CC BY
44
------------------------------------------- © А. Л. Трембицкий, 2005
УДК 621.31:622 А.Л. Трембицкий
ИССЛЕДОВАНИЕ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ НА СТАБИЛИТРОНАХ
Семинар № 18
арьеры безопасности предназначены для разделения искроопасных и искробезопасных электрических цепей. Наиболее распространенными среди них являются барьеры безопасности с шунтирующими стабилитронами. Стабилитроны ограничивают напряжения на электрических разрядах, которые могут возникать в искробезопасных цепях нагрузки. При размыкании цепей это сокращает выделяющуюся в электрических разрядах энергию, что снижает их воспламеняющую способность.
При оценке искробезопасности таких цепей необходимо иметь в виду, что на искробезопасный ток !без при прочих равных условиях в большей или в меньшей степени могут влиять следующие факторы:
1). Случайные процессы колебания напряжения на дуговом разряде;
2). Кратность напряжения Кн=ивх/ист -отношение напряжения, прикладываемого ко входу барьера безопасности Шх, к напряжению стабилизации защитного стабилитрона ист.
Влияния указанных факторов рассмотрим применительно к минимальному воспламеняющему току I для цепи со стабилитронной защитой, который через коэффициент искробе-зопасности Ки =1,5 связан с максимальным значением искробезопасного тока 1без = 1/Ки.
Колебания напряжения на дуговом разряде связаны с изменениями катодного падения напряжения [1]. Форма колебаний зависит от физических свойств и состояния металла катода. Возможны колебания как в виде кратковременных импульсов с длительностью 10-6-10-7 с, так и в виде более длительных цикличе-
Рис. 1. Колебания напряжения на дуговом разряде: а - неподвижные контакты; б - расходящиеся контакты
ских изменений напряжения с одновременным наложением кратковременных импульсов.
На протяжении большей части такого циклического изменения происходит более или менее постепенное увеличение напряжения, сменяющееся внезапным спадом до исходной величины, что соответствует началу нового периода постепенного нарастания напряжения. Длительность этих подъемов составляет обычно от 10-4 до 10-3 с и меняется в зависимости от свойств металла и условий опыта. На рис. 1 качественно представлены обе типичные формы колебаний напряжения на разряде в случае неподвижных и расходящихся контактов для высокоиндуктивной цепи с искусственным сокращением длительности разряда.
Характерной особенностью колебаний является наличие более или менее определенного нижнего уровня напряжения на контактах и отсутствие верхнего уровня. Это обстоятельство говорит о том, что колебания возникают в результате наложения положительных импульсов на относительно постоянный уровень напряжения, которой называется характеристическим или минимальным и соответствует наиболее вероятному состоянию разряда. С увеличением тока разряда амплитуда колебаний сначала снижается, а затем остается практически неизменной, т.е., колебания обнаруживаются при любых больших значениях тока.
Причиной увеличения катодного падения напряжения является начинающийся распад
катодного пятна. Под катодным пятном понимается светящийся участок поверхности катода. Режим горения дуги с наличием катодного пятна характерен для дуг с металлическими электродами. В таких дугах катодное пятно, как правило, непрерывно перемещается по поверхности катода. Уменьшение тока в пределах распадающегося катодного пятна вызывает повышение катодного падения напряжения. Возрастающее катодное падение напряжения способно при благоприятном стечении обстоятельств предотвращать начинающийся распад катодного пятна и таким путем увеличивать продолжительность разряда. В случае неблагоприятных условий начинающийся распад катодного пятна приводит к погасанию разряда. Чередование подъемов и спадов напряжения показывает, что в дуге периодически повторяется один и тот же цикл ее развития. Дуга проходит при этом через ряд различных состояний. Наиболее устойчивое состояние соответствует нижнему уровню напряжения. Это состояние является начальной стадией разряда, поскольку с него всегда начинается разряд.
При камерных испытаниях на искробезо-пасность стабилитрон срабатывает на одном из колебаний напряжения на разряде, в результате чего происходит прекращение дугового разряда. Очевидно, что наиболее опасным будет тот случай, когда стабилитрон срабатывает при отсутствии колебания напряжения на разряде. В этом случае из разряда выделяется максимальная (за вычетом катодных потерь) энергия и воспламеняющая способность разряда будет наибольшей. В диапазоне токов, которые обычно имеют место в разрядах при размыкании цепей со стабилитронной защитой, амплитуда колебаний напряжения ДЦ, как правило, составляет 2-5 В. Расчеты (здесь и далее расчеты выполнялись в соответствии с методом, изло-
женным в разделе А4 ГОСТ Р 51330.10-99) показывают, что применительно к 8,5 %-й метановоздушной смеси для электрической цепи (рис. 2) при скорости размыкания контактов К равной 0,046 м/с (для цепи со стабилитронной защитой более опасны медленные скорости размыкания), ивх = 50 В, ист = 20 В в случае отсутствия колебаний напряжения на разряде значение минимального воспламеняющего тока составляет 0,48 А. В работе [2] для аналогичных условий приводится экспериментальное значение воспламеняющего тока равное 0,7 А, которое может быть получено расчетным путем в предположении срабатывания стабилитрона от колебания напряжения с амплитудой около Ди = 2,8 В. Колебания напряжения на разряде носят случайный характер, зависящий от многих неуправляемых в процессе испытаний факторов. Каких-либо методик, позволяющих учесть эти колебания и получать после проведения камерных испытаний результаты соответствующие обоснованным наиболее опасным условиям, в настоящее время не существует. В то же время имеющиеся бескамерные методы оценки, позволяющие исключать из рассмотрения колебания напряжения на разряде, гарантируют, возможно и с некоторым запасом, определение минимального воспламеняющего тока или оценку искробезо-пасности цепи со стабилитронной защитой в наиболее опасных условиях.
Влияние кратности напряжения Кн на величину минимального воспламеняющего тока известно. В [3, 4] приведен бескамерный метод оценки искробезопасности барьеров безопасности на стабилитронах, в котором влияние Кн в некоторой степени учитывается. Однако этот вопрос требует более детального изучения. Степень влияния Кн на минимальный воспламеняющий ток зависит от электрической схемы барьера безопасности и ее параметров. Рассмотрим этот вопрос применительно к схеме (рис. 2), для которой зависимость минимального воспламеняющего тока от Кн проявляется весьма сильно.
Рис. 2. Принципиальная схема барьера безопасности со стабилитроном на выходе
N I, А
Кн
Кн
Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока I от Кн для смеси 11В категории взрывоопасности
Были рассчитаны значения минимальных воспламеняющих токов (режим КЗ) для заданных значений напряжений стабилизации ист при различных значениях входного напряжения Ивх. Полученные результаты в виде зависимостей минимального воспламеняющего тока I от отношения Кн = Ивх/Ист для смеси 11В категории взрывоопасности приведены на рис. 3. Рассмотрение кривых (рис. 3) показывает сильную зависимость I от Кн. В пределах Кн = 1-5 в зависимости от Ист минимальный воспламеняющий ток может быть ниже минимального воспламеняющего тока омической цепи 1ом (Кн = 1) в 22,79 раза при Ист = 9В и в 3,79 раза при Ист = 30В. На рис. 4 приведены зависимости отношения N = 1ом/1 от Кн. Из рис. 4 следует, что при Кн = 30, что может иметь место при приложении ко входу барьера безопасности высокого напряжения, включая напряжение сетевого питания, снижение минимального воспламеняющего тока от значения соответствующего Кн = 1 в зависимости от Ист может составлять 27,33-4,47 раз. В пределах Кн = 1-2, что практически всегда имеет место в электрооборудовании, снижение минимального воспламеняющего тока I от значения соответствующего Кн = 1 в зависимости от Ист может составлять 14,63-2,61 раз.
Причина снижения минимального воспламеняющего тока в случаях Кн>1 связана с изменением нагрузочной характеристики барьера безопасности. При воз-
Рис. 4. Зависимости отношения
М=1ом/1 от Кн для смеси 11В категории взрывоопасности
растании Я (в одинаковых условиях коммутации) уменьшается скорость спада тока и, как следствие этого, увеличивается длительность и энергия разряда, что и приводит к возрастанию его воспламеняющей способности. Если последовательно с Я стоит элемент с индуктивностью Ь, то
подобное имеет место в тем большей степени, чем больше Ь. При больших Ь ток за время разряда может практически не снижаться, и цепь начинает работать как идеальный стабилизатор тока. Это наиболее опасный случай, при котором минимальный воспламеняющий ток будет иметь наименьшее значение. Изложенное выше позволяет заключить:
1. Оценку искробезопасности электрических цепей с барьерами безопасности на стабилитронах целесообразно выполнять бескамер-ными методами. Это позволяет учитывать реализацию наиболее опасных условий и, кроме того, это единственный метод, который может быть использован применительно к цепям с токами, превышающими допустимое для искрообразующего механизма значение, составляю-
1. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968. - 244 с.
2. Widginton D. W. Same aspects of the design, of intrin-sicaly safe circuits. // SMRE, Research Report. - London. -1968. - No. 256. - Р. 3 - 27.
3. ГОСТ 22782.5-78. Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты "искробезопасная
щее в настоящее время для искрообразущего механизма 1-го типа 3 А.
2. Кратность напряжения Кн в некоторых схемах барьеров безопасности со стабилитрон-ной защитой может оказывать очень сильное влияние на снижение минимального воспламеняющего тока относительно значения соответствующего Кн=1. Минимальный воспламеняющий ток может снижаться в десять и более раз, а не в 3-4 раза, как это можно допустить из приведенной в [3,4] зависимости. Это необходимо учитывать при выполнении оценки ис-кробезопасности конкретной электрической цепи;
3. Характеристики искробезопасности для омических и индуктивных цепей, имеющиеся в [4], могут быть непосредственно использованы только для оценки искробезопасности цепей с барьерами безопасности на стабилитронах, схемы которых могут быть отождествлены (или отождествлены с запасом по безопасности) со схемами цепей, для которых получены соответствующие характеристики искробезо-пасности. Очевидно, что такая оценка искробе-зопасности должна быть обоснована.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
электрическая цепь", технические требования и методы испытаний. - Введ. от. 01.80. - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 69 с.
4. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь і. Введ. от 01.01.00 - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 117 с.
— Коротко об авторах ----------------------------
Трембицкий А.Л. - доктор технических наук, ИПКОН РАН.
------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕКИСОВ Артур Геннадиевич Повышение эффективности разработки рудных месторождений с учетом взаимосвязи геоэкологических и технологических процессов 25.00.36 д.т.н.
