Оценка искробезопасности барьеров безопасности на стабилитронах с индуктивными и емкостными нагрузками Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило, М.С. Спасов, 2013

А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило, М.С. Спасов

ОЦЕНКА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ НА СТАБИЛИТРОНАХ С ИНДУКТИВНЫМИ И ЕМКОСТНЫМИ НАГРУЗКАМИ

Предложен метод расчетной оценки искробезопасности барьера безопасности со стабилитронной зашитой в режиме короткого замыкания и с реактивными нагрузками.

Ключевые слова: искробезопасность, электрическая цепь, электрооборудование, расчетная оценка.

В настоящее время в мировой практике широкое распространение получили барьеры безопасности на стабилитронах, разделяющие искробезопасные электрические цепи от искроопасных. Выбор выходных искробезопасных параметров барьеров безопасности в настоящее время возможен только с помощью экспериментальных методов оценки с помощью взрывной камеры, во взрывоопасной испытательной смеси, в которой коммутируется испытуемая электрическая цепь. Однако взрывные камеры для оценки искробезопасности электрических цепей имеются не у всех сертификационных центров взрывозащищенного и рудничного электрооборудования и отсутствуют у разработчиков взрывоза-щищенного электрооборудования. Отсутствие реальных методов оценки искробезопасности при разработке барьеров безопасности не позволяет обеспечить их искробезопас-ность, а, следовательно, правильно выполнить эту работу. Безреактивные барьеры безопасности бывают двух типов (рис. 1). Барьер безопасности на стабилитронах (рис. 1, а) ранее нами рассмотрен и для него были установлены расчетные выражения, позволяющие совместно с характеристиками ис-кробезопасности 1в = ¡(Е, Ь), позволяющие оценивать на искробезопасность барьеры безопасности.

Целью данной работы является разработка расчетного метода оценки искробезопасности барьеров безопасности (рис. 1, б) в режиме короткого замыкания, а также оба вида барьеров безопасности с индуктивными и емкостными нагрузками. Рассмотрим электрическую схему одного из видов барьера безопасности (рис. 1, б). Для данной рассматриваемой электрической цепи и омической цепи наиболее опасная скорость размыкания искрообразующего механизма во взрывной камере медленная для реализации электрических разрядов большой длительности. Следовательно, критерием воспламеняющей способности электрических разрядов, возникающих при коммутации данных цепей, будет мощность электрического разряда. Максимальное напряжение на разрядном промежутке в момент прерывания разряда у обеих электрических цепей также будет одинаковым. Проведем сопоставление воспламеняющей способности электрических разрядов в этих цепях. Установим, при каких параметрах в этих электрических цепях их электрические разряды будут иметь одинаковую воспламеняющую способность. Для анализа воспользуемся моделью линейного роста напряжения на разряде. Математическая модель электрического разряда применительно к омической цепи будет иметь следующий вид

ир = Ц3 + (Е - УМ/Т, (1)

где Цр — напряжение на разрядном промежутке; из _ минимальное напряжение зажигания дуги. Для материалов искрообразующего устройства МЭК оно равно 8 В; Е0- э.д.с. источника питания омической цепи; Т — длительность электрического разряда; 1 — текущее время.

Энергия разряда за время разряда Т и за вычетом потерь в контактах будет равна

Рь = £ 1ь (То - ир№ /Т = 1оЕоТ (Ео- Щ2 / 6 Ео2 (2)

где 10 — размыкаемый ток омической цепи, равный Е0/Я.

Выполним аналогичную работу применительно к барьеру безопасности (рис. 1, б). Барьер безопасности может использоваться при условии ист > 10В-2. Электрический разряд прекратится при

Е - 1Р Яг = ист.

где ист — напряжение стабилизации стабилитрона. Максимальное напряжение на разряде равно

иЬтах = исп + (Т - исп) Я2/ Яг, (3)

Уравнение переходного процесса при размыкании цепи запишется

Т - Шг +Я2) = ир + (исп - ир^юТ + (Т - иП Я21/ТЯг (4)

Е- э.д.с. источника питания барьера безопасности. Из выражения (4) определим ток в разряде

Е - 1р(Яг+Я2) = из + (ист - иМ/Т + (Е - ист) Я*/ТЯг (5)

Энергия разряда за время разряда Т и за вычетом потерь в контактах будет равна гТ

Рь = \0 И(и1тахи,^6ИТ=(ип-и,](3Т-ир-2исп+2Тт-иащ}ИаЛ6Т (6)

где 1ст — размыкаемый ток электрической цепи барьера безопасности;

т = Я2 /Яг,

Электрические разряды в омической цепи и в барьере безопасности будут иметь одинаковую воспламеняющую способность, если их энергии разряда в стволе дуги за одно время разряда будут равны. Исходя из равенства энергий разряда в обеих электрических цепях с э.д.с. омической цепи равной ист, получим

Iо I 1сп = (3Т-ир-2исп+2Тт-2ишт)1 исп ¡(исп - фТ (7)

После преобразования выражение (7) будет иметь вид 1о ¡1сп = исп(3+2т- ир ¡Т-2(1+т) 1г)1 (исп - ир) (8)

где к = Е/ ист .

При напряжении источника питания стремящегося к бесконечности соотношения токов будет равно

1о/1ст = и^3+2т)/ (ист -из) (9)

Соотношение размыкаемых токов в омической цепи и в рассматриваемом барьере безопасности определяется четырьмя параметрами: минимальным напряжением зажигания дуги, напряжением стабилизации стабилитрона в барьере безопас-

ности и напряжением источника питания барьера безопасности и соотношением сопротивлений. Полученное выражение (8) следует рассматривать как закономерность. Соотношение токов в цепях не зависит от взрывоопасной смеси и определяется только параметрами электрической цепи. Так как минимальные воспламеняющие параметры омических цепей хорошо изучены и приведены в таблицах и в характеристиках искробе-зопасности, то при равенстве ист = Е0 и на основании знания параметров барьера безопасности и минимального напряжения зажигания дуги, равного 8 В, мы можем без экспериментов определить минимальный воспламеняющий ток барьера безопасности, приведенного на рис. 1, б.

Рассмотри, за счет чего происходит увеличение энергии разряда при увеличении напряжения источника питания и коэффициента

к = Е/ист.

Проанализируем барьер безопасности (рис. 2, а) с ист = 16 В. На рис. 2 приведены зависимости тока в разряде за время его существования. Прямая 1 соответствует напряжению источника питания 16 В. В этом случае мы имеем дело с омической цепью, так как за время разряда стабилитрон не работает. Количество электричества, протекающего за время разряда для данной цепи составляет 0,251Т. Другие прямые на рисунке 2 соответствуют следующим значениям напряжения источника питания и количеству электричества, протекающего за время разряда для данной цепи: 2 — Е=32 В и 0,6251Т; 3 — Е=64 В и 0,7701Т; 4 — Е=128 В и 0,8501Т и 5 — Е=160 В и 0,9251Т. Увеличение напряжения источника питания и коэффициента к = Е/ист при постоянном значении ист увеличивает количество электричества, протекающего за время разряда, что приводит к увеличению общей и полезной энергии разряда. Полезная энергия разряда определяется из общей энергии разряда за вычетом электрических потерь в контактах, которые в воспламенении взрывоопасной смеси не участвуют. При напряжении источника питания, стремящему к бесконечности ток в разряде за время его существования остается неизменным и равным установившему значению в цепи до ее размыкания. Количество электричества, протекающего за время разряда для данной це-498

пи, составляет 1,01Т. Таким образом, увеличение напряжения источника питания и коэффициента к = Е/Цст при постоянном значении Цст увеличивает количество электричества, протекающего за время разряда, что приводит к увеличению энергии разряда и его воспламеняющей способности.

Проведем сопоставление выделения энергии из электрической цепи в электрический разряд для двух барьеров безопасно-Рис. 1. Электрические схемы двух сти (рис. 1) при одних типов барьеров безопасности значениях ист при напря-

жении источников питания, стремящихся к бесконечности. Барьеры безопасности будут отличаться различным значениям т = Я2 / Для барьера безопасности (рис. 1, б) характерно то, что при достижении на стабилитроне напряжения, равного напряжению стабилизации, напряжение на разрядном промежутке будет превышать напряжение стабилизации стабилитрона. Этот факт приводит к увеличению мощности и энергии электрического разряда в сравнении с тем, когда электрический разряд прекращается при напряжении стабилизации стабилитрона (рис. 1, а). Мощность электрического разряда в барьере безопасности (рис. 1, б) в сравнении с барьером безопасности (рис. 1, а) будет в (1 + 2т/3) выше. Увеличение мощности будет тем больше, чем больше будет коэффициент т.

Действующий стандарт [1] при оценке барьера безопасности требует установить не только значения искробезопасного тока в режиме короткого замыкания, но и максимальные значения индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки, которые могут быть безопасно к нему подключены. Эта задача может быть решена путем замены электрической схемы барье-

ра безопасности на омическую цепь при равенстве ист = Ео и увеличенном токе омической цепи в соответствии с зависимостями, приведенными в выражении 8. Такая замена правомерна в виду одинаковой воспламеняющей способности электрических разрядов в этих цепях. Выбор значений индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки можно выполнить по характеристикам искробезопас-ности 10 = ¡(Ео, Е) (рис. 3). При этом может быть определено значение допустимой индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки без учета их омического сопротивления и с учетом их омического сопротивления. Учет омического сопротивления линии связи и индуктивной нагрузки позволяет существенно повысить допустимые значения их индуктивно-стей, что в сравнении с существующими методами определения допустимого значения индуктивностей расширить функциональные возможности индуктивных нагрузок. Кроме этого может быть решена задача снижения допустимого искробезопас-ного значения тока барьера безопасности для безопасного подключения линии связи и индуктивной нагрузки заданного уровня. Выбор значений емкости линии связи и емкостной нагрузки можно выполнить по характеристикам искробезопасно-сти ив = ¡(С, Нг, Н2) (рис. 4). При этом может быть определено значение допустимой емкости линии связи и емкостной нагрузки без учета их омического сопротивления и с учетом их омического сопротивления. Также может быть решена задача сни-

Е= 16 В; 2 — Е = 32 В; 3 — 64 В; 4 — Е = 128 В; 5 — 160 В. Рис. 2. Зависимости токов разряда от времени для барьера безопасности с UCT = 16 В при различных напряжениях источника питания

жения допустимого искробезопасного значения выходного напряжения барьера безопасности для безопасного подключения линии связи и емкостной нагрузки заданного уровня.

На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Соотношение размыкаемых токов в омической цепи и в рассматриваемом барьере безопасности определяется тремя параметрами: минимальным напряжением зажигания дуги, на-

!.А

1 г5 /7 Ю Гн

-ч]

1С

10~2 Гн

\

л 1 г ч

10 Гн \

— \

\\

4 6 8 10 2 4 6 8 10: 2 Ц В

Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока от э.д.с. источника питания и индуктивности цепи для водородокислородной (85 % Н2 + 15 % 02) смеси

м4 пгп

«2

К -1! щ

— 'г

— г ь-ь / /

г /

/г5 /г' т' от 01 1 ю юо по1

Рис. 4. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85 %Н2+15 %02) для ёмкостных цепей рудничного электрооборудования при Я1=0 Ом

пряжением стабилизации стабилитрона в барьере безопасности и напряжением источника питания барьера безопасности. Полученное выражение следует рассматривать как закономерность. Соотношение токов в цепях не зависит от взрывоопасной смеси и определяется только параметрами электрической цепи. Так как минимальные воспламеняющие параметры омических цепей хорошо изучены и приведены в таблицах и в характеристиках искробезопасности, то при равенстве ист — Ео и на основании знания параметров барьера безопасности и минимального напряжения зажигания дуги, равного 8 В, мы можем без экспериментов определить минимальный воспламеняющий ток барьера безопасности.

2. При одних размыкаемых токах, значениях ист и напряжении источников питания мощность электрического разряда в барьере безопасности (рис. 1, б) в сравнении с барьером безопасности (рис. 1, а) будет в (1 + 2т/3) выше.

3.Предложены методы установления допустимых параметров линии связи, индуктивной и емкостной нагрузки, подключаемых к барьеру безопасности.

4. Недопустимо оценивать на искробезопасность барьеры безопасности по характеристикам искробезопасности 10 — Ц.Е0, Е)

при одних выходных параметрах тока и напряжения барьера безопасности и электрической цепи из характеристик искробе-зопасности, так как это приводит к тому, что искроопасные электрические цепи ошибочно будут признаны искробезопас-ными с многократной ошибкой.

5. Предложенные методы оценки искробезопасности барьера безопасности в режиме короткого замыкания и при подключении линии связи, индуктивной и емкостной нагрузки должны пройти экспериментальную проверку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 51330.10—99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь. Введ. От 01.01.2000. -М.:

Издательство стандартов, 2000. — 117 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ерыгин А.Т. — профессор, доктор технических наук, Шатило А.Н. — доктор технических наук, Спасов М.С. — аспирант,

Институт проблем комплексного освоения недр РАН, [email protected]