CC BY
103
УДК 622.81 А. Т. Ерыгин
ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕНОСНЫХ ПРИБОРОВ
В результате экспериментальных исследований установлены исходные данные для расчетной оценки искробезопасности электрических цепей переносных взрывозащищенных приборов, позволяющей разрабатывать их с более высокими технико-экономическими показателями.
Ключевые слова переносные приборы, электрическая цепь, электрические разряды, методы оценки, источники питания, эксперименты
~П настоящее время в мировой практике обеспечение взры-
АДвозащиты переносных приборов и электрооборудования приводит к их усложнению и удорожанию в сравнении с аналогичным электрооборудованием в общепромышленном исполнении. Прогрессивный вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» также не решает полностью эту задачу и также проигрывает по технико-экономи-ческим показателям общепромышленному исполнению электрооборудования. При обеспечении искро-безопасности переносных приборов используются дополнительно токоограничительные элементы и искрогасящие шунты, что приводит к усложнению конструкции, электрическим потерям энергии автономного источника питания и необходимости увеличения его емкости для обеспечения регламентированного срока обеспечения его работы.
Целью данной работы является разработка новых методов оценки и обеспечения искробезопасности переносных приборов и электрооборудования, позволяющих исключить использование токоограничительных элементов и искрогасящих шунтов и этим максимально приблизить их конструкцию к общепромышленному исполнению или сравняться с ним. Благодаря этому можно повысить их технико-экономические показатели (уменьшить вес, габариты и стоимость).
Переносные приборы обычно имеют автономные источники питания в виде аккумуляторов и батареек. Параметры химических источников тока характеризуются малыми значениями напряжений, малыми значениями индуктивностей и большими значения-
ми размыкаемых токов. Воспламеняющая способность электрических разрядов, возникающих при коммутации данных электрических цепей, не изучена в России и за рубежом и в действующих стандартах информации о них не содержится. Изучение воспламеняющей способности электрических разрядов в этих цепях позволит получить исходные данные для оценки искробезопасности химических источников тока без ограничительных сопротивлений в режиме короткого замыкания и вместе с линией связи и индуктивными нагрузками. Такими исходными данными будут являться характеристики ис-кробезопасности 1в = f(L, E), полученные с помощью экспериментов во взрывной камере, заполненной испытательной активизированной взрывоопасной смесью для I категории взрывоопасности. Диапазон изменения значений напряжений источников питания, их индуктивностей и размыкаемых токов будет охватывать параметры встречающихся на практике автономных источников питания.
В действующем Российском стандарте [і] приведены характеристики искробезопасности ив = J (С, Ri, R2), полученные в ИП-КОН РАН с помощью экспериментов во взрывной камере, заполненной испытательной активизированной взрывоопасной смесью. Аналогичные характеристики искробезопасности в зарубежных стандартах отсутствуют и выбор безопасных значений емкостных нагрузок там осуществляют с помощью длительных и трудоемких испытаний во взрывной камере. Эти характеристики искробезопас-ности получены для размыкаемых токов не выше 2,0 А и напряжений источников питания более і0В. Требуется расширить диапазон этих характеристик на большие размыкаемые токи.
Область применения экспериментального метода оценки ис-кробезопасности электрических цепей в зависимости от величины размыкаемого тока ограничена из-за влияния индуктивностей искрообразующего механизма и присоединительных проводов взрывной камеры. С другой стороны индуктивность искрообразующего механизма и присоединительных проводов взрывной камеры может на несколько порядков превышать индуктивность химического источника тока, что приведет к тому, что будет испытываться взрывная камера, а не присоединенная электрическая цепь.
Кроме экспериментального метода действующим стандартом разрешен расчетный метод оценки, основанный на использовании
характеристик искробезопасности, полученных с помощью экспериментов во взрывной камере для определенного класса электрических цепей. Расчетный метод оценки искробезопасности в сравнении с испытаниями во взрывной камере имеет значительные преимущества [2].
Изучение воспламеняющей способности электрических разрядов в данных электрических цепях в данной работе будет осуществляться двояко. На первом этапе с помощью расчетного метода, разработанного в ИПКОН РАН [3], будут построены характеристики искробезопасности 1в = f(L, E). Данный метод расчета основан на том, что источником воспламенения взрывоопасной смеси является электрический разряд. При больших размыкаемых токах предположительно возможен нагрев контактов, который будет способствовать воспламенению взрывоопасной смеси и снижать искробезопасные параметры электрических цепей. Поэтому экспериментальное определение воспламеняющих параметров электрических цепей и сравнение их с расчетными данными должно определить насколько существенно влияние нагрева контактов, или до каких значений размыкаемых токов им можно пренебречь.
Приведенная в действующем стандарте [і] методика расчетной оценки искробезопасности электрической цепи позволяет определить минимальный воспламеняющий ток и наиболее опасную скорость размыкания контактов, характерную для оцениваемой электрической цепи. Методика расчетной оценки дает возможность получать численные значения коэффициентов искробез-опасности и из многих испытательных режимов электрических цепей выбирать наиболее опасный испытательный режим, который при необходимости можно подвергнуть камерным испытаниям, снижая тем самым сроки испытаний электрооборудования на ис-кробезопасность. Использование данной методики позволяет осуществлять оптимальный выбор параметров разрабатываемого электрооборудования. В данной работе методика расчета будет использована только для определения минимальных воспламеняющих токов применительно к метановоздушной смеси для параметров электрических цепей, характерных для химических источников тока. Полученные значения минимальных воспламеняющих токов применительно к метановоздушной смеси затем будут уменьшены на коэффициент искробезопасности, равный і,5, чтобы затем опериро-
вать при оценке искробезопасности с искробезопасными значениями токов применительно к рудничному электрооборудованию.
Расчет минимальных воспламеняющих значений токов выполнен путем определения таких их величин, при которых в разряд размыкания электрической цепи выделяется минимальное воспламеняющее значение энергии. Для метановоздушной смеси минимальное значение воспламеняющей энергии принималось равным для индуктивных цепей 0,35 мДж, а для омических цепей 8,26 мДж соответственно. Скорости размыкания контактов принимались равными 6,5 м/с и 0,046 м/с для индуктивных и омических электрических цепей соответственно. Электрический разряд моделировался на основе его статических вольтамперных характеристик, полученных экспериментально. Значения минимальных воспламеняющих токов определялись на основе нахождения параметров разряда при размыкании простых индуктивных цепей. Использовался численный метод решения соответствующих уравнений. Данный метод расчета в сравнении с испытаниями во взрывной камере учитывает наиболее опасные условия коммутации для всех электрических цепей. Искрообразующий механизм не имеет возможности обеспечить весь диапазон скоростей разведения контактов, что обуславливает более объективную оценку расчетного метода для всех видов электрических цепей. Простые индуктивные и омические цепи имеют наиболее опасную скорость разведения контактов при малой (омические цепи) или большой (простые индуктивные цепи), поэтому для этих цепей искрообразующий механизм реализует наиболее опасные условия коммутации контактов. Поэтому для этих электрических цепей результаты оценки искробезопасно-сти при условии, что источником воспламенения является только электрический разряд, будут полностью равноценны. Полученные в результате расчета значения минимальных воспламеняющих токов в зависимости от параметров простых индуктивных и омической цепей представлены в виде характеристик искробезопасности
1в = f(L,E) (рис. і). На рис. і приведены рассчитанные по данной методике характеристики искробезопасности для индуктивных цепей применительно к взрывоопасным смесям I категории взрывоопасности (представительная взрывоопасная
Iв, л
100с
10
0.01
/
^3 \
\
\
ч
\
\
\
5 \
6 \ \ \
\
ч
'
1 10 100 Е, В
Рис. 1. Минимальный воспламеняющий ток для метановоздушной смеси (8,3% CH4 + 91,7% воздух) в зависимости от э.д.с. источника питания и индуктивности цепи: 1 - 10-6 Гн; 2 - 10-5 Гн; 3 - 10-4 Гн; 4 - 10-3 Гн; 5 - 10-2 Гн; 6 - 10-1 Гн
смесь - метановоздушная смесь). Кроме этого, для тех же электрических цепей приведены характеристики искробезопасности (рис. 2), соответствующие активизированному составу взрывоопасных испытательных электрических цепей и полученные путем уменьшения в 1,5 раза значений минимальных
Рис. 2. Искробезопасный ток для метановоздушной смеси в зависимости от .д.с. источника питания и индукти
Гн; 4 - 10-3 Гн; 5 - 10-2 Гн; 6 - 10-1 Гн
э.д.с. источника питания и индуктивности цепи: 1 - 10-6 Гн; 2 - 10-5 Гн; 3 - 10
воспламеняющих токов, полученные для метановоздушной смеси. Экспериментальные исследования воспламеняющей способности электрических разрядов проводились в водородокислородной смеси с содержанием водорода 85%, которая согласно ГОСТ Р 51330.10-99 [1] является испытательной активизированной взрывоопасной смесью при оценке на искробезопасность рудничного
электрооборудования. Для приготовления данной взрывоопасной смеси использовано электролитическое питающее устройство ПУЭ [4], позволяющее получать любые составы водородокислородной смеси с высокой точностью. В качестве искрообразующего устройства был использован механизм МЭК, являющийся стандартным при проведении испытаний на искробезопасность электрических цепей как в России, так и за рубежом. Искрообразующее устройство устанавливалась во взрывной камере БВК-3 [5]. Исследуемые электрические цепи подключались к аккумуляторным батареям. Регулировка силы тока в электрической цепи осуществлялась ограничительным сопротивлением, в качестве которого использован магазин сопротивлений Р-58, имеющий бифилярную намотку для снижения его индуктивности. При больших значениях размыкаемых токов вместо магазина сопротивлений использовались угольные и проволочные сопротивления. Диапазон Э.Д.С. источников питания при проведении исследований изменялся от 4 до 200 В, индуктивности от 6-10"6 Гн до 0,1 Гн. Размыкаемые токи электрических цепей изменялись в диапазоне от 20 мА до 20 А. Верхнее значение размыкаемого тока будет ограничиваться индуктивностью искрообразующего механизма и присоединительных проводов от источника питания к клеммам взрывной камеры.
Воспламеняющие токи для каждой электрической цепи определялись при трех - пяти вероятностях воспламенения водородокислородной (85% Н2 + 15% О2) смеси. По полученным данным строилась зависимость вероятности воспламенения взрывоопасной смеси от размыкаемого тока Р = Щв) и путем интерполяции и экстраполяции определялись воспламеняющие токи при стандартном значении вероятности воспламенения взрывоопасной смеси Р = 10" 3. В результате выполненных экспериментальных исследований построены характеристики искробезопасности 1в = ДЪ, Е) (рис. 3), которые предназначены для оценки искробезопасности химических источников тока как в режиме их короткого замыкания, так и совместно с линией связи и индуктивными нагрузками. Анализ результатов экспериментальных исследований, приведенных на рисунке 3, показывает, что полученные расчетом и с помощью эксперимента значения искробезопасных токов в изученном диапазоне практически полностью совпадают.
!,А
1 £ Г Г ю -6 Гн
г Г* Гн\
^ 3 г-
К7 Гн
10 ~2Гн
]
10 Гн
Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока от э.д.с источника питания и индуктивности цепи для водородокислородной (85% Н2 + 15% О2) смеси
Это подтверждает справедливость основ, на которых базируется метод расчета, а также тот факт, что нагрев контактов искрообразующего механизма в результате протекания по ним больших токов (до 10 А) не влияет на процесс воспламенения (не снижает уровень воспламеняющей энергии электрического разряда). Только при токах более 10 А замечено слабое влияние нагрева контактов на уровень воспламеняющих токов. В результате выполненных исследований в диапазоне размыкаемых токов до 20 А может быть сделан важный вывод о том, что для оценки искробезопасности химических источников тока с индуктивными нагрузками может быть использован как расчетный метод, так и характеристики ис-кробезопасности !в = f ^, E), полученные на основании экспериментальных исследований.
Роль линии связи в переносном электрооборудовании выполняет шнур, соединяющий источник питания с источником света, как это имеет место в головном шахтном светильнике. Роль линии связи может выполнять шнур, соединяющий переносной прибор с выносным датчиком. Даже если вся электрическая часть переносного прибора содержится в одном корпусе, роль линии связи выполняют провода, соединяющие источник питания с основными электрическими элементами прибора. Таким образом, линия связи как элемент переносного прибора и электрооборудования присутствует всегда.
Проведенные исследования безопасного подключения линии связи к искробезопасному источнику питания позволили установить, что для обеспечения передачи в нагрузку максимальной искробезопасной мощности и минимальных электрических потерь на линии связи постоянная времени ее должна быть максимальной из всех ее безопасных значений. Максимальное безопасное значение постоянной времени линии связи при подключении ее к источнику питания, испытуемому в режиме короткого замыкания, должна быть меньше трехкратного значения постоянной времени этого источника питания. Максимальное безопасное значение постоянной времени линии связи при подключении ее к источнику питания, не испытуемому в режиме короткого замыкания, должна быть меньше четырехкратного значения постоянной времени этого источника питания. Универсальным методом оценки искробезопасности химического источника питания совместно с линией связи, и выбора рациональных ее параметров является сопоставление зависимости
индуктивности оцениваемой электрической цепи от размыкаемого в ней тока во всем диапазоне длины линии связи с отрезком характеристики искробезопасности 1в = /(L) при Е = const в этом же диапазоне изменения индуктивности и размыкаемого тока. Установленные в данной работе характеристиками искробезопасности 1в = /(L, E) являются исходными данными для оценки искробезопасно-сти химических источников тока в режиме короткого замыкания и совместно с линией связи.
Расчетная оценка искробезопасности емкостных цепей основывается на сопоставлении установленных искробезопасных параметров со значениями параметров оцениваемой цепи в нормальном и аварийных режимах ее работы. Расчетная оценка искробезопас-ности емкостных цепей необходима разработчикам искробезопасной аппаратуры, Сертификационным центрам взрывозащищенного и рудничного электрооборудования на стадии проводимой ими экспертизы, а также при оценке результатов испытаний во взрывной камере. Для выполнения расчетной оценки искробезопасности емкостных цепей необходимо одно условие - наличие исходных данных, позволяющих провести сопоставление параметров оцениваемой электрической цепи с установленными зависимостями, полученными на границе воспламенения активизированной взрывоопасной смеси. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в качестве исходных данных для оценки искробезопас-ности емкостных цепей могут быть использованы характеристики искробезопасности, учитывающие влияние ограничительных сопротивлений в цепях емкости и источника питания. Для того, чтобы охватить все встречающиеся на практике случаи требуется относительно небольшое количество характеристик искробезопасности, которые объединяются в четыре семейства. Поэтому в данной работе выполнена задача проведения исследований с целью получения характеристик, учитывающих влияние как зарядного, так и ограничительного сопротивлений на воспламеняющие параметры емкостной цепи.
Предыдущие результаты исследований воспламеняющей способности электрических разрядов в емкостных цепях, приведенные в действующем стандарте [1] и дополненные результатами исследований, приведенными в настоящей работе, позволили установить характеристики искробезопасности ив = J (С, Rb R2), позволяющие расширить область их применения на переносные приборы и элек-
трооборудование. На рис. 4 в качестве примера приведены искро-безопасности ив = J (С, R1, R2) для R1 = 0.
Таким образом, в результате выполненных исследований установлены зависимости воспламеняющего напряжения от параметров емкостной цепи с учетом влияния источника питания применительно к активизированной испытательной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности, используемой для оценки искробезопасности рудничного электрооборудования. Установленные зависимости позволяют проводить расчетную оценку искробезопасности химических источников тока совместно с емкостными нагрузками в переносных приборах и электрооборудовании. В результате исследований было показано, что источник питания, в зависимости от величины протекающего через него тока, может более, чем на порядок снижать воспламеняющее напряжение в емкостной цепи. Поэтому его влияние необходимо учитывать при конструировании и испытаниях искробезопасного электрооборудования. Полученные результаты экспериментальных исследований соответствуют требованиям к обеспечению искробезопасности электрических цепей и позволяют определять непосредственно искробезопасные параметры емкостных цепей с коэффициентом искробез-опасности не менее 1,5, удовлетворяющие требованиям Российских и международных стандартов на взрывозащищенное электрооборудование.
Характеристики искробезопасности ив = /(C, R1, R2) должны ограничиваться определенным значением низкого напряжения. Таким ограничением является минимальное напряжение зажигания дуги, которое для материалов контактов искрообразующего механизма МЭК равно
8 В. При этом следует иметь в виду, что характеристики ис-кробезопасности ив = /(C, R1, R2) могут существовать только при напряжении источников питания выше 8 В. При напряжениях источников питания 8 В и меньше возможны в емкостных цепях только разряды размыкания.
но3
г ^ мА и Г1 ип
2 ' ОЭУс 2 +1 Ь/ с1<2
Ь = ) % 11С
ш / УЦ V Ом
п к ? п К1
\2- чи < и N
у -
/ /
/ / /
/ ? ■ 5"1 1м ,7 --г- /
Г ■2-- /Г / / /
/ 7 о. Пм /
Г г~4 1 лч // /
/ ’2=‘ а 'и ¥
т5 но4 по~3 0.01 о.1 / ю юо но3
Рис. 4. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85% Н2 + 15% О2) для емкостных цепей рудничного электрооборудования при R1 = 0 Ом
Заключение
1. Использование новых установленных зависимостей позволяет разрабатывать искробезопасные переносные приборы и электрооборудование с более высокими технико-экономи-ческими показателями.
2. Переносные приборы и электрооборудование в общепромышленном исполнении, параметры которых соответствуют установленным в данной работе зависимостям, будут одновременно и искробезопасными.
3. В ИПКОН РАН дополнительно проведены аналогичные исследования и установлены подобные зависимости для взрывоопасных смесей 11А и 11В категорий взрывоопасности. После проведения завершающих исследований для взрывоопасных смесей ПС категории взрывоопасности будут получены исходные данные, позволяющие для всех отраслей промышленности России разрабатывать искробезопасные переносные приборы и электрооборудование с более высокими технико-экономи-ческими показателями.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь ь Введ. От 01.01.00 -М.: Издательство стандартов. 2000.- 117 с.
2. Ерыгин А. Т. Развитие расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей. ГИАБ. Труды научного симпозиума «Неделя горняка - 2010. Отдельный выпуск 1., 2010. с. 435-447.
3. Ерыгин А.Т., Трембицкий А.Л., Яковлев В.П. Методы оценки искробезопасности электрических цепей. М.: Наука, 1984. - 256 с.
4. Серов В.И., Виноградов В.П. Электролитическое питающее устройство. -М.: ИГД им. А.А. Скочинского,1968. - 23 с.
5. Серов В.И., Хмель Г.В. Автоматическая взрывная камера типа БВК-1 для испытаний электрических цепей на искробезопасность. Руководство по эксплуатации. М.: ИГД им. А.А. Скочинского,1966. - 28 с.
— Коротко об авторе
Ерыгин А.Т. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, info@ipkonran.ru
