Исследование барьеров безопасности на стабилитронах при омической и индуктивной нагрузках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© А.Л. Трсмбипкий, A.A. Шатило, 2013

УДК 621.31:622

А.Л. Трембицкий, А.А. Шатило

ИССЛЕДОВАНИЕ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ НА СТАБИЛИТРОНАХ ПРИ ОМИЧЕСКОЙ И ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКАХ

Рассмотрены барьеры безопасности постоянного тока со стабилитронной зашитой для искробезопасных цепей. Исследовано влияние на минимальный воспламе-няюший ток отношения напряжения питания и напряжения стабилизации стабилитрона, а также параметров цепей с барьерами безопасности со стабилитронной зашитой.

Ключевые слова: барьер безопасности, искробезопасная электрическая цепь, электрооборудование.

Барьеры безопасности предназначены для разделения искроопасных и искробезопасных электрических цепей. Наиболее распространенными среди них являются барьеры безопасности с шунтирующими стабилитронами (БИС). Далее рассматриваются барьеры искробезо-пасности для постоянного тока, принципиальные электрические схемы которых приведены на рис. 1.

Стабилитроны в барьере безопасности ограничивают напряжение, приложенное к искробезопасной цепи, а неповреждаемые токоограничи-тельные резисторы Н1 и Н2 ограничивает ток, который может проходить через стабилитрон и по искробезо-пасной цепи соответственно. При достижении током определённого значения срабатывает предохранитель, что предотвращает передачу недопустимо большой электрической мощности в стабилитрон и в искробе-зопасную цепь.

При оценке искробезопасности таких цепей необходимо иметь в виду, что на искробезопасный ток 1без могут влиять следующие факторы:

1). Случайные процессы колебания напряжения на электрическом разряде;

2). Кратность напряжения Кп=Е/иэ1 — отношение напряжения, прикладываемого ко входу барьера безопасности Е, к напряжению стабилизации стабилитрона иэ^

Причина возникновения случайных колебаний напряжения на электрическом разряде рассмотрена в работе [1]. Влияние этих колебаний на результаты оценки искробезопасности подробно исследованы автором в работе [2], где показано, что камерные испытания не учитывают колебания напряжения на разряде и оценка ис-крбезопасности должна вестись расчетным способом.

Ниже рассматривается влияние на минимальный воспламеняющий ток кратности напряжения, а также параметров цепей со стабилитронными барьерами безопасности. Минимальный воспламеняющий ток через коэффициент искробезопасности Ки=1,5 связан с максимальным значением искробезопасного тока 1без=1/Ки. Значения минимальных воспла

Рис. 1. Электрические схемы блоков искрозашиты на стабилитронах: а —

схема блока искрозашиты с балластным резистором; б — схема блока искрозашиты без балластного резистора; в — схема блока искрозашиты с индуктивной нагрузкой; Е — э.д.с. источника питания, Г — предохранитель, Я1 — ограничительный резистор, И2 — балластный резистор, ^ — индуктивное сопротивление, L — индуктивность, К — контакт, Ust — напяжение стабилизиэации за-шитного стабилитрона

меняюших токов рассчитывались применительно к смеси I категории взрывоопасности. Следует отметить, что полученные применительно к смеси I категории взрывоопасности результаты качественно будут воспроизводиться также в других взрывоопасных смесях.

Расчетные оценки искробезопас-ности барьеров безопасности показали, что при отсутствии значительных индуктивностей в схемах этих устройств наиболее опасными являются испытания с малой скоростью размыкания контактов искрообразуюшего механизма. Для барьера безопасности, схема которого приведена на рис. 1, б, были рассчитаны значения минимальных воспламеняюших токов при различных скоростях размыкания контактов искрообразуюшего механизма. Напряжение стабилизации стабилитрона было 9 В, ЭДС источника питания составляла 9 В и 90 В. Полученные результаты приведены в таблице.

Из таблицы видно, что при малых скоростях размыкания значения минимальных воспламеняюших токов сушественно ниже. Поэтому оценку искробезопасности барьеров безопасности без индуктивной нагрузки следует выполнять при малых скоростях размыкания цепи. Камерные испытания, как указывалось выше, не учитывают колебания напряжения на разряде. Если будет разработан способ учета влияния этих колебаний напряжения, то испытания можно выполнять и

Значения минимального воспламеняюшего тока от скорости размыкания контактов искрообразуюшего механизма

Е=9 В 1воспл 765,4 857,6 1151,8 1833,3 2433,7 2678,0 2916,0

Е=90В 1воспл 30,1 33,6 44,7 69,9 92,6 108,0 134,0

V, м/с 0,046 0,11 0,3 0,9 1,8 4 6,5

зависимости воспламеняющего тока 1воспл от Е/СЫ при разных Я2

< ц

с

и о ш

1000

100

3 2 к

X

ф

£

и о ш

-Р2=и -Р2=0,001 -[32=0,003 -Р2=и,004 - Р2-0,005

10 15 20 значения Кп=Е/1Ш

с

о

¡г

о

I-

3

£ с

о а

зависимости воспламенгяющего тока I в осп л от Е/ия при разных Р2

0,8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

—I-1-1-1--1-1-1-г~

—I-1-1—

-?32=0 -9.2=1 -132=10 -132=20 ■ 132=30

10 20 30

значения Ки=ЕМ51

40

Рис. 2. Зависимости минимального воспламеняющего тока 1воспл от кратностей напряжения Кп=Б/и& при разных значениях балластного резистора Я2: а —

^=9 В; б — ^=30 В

на механизме МЭК, но количество омической цепи в соответствии с при-

учитываемых искрений нужно рассчи- ложением к сташ^ту ГОСТ Р

тывать применительно к испытаниям 5133°.10-".

б

Все дальнейшие расчеты минимальных значений воспламеняющих токов для цепей с барьерами безопасности без индуктивных элементов выполнялись применительно к малой скорости размыкания, которая для смеси I категории взрывоопасности составляет 0,046 м/с.

Влияние кратности напряжения Kn на величину минимального воспламеняющего тока изучал А. Е. Погорельский. Им был разработан метод оценки искробезопасности, в котором цепь с барьером безопасности на стабилитронах заменялась эквивалентной по воспламеняющей способности простой омической или простой индуктивной цепью со своими значениями воспламеняющих токов, которые имели определенную кратность к воспламеняющим токам исходной омической или индуктивной цепи со стабилитронной защитой. Этот метод был внесен в ГОСТ 22782.5—78 [3]. Однако, последующие исследования искробезопасности барьеров безопасности на стабилитронах позволили выявить недостатки указанного метода и разработать более совершенные методы оценки искробезопасности таких цепей. В частности, к недостаткам указанного метода следует отнести то, что в нем не учитывается влияние на кратность токов эквивалентной и исходной цепи величины напряжения стабилизации, используемого в исходной цепи стабилитрона. Это влияние, как показали исследования, выполненные в работе [4], может быть весьма существенным, что ведет к ошибкам в оценке искробезо-пасности цепей с барьерами безопасности. Для реализации указанного метода требуются характеристики ис-кробезопасности простых омических и индуктивных цепей, которые не для

всех значений исходных параметров имеются в нормативной документации. Так, например, приведенные в нормативных документах характеристики искробезопасности омических цепей не всегда позволяют определять воспламеняюшие токи при небольших напряжениях источника питания, что исключает оценку искробе-зопасности цепей со стабилитронной зашитой при небольших напряжениях стабилизации стабилитронов. Это требует получения необходимых данных. Кроме того, процедура оценки искробезопасности цепей с барьерами безопасности на стабилитронах при наличии индуктивной нагрузки сложна с точки зрения понимания происходяших физических процессов и достаточна трудоемка.

Более удобными, на наш взгляд, являются расчетные способы оценки без непосредственного использования характеристик искробезопасно-сти и сложных искусственных построений. В работе [2] предлагается расчетный способ оценки искробе-зопасности безреактивных цепей с барьерами безопасности без балластного сопротивления путем использования ряда аналитических выражений. В случае его применения к цепям с барьерами безопасности, имеюшими балластное сопротивление, оценка искробезопасности становится более жесткой, и целесообразность ее принятия решается на основе анализа возможности сохранения необходимых функциональных свойств устройства в целом.

При наличии в цепи индуктивности получить аналитические расчетные выражения не удается и задача оценки искробезопасности решается путем численного решения используемых дифференциальных уравне-

ний. Такой подход применим к цепям с индуктивностью и к безреактивным цепям при наличии и отсутствии балластного резистора. В приводимых ниже результатах исследований использовался численный метод их получения. Использовался метод описанный в работе [5], который внесен в ГОСТ Р 51330.10-99 [6].

В [4] приведены результаты бескамерной оценки искробезопасности барьеров безопасности на стабилитронах, в котором влияние Kn учитывается. Однако в [4] рассматривались омические барьеры безопасности на стабилитронах без подключенных нагрузок, что не дает полного представления о характеристиках электрических цепей с защитными барьерами безопасности на стабилитронах. Проведем более детальное изучение указанных искробезопасных электрических цепей.

Влияние параметров барьера безопасности на стабилитронах на минимальный воспламеняющий ток в безреактивной цепи рассмотрим применительно к схеме (рис. 1, а). В этой схеме балластный резистор R2 является также омической нагрузкой барьера безопасности.

Были рассчитаны значения минимальных воспламеняющих токов (режим КЗ) для различных кратностей напряжения Kn при заданных значениях балластного резистора R2 для Ust=9 В. Полученные результаты в виде зависимостей для смеси I категории взрывоопасности приведены на рис. 2, а.

Рассмотрение кривых (рис. 2, а) показывает сильную зависимость 1воспл от Kn. Достаточно сильно минимальный воспламеняющий ток зависит также от балластного резистора R2. Так, в пределах Kn=1-5, для

Н2=0 Ом минимальный воспламе-няюший ток ниже минимального вос-пламеняюшего тока омической цепи 1ом (Кп =1) в 22,57 раза. При Н2=0,005 Ом минимальный воспла-меняюший ток ниже минимального воспламеняюшего тока омической цепи 1ом (Кп =1) в 13,61 раза.

На рис. 3, а приведены зависимости минимального воспламеняюшего тока 1воспл от значения балластного резистора Н2 при различных значениях кратностей напряжения Кп=Е/иэ^ Из рис. 3, а видно, что для Кп = =Е/иэ1 = 1 минимальный воспламеняющий ток 1воспл не зависит от величины балластного резистора Н2. Это объясняется тем, что при Кп=Е/иэ1=1 цепь со стабилитронной зашитой становится полностью эквивалентной простой омической цепи с ЭДС источника питания равной напряжению стабилизизации стабилитрона и стабилитрон перестает срабатывать. В результате в омической цепи присутствуют два соединенных последовательно резистора - Н1 и Н2. Величина минимального воспламеняюшего тока определяется обшим сопротивлением цепи. Увеличение сопротивления резистора Н2 сопровождается таким же уменьшением сопротивления резисто-раН1и обшее сопротивление цепи остается неизменным. Поэтому минимальный воспламеняюший ток также остается неизменным и определяется конкретным сопротивлением цепи и напряжением источника питания.

При Кп=Е/иэ1>1 минимальный воспламенеюший ток возрастает с увеличением балластного резистора Н2. При этом чем больше Кп, тем меньше величина минимального вос-пламеняюшего тока. Таким образом с возрастанием Кп цепь становится более опасной.

зависимости воспламеняющего тока 1воспл от [32 при разных ЕД^ для иэ^ЭВ

1000 Ц

с с

3

2

10 -

Е/ОгМ

• Е/0з1=2

* Е/0з1=5

Е/0з1=В

Е/и 51=30

0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 значения балластного сопротивления 142. Ом

б

зависимости 1воспл от Р2 при разных для иэ^ЗОВ

□ .В Т-- ---- ---- --

< 0,7

с; с

о

ш 0,6 ш

-X

3

к 0,4

I

<и

» 0,1 :---------

□ 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I.....

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 значения балластного сопротивления Р2. Ом

—Е/11г1=1 -ш— Е/ив1=2 Е/Оэ1—5 —■— Е/из1=8 —»— Е/и 81=30

Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока 1воспл от величины балластного сопротивления Я2 при различных значениях кратностей напряжения Кп=Е/и&: а — Ш= 9 В; б — 30 В

1 г

индуктивность нагрузки, Г

—t— EAJst=1, V=0,046 м/с —*— EIUst=1, V=6,5 Míe

б

о I-

>s

5

3 2 а х

(5 □

О

о ш

0,01

- E/Ust=10, V=0,046 м/с

- E/Ust=10, V=6,5 м/с

J1 ........ ....... ........ ....... ....... ........ .......

1Е-09 1Е-08 1Е-07 1Е-06 1Е-05 1Е-04 0,001 0,01 0,1 1 10

индуктивность нагрузки, Г

Рис. 4. Зависимости минимального воспламеняющего тока 1воспл от индуктивности нагрузки при различных значениях кратностей напряжения Kn=E/Ust и скоростях размыкания цепи для Ust= 9 В

Величина минимального воспламеняющего тока зависит от напряжения стабилизации защитного стабилитрона. На рис. 2, б и 3, б приведены зависимости подобные зависимостям рис. 2, а и 3, а, но относящиеся к на-

пряжению стабилизации защитного стабилитрона = 30 В.

Сравнение зависимостей на рис. 2 и 3 показывает, что э.д.с. источника питания и напряжение стабилизации оказывают сильное влияние на

минимальный воспламеняющий ток в цепях с барьерами безопасности на стабилитронах. ЭДС источника питания еще в большей степени влияет на минимальный воспламеняющий ток в омической цепи. Так при Кп=Е/иэ1=1 значения минимальных воспламеняющих токов при напряжениях стабилизации = 9 В и = 30 В составляют 766,21 А и 0,721 А соответственно. Таким образом повышение напряжения источника питания с 9 В до 30 В снижает минимальный воспламеняющий ток в омической цепи более, чем в 1000 раз - 766,21/0,721 = 1063,7. В цепи со стабилитроном при Кп = =Е/иэ1 = 30 минимальный воспламеняющий ток для Н2 = 0 при напряжениях стабилизации = 9 В и иэ1= =30 В снижается от 28,31 А до 0,163 А, что составляет 28,31/ 0,163=173,681 раз.

Характер изменения минимальных воспламеняющих токов при возрастании и! до 30 В аналогичен тому, который имеет место при и! = 9 В, но уровни минимальных воспламеняющих токов существенно ниже. При Кп = Е/иэ1>1 минимальный воспла-менеющий ток возрастает с увеличением балластного резистора Н2. С увеличением Кп минимальный воспламеняющий ток также возрастает.

При наличии индуктивной нагрузки после срабатывания стабилитрона разряд не прекращается. Это одно из отличий такой цепи от цепи с омической нагрузкой. Второе существенное отличие состоит в том, что в зависимости от величины индуктивности минимальные воспламеняющие токи будут реализовываться при малых или больших скоростях размыкания цепи. При этом имеется величина индук-

тивности нагрузки, при которой значение минимального воспламеняющего тока будет одинаковым при малых и больших скоростях размыкания, что имеет место и в простой индуктивной цепи [7].

На рис. 4, а, б для схемы рис. 1в приведены зависимости минимального воспламеняющего тока от индуктивности нагрузки для Нь=0 и Кп=1, Кп=10 при двух скоростях размыкания контактов искрообра-зующего механизма - 0,046 м/с и 6,5 м/с. Из рассмотрения зависимостей рис. 4, а видно, что при Кп=1 (омическая цепь, стабилитрон не работает) при индуктивности нагрузки Ь<10-8 Г более опасна медленная скорость размыкания, при Ь>10-8 Г - более

опасна большая

о

скорость размыкания, а при Ь=10 Г опасность медленной и большой скорости размыкания одинакова. Для Ь=10-8 Г по мере увеличения скорости размыкания от 0,046 м/с величина минимального воспламеняющего тока будет возрастать, достигнет максимума при некоторой скорости размыкания, затем начнет снижаться и при скорости размыкания 6,5 м/с достигнет минимального значения, равного значению на скорости размыкания цепи 0,046 м/с.

На рис. 4, б приведены зависимости минимального воспламеняющего тока при Кп=10. Характер изменения минимального воспламеняющего тока здесь такой же, как на рис. 4, а. Однако величина индуктивности нагрузки (граничная индуктивность), при которой медленная и большая скорости размыкания цепи одинаково опасны здесь больше и составляет около

10-6 Г.

Это свидетельствует о том, что значение граничной индуктивности как при

переходе от простой омической цепи к индуктивной цепи [5], так и в цепи со стабилитронной защитой зависит от параметров цепи.

Влияние Кп на минимальный воспламеняющий ток при индуктивной нагрузке значительно слабей чем в случаях, когда цепь носит омический характер. Так например, при Ь=10-6 Г цепи с Кп=1 и Кп=10 имеют минимальный воспламеняющий ток при большой скорости размыкания цепи. При Кп=1 минимальный воспламеняющий ток около 60 А, а при Кп=10 его значение около 20 А. Отсюда видно, что при увеличении Кп в 10 раз минимальный воспламеняющий ток снижается в 3 раза. Чем больше индуктивность, тем меньше влияние Кп.

Выводы

Исследования цепей со стабили-тронной защитой показали:

1. Минимальный воспламеняющий ток сильно зависит от Кп. Причина снижения минимального воспламеняющего тока в случаях когда Кп >1 связана с изменением нагрузочной характеристики барьера безопасности. При увеличении Кп в цепи, которая носит омический характер возрастает сопротивление цепи. При этом уменьшается скорость спада тока и, как следствие этого, увеличивается длительность и энергия разряда, что и приводит к возрастанию его воспламеняющей способности. Если последовательно с резистором Н1 и

1. Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. — М.: Наука, 1968. — 244 с.

2. Ерыгин А.Т., Трембицкий А.Л., Яковлев В.П. Методы оценки искробезопасности электрических цепей — М.: Наука, 1984. — 256 с

сопротивлением в цепи и 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.

2. В безреактивных барьерах безопасности при омической нагрузке минимальный воспламеняющийся ток реализуется при малой скорости размыкания цепи.

3. В безреактивных барьерах безопасности при индуктивной нагрузке минимальный воспламеняющийся ток может реализоваться как при медленной, так и при большой скорости размыкания цепи. Поэтому оценка искробезопасности такой цепи в общем случае должна вестись как при медленной, так и при большой скорости размыкания цепи.

4. В безреактивных барьерах безопасности при омической нагрузке Кп оказывает сильное влияние на минимальный воспламеняющий ток. При индуктивной нагрузке влияние Кп меньше и оно снижается с увеличением индуктивности. Во всех случаях влияние Кп должно учитываться при оценке искробезопасности барьеров безопасности со стабилитрон-ной защитой.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. ГОСТ 22782.5-78. Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрыво-защиты «искробезопасная электрическая цепь», технические требования и методы испытаний. - Введ. от. 01.80. — М.: Изд-во стандартов, 1979. — 69 с.

4. Трембицкий А.Л. Исследование барьеров безопасности на стабилитронах. //Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005. — №3. — С. 321 — 324.

5. Трембицкий А.Л. Исходные данные для оценки искробезопасности электрических цепей при их размыкании с различной скоростью. //Вопросы теории и практики разработки и обогащения полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1983. -С. 125-130.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

6. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Ис-кробезопасная электрическая цепь 1. Введ. от 01.01.00 — М.: Изд-во стандартов, 2000. — 117 с.

7. Трембицкий А.Л. Исследование влияния скорости размыкания омических и ин-дук-тивных цепей на величины воспламеняющих токов и энергий разрядов. // Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. — М.: ИПКОН АН СССР, 1985. Н2Е

Трембицкий Андрей Леонидович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

Институт проблем комплексного освоения недр РАН, sertium.ipkon@mail.ru.

Шатило Андрей Алексеевич — заместитель руководителя МОС «Сертиум», sertium@mail.ru

- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

(ПРЕПРИНТ)

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФАКТОРОВ ЗАТРУДНЕНИЯ ДОБЫЧИ НА ПРОТЯЖЕНИИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ С ОСЛОЖНЁННЫМИ УСЛОВИЯМИ

Савенок Ольга Вадимовна — кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела имени профессора Г.Т. Вартумяна, olgasavenok@mail.ru, Кубанский государственный технологический университет.

В настоящее время при решении проблемы повышения эффективности нефтедобычи с осложнёнными условиями эксплуатации выработано большое число методов, технологий и технических решений с локализованными областями применения, тогда как теоретические обобщающие положения, комплексные подходы и оптимизационные решения представлены фрагментарно. В статье рассмотрены методы эволюционного моделирования в системах с признаками неопределённости и неполноты информации.

Ключевые слова: Повышение эффективности нефтедобычи, осложнённые условия эксплуатации, методы эволюционного моделирования, прогнозные методы, комплексные решения, предельный радиус корреляции.

METHODS OF THE FORECASTING FACTOR DIFFICULTIES

OF OIL PRODUCING WITH COMPLICATED CONDITION

AND ANALYSIS PRINCIPLE INFORMATION CONTROLLING SYSTEMS

Savenok Olga Vadimovna

At present at decision of the problem of increasing to efficiency of oil production with complicated condition to exploitation is worked out large number of the methods, technology and technical decisions with localized application then theoretical generalizing positions, complex approaches and optimization decisions are presented fragmentary. In article are considered methods of evolution modeling in system with sign uncertainty and incompletenesses to information

Key words: Increasing to efficiency of oil production, complicated conditions to exploitation, methods evolution modeling, forecast methods, complex decisions, limiting radius to correlations