电气设备及系统的安全风险预警体系构建研究_技术交流_机械工业北京电工技术经济研究所

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电气设备及系统的安全风险预警体系构建研究

作者: ​马红  来源:(机械工业北京电工技术经济研究所) 时间:2020-11-20


摘要:电气设备及系统是生产、生活的重要基础,其安全应用至关重要。实际生产、生活中风险不可避免,随着电气设备功能趋于多样化和复杂化,设备组合趋于系统和集成,其风险形式更复杂、多样,风险后果影响更大。本文基于成熟的电气设备及系统的安全风险评估理论和体系,通过分析预警指标体系、预警等级的科学分级、预警监测、预警措施等风险预警的关键环节,对电气设备及系统的安全风险预警体系构建展开了初步研究,以实现对电气设备及系统的动态安全管理,从而保证安全水平。

关键词:电气设备及系统;安全风险预警;体系构建

 

0 引言

“风险”的概念起源于保险行业,并逐渐应用到经济、军事和工业领域,风险识别的方法研究也最先出现在上述领域。随着经济社会的发展,风险涉及的领域和风险类型逐渐呈现多元化,其研究在安全科学、环境科学等学科出现并不断扩展和延伸,而且具有各自学科的研究特点。

风险管理伴随“风险”而生。发展期间,随着系统集成理论、全面风险管理理论、全生命周期管理理论的发展和深化,对风险管理的研究也从单一阶段或单一过程视角发展到以系统、集成、动态、全面、全过程的多维度多视角看待风险管理。同“风险”一样,风险管理在各个研究领域有着不同的界定,即使所在领域相同,研究视角的不一致也会使界定有所不同。在安全领域的风险管理是指:为了避免不安全事件的发生,降低不安全事件的危害,管理主体有效组织和利用各种资源,借助各种管理手段,实现安全目标的过程。风险管理过程通常由风险分析、风险评价和风险控制三个环节构成,其中,风险分析环节进行危险源的识别和风险的预估,风险评价环节对是否需要降低风险或是否已实现安全进行评定,风险控制环节通过采取具体措施将风险降低到可接受水平。风险控制环节中常用的控制措施包括预防型措施和缓解型措施两种。

风险管理的最终目的是降低风险、预防事故发生。古人云“凡事预则立,不预则废“预”作形容词时有预先、事先的意思。根据海因里希提出的安全累积原理,任何大事故都是小事故、小事件或者平时的欠缺所造成的。可见,若对小事故、小事件有所预防,可避免大事故的发生。同样,若对不安全行为和状态有所预防,也可避免小事故、小事件的发生。预防型工作对保障安全意义重大。风险控制环节中的预防型措施就是在不安全事件发生前,对那些可能导致不安全事件发生的因素采取措施,进行干预和控制,以达到降低不安全事件发生概率的目的。

风险预警是对风险进行把握的一种方式,是预防型控制措施中的一种典型手段,是根据以往总结的规律或观测得到的可能性前兆,在需要提防的危险发生之前,向相关方发出紧急信息信号,报告危险情况,以避免危害在不知情或准备不足的情况下发生,从而最大程度地减轻危害所造成的损失的行为。通常,风险预警活动的开展是以事故规律和安全理论为基础的,也常常借助先进手段对事态发展进行动态监测,具有科学合理性和动态性。目前已广泛应用于交通运输、气象、海洋、地震监测、火灾监测等领域,并取得显著成效。

1电气设备及系统的安全风险预警体系

1.1必要性

电气设备及系统是工厂企业生产运行、人民安居乐业的重要基础设施,其安全应用至关重要。电气设备风险管理工作开始于21世纪初期,已形成较成熟的风险管理理论和标准体系,但对于风险预警的研究尚处于初期。近年来随着科学技术的发展,电气设备功能趋于多样化,设备组合趋于系统和集成,日益复杂的生产技术系统为生产生活带来诸多便利的同时,其风险形式更复杂、多样,风险后果影响更大。本文出于对电气设备及系统的动态安全管理目的,对电气设备及系统的安全风险预警体系(以下简称“安全风险预警体系”)构建进行研究。

1.2安全风险预警体系构建分析

基于电气安全技术和安全风险管理的研究成果和实践经验的积累,已形成适用于电气设备及系统的安全风险评估理论和标准体系。相关国际标准在国际电工委员会(以下简称“IEC”)建立了有关安全风险评估技术标准的协调标准体系,对IEC的有关专业和产品技术委员会发挥了安全技术协调和指导作用,也为全球电气安全法规的有效实施提供了技术支撑。为确保安全风险预警体系在电气领域的适用性,其构建将基于电气领域安全风险评估(以下简称“安全风险评估”),并参考预警活动在其他领域成功应用的经验。

安全风险评估从判定电气设备的限制条件开始,用系统方法检查和识别相关危险,再进行风险预估、风险评价和/或风险比较,反复这一过程,实施防护措施,最终实现风险降低,安全风险评估过程见图1。


图1安全风险评估过程

安全风险评估研究了电气设备在设计、制造、安装、使用和维护过程中意外事故和伤害的机理和实践经验,提出了风险评估的安全原则;建立了低压电气设备在安全风险评估中的限制条件、识别危害的方法和工具;针对潜在危险的严重程度、发生伤害的可能性、危害因素之间相互影响及积聚效应量化风险程度,确定可容许风险;采用“三步骤法”降低风险等,是防止电气设备在整个生命周期中危险事件发生、避免可能伤害的安保手段,为电气制造企业的产品提供了降低潜在风险的解决方案。但安全风险评估的不足之处是风险降低环节的“三步骤法”只考虑了固有安全措施、技术安全措施和安全信息的使用,更侧重于实现电气设备及生产过程的本质安全,缺少动态管理。将风险预警概念和实践经验纳入风险降低过程,既满足本质安全,也实现了构建安全风险预警体系的关键和目标。

因此,基于安全风险评估,安全风险预警体系由风险分析、风险评价和风险预警三个环节构成。其中,风险分析环节同样从判定电气设备的限制条件开始,用系统方法检查和识别相关危险,并进行风险预估;风险评价环节对是否需要降低风险或是否已实现安全进行评定,风险预警环节中对于需要降低的风险采取“三步骤法”降低风险,对于其他风险进行动态监测,当出现事故征兆时采取相应预警措施控制风险。安全风险预警过程见图2。


图2安全风险预警过程

2安全风险预警体系构成要素概述

安全风险预警体系中风险分析、风险评价和风险预警三个环节各有具体的构成要素,如下:

2.1风险分析环节

风险分析从判定电气设备限制条件开始,用相关方法识别危险,进行风险预估。

——电气设备的限制条件

制定电气设备限制条件时,应考虑电气设备生命周期各阶段的相关风险因素。通常包括使用限制条件、空间限制条件、时间限制条件和其他限制条件。使用限制条件包括电气设备的不同操作模式、用户的不同干预程序、相关法律法规的限制;用户培训、经验或能力的预期等级;其他人员(如非专业人员、儿童)暴露在电气设备可预见的相关危险处境等。空间限制条件包括移动范围;电气设备安装和维护的空间要求;人员互动(如人机界面)空间等。时间限制条件包括预期使用时间和合理预见误用;电气设备和/或其零部件寿命;建议使用周期等。其他限制条件包括环境;清洁程度;加工材料性质等。

——危险识别

电气设备的潜在危险源可以分解为存在于产品设计制造、提供使用者的防护措施、风险告知信息等三方面。以产品设计制造为例,可能呈现的危险源有:电击危险、着火危险、机械危险、运行危险、辐射危险、噪声、人体工程学、化学品危险等因素。

每一类危险源又可细化分为若干个引发危险的因素。例如:电击危险包括电气绝缘、直接接触、间接接触等危险因素。着火危险考虑结构部件的非金属材料、支撑带电零件的绝缘材料或工程塑料等引起的着火危险。机械危险包括外壳防护、结构、运动部件、联接等危险因素。运行危险包括环境变化引起的、接近/触及危险部件的、静电积聚引起、防止电弧引起的危险等。辐射危险包括电离辐射和非电离辐射危险。人体工程学考虑避免因不适应人体特点等引起的危险。化学品危险则考虑电气设备使用材料、制造用设备及生产过程中使用的化学有害物质引起的危险。

——风险预估

风险预估是通过风险要素组合后对各种危险处境的风险程度进行评判,风险要素由伤害的严重程度和发生伤害的可能性构成。伤害的严重程度由伤害程度和广度体现。伤害的可能性则取决于暴露的危险处境、发生危险事故概率、技术和人员避免或限制伤害的可能性。

2.2风险评价环节

经过风险预估给出的评判,风险评价过程将综合考虑人员要素、可靠性和环境因素、防护措施失效的可能性、防护措施的维持能力、使用信息、当前社会价值等因素,判断出需要立即采取降低措施的风险和其他继续观察的风险。

2.3风险预警环节

对于风险评价为需要降低的风险,通过设计人员采取的措施和用户采取的防护措施共同降低。对于其他继续观察风险,通过风险预警环节,监测风险动态,对出现异常状态或不利趋势的风险发出对应等级警报并采取措施。如图2所示,预警指标体系构建、科学分级、预警监测、预警措施是风险预警环节的关键过程。

——预警指标体系构建

预警指标体系是对电气设备及系统需要控制的风险进行全面综合评价的基础和关键。

预警指标体系的构建首先应遵循一定的基本原则,包括目的性原则、系统性原则、全面性原则、客观性原则、定性与定量相结合的原则、科学性/可行性和可比性原则。

其次,基于电气设备限制条件和危险源因素,结合文献研究、专家经验、历史事故统计等,遵循指标体系构建原则,进行指标提取、筛选和优化,并最后确定指标体系。基于当前研究成果,电气设备安全风险预警的一级指标可以从电气设备限制条件、危险源因素、隐患因素(人、设备、环境等)、事故可能性、安全管理状况、相关法律法规要求等展开考虑。根据电气设备实际状况可将一级指标细化,设计相应的二级甚至三级预警指标,此处暂不作详细分析。

需要注意的是:进行指标筛选和优化时,应尽可能使所建立的指标体系为指标集的最小完备集。

此外,直接用指标体系进行预警是非常困难的,可选择评价类方法(例如:危险性预先分析、故障类型和影响分析、道化学指数法、模糊综合评价法等)和预测类方法(例如:定性预测、定量预测、概率预测等)构建预警模型,并结合历史经验对各级指标之间存在的相关性关系进行预判后再进行风险预警。

——科学分级

预警等级是用来体现警情的级别,是对系统不安全因素偏离安全状态程度的量化。合理有效的预警等级是准确传递预警结果、根据预警结果分析潜在风险、及时采取预警措施的基础。因此,对预警指标进行科学分级是十分关键的环节。当前普遍采用预警区间来体现预警等级,包括警区的划分和警限的确定。根据电气设备及系统的不同特点,警区和警限可采取赋值法或百分比法表示。预警等级视情况既可大致划分为高度风险、中度风险、可接受风险,也可对高度和中度风险做进一步的细分。

——预警监测

预警监测是借助一定设备和手段,以被监测风险的具体指标(例如:电压、电流、表面温度等)的数据、曲线等为对象,实时监测其状态和发展趋势。当监测到异常状态或不利趋势时,根据科学分级中给出的警区或警限,通过特定方式将信息告知接收方。

——预警措施

预警措施可包括报警警示模式和人工干预模式。其中,报警警示模式可包括灯光、音频、警号、标识、指示、符号、文字、触动等。当报警警示模式不足以防范危险发生时,宜采取如提示性阻断、警示性阻断、物理隔离等人工干预措施以达到预警目的。

3    安全风险预警体系存在的问题及建议

综上,安全风险预警体系的构建,基于成熟的安全学科的事故致因、事故归因理论、电气安全技术和风险评估理论,具有充分的理论依据。实践层面由于安全风险预警体系中对风险预警环节的研究尚处于初期而不够充分,存在一些问题有待思考和解决,包括:

1预警指标确定,首先,一级预警指标中人的因素、事故可能性、安全管理状况等多为定性指标,选取时专家知识和历史经验的占比会很大,存在主观性较强的缺点,使得指标体系存在一定的局限性,未来应考虑如何用能够量化或者定性与定量结合的指标代替上述指标;其次,关于二级和三级指标本文中暂未给出详细分析,有待继续完善;第三,一级预警指标涉及相关法律法规要求,会因国家政策变化而调整,设置该指标内容时应依据国家最新规定。

2、指标优化方法多样,确定的一级、二级和/或三级指标需要通过指标筛选和优化将重复的、无意义的指标剔除,并对指标间的相关性进行验证,这一过程要通过合适的评价方法来实现。当前评价方法多样,每种方法的适用对象、优化过程各不相同,当一个组织有多种电气设备及系统需要进行指标优化时,在评价方法的选取上有一定的挑战性;此外评价方法多数要借助数学建模和推算过程,对指标优化人员的专业背景有一定要求。

3、预警数据获取,预警工作需要基于大量的可获取的事故统计数据进行,电气设备种类繁多,特点不同,部分设备的实际数据无法获取,为预警工作带来困难。应积极推动各项指标数据的上报机制,可获取数据越多,风险预警的准确性越高。

4、预警数据库建立,由于基础数据量不足,本文重点研究了安全风险预警体系的构建思路和建议考虑的方面,暂未有效结合大数据的理念和方法。随着数据上报机制的建立,数据量会不断积累,未来应开展基于大数据的电气设备及系统的安全风险预警体系研究。

4   结束语

尽管电气设备及系统的安全风险预警体系的构建工作尚处于初期,未来还需要在预警指标定量研究、可获取数据开拓、实践验证等方面开展更多的工作。但值得肯定的是,通过构建安全风险预警体系,将有助于实时监控风险因素的变动趋势、提高风险因素的可参照性和灵敏性,实现对未来风险进行预测和报警,将警情消灭在还没有形成状态或者萌芽状态,做到防患于未然,从而保证电气设备及系统的安全水平。

(收稿日期:2020-02-20)

国家重点研发计划“机械、电气等重要领域安全贡献技术标准研究”(2017YFF0207200)

 

 

参考文献

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