Исследование температуры нагрева поверхности химических источников тока в искробезопасных переносных приборах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© О.Б. Малкович, 2003

УЛК 622.411.4:622.81

О.Б. Малкович

ИССЛЕЛОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА В ИСКРОБЕЗОПАСНЫХ ПЕРЕНОСНЫХ ПРИБОРАХ

Сростом освоения месторождений со сложными горно-геологическими условиями, углублением горных выработок, увеличением выемки горной массы возрастает интенсивность выделения горючих компонентов в производственную атмосферу. В основном горючим компонентом в угольных шахтах и рудниках является метан, относящийся к 1-ой категории взрывоопасной смеси. Анализ горных выработок показал, что вместе с метаном в ряде случаев имеют место выделения водорода. Так, например, в озокеритовых шахтах и на Кизиловском угольном месторождении кроме метана выделяются пропан, этан, бутан и пары бензина. Около 31,3 % метана, 10,4 % водорода и 2,5 % высших углеродов содержится в природных газах рудника «Соло-камский» на Верхнекамском месторождении калийной соли. Таким образом, на горных предприятиях могут образовываться не только взрывоопасные смеси 1-ой категории, но и значительно более взрывобезопасные, относящиеся к 11-ой категории.

Обеспечение взрывобезопас-ности в угольных шахтах и рудниках осуществляется целым комплексом мероприятий, в том числе широким применением переносного искробезопасного электрооборудования: газоанализаторов, индивидуальных

средств связи, тестеров, анемометров и др., питание которых обеспечивается от химических источников тока (ХИТ). С введением в России серии стандартов, гармонизированных с МЭК, изменилось ряд требований к конструкции и методам испытаний взрывозащищенного электрооборудования. В частности, для ХИТ было введено требование их ис-

пытания в аварийном режиме короткого замыкания. В данном режиме на внутреннем сопротивлении ХИТ будет рассеиваться значительная величина мощности, которая при определенных условиях может привести к нагреву ХИТ и воспламенению взрывоопасной газовой смеси. Поэтому требование испытаний ХИТ при внутреннем коротком замыкании существенно ограничивает область применения рудничного взрывозащищенного электрооборудования, так как при попадании угольной пыли на ХИТ или батарею из ХИТ максимальная температура нагрева поверхности не должна превышать 150 °С. Аналогичные проблемы возникают для взрывозащищенного электрооборудования в искробезопасном исполнении,

предназначенного для применения во взрывоопасных зонах, где по условиям эксплуатации возможно образования взрывоопасных концентраций газов и паров с воздухом, относящихся к температурным классам Т1...Т6.

В основе любого ХИТ лежит электрохимическая система вида: (-) Восстановитель I Электролит IОкислитель(+)

Генерирование тока происходит при замыкании внешней цепи на нагрузку в результате одновременного протекания на электродах электрохимических реакций: электроокислительной с освобождением электронов с катода и электровосстановительной с поглощением их на аноде. В современных химических источниках используются системы с обратимыми и необратимыми химическими реакциями. Источники тока с необратимыми химическими реакциями называются первичными химическими источниками тока или элементами, а

источники тока с обратимыми химическими реакциями - вторичные химическими источниками тока или аккумуляторы. В настоящее время известны более 15 разновидностей ХИТ с разными электрохимическими системами. В данной работе рассмотрены вопросы безопасного применения герметичных марганцево-цинковых элементов с солевым или щелочным электролитами, а также никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов. Благодаря стабильности электрических характеристик, их не высокой стоимости, эти ХИТ получили наиболее широкое применение в искробезопасных приборах

В качестве объекта исследований использовались цилиндрические никель-кадмиевые типа ^11/45, Ж15/51, ^27/50 и никель-металлгидридные аккумуляторы типа Н^1/45, Ш15/51, Ш27/50. Эти аккумуляторы являются взаимозаменяемыми с первичными элементами ^3(1_^3), R6 ^6), ^4 (Ь^4) (см. таблицу 1.4), указанными в ГОСТ 28125 (МЭК 86-287). Измерения температуры нагрева поверхности элементов проводились на стенде, состоящем из ХИТ, установленном в оправе из пластического материала с медными токосъемными болтами. Закорачивание элемента осуществлялась с помощью автоматического выключателя типа ТКСШДТ, контроль температуры проводился термопарой, подключенной к термометру ТЦМ-9210М3. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 51330.10-99 любая внешняя оболочка, не составляющая часть самой оболочки элемента, при испытаниях удалялась.

На рис. 1 представлены зависимости температуры нагрева поверхности различных марганцево-цинковых элементов с солевым электролитом типа R03, R6, и R14, приведенные к 0 °С, от длительности разряда. Температуры окружающей среды составляла 20 оС.

Как следует из представленных зависимостей, максимальная температура нагрева поверхности исследуемых марганцево-цинковых элементов может отли-

Рис. 1. Зависимости температуры нагрева поверхности марганцево-цинковых элементов с щелочным электролитом, приведенные к 0 °С, от длительности разряда: Элементы питания: 1- Daewoo-R03-1,5 B; 2 - Panaconic General Purpose-R6UPR-1,5 B; 3 - Toshiba Heavy Duty-R6RG-1,5 B; 4 - Samsung Heavy Duty-R6-1,5 B; 5 - Panaconic General PUrpose-R14UPR-

1,5 B; 6 - GP Supercell-R14-1,5 B______________________________

Рис. 3 Зависимости температуры нагрева поверхности ни-кель-кадмиевых аккумуляторов, приведенные к 0 °С, от длительности разряда: Аккумуляторы: 1- БАРТ (Россия-Франция)-Ж15/51-0,5Ач-1,2 В; 2 - НКГЦ-2-Ш-Ж27/50-2000мАч-1,2 В; 3 - Vaгta АссиР1^-Ж27/50-2200мАч- 1,2 В; 4 - Рапасогас Р-240С-Ж27/50-2400мАч-1,2 В; 5 - ОР-Ж11/45-300мАч- 1,2 В

Рис. 2. Зависимости температуры нагрева поверхности марганцево-цинковых элементов с солевым электролитом, приведенные к 0 °С, от длительности разряда: Элементы питания: 1- Energizer-LR03-1,5 B; 2 - Duracell Ultra -LR03-

1,5 B; 3 - Космос^03-1,5 B; 4 - CTAPT-LR6-1,5 B; 5 - Duracell Procell-LR6-1,5 B; 6 - Samsung-LR6-1,5 B; 7 - Duracell PLUS-LR6-1,5 B; 8 - Duracell Procell-LR14-1,5 B.

Рис. 4. Зависимости температуры нагрева поверхности никель-металлгидридных аккумуляторов, приведенные к 0 °С, от длительности разряда: Аккумуляторы: 1- Varta Ас-сиР1иБ-НР11/45-700мАч-1,2В; 2 - Panaconic РРО+-

НР11/45-650мАч-1,2В; 3 - БАИУО Twice11-HR11/45-700 мАч-1,2В; 4 - 0Р-70АААНС^11/45-700мАч-1,2В; 5 - Vaг-ta AccuP1us-HR15/51-1200мАч-1,2В

чаться на величину более, чем 20 оС. Максимальную температуру нагрева имели элементы Samsung Heavy Duty-R6-1,5 B (кривая 4) размера R6, величина которой за время разряда 8 минут достигала 45 оС. Большое значение в процессе теплообмена с окружающими слоями газов и паров с воздухом имеет скорость нарастания температуры нагрева. Для элементов типа GP размера R14 разогрев элементов продолжался 28 минут и только после этого наблюдается снижение температуры нагрева его поверхности. Этот фактор необходимо учитывать при испытаниях элементов и батарей.

На рис. 2 представлены зависимости температуры нагрева поверхности марганцево-цинко-вых элементов с щелочным электролитом типа LR03, LR6 и LR14, приведенные 0 °С, от длительности разряда. Анализ полученных зависимостей показывает, что темпе-

ратура нагрева поверхности марганцево-цинковых элементов с щелочным электролитом может более, чем в 1,5 раза, превышать температуру нагрева, элементов с солевым электролитом. Причем более высокая температура имела место для элементов всех исследуемых типоразмеров. Максимальная температура нагрева для марганцево-цинковых элементов с щелочным электролитом наблюдалась для элементов Оигасе11 01^-LR03- 1,5 В (кривая 2) размера LR03 и Samsung-LR6-1,5 В (кривая 6), величина которой за время разряда 2 и 6 минут достигала 97 оС и 80 оС соответственно. Скорость нарастания температуры нагрева марганцево-цинковых элементов с щелочным электролитом, также значительно превышала скорость нарастания температуры элементов с солевым электролитом, например, для элементов Оигасе11 Pгoce11-LR14-1,5 В

максимальная температура 73 оС достигается за время разряда 22 минуты (кривая 6), а для элемента ОР Бирегсе11^14-1,5 В (кривая 5) за время разряда 22 минуты температура возрастает только до 33 оС. На рис. 3 и 4 представлены зависимости температуры нагрева поверхности никель-кадмиевых и никель-метал-лгидридных аккумуляторов, приведенные к 0 °С, от длительности разряда. Температуры окружающей среды составляла 20 оС.

Как следует из представленных зависимостей, температура нагрева поверхности никель-металлгид-ридных аккумуляторов превышает температуру нагрева никель-кадмиевых аккумуляторов, причем величина этого превышения может достигать 1,5 раза. Наибольший нагрев имеют аккумуляторы типа 0Р-^11/45-300мАч-1,2 В (кривая 5) и 0Р-70АААНС^11/45-

700мАч-1,2В (кривая 4). Значения

температуры нагрева поверхности, приведенные к 0 °С, для этих типов аккумуляторов составляет 143 °С и 162 °С соответственно.

Сравнение зависимостей на рис. 3 и 4 с зависимостями, полученными для первичных элементов (рис. 1 и 2) показывает, что энергетические характеристики аккумуляторов значительно превышают характеристики первичных элементов. Так, например, если для аккумуляторов максимальная температура нагрева поверхности достигает 162 °С (кривая 4, рис. 4), то для первичных источников только 96 °С (кривая 2, рис. 2). Скорость нарастания температуры нагрева аккумуляторов, также оказалась значительно выше, чем для первичных элементов, например, для первичных элементов типа R14 или LR14 время разряда, при котором максимальная темпе-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Малкович ОБ. -инженер, НАНИО

ратура на поверхности элементов достигает максимального значения, составляет порядка 20 минут, то для аккумуляторов типа ^27/50 или Ш27/50 это значение обычно не превышает нескольких минут.

Таким образом, результаты исследований показывают, что марганцево-цинковые элементы с щелочным и солевым электролитами и большинство никель-кадмиевых аккумуляторов могут быть допущены для применения в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли, для электропитания переносных приборах, так как обычно максимальная температура окружающей среды при эксплуатации этих устройств не превышает 35 оС. Однако, для предприятий газовой, нефтяной и химической промышленности, где по условиям эксплуатации возможно образование взры-

^ВЭ».

воопасных газовых смесей, относящихся к температурным классам Т4...Т6, область их применения ограничена. Большинство же ни-кель-металлгидридных аккумуляторов, несмотря на их хорошие энергетические характеристики, представляют опасность с точки зрения воспламенения окружающей взрывоопасной атмосферы, т.к. температура нагрева с учетом температуры окружающей среды может превышать нормированное ГОСТ Р 51330.0-99 (МЭК 60079-098) значение 150 оС. Вопрос о допуске никель-металлгидридных аккумуляторов для электропитания взрывозащищенного электрооборудования группы II или рудников с нефтегазопроявлениями, а также на шахтах, опасных по газу и пыли должен решаться по результатам испытаний.

© С.М. Аовгань, А.А. Самойленко, 2003

YAK 681.142.35

С.М. Аовгань, А.А. Самойленко

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ YПРАВЛЕНИЯ ШАХТНОЙ ПОАЪЕМНОЙ YСТАНОВКОЙ НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЙ ОБРАТНЫХ ЗАААЧ МЕХАНИКИ

1 Постановка задачи. Современные системы электроприводов шахтных подъемных установок ■ (ШПУ) зачастую строятся по принципу подчиненного регулирования скорости (СПРС) или положения (СПРП). При этом главным требованием к электроприводу является оптимальная по быстродействию отработка заданной тахограммы скорости с точным позиционированием сосудов, а также с учетом накладываемых на определенные регулируемые координаты ограничения. Известно, что при глубинах подъема более 500 метров, СПРС обеспечивает все перечисленные требования только при определенном времени нарастания (снижения) ускорения (это время равно пе-

риоду колебания механической системы [1]), т. е. достаточно не превышать определенное значение рывка. В большинстве случаев, механическая система “барабан - канат - сосуд” позволяет отрабатывать бульшие значения рывка. При этом СПРС и СПРП могут обеспечить требуемую точность управления по скорости и перемещению, но обеспечивают малый коэффициент демпфирования по усилию, следовательно, по току, ускорению и рывку. В данной работе предлагается вариант структурного синтеза СПРС и СПРП, который опирается на методы обратных задач динамики и позволяет, в целом, улучшить динамические показатели электромеханической системы ШПУ, в частности, обеспечивает значительно бульший коэффициент демпфирования по усилию. Формулируются диапазоны варьирования коэффициентов настройки системы регулирования ШПУ при глубинах подъема 900-1200 метров.

2. Уравнения, описывающие процессы в ШПУ. Для исследования динамики ШПУ обычно рассматривается эквивалентная структурная схема (применимость которой обосновано в работах [1, 2]) состоящая из барабана и двух сосредоточенных масс, соединенных упру-