Исследование внутреннего сопротивления и температуры нагрева аккумуляторов искробезопасного электрооборудования при их коротком замыкании

Трембицкий Андрей Леонидович; Буров Юрий Владимирович

УДК 621.31:622

А.П. Трембицкий, Ю.В. Буров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА АККУМУЛЯТОРОВ ИСКРОБЕЗОПАСНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРИ ИХ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Получены значения максимальных температур поверхностей Тмах одноразовых химических источников тока в режиме их короткого замыкания. Эти значения Тмах могут быть использованы при разработке искробезопасного электрооборудования. Ключевые слова: химический источник тока, температура нагрева, искробезопасность.

Л ля оценки искробезопасности электрической цепи необходимо знать параметры всех ее элементов, как в нормальных, так и в аварийных режимах их работы. Это дает возможность моделировать электрические цепи, которые могут возникать в аварийных режимах работы электрооборудования, делать предварительную оценку их опасности и выбирать способ оценки их ис-кробезопасности - на основе камерных или бескамерных испытаний.

Составной частью электрической цепи является источник питания. Для питания искробезопасного электрооборудования широко используются химические источники тока. Такие источники тока практически полностью обеспечивают питание переносного искробезопасного электрооборудования. Наиболее часто используются перезаряжаемые химические источники тока - аккумуляторы и аккумуляторные батареи.

В технической документации на химические источники тока в настоящее время отсутствуют сведения об их внутренних сопротивлениях Ивн и значениях температур нагрева их оболочек в режиме короткого замыкания.

Это затрудняет рациональный подбор химических источников тока при конструировании искробезопасного электрооборудования, а также усложняет проведение испытаний этого электрооборудования на взрывозащищенность в испытательных организациях. Следует отметить, что на основе использования значения Ивн появляется возможность проводить предварительную бескамерную оценку искробезопасности электрических цепей в которых отсутствуют токоограничительные устройства, а также осуществлять оценку нагрева элементов электрооборудования в аварийных режимах их работы, что часто весьма сложно (или практически невозможно) выполнить с помощью камерных испытаний.

Для бескамерной оценки искробе-зопасности электрических цепей необходимо использовать минимальные значения Ивн химических источников тока. Поэтому, исходя из изложенного выше, значения Ивн при оценке искробезопасности электрических цепей должны определяться в начальный момент разрядки свежезаряженного химического источника тока. Использование минимального значения Ивн для расчета нагрева элемен-

Таблица 1

Значения внутренних сопротивлений аккумуляторов

Внутреннее сопротивление аккумулятора Ивн, мОм

Л^МЛ^ CAMELION КОЭАК DURACEL УАИТА вР

ЬК03 ЬВДЗ ЬК03

2850 1100 2700 1000 2100 1800 730 2600 970 920

мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч

30,4 18,1 33,7 25,4 29,9 23,1 58,8 14,1 17,8 12,9

Таблица 2

Значения максимальных температур нагрева оболочек аккумуляторов

Максимальная температура нагрева оболочки аккумулятора Тмах, "С (приведенная к 20 "С)

ЛNSMЛNN CAMELION KODAK DURACEL VARTA вР

ЬК03 ЬК03

2850 1100 2700 1000 2100 1800 730 2600 970 920

мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч мАч

148 129 88 161 159 152 71 142 172 120

та электрооборудования, сопротивление которого в аварийных режимах работы может принимать произвольное значение осуществляется с запасом, поскольку для его нагрева требуется определенное время, а при больших разрядных токах внутреннее сопротивление на начальной стадии разрядки химического источника тока достаточно быстро возрастает и выделяющаяся на элементе мощность снижается. В результате нагрев элемента будет ниже расчетного. Для более точной оценки нагрева необходимо проведение исследований на модели элемента, которая соответствует его аварийному состоянию.

Исследованию нагрева некоторых аккумуляторов посвящена работа [1]. В настоящей работе приведены результаты исследований цилиндрических никель металлгидридных аккумуляторов в основном других производителей, которые не рассматривались в работе [1]. Никель-металлгидрид-ные аккумуляторы по сравнению с никель-кадмиевыми имеют в 1,5-2 раза лучшие удельные знергетические характеристики за счет большей емкости и быстро вытесняют

никель-кадмиевые аккумуляторы из аппаратуры, использующей химические источники тока. Многие производители в настоящее время снабжают химические источники тока устройствами защиты от коротких замыканий, которые могут возникать в питаемых ими электрических цепях. Эти защитные устройства могут снизить или исключить опасный нагрев элементов электрооборудования в аварийных режимах их работы, что необходимо учитывать. Однако эти защитные устройства не спасают от внутренних коротких замыканий, в результате которых возможен опасный нагрев химического источника тока. Поэтому для исследований использовались аккумуляторы без защитных устройств.

Для определения внутреннего сопротивления химических источников тока Ивн использовалась электрическая цепь, схема которой приведена на рис. 1.

Для защиты от возможного взрыва аккумулятора после его закорачивания электрическая цепь собиралась внутри закрывающегося металлического бокса.

Рис. 1. Электрическая цепь с химическим источником тока

Сопротивление шунта Иш (между точками а и б) составляло 1,81 х 10-Ом (медный шунт с замыкателем). Использовались свежезаряженные аккумуляторы. Температура оболочки аккумулятора измерялась термопарой.

Для схемы на рис. 1 при токе цепи I по закону Ома можно составить уравнение:

Е= I- (Ивн + Яш) (1)

Рис. 2. Зависимость температуры на аккумулятора ANSMANN 2850 мАч от короткого замыкания

Откуда:

RBH = (Е- I- Rm)/I = (E - Urn)/I = =Иш- (E/ Urn - 1), (2)

где: Е - э.д.с. источника тока, равная напряжению холостого хода Uxx; Urn - напряжение на шунте в момент замыкания цепи.

Полученные в результате проведенных исследований значения Rbh и максимальные температуры нагрева оболочек NiMH аккумуляторов приведены в табл. 1 и 2. Типичная зависимость температуры на поверхности аккумулятора от времени его короткого замыкания показана на рис. 2 применительно к аккумулятору ЛNSMЛNN емкостью 2850 мАч.

Таким образом, в результате выполненной работы получены значения Rbh и максимальных температур поверхностей Тмах ряда аккумуляторов в режиме их короткого замыкания. Использование этих данных позволяет целенаправленно подбирать химические источники тока для взрыво-зашишенного электрооборудования и выбирать конструктивные меры зашиты от опасного нагрева аккумуляторов и элементов электрических схем в аварийных режимах их работы.

поверхности времени его

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малкович О.Б. Исследование температуры нагрева поверхности химических источников тока в искробезопасных переносных приборах. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №11. - С. 184 - 186.Е2Е

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Трембицкий Андрей Леонидович - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник отдела проблем горной аэрогазопылединамики и безопасности освоения УРАН ИПКОН РАН, sertium.ipkon@mail.ru.

Буров Юрий Владимирович - аттестованный Ростехрегулированием эксперт по сертификации взрывозащищённого и рудничного оборудования Негосударственного Фонда МОС «Сертиум», аспирант отдела проблем горной аэрогазопылединамики и безопасности освоения УРАН ИПКОН РАН, burov-sertium@mail.ru.