализация проекта обеспечивает уменьшение количества опас
ных техногенных ситуаций: аварий, пожаров и электротравм на опасных производственных объектах. Планируемая реализация и внедрение проекта – один года.

Научно обоснованные положения и рекомендации по формиро
ванию стратегии инвестиционно-инновационной деятельности предприятий при помощи системно-когнитивного анализа являются научным заделом проекта. Проектируемая ЗОС, более эффективная при 
эксплуатации электроустановок на опасных производственных объектах, благодаря предупреждению возникновения аварий, электротравматизма и оптимизации мер обеспечения безопасности человекомашинных систем.

РАЗДЕЛ 1

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ АНАЛИЗА ОПАСНЫХ 

ТЕХНОГЕННЫХ СИТУАЦИЙ В ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

1.1 Статистика и анализ опасных техногенных ситуаций

в электроустановках

Электроустановки зданий напряжением 380/220 В являются са
мыми распространенными электроэнергетическими сооружениями. 
Их количество как объектов технического регулирования оценивается 
десятками миллионов. В них происходит подавляющее число отказов 
и аварий. Приводящих к перерывам электроснабжения, электротравматизму людей и сельскохозяйственных животных, возникновению 
пожаров.

Аварии. Основными признаками аварий нестационарных элект
роустановок являются многофазные короткие замыкания в питающей 
сети. Однофазные замыкания в электроустановках. Отказ основной 
защитной аппаратуры (автоматических выключателей, предохранителей). Кроме того, нарушения требований к режимам работы электроустановки. Они приводят к перегрузкам, износу изоляции питающего 
кабеля электроустановки. Несоответствие параметров защитной аппаратуры нормативным требованиям могут создавать условия возникновения опасных техногенных ситуаций.

Рассмотрим возможные опасные режимы возникающие при 

эксплуатации, выделяя из них предаварийное, аварийное и послеаварийное состояние.

Предаварийное состояние, обусловленное наличием скрытых 

дефектов электроустановки. Она формирует опасную ситуацию. Создает реальную угрозу здоровью и жизни человека. По истечении 
определенного времени это состояние может перейти в аварийное. 
Например, замыкание на корпус обмотки электродвигателя в результате повреждения изоляции. Иногда аварийный режим может возникнуть в результате неправильных действий работника. Вызванных 
нарушением правил техники безопасности и инструкции по эксплуатации и оборудования. При случайном прикосновении человека к металлическим частям корпуса, оказавшимся под напряжением, исход 
электротравмы  будет определяться величиной тока.  Протекающего 
по телу человека, длительностью его воздействия и физиологическими особенностями организма. Послеаварийное состояние в результате 
проведения организационно-технических мероприятий рассматривается как нормальное рабочее.

Электротравматизм. Результаты анализа электротравматизма 

людей показывают, что больше всего групповых тяжёлых и смертельных несчастных случаев происходит на электроустановках производственных и бытовых потребителей. На рисунке 1.1 приведены статистические данные несчастных случаев. В данном случае проведено 
массовое обследование состояния безопасности сельских электроустановок. Республика Бурятия, которая является весьма типичным 
аграрным регионом Российской Федерации с населением около 1 млн. 
населения, из них 44% – сельского.

Рисунок 1.1 – Сравнительная оценка электротравматизма

Статистические данные по электротравматизму за 2015 год сви
детельствуют о том, что на сельское хозяйство приходится 30% от 
общего числа несчастных случаев. На отрасли промышленности –
44%. Электротравм. Весьма высоким продолжает оставаться травматизм среди сельского населения 22%.

Анализ имеющихся материалов по расследованию несчастных 

случаев позволил выявить наиболее опасные виды и опасные техногенные ситуации, возникающие при обслуживании ручных машин, 
и классифицировать электротравмы по причинам их возникновения 
(таблицы 1.1 и 1.2). Наиболее многочисленную группу составляют 
несчастные случаи. Происшедшие из-за прикосновения к токоведущим частям питающего кабеля или сети. Находящихся под напряжением (34,4%). Эта группа случаев является не только самой многочисленной, но и наиболее опасной. В настоящее время в сельском 
хозяйстве отсутствуют устройства защитного отключения. Обеспечивающие электробезопасность при возникновении данной опасной 
ситуации.

Таблица 1.1 – Электротравматизм по видам

Наименование машины
В среднем за 10 лет (2005
2015гг.) в %

Сверлильная
8,8

Шлифовальная
12,5

Шуруповёрт универсальный
6,7

Молоток
10,6

Перфоратор
9,7

Пила ручная дисковая
13,1

Пила цепная
8,8

Дрель
19,6

Рубанок
6,3

Прочие
3,9

Итого:
100

Таблица 1.2 – Причины возникновения основных опасных ситуаций

Опасная ситуация
В среднем за 10 лет 
(2005-2015гг.) в %

Прикосновение к токоведущим частям, находящимся под напряжением (на открытом воздухе)

34,4

Прикосновение к токоведущим частям, покрытым изоляцией, потерявшей свои изоляционные 
свойства (при выполнении работ)
22,8

Прикосновение к металлическим частям РЭМ, 
оказавшимся под напряжением в результате 
пробоя изоляции
16,3

При использовании удлинителей к питающему 
кабелю РЭМ
20,7

Прочие
5,8

Итого
100

В таблице 1.3 приведены причины несчастных случаев при ра
боте с ручной электрической машиной.

Таблица 1.3 – Причины несчастных случаев при работе с РЭМ

Причины
В среднем за 5 лет 
(2010-2015гг.) в %

Неудовлетворительная организация работ
22,7

Нарушение трудовой дисциплины
20,7

Нарушение правил техники безопасности
18,3

Нарушение инструкций по эксплуатации РЭМ
21,2

Прочие (незнание об опасности электрического 
тока, неосторожность, состояние опьянения)
17,1

Итого:
100

1.2 Анализ современных методов оценки и моделирования рисков 

техногенных опасностей применительно к электроустановкам 

объектов АПК

Известно что теория систем, в основе которой лежат процедуры 

декомпозиции (анализ) и агрегирования (синтез), обладает специфическим формальным аппаратом. Ориентированным на решение различных научно- практических задач. Этот аппарат предусматривает 
как математическое обоснование процедуры многокритериального 
выбора стратегии. Обеспечивающей, например, оптимизацию интегрального риска электроустановки. Так и применение экспертных 
оценок и логических формальных подходов. Другими словами, для 
каждой предметной области существует определенная совокупность 
приемлемых средств формального выражения сущностей, которые 
подводят к изучаемому реальному объекту.

1.2.1 Детерминистический метод

Сущность детерминистического метода состоит в том, что чело
веко- машинная система считается не неопределенной. В частности, 
вероятностной, а строго детерминированной. В основе которой лежит 
причинно-следственный сценарий развития аварии, несчастного случая и т.д. Детерминированные модели строятся по упрощенной схеме. 
Пренебрегая всякого рода случайностями.Главенствующим является 
принцип причинности. Одно явление (причина) при выполнении 
определенных условий порождает другое явление (следствие).

Проблематичной также представляется процедура получения 

интегральных показателей. Распространенный способ «линейной 
свертки» вида:

L lii

где li – экспертная оценка частного показателя; i вес показателя.

Является недостаточно правомерным. Компоненты человеко
машинной системы являются не однотипными (имеют различную физическую природу). Из этих соображений процедура «осреднения» 
лишается какого-либо смысла.

1.2.2 Статистический метод

Статистический метод анализа риска электроустановки основан 

на обобщении информации. О частоте возникновения опасных техногенных ситуаций на объектах агропромышленного комплекса. По существу, статистическая модель представляет собой аналитическое 
выражение. В котором обеспечивается учет влияния случайных факторов в процессе функционирования системы Ч-ЭУ-С.

Эта модель оперирует количественными критериями. При оцен
ке повторяющихся явлений (например, электротравмы) и позволяет 
учитывать динамику изменения их внешней среды. Поэтому статистическая модель характеризуется уровнем неопределенности знаний 
об изучаемом объекте. Однако, эти знания восполняются в процессе 
сбора и анализа исходных данных в результате выборочного обследования. Используя далее методы математической статистики, можно 
вскрыть определенные закономерности. Свойственные большим выборкам однородных событий (или явлений). В случае неоднородных 
событий различной природы статистические подходы также могут 
быть использованы, проведя предварительную систематизацию (кластеризацию) опасных событий. Например, по их видам (отказы, аварии, электротравмы, пожары) или масштабам аварий (локальные, объектовые, местные, региональные, национальные). Тогда вероятность 
опасных событий за интервал времени ∆t можно оценить через их частоту (интенсивность). При рассмотрении их как потока случайных 
событий. Обладающих свойствами; ординарности (за достаточно малое ∆t происходит не более одной ОТС): отсутствия последствия и 
стационарности (частота ОТС – λ(t)=const) При этих условиях поток 
ОТС рассматривается как простейший пуассоновский, для которого 
число n ОТС, происходящих в течение времени ∆t, распределено по 
закону Пуассона.