РОЗДІЛ 1. ПОНЯТІЙНИЙ І ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГІЧНИЙ АПАРАТ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГІРНИЧИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОХОРОНИ ПРАЦІ

Костюченко М.П.

Навчальний посібник

з нормативної навчальної дисципліни циклу професійно-практичної підготовки

ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА ЕЛЕКТРОУСТАНОВОК загальноВИРОБНИЧОГО ІГІРНИЧОГО призначення

для студентів всіх форм навчання

нормативної навчальної дисципліни

 підготовкиспеціалістів, магістрів

                        (назва освітньо-кваліфікаційного рівня)

Галузі знань:0503Розробка корисних копалин

                        (шифр галузі знань)

Напрями підготовки:__6.050301 «Гірництво»,

 (код напряму підготовки)

Розглянуто:

на засіданні кафедри “Охорона праці”

від 01.02.2018 р.

                                        Протокол № 5 

від 01.02.2018 р.

Покровськ, 2018

ПОЗНАЧЕННЯ ТА СКОРОЧЕННЯ

šЗміст›

ВСТУП

Відповідно до Наказу Міністерства освіти і науки України [46], у зв’язку з реформуванням вищої освіти вимоги до викладання нормативних навчальних дисциплін “Основи охорони праці”, “Охорона праці в галузі” істотно підвищуються. Це вимагає, насамперед, вагомих змін у змісті та процесі навчання, гармонійного поєднання аудиторної та самостійної роботи студентів.

На виконання вказаного Наказу були розроблені, затверджені та впроваджені в навчальний процес, починаючи з 2011/2012 навчального року нові типові програми з охорони праці для вищих навчальних закладів. Встановлено, що під час проведення державного екзамену потрібно вводити до індивідуальних комплексних контрольно-кваліфікаційних завдань питання з охорони праці.

Удипломних проектах (роботах) бакалаврів включати окремий розділ “Охорона праці”, спеціалістів і магістрів – окремий розділ “Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях”.

До одних із завдань вивчення охорони праці у вузі відноситься формування у студентів знань з нормативно-правових актів з питань електробезпеки, а також практичних умінь прийняття обґрунтованих рішень щодо захисту виробничого персоналу від небезпечних і шкідливих виробничих чинників у діючих електроустановках.

При переході дооснов охорони праці в об’єкті вивчення акцентується увага на такому виді суспільних відносин, як виробничі відносини та конкретизуються правові, економічні, політичні, моральні, духовні, психологічні відносини.

У змісті охорони праці в галузі вказані відносини підлягають ампліфікації (лат. amplificatio – розширення, більш детальний виклад) у межах певної галузі виробництва чи сфери послуг. Зміст охорони праці в галузі базується на змісті основ охорони праці, конкретизуючи положення безпечної діяльності працівників у конкретній галузі сфери виробництва чи послуг.

Зазначимо, що якщо в безпеці життєдіяльності розглядається динамічна система “людина – життєве середовище(природне, побутове)”,то в охороні праці – “людина – виробниче середовище” (точніше: “людина – техніка – середовище”). Останнє є об’єктом дослідження також ергономіки – (від гр.ergon – праця, nomos – закон) –галузі знань, яка вивчає трудові процеси з метою створення найкращих умов праці. Це інтегративна наука, яка об’єднує інженерну психологію, психологію праці, фізіологію праці, художнє конструювання, антропологію, гігієну праці, профілактику та безпеку праці.

Інваріантною характеристикою навчальних дисциплін “Основи охорони праці”, “Охорона праці в галузі” є предмет вивчення – моделі безпеки, які розглядаються як в природному так і в штучному середовищі. Вказані моделі розробляються на основі аналізу шкідливих і небезпечних чинників природної, техногенної та соціальної сфер [28].

Особливістю розділу електробезпеки є насиченість його змісту науково обґрунтованими правилами і нормами проектування, монтажу та експлуатації технічних об’єктів.

Відповідно до Правил улаштування електроустановок (ПУЕ), перевиданих зі змінами в 2011 р. [45], в лексиці охорони праці застосовуються імперативи або чіткі вимоги, які обов’язково повинні бути виконані (“повинен”, “зобов’язаний”, “належить”, “слід”, “необхідно”, “обов’язково”), а також не чіткі вимоги: “як правило” (дана вимога є переважною, а відступ від неї повинен бути обґрунтований), “допускається” (дане рішення застосовується у вигляді винятку як змушене у зв’язку з обмеженням ресурсів, утруднення умов і т. д.), рекомендується (дане рішення є одним із кращих, проте не обов’язкове).

У конспекті лекцій є певна система позначень: ДВè – додаткова інформація того ж рівня складності (екстенсивна); Пè – поглиблена інформація (інтенсивна); ƒ – кінець додаткової інформації чи розв’язання задачі.

Після вказаних позначень текст друкується текстовим редактором Microsoft Word 2010, кегль шрифта – 11 пт.

РОЗДІЛ 1. ПОНЯТІЙНИЙ І ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГІЧНИЙ АПАРАТ ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКИ

“Ті, що веселять душу та збуджують тіло мають попит у людей значно більший, ніж ті, хто спонукають до думки”

(М.П. Костюченко)

1.1.Основні поняття з електротехніки

__________________________________________________________________________________________

Електричний струм як небезпечний та шкідливий виробничий фактор. Електричний струм як носій електричної (електродинамічної) енергії. Електротравматизм та його походження (природне і штучне). Проблема електротравматизму. Означення електробезпеки. Джерела електробезпеки: електроустановки.Електроустановка діюча. Споріднені поняття: “електрообладнання”, “електромережа”, “електроприймач”, “споживач електричної енергії”. Електрична енергія, або електроенергія. Активна і реактивна електрична енергія. Електричне коло змінного струму. Формалізація закону Ома для ділянкинерозгалуженого кола синусоїдального струму в алгебраїчному та комплексному вигляді. Трикутник опорів, напруг і потужностей нерозгалуженого кола змінного струму. Коефіцієнт потужності та його фізичний смисл.

Тіло людини є провідником електричного струму. Електричний струм одночасно відноситься до небезпечних та шкідливих виробничих чинників.

Згідно з ДСТУ 2293-99 [19], небезпечний виробничий чинник – це виробничий чинник, вплив якого на працівника за певних умов призводить до травм, гострого отруєння або іншого раптового різкогопогіршення здоров'я або до смерті.

У свою чергу, шкідливий виробничий чинник – це виробничий чинник, вплив якого на працівника за певних умов призводить до захворювання, зниження працездатності i (або) негативного впливу на здоров'я нащадків.

Зазначимо, що чинник – поняття, похідне від понять “чинити”, “діяти”, “здійснювати певний вчинок, дію”. Іншими словами, за змістом це поняття пов’язане з діяльністю людини, тобто має суб’єктивний характер. Серед синонімів цього поняття слід виділити поняття “фактор” (лат. facere – діяти, виробляти, примножувати), зміст якого має переважно об’єктивний характер, тобто не залежить від діяльності людини. Прикладом можуть бути метеорологічні фактори: температура середовища, атмосферний тиск, вологість повітря тощо. У вказаному сенсі ми будемо розрізняти поняття “чинник” і “фактор” .

Електричний струм, як усякий упорядкований рух електричних зарядів у просторі, є активним небезпечним та шкідливим виробничим фактором. Електричний струм є носієм електричної (електродинамічної) енергії. Вказана енергія за певних умов може перетворюватися в механічну енергію, в енергію електромагнітного поля, в теплову енергію, в хімічну енергію тощо. Напруженості електричного та магнітного полів відносяться до групи фізичних шкідливих виробничих факторів, які проявляються в робочому середовищі, зокрема в знаряддях праці (ручні електричні машини, персональні комп’ютери тощо).

Електричний струм має потенційну властивість завдавати шкоду здоров’ю або життю людей, діяльність яких пов’язана з виробництвом чи побутом.

Відповідно ГОСТ 12.1.009-76 [12], електротравматизм – це явище, що характеризується сукупністю електротравм, тобто травм, спричинених дією на організм людини електричного струму і /або електричної дуги.

Електрична дуга, яка виникає при розриві кіл високої напруги або кіл високих сил струму, є один з видів самостійного дугового розряду в газі, в якому розрядні явища зосереджені у вузькому плазмовому шнурі, що яскраво світиться.

Окрім цього, розрізняють електротравми природного характеру: від безпосереднього (прямого) удару блискавки, від вторинної дії блискавки – електричного та магнітного полів.

Електротравматизм є хворим місцем сучасної цивілізації так, як він кількісно не убуває. Це пов’язано з тим, що крім насичення виробництва електричними машинами, електрообладнанням, приладами й електрифікованими інструментами, спостерігається істотна електрифікація сфери обслуговування та побуту [29].

Проблема електротравматизму актуальна тому, що людина не здатна без спеціальних приладів визначити наявність на струмопровідній частині електрообладнання напруги, дія якої є раптовою, тому організм не здатний завчасно виробити захисну реакцію.

Струм, що є наслідком напруги, діє на тканини й органи не тільки в місці контакту зі струмопровідною частиною, а й на шляху протікання. Електричний струм є надзвичайно сильний подразник і впливає на весь організм, що може призвести до порушення функцій центральної нервової системи, серцево-судинної та дихальної систем, а також викликати місцеві (локальні) пошкодження.

Електротравматизм, як суспільне явище переважно техногенної сфери, повинно бути протиставлено електробезпеці.

Електробезпека – система організаційних і технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей від шкідливої та небезпечної дії електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля та статичної електрики [12].

Теоретичною основою електробезпеки є Правила улаштування електроустановок (ПУЕ), Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів (ПБЕ), Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів (ПТЕ) і Теоретичні основи електротехніки (ТОЕ).

Визначення менше за обсягом дано в ПУЕ: електробезпека– відсутність загрози з боку електроустановок життю, здоров’ю та майну людей, тваринам, рослинам і навколишньому середовищу, що перевищує допустимий ризик [45].

Розглянемо декілька понять, які складають елементи понятійного апарату електробезпеки.

 У ПУЕ сформульовано таке визначення: електроустановки–сукупність машин, апаратів, ліній електропередачі та допоміжного обладнання (разом зі спорудами і приміщеннями, в яких вони встановлені), що призначені для виробництва, перетворення, трансформації, передачі, розподілу електричної енергії та перетворення її в інший вид енергії [45].

ПТЕ дають таке визначення: електроустановка є комплекс взаємопов’язаних устаткування і споруд, що призначаються для виробництва або перетворення, передачі, розподілу чи споживання електричної енергії [44]. Іншими словами, електроустановка являє собою сукупністьпідключеного один до одного електрообладнання, які виконують певні функції, наприклад, виробництво, перетворення, передачу, розподіл, накопичення або споживання електроенергії.

Як відомо з лексики, зміст поняття означає сукупність суттєвих ознак предметів, за якими відбувається узагальнення предметів в цьому понятті, а обсяг –сукупність предметів, які узагальнюються в даному понятті. Зокрема, обсяг технічного поняття “електроустановка” перевищує обсяги інших споріднених понять, до яких відносяться “електрообладнання”, “електромережа”, “електроприймач”, “споживач електричної енергії”. Зміст кожного з останніх понять більше змісту базового поняття “електроустановка” відповідно до відомого у формальній логіці закону оберненого відношення: при обмеженні обсягу поняття виникають нові ознаки, тобто зміст поняття збільшується.

Відповідно до ПБЕ електроустановка діюча – електроустановка або її ділянка, які знаходяться під напругою або на які напруга може подаватися включенням комутаційних апаратів, а також повітряна лінія електропередачі (ПЛ), розташована в зоні дії наведеної напруги або що має перетин з діючою ПЛ [42].

Електрична енергія або електроенергія –вид енергії, що існує у вигляді потенційної енергії електричного і магнітного полів та енергії електричного струму.

Студенти електротехнічних й електроенергетичних спеціальностей знають, що електрична енергія поділяється на активну та реактивну. Генератори електростанцій передають до електроприймачів як активну, так і реактивну енергію.

Активна електрична енергія (відповідає активній складовій електричного струму) споживається будь-яким навантаженням, виконує корисну роботу та перетворюється в інші види енергії (механічну, теплову, світлову, звукову тощо).

Іншими словами, активний тип навантаження (електропечі, нагрівачі, лампи розжарювання тощо) поглинає всю отриману від джерела енергію та перетворює її в корисну роботу, при цьому коефіцієнт потужності максимальний: cosj = 1, де j– кут зсуву фаз між струмом і напругою.

Нагадаємо читачам, що в активних споживачах електричної енергії коливання миттєвого значення напруги u = U_msinwtта струмуiзбігаються за фазою, тобто вектор напруги на активному опорі Rзбігається за фазою зі струмом :

                      i = u / R = U_m/ R×sinwt = I_m×sinwt,                            (1.1)

де амплітудне значення струму I_m= U_m/ R, а діюче значення струму I = I_m/  = U_m/ (R ) = U / R, тобто закон Ома для кола з активним опором справедливий не тільки для миттєвих значень (i = u / R), але й для діючих значень:

                                                       I = U / R.                                                                (1.2)

Активна потужність Pзнаходиться як середнє значення миттєвої потужності p за період, тобто:

     P = (1/ T) × = (1/ T) × = U×I = (IR) ×I = I²×R, Вт,              (1.3)

де T– період змінного струму.

Таким чином, в колі з активним опором R енергія електричного струму

                                    E = P×t = I U ×t = I² ×R×t, кВт×год                                             (1.4)

весь час поступає із мережі до споживача та необоротно перетворюється в ньому в теплову енергію (термічні печі, електронагрівальні плитки, праски тощо), механічну енергію (повністю завантажені електродвигуни тощо), променеву та теплову енергію (освітлювальні лампи), яка розсіюється в зовнішньому середовищі. 

Якщо активний струм служить для виконання корисної роботи, то реактивний – для створення електромагнітних полів.

Реактивна електрична енергія – технологічно шкідлива циркуляція електричної енергії між джерелом електропостачання і приймачами змінного електричного струму, яка викликана електромагнітною незбалансованістю електроустановок.

Вказана циркуляція пов’язана з тим, що переважно електроприймачі мають у своєму складі реактивні елементи (індуктивність і ємність), які відповідно з випередженням або з запізненням накопичують енергію. Як наслідок, виникає зсув фаз між струмом і напругою, а коефіцієнт потужності відрізняється від одиниці, тобто: 0 <cosj<1. Прикладом реактивного навантаження переважно ємнісного типу є проводи ЛЕП, а переважно індуктивного типу – електродвигуни.

Формалізуємо наведені вище якісні міркування. Повний опір фази А, яка схематично зображується як коло змінного струму, визначається алгебраїчною та показниковою формою (рис. 1.1, а):

                     =  + j× =  + j( – ) = × ,                              (1.5)

де z = = –модуль комплексного повного опору; j = arctgX / –аргумент комплексного загального опору.

Активна складова напруги = × збігається з коливанням струму, а індуктивна складова = j випереджає струм на p / 2, ємнісна складова = – j  відстає від струму на p / 2. Тоді сума падінь напруги на активному та реактивному (індуктивно-ємнісному) опорах визначається таким чином

                               = × + j + (– j ).                                        (1.6)

Звідси закон Ома для ділянки нерозгалуженого кола (для фази А) синусоїдального струму в символічному (комплексному) вигляді:

                                        = / = .                                                 (1.7)

Модуль комплексного струму визначає силу струму в колі

                                                            І_А = U_A/ z ,                                                         (1.8)

де U_A– діюча напруга на фазі А, яка пов’язана з амплітудою напруги U_mтак:

                                                         U_A= U_m /                                                       (1.9)

І, нарешті, розглянемо випадок, близький до реального, а саме послідовне з’єднання активного опору, індуктивності та ємності в колі змінного струму.

Електричне коло – сукупність провідних частин, через які може протікати електричний струм при нормальному чи аварійному режимі роботи електроприймача.

Більш точне визначення електричного кола таке: це сукупність пристроїв і об’єктів, що утворюють шлях для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можуть бути описані за допомогою понять про електрорушійну силу, струм і напругу.

З врахуванням вище викладеного, діюче значення результуючої напруги  визначається векторною сумою, в якій складові є падіння напруги на відповідно активному, індуктивному та ємнісному опорах кола: =  + +  .

Вектор результуючої напруги  випереджує вектор діючого значення струму на кут j – кут зсуву фаз між фазною напругою і відповідним йому фазним струмом (рис. 1.1, б). Тоді падіння напруги на активному опорі U_а = U×cos j, а на реактивному опорі U_р = U_L – U_C = U×sin j.

Рис. 1.1 Трикутник опорів (а), напруг (б) і потужностей (в) нерозгалуженного кола змінного струму (фази А) при переважанні індуктивного навантаження

Помноживши обидві частини виразів на діюче значення сили струму І будемо мати співвідношення активної P, реактивної (індуктивно-ємнісної) Q та повної (загальної) S потужностей:

                             P = Scosj = UIcosj, Вт                                 (1.10)

                            Q = Ssinj = UIsinj, вар;                                (1.11)

                          S = = U×I, В ×А,                              (1.12)

Коефіцієнт потужності cosj – параметр, який показує, яку частину становить активна потужність P від повної потужності S (рис. 1.1, в). На електростанціях cosj має бути близьким до 0,95. Для приймачів бажано, щоб коефіцієнт потужностіне був низький.

До споживачів електроенергія доставляється через електромережу. Споживач використовує електричну енергію для виконання механічної роботи, опалення, освітлення, комунікації тощо.У свою чергу, сукупність компонентів, що використовують електричну енергію для виконання певної функції – електротехнічний пристрій.

1.2.Електротехнічні об’єкти як елементи технічної системи

__________________________________________________________________________________________________

Споживачі електроенергії. Електротехнічний пристрій. Електротехнічні вироби. Надійність і живучість технічних систем (ТС). Управління безпекою. Модель ТС. Класифікація функцій ТС. Фізичний принцип дії. Спосіб дії. Режими роботи ТС. Ситуація. Види ситуацій в ТС. Ризик. Ступінь та рівень ризику. Однорідний ланцюг Маркова.

Електрообладнання–електротехнічні пристрої, у яких виробляється, трансформується, перетворюється, розподіляється чи споживається електроенергія[44]. До електрообладнання відносяться комутаційні апарати в розподільних пристроях електроустановок, а також усі види захисту електроустановок.

Електрообладнання відносяться до класу електротехнічних виробів–виробів, призначених для виробництва, перетворення, розподілу, передачі та використання електричної енергії або для обмеження можливості її передачі.

Передавання та розподіл електричної енергії напругою до і понад 1 кВ без зміни її параметрів здійснюється лінією електропередачі  (ЛЕП), зокрема, кабельною лінією (КЛ) або повітряною лінією електропередачі (ПЛ).

Нагадаємо студентам, що для виникнення електричного струму потрібно джерело електричної енергії (електротехнічний пристрій, який перетворює певний вид енергії в електричну енергію), приймач електроенергії (електродвигун, світильник з джерелом світла, електроплита тощо) та провідник (проводи, кабелі). Вказані елементи повинні створювати замкнене електричне коло.

Розглянуті технічні об’єкти електроенергетики уявляться й аналізується як технічні системи, які мають певні якості, властивості, параметри, показники, характеристики та інші атрибути, тобто істотні ознаки, невід’ємні властивості речі, предмета. Здійснимо спробу їх описати та пояснити.

Електротехнічні вироби, як й інші технічні об’єкти, характеризуються надійністю. Ця властивість суттєво важлива для засобів захисту від ураження електричним струмом.

Надійність – властивість об’єкта зберігати у часі в певних межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах й умовах застосування, технічного обслуговування, ремонтів, зберігання та транспортування. Іншими словами, надійність – здатність системи виконувати задані функції, зберігаючи в установлених межах свої основні характеристики.

В теорії надійності обґрунтовується, що надійність є складною властивістю і складається з сполучення властивостей: безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності та збереженості.

Функція надійності – функція N (t), яка визначає ймовірність безвідмовної роботи технічної системи (елемента системи) за проміжок часу t.

Нехай технічна система починає функціонувати в момент часу t₀= 0, а в момент часу tвідбувається відмова. Якщо тривалість часу безвідмовної роботи системи позначити через Т, а інтенсивність відмов (середнє число відмов в одну одиницю часу) – через l, то тривалість часу безвідмовної роботи системи звично має показниковий розподіл. Інтегральна функція розподілу F (t)визначає ймовірність pвідмови системи (елемента) за проміжок часу t:

                                F (t) = p (Т < t )=1– еxp (–lt), l> 0.                                        (1.13)

Друга складова інтегральної функції – це функція надійності N (t), яка має вигляд:

                                                N (t) = еxp (–lt).                                                       (1.14)

Живучість – властивість складної системи, що полягає в її здатності зберігати штатний режим функціонування і виключати можливість аварії або катастрофи в прогнозованих і не прогнозованих умовах впливу дестабілізуючих, неруйнівних факторів ризику. Іншими словами, це здатність системи зберігати властивості, необхідні для виконання потрібних функцій, при наявності діянь та впливів, не передбачених умовами нормальної експлуатації.

Зазначимо, що живучість і надійність є якісними характеристиками виробничих систем й оцінюються за допомогою методу експертних оцінок.

Зазначимо, що термін “безпека” означає стан захищеності особи та суспільства від ризику зазнати шкоди –фізичного ушкодження i/або збитків, заподіяних здоров'ю людей i/або майну чи навколишньому середовищу. Напроти,  здоров’я – стан фізичного та психічного благополуччя людини, в тому числі вiдсутнiсть хвороб i фізичних вад [19].

Управління безпекою – спеціальний вид управління складною системою, реалізований у динаміці функціонування системи у вигляді комплексу рішень і дій з метою забезпечення її живучості та запобігання критичним і надзвичайним ситуаціям, аваріям і катастрофам [22]. На державному рівні управління охороною праці здійснює Державна служба гірничого нагляду та промислової безпеки (Держгірпромнагляд).

Будь-який технічний об’єкт має практично нескінченне число властивостей. Виділивши основні (з точку зору дослідника) властивості, які можна піддати процедурам квантифікації та вимірювання, можна розробити модель технічного об’єкта у вигляді певної системи у формі наочного рисунку, формальної схеми, системи диференціальних рівнянь (сукупність змінних) тощо. Як показав У.Р.Ешбі [48], для будь-якого технічного об’єкта можна отримати велике число образів, тобто моделей (систем), використовуючи різні цілі дослідження.

Оскільки неможливо повністю змоделювати реально функціонуючу систему (об’єкт дослідження, систему-оригинал, наприклад технічний об’єкт), створюється модель (система-модель, або друга система) під поставлену проблему[49].

Модель –деякий об'єкт (реальний, знаковий, абстрактний або уявний), відмінний від об'єкта-оригіналу, поданий в найбільш загальному вигляді (вербальний опис, схема, креслення, графік, формула, математичне рівняння, логічний вираз тощо), відтворюючи властивості, ознаки, параметри та характеристики оригіналу в межах розв'язуваних теоретичних задач чи практичних завдань.

В електробезпеці, як і в інших технічних науках, використовують різні типи моделей зображення системи (форми опису системи):

· вербальна модель (морфологічна, функціональна, інформаційна, історична);

· формалізована модель (знакова, семантична);

· математична модель (аналітична, алгоритмічна, імітаційна);

· логічна модель (предикатна);

· графічна модель (графи, семантичні мережі, фрейми, продукційні правила тощо);

· інтуїтивна модель (сценарії, операційна гра, мислений експеримент тощо);

· матеріальна модель (фізична, аналогова).

Розглядаючи модель технічного об’єкта можна розглядати таке базове поняття, як “функція” (від лат. functio– здійснення, виконання) – зовнішній прояв технічного об’єкта, що проявляється в певній ролі елемента (підсистеми) при досягненні поставлених перед системою цілей.

Технічні та змішані системи мають ряд функцій, які звично виділяють у чотири групи:

1) головна функція, яка відповідає початковій меті створення чи використання системи та є корисною функцією;

2) основні функції, які відносяться до елементів, що безпосередньо забезпечують роботу головних елементів;

3) допоміжні функції, які відносяться до елементів, що роблять реалізацію головної чи основної функції більш ефективною, більш прийнятною або привабливою для споживача;

4) некорисні, шкідливі та небезпечні функції, які відносяться до елементів, які, як правило, знижують показники якості системи.

Електротехнічні вироби являють собою технічні системи, яким притаманні певні ознаки, пов’язані з їх роботою (функціонуванням).

Функціональний аспект опису технічної системи пов'язаний з відображенням принципів її функціонування і способів дій, характеру фізичних й інформаційних процесів, які протікають в системі. Цей аспект знаходять відображення в принципіальних, структурних, функціональних і кінематичних схемах та супровідних документах.

Принцип дії розглядається як основна характеристика процесу технічної системи, яка вказує на її функціональну структуру, а також на закони природи, які виражені фізичними явищами й ефектами, законами фізики та хімії та які визначають хід процесу та його основні особливості. З “принципом дії” пов’язана характеристика процесу, який здійснюється в технічному об’єкті та основні дії, які об’єкт здатний зробити.

Наприклад, у класі “асинхронні двигуни” реалізується один і той же принцип дії, який базований на законах Біо-Савара-Лапласа, Ампера, електромагнітної індукції Фарадея і динаміки обертального руху. Дійсно, при протіканні трифазного змінного струму по обмотках статора в електродвигуні створюється обертальне магнітне поле, яке наводить електрорушійну силу (ЕРС) і струм індукції в обмотках ротора. Взаємодія струму ротора з магнітним полем статора викликає момент сил, що обертає ротор з кутовою швидкістюw_р, яка менше швидкості магнітного поляw_п, тобто w_р<w_п(явище асинхронності).

Для опису фізичного принципу дії (ФПД) визначеного технічного об’єкта використовується віртуальний фонд природничо-наукових і науково-технічних ефектів (ПН і НТЕ), який створений російськими науковцями (започаткував О.І.Половінкін [41]). На сьогодні вказаний фонд реалізований на основі Інтернет-технологій (див. http // www.effects.ru/ ).

Очевидно, що принцип дії класу “асинхронні двигуни” одночасно реалізує декілька ПН і НТЕ. Термін “спосіб дії ” означає спосіб реалізації певного ФПД, який здійснюється в певному класі технічних об’єктів, а також конструктивне оформлення ФПД, один із варіантів технічних рішень, який відповідає підкласу об’єктів. Варіантами технічних рішень можуть бути асинхронні двигуни, які мають різноманітні структури ротора: короткозамкнута обмотка типу “біляча клітка”, фазний ротор, масивний ротор, порожнистий ротор тощо.

Традиційні технічні системи, які удосконалюються, або спроектовані нові системи піддаються експлуатаційним випробуванням на процеси функціонування в різних режимах. Зокрема, під “режимом функціонування” (“режимом роботи”) електротехнічного пристрою (виробу) розуміється сукупність умов роботи за певний інтервал часу з врахуванням їх тривалості, послідовності, а також значень і характеру навантаження. Вказаним умовам роботи відповідають певні значення експлуатаційних параметрів.

В теорії надійності термін “режим функціонування” означає сукупність значень експлуатаційних параметрів виробу при використанні його за призначенням. До вказаних параметрів відносяться потужність, швидкість, циклічність роботи, тривалість неперервної роботи тощо.

Розрізняють такі режими роботи різноманітних електротехнічних виробів:

§ обертаючого електродвигуна: режим пуску; режим під навантаженням при номінальній напрузі; режим реверсу; режим гальмування; режим холостого ходу без навантаження при номінальній напрузі мережі живлення; режим короткого замикання при номінальній напрузі мережі та при нерухомому роторі;

§ силового трансформатора: режим холостого ходу трансформатора при живленні однієї з обмоток від мережі змінного струму, за умови, що інші обмотки не замкнуті на зовнішні кола; режим під навантаженням при наявності струмів не менше, ніж у двох його основних обмотках, кожна з яких замкнута на зовнішнє коло; режим короткого замикання на затискачах однієї з обмоток при живленні хоча б однієї з обмоток від джерела змінної напруги;

§ електрообладнання (електротехнічного пристрою, електротехнічного виробу): режим холостого ходу (при якому відбувається споживання потужності тільки самим електрообладнанням; режим навантаження, при якому відбувається віддача потужності зовнішньому об’єкту; режим короткого замикання, при якому опір його навантаження практично рівний нулю або електротехнічний пристрій підключений до джерела живлення і знаходиться в загальмованому або заклиненому стані.

Розглянемо поведінку складної системи (технічної, соціальної, ергатичної тощо), яка має скінченну множину функцій в заданих умовах, породжених взаємодією структурно взаємопов’язаних функціональних підсистем. Очевидно, функціонування, а тим паче, розвиток системи, належить розглядати як зміна станів системи у часі.

Поняття стан “системи” замінимо на поняття, яке включає довкілля, –“ситуація” – певний стан розглянутої системи та середовища її функціонування, що характеризується апріорі встановленими інтервалами значень показників системи та функціональних характеристик середовища.

Розрізняють такі виробничі ситуації: штатні, аварійні, небезпечні тощо. Розглянемо їх більш детально.

Розглянемо ситуації, і відповідно, режими функціонування технічної системи, яка не відноситься до класу великих систем. Прикладом може бути функціонування асинхронного електродвигуна.

Ситуації й режими функціонування технічної системи класифікуються на такі типи.

А.Штатна ситуація – це ситуація, в якій параметри та показники системи й функціональні характеристики середовища відповідають апріорі заданим інтервалам допустимих змін. Будь-який штатний режим функціонування, в загальному розумінні, можна характеризувати як детермінований режим, оскільки його узагальнено описують відомі дані.

Наочно штатну ситуацію можна умовно зобразити відрізком АВ допустимих змін будь-якого кількісного параметру системи (рис. 1.3). Прикладом можуть бути робочі характеристики асинхронного двигуна (АД) при корисній потужності P₂на валу приводу, яка лежить в допустимому інтервалі, який обмежується номінальною потужністю P_ном, тобто P₂Î [0, P_ном.], а також ряд відповідних параметрів: ковзанняn, коефіцієнта корисної діїh, коефіцієнта потужності cosj, електромагнітного моментуM тощо. Вказані параметри функціонально залежать від P₂. До якісних показників функціонування відноситься характерний шум та вібрація роботи двигуна.

Б. Позаштатна ситуація(позаштатний режим)– це ситуація, в якій окремі параметри, показники системи або функціональні характеристики середовища виходять за межі допустимих інтервалів, але це не призводить до порушення функціонування системного об’єкта чи до його руйнування. Іншими словами, це позаштатний режим функціонування, за якого показники якості системи або показники зовнішнього середовища лежать поза інтервалами штатного режиму в таких межах, що немає загрози аварії або катастрофи. Наочно позаштатну ситуацію можна зобразити відрізком А₁В₁ (рис. 1.3).

У позаштатній ситуації можливі не лише випадкові відхилення якісних показників, кількісних параметрів і неконтрольованих факторів за межі допустимих інтервалів, але й випадкові специфічні структурні зміни у конструктивних елементах. Прикладом може бути ситуація, коли потужність P₂на валу приводуне менша номінальної (P₂³P_ном.), шо позначається на підвищенні температури корпусу асинхронного двигуна.

Очевидно, режим функціонування технічної системи у позаштатній ситуації – принципово недетермінований режим, зокрема, стохастичний режим. Звідси випливає потреба аналізувати позаштатні ситуації з погляду теорії ризику.

Позаштатний режим функціонування складної системи має дві альтернативи розвитку, які вельми важливо враховувати в заходах підвищення безпеки праці:

– позаштатний режимÞкритична ситуаціяÞаварійна ситуаціяÞаварія;

– позаштатний режимÞнадзвичайна ситуаціяÞкатастрофічна ситуаціяÞкатастрофа (де Þзнак імплікації “якщо…, то”).

А₃_____А₂____А₁____А_______________В______В₁_____В₂_____В₃

Рис. 1.3. Ситуації, і відповідно, режими функціонування технічної системи

В. Критична ситуація– позаштатний режим функціонування, за якого показники якості системи або показники зовнішнього середовища лежать поза інтервалами штатного режиму в таких межах, що виникає потенційна (ймовірна, реально можлива) загрозааварії або катастрофи. Вказаний режим може призвести до такого порушення процесів функціонування технічного об’єкта, що викличе часткове чи повне його руйнування, створить небезпечні умови для обслуговуючого персоналу або призведе до екологічно небезпечних наслідків. Прикладом може бути ситуація, коли потужність P₂на валу приводубільша номінальної (P₂ > P_ном.), Наочно дану ситуацію можна умовно зобразити відрізком А₂ В₂  (рис. 1.3).

Г.Аварійна ситуація– позаштатний режим функціонування, за якого технічна система переходить із працездатного стану в такий непрацездатний, аварійний стан, що для переходу у вихідний стан необхідно виконати ремонт. Наочно дана ситуація зображується відрізком А₃В₃, а домінуючу роль відіграє проміжок часу збурюваних діянь у системі чи впливів навколишнього середовища. Прикладом може бути аварійний режим трансформатора, при якому напруга або струм обмотки, або частини обмотки такі, що при достатній тривалості у часі це загрожує пошкодженням обмотки чи руйнуванню частини трансформатора.

Д.Аварія – небезпечна подія техногенного характеру, що спричинила загибель людей або створює на об’єкті чи окремій території загрозу життю та здоров’ю людей та призводить до руйнування будівель, споруд, обладнання та транспортних засобів, порушення виробничого або транспортного процесу чи завдає шкоди довкіллю. Іншими словами, аварія –кінцевий результат аварійної ситуації, пов'язаний з руйнуванням споруд і (або) технічних об’єктів, неконтрольований вибух і (або) викид небезпечних речовин. 

Відповідно НПАОП 0.00-6.02-04 “Порядок розслідування та ведення обліку нещасних випадків, професійних захворювань і аварій на виробництві”, розрізняють аварію першої та другої категорій та їх наслідки.

Альтернативний варіант розвитку ситуації на відносно великих і складних об’єктах (теплова чи атомна електрична станція, велике промислове підприємство, енергосистема тощо) має формальні риси, які подібні позаштатному режиму розвитку аварії, проте за механізмами, масштабами та наслідками істотно відрізняється.

В^*.Надзвичайна ситуація– позаштатний режим функціонування, за якого показники системи або показники зовнішнього середовища лежать поза інтервалами штатного режиму в таких межах, що виникає актуальна загроза аварії або катастрофи (майже неминуче трапляється аварія або катастрофа). Наочно позаштатну ситуацію можна зобразити відрізком А₂ В_{2 .}

Г^*.Катастрофічна ситуація– позаштатний режим функціонування, за якого технічна система переходить із працездатного стану в такий непрацездатний, катастрофічний стан, що зворотний перехід у працездатний стан принципово виключений. Наочно дана ситуація зображується відрізком А₃В₃.

Д^*.Катастрофа – велика за масштабом аварія чи інша подія, що призводить до тяжких наслідків [21]. В аспекті нашого викладу, катастрофа –кінцевий результат катастрофічної ситуації.

Аксіома про потенційну небезпеку будь-якої діяльності людини покладена в основу наукової проблеми забезпечення безпеки людини. Ця аксіома має принаймні два важливих висновки, необхідних для формування систем безпеки:

· неможливість розробити (знайти) абсолютно безпечний вид виробничої діяльності людини в техногенному (ергатичному) та природному середовищі;

· жоден з видів діяльності не може забезпечити абсолютну безпеку для людини (нульових ризиків не буває).

Ризик– передбачувана подія, здатна принести чому-небудь або кому-небудь збиток. Ризик у вузькому (статистичному) значенні – кількісна оцінка небезпеки, яка визначається як частота однієї події при настанні іншої.

Вікіпедія наводить інші визначення:

§ ризик – можлива небезпека якого-небудь несприятливого результату;

§ ризик – поєднання вірогідності та наслідків настання несприятливої події;

§ ризик – характеристика ситуації, що має невизначеність результату, при обов'язковій наявності несприятливих наслідків (наприклад, інформаційний ризик у випадку протидії коаліцій чи у випадку управління функціонуванням складної технічної системи в позаштатному режимі залежить від таких факторів: неточності, недостовірності та неповноти інформації);

Ризик Rнебажаних результатів функціонування складної системи залежить від таких складових: імовірності p появи небажаних наслідків впливу будь-яких чинників ризику та розміру можливого прямого збитку від впливу чинників усіх груп ризику, який являє собою власне рівень ризику W.

Як показано в системному аналізі [22], ризик R функціонування складної технічної системи залежить від ступеня ризику c та від рівня ризику W.

Ступінь ризику c– імовірність появи несприятливої ситуації, тобто ймовірність появи небажаних наслідків впливу будь-яких чинників ризику в будь-який момент часу tÎT у процесі функціонування складної системи. Очевидно T– тривалість періоду функціонування системи.

Рівень ризику W– розмір потенційного збитку від небажаних наслідків впливу будь-яких чинників ризику в будь-який момент часу tÎT у процесі функціонування складної системи.

Формалізуємо наведені вище поняття ризику у вигляді загальної функціональної залежності:

                                                          R= f (c, W),                                                      (1.15)

де R– ризик; f – символ функції; c = c (p) – ступінь ризику, де p Î (0, 1] – імовірність появи несприятливої ситуації; WÎ (0, 100]– рівень ризику, який раціонально визначати в 100-значній метричній шкалі (інтервальній шкалі чи шкалі відношень).

Геометричною інтерпретацією ризику є унімодальна (одновершинна) крива, яка має мінімум. Для складних ергономічних і виробничих систем мінімум пояснюється тим фактом, що при зменшенні технічного ризику паралельно зростає соціально-економічний ризик при обмежених видатках.

Із виразу (1.9) випливає, що так, як p¹ 0, то R¹ 0. Це пов’язане з тим, що процеси, які відбуваються в складній системі у позаштатній ситуації, як правило, швидкоплинні та не дають можливість зібрати повну, точну та достовірну інформацію для управління процесом. Становище ускладнюється при наближенні до аварійної чи катастрофічної ситуації: реальна задача управління характеризується неповнотою, неточністю, невизначеністю і суперечливістю вихідної інформації.

Як наслідок, принцип мінімізації ризику стверджує, що мінімізується до певних меж ступінь ризику c (p) та рівень ризику W. Проте забезпечити нульовий ризик для процесів у складних системах неможливо, тому звично досягають такого рівня безпеки, який суспільство може дозволити собі на даний час і який є економічно виправданий.

Вказаний рівень безпеки лежить в інтервалі, межі якого (для поточної ситуації) – найгірший і найкращий результати.

Конкретизуємо залежність (1.11) у вигляді простої формули:

                                                            R= a×c×W,                                                       (1.16)

де a = const, c (p) ºp.

Рівень ризику W може бути незначним WÎ(0, 25), середнім – WÎ(25, 50), значним (великим) – W Î(50, 75), дуже великим – WÎ(75, 100]. Якщо W=const, а ймовірність того, що випадкова величина X приймає значення, які належать інтервалу (а, в) визначається рівністю

                                               p (а < X < в) = ,                                           (1.17)

де f (x) – диференціальна функція (густина ймовірності), яка задовольняє такі відомі умови: f (x) ³ 0, =1.Тоді ризик визначається співвідношенням:

                                                     R= a×W×                                                 (1.18)

Рівень ризику W може бути незначним WÎ(0, 25), середнім – WÎ(25, 50), значним (великим) – W Î(50, 75), дуже великим – WÎ(75, 100]. Якщо W=const, а ймовірність того, що випадкова величина X приймає значення, які належать інтервалу (а, в) визначається рівністю p (а < X < в) = , де f (x) – диференціальна функція (густина ймовірності), яка задовольняє такі відомі умови: f (x) ³ 0, =1.Тоді ризик визначається співвідношенням:

                                                     R=a×W×                                                 (1.19)

Ризики класифікують на визначені області, які мають назву “зони ризику”: безризикова зона, зона припустимого ризику, зона критичного ризику, зона катастрофічного ризику.

Зона припустимого ризику є компромісом між рівнем безпеки та можливостями його досягнення.

Як нам уже відомо, будь-яка аварія чи катастрофа є кінцевим результатом послідовного переходу між режимами функціонування складної системи, які відіграють роль певних стадій: штатний режим ® позаштатна ситуація ® критична ситуація або надзвичайна ситуація ® аварійна ситуація або катастрофічна ситуація. Ризик підвищується при послідовному переході системи від однієї стадії до іншої.

Очевидно, головною, необхідною умовою забезпечення гарантованої безпеки складної системи є наукове прогнозування та реалізація необхідного ресурсу припустимого ризику позаштатного режиму.

На відміну від детермінованого режиму штатної ситуації, не детермінований, зокрема, стохастичний режим позаштатної ситуації пов'язаний з принципово іншими умовами, обставинами та чинниками.

Складні технічні системи, які функціонують у позаштатній ситуації в умовах багатофакторних ризиків, схильні до змін властивостей матеріалів при інтенсифікації впливу зовнішнього середовища (силового, температурного, електромагнітного, радіаційного, хімічного тощо), розвитку дислокацій, руйнування та старіння матеріалів тощо. При цьому можливий розвиток нестаціонарних, аномальних і порогових явищ і процесів, які мають характер хаотичних та формально є нелінійні. Вказані явища та процеси у відкритих нерівноважних системах досліджує синергетика та теорія катастроф.

Як відомо з теорії ймовірностей, події В₁, В₂,…,В_n, які не можуть відбуватися одночасно, тобто несумісні події, утворюють повну групу подій, для яких сума їх імовірностей дорівнює одиниці, тобто складає вірогідну (достовірну) подію:

                                   p(В₁) + p(В₂) +…+ p(В_n) = 1                                        (1.20)

Ситуаційний аналіз складних систем й аналіз реальних аварій і катастроф показує, що множина ситуацій ризику принципово не є повною групою випадкових подій. Відомі випадки, коли в цеху токарних станків послідовно або навіть одночасно виходили з ладу електродвигуни внаслідок короткого замикання, або одночасна відмова всіх двигунів літака. У подібних обставинах, настання однієї або кількох подій із множини ситуацій ризику не виключає можливості настання інших подій цієї множини.