ДонНТУ
> Портал
магистров ДонНТУ
Одним
из
самых эффективных и экономически оправданных видов взрывозащиты
является искробезопасная электрическая цепь, получившее широкое
распространение в шахтной аппаратуре со слаботочными цепими (аппаратура
газовой защиты, связи, автоматики и др.). Сим взрывозащиты позволяет
эксплуатацию шахтной аппаратуры в аварийных ситуациях, связанных с
внезапным повышением концентрации взрывоопасных газов в рудничной
атмосферы, что существенно повышает общий уровень безопасности труда на
угольных предприятиях.
Электрические цепи таких систем безопасные по своей природе и не требуют дополнительной защиты, безопасность их не может быть возбуждено по ошибке или небрежности в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации искробезопасных электрических систем показал, расходы на аппаратуру и средства автоматизации при этом снижаются на 25–30% по сравнению с расходами на ту же аппаратуру, взрывобезопасность которой обеспечена другими средствами (заполнения оболочек инертными средами, интенсивная продув чистой воздуху и т.д. ). Однако, до настоящего времени не создана достаточно полная и не противоречивая теория процесса электрического зажигания взрывоопасных газовых смесей. Существующие основные методы оценки искробезопасности основанные на упрощая предположениях о модели электрического разряда, экспериментальных данных о искробезопасность простых цепей.
Следствием
такого предположения является чрезмерная трудоемкость расчетных и
экспериментальных методов оценки искробезопасности электрических цепей,
использование которых связано с применением корректирующих
коэффициентов, поправочных кривых и т.п., ща существенно затрудняет
выбор оптимальных вариантов искробезопасной аппаратуры, максимально
удовлетворяющих как технологическим требованиям, так и требованиям
безопасности.
Целью
работы
является установление закономерностей электрического зажигания в
газовой среде для определения соотношения между параметрами
электрического разряда, который обеспечивает заданную вероятность
взрыва, которые позволяют повысить безопасность производства за счет
совершенствования методов оценки искробезопасности электрических цепей.
Следующий
перечень отражает задачи, относящиеся к четырем главным направлениям
научных исследований в области искробезопасности:
Научная
значимость работы заключается в том, что достоверная аналитическая
оценка искробезопасности электрических цепей может быть осуществлена
при создании модели, которая одновременно учитывает переходные процессы
в кругу при разных условиях коммутации, развитие электрического разряда
в этих условиях, а также влияние искроутворювального механизма на
зажигания. К настоящему времени основным методом оценки
искробезопасности являлся экспериментальный,
основанный на испытании электрических цепей во взрывных камерах. Такой
метод оценки искробезопасности трудоемкий и в большинстве случаев не
дает возможности оценить искробезопасность на начальной стадии
разработки аппаратуры.
В
отдельных
случаях результаты испытаний во взрывных камерах могут быть
использованы для оценки искробезопасности электрических цепей на стадии
проектирования аппаратуры. Так, электрические цепи, характеризующиеся
неизменной величиной тока разряда в течение всей его продолжительности,
могут быть оценены по характеристикам искробезопасности, полученным
специально для таких цепей. К такому классу цепей относятся индуктивные
нагрузки с диодными и стабилитронними шунтами, индуктивность которых
превышает 50 мГ, а также источники питания с нелинейной
характеристикой, обеспечивающей постоянный ток в разряде.
При
испытаниях в взрывных камерах одной из важнейших задач является выбор
наиболее опасных режимов. Обоснованный выбор таких режимов позволяет
существенно сократить время испытаний. Можно считать, что наиболее
опасными режимами при испытании индуктивных нагрузок с искрогасильнимы
шунтами являются:
Второй, не менее важной задачей является обеспечение заданного коэффициента искробезопасности.
Среди
запланированных практических результатов можно отметить:
В [1] приведено описание искробезопасного блока питания и защиты для цифровых систем управления и диспетчеризации. Исследование разрядов и процессов коммутации, а также аварийных режимов поз воляет оценить искробезопасность подключенных к нему цепей. Работы [2, 5] показывают возможность использования с этой целью предлагаемого метода бескамерной тепловой оценки опасности искрения в электрических цепях взрыво-защищенного оборудования. Использование такого метода для расчета сложных схем разрабатываемых и эксплуатируемых искробезопасных источников питания ранее не проводилось.
Предлагаемый метод расчетной оценки искробезопасности электрических цепей, называемый далее методом бескамерной тепловой оценки, повышает точность определения опасности искрения при размыкании контактов электрической цепи сложной конфигурации в атмосфере взрывоопасной смеси за счет усовершенствования модели расчета параметров слаботочного разряда в электрических цепях взрывозащищенного электрооборудования[4]. Кроме того, метод обеспечивает уменьшение объема трудоемких испытаний при экспериментальной оценке искробезопасности, особенно на стадии проектирования и при поиске оптимальных схемных решений.
Структура математической модели (рис. 1), реализующей данный метод, содержит источник 1 электрической энергии с линейной, трапецеидальной или прямоугольной вольтамперной характеристикой на выходе, реактивную электрическую цепь 2 с произвольным соединением входящих в неё элементов, блок 3 дугового разряда, учитывающий динамическое изменение тепловой постоянной времени дугового разряда и отводимой от разряда мощности Рд в зависимости от силы тока и напряжения коммутационного процесса, конвертор 4 из электрической модели в тепловую, блок 5 результатов расчета температурного фронта пламени, равного температуре горения метано-воздушной смеси 2000 К, накопители 6 и 7 информации, позволяющие применить графические средства для вывода результатов или сохранения и документирования отчетов. Для расчетов в блоках 3 и 4 используется база теплофизических свойств газовых смесей 8 в заданных условиях работы электрооборудования и база дизайна искрообразующего механизма 9, учитывающая скорость и характер расхождения контактов, их размеры и материал.
Программа, реализующая предлагаемый способ, функционирует следующим образом. В нормальном режиме работы под действием источника 1 в электрической цепи 2 рассчитывается установившийся режим, характеризуемый заданной силой тока искрообразующего аппарата I(t) и напряжением рабочих элементов U(t). При коммутации одной из ветвей электрической цепи, в которой установлен блок 3 дугового размыкания с заданными параметрами, просчитывается выделение энергии разряда W(t) и времени его существования T, а также зависимость мгновенного изменения эффективной электрической мощности дуги Р(t) от времени t. Модель разряда представлена передаточной функцией в виде математической записи уравнения Майра, а тепловая постоянная времени дуги корректируется обратной связью по силе тока в блоке 3.
Полученные параметры разряда передаются в тепловую модель блока 4. В нем решается система дифференциальных уравнений в частных производных, определяющая развитие теплового взрыва (наличие или отсутствие температурного фронта пламени горения) с учетом явлений теплопроводности и диффузии при наличии экзотермической химической реакции окисления метановоздушной смеси. Скорость размыкания контактов цепи, начальная проводимость дуги и момент начала размыкания цепи определяются пользователем в диалоговом окне.
Рисунок 1 – Блок–диаграмма программного обеспечения автоматического анализа воспламенения в тестовой электрической цепи
Исследования проведены на примере коммутации активно-индуктивной нагрузки блока питания искробезопасного типа ИПИ–24–3 (номинальное выходное напряжение 24 В, сила номинального выходного тока 3 А) с маркировкой взрывозащиты Иb по ГОСТ 12.2.020, выполненного по комбинированной схеме: с токовой отсечкой и c отключением по производной силы тока нагрузки.
ИПИ-24-3 состоит из двух функциональных узлов: преобразователя напряжения сети 127…220 В в напряжение постоянного тока 12 В или 24 В и барьера искрозащиты
Рисунок 2 – Блок–схема искробезопасного источника питания.
Барьер искрозащиты состоит из двух силовых ключей с независимым управлением, обеспечивающим дублирование, шунта для измерения силы тока нагрузки источника и схемы управления. Для обеспечения требуемого быстродействия при ограничении силы тока на заданном уровне используются две независимые схемы сравнения 3 и 4, которые переводят ключи в линейный режим работы. Ограничение силы тока достигается за счет управления сопротивлением ключей. Схемы 3 и 4 формируют падающую токовую характеристику с уровнем отсечки 5,5 А (для 12 В) и 3,3 А (для 24 В). Быстродействие схем гарантирует ограничение силы тока в случае короткого замыкания за время 2...3 мкс.
Сигнал с шунта также подается на схемы дифференцирования и сравнения 1 и 2, реализующие компараторы. При превышении модуля скорости изменения силы тока нагрузки заданного значения 1А/мс они воздействуют на соответствующие силовые ключи и разрывают цепь питания нагрузки. Быстродействие схем - не менее 5...7 мкс. Таким образом, при коммутации цепи нагрузки энергия источника питания почти полностью рассеивается на сопротивлениях силовых ключей и не выделяется в электрическом разряде. После отключения тока нагрузки схемы 1 и 2 обеспечивают паузу в 20…25 мкс до следующего включения силовых ключей.
Контроллер переводит барьер во включенное состояние и обеспечивает плавное включение ключей со скоростью изменения силы тока, меньшей, чем порог срабатывания схем сравнения 1 и 2, следит за тепловой нагрузкой ключей, не допуская их перегрева, а также контролирует напряжение на нагрузке. Он может приоритетно отключать силовые ключи и включать ключи, если нет запрета на это со стороны схем сравнения 1-4. Анализируя входные сигналы, контроллер вычисляет мощность тепловой нагрузки силовых ключей и при необходимости отключает их на время паузы.
Расчетная схема цепи барьера искрозащиты показана на рис.3. Цепи дублирования и сервисных функций микроконтроллера не показаны, поскольку в коммутации нагрузки они не участвуют. В схеме блок питания содержит основной V1 (24 В) и вспомогательные источники напряжения V2 и V3 (5 В) для питания цепей защиты. Транзисторный ключ Х3 на полевом MOSFET транзисторе IRL205_IR представлен корректной SPICE-моделью. Узел токовой защиты моделируется транзистором Q4, компараторы X1 и X2 обеспечивают быструю (в течении 4,7 мкс) подачу отключающего сигнала на ключ Х3.
Нагрузка индуктивностью LH и
сопротивлением
RH отключается в момент времени c_br. Модель разряда в цепи состоит из
ключа SW1, управляемого по времени, резистора RD, сопротивление
которого отражает динамическую инерционную модель слаботочного разряда
[2] и вспомогательной цепи (источник EI и индуктивность LI=1 Гн, рис.
3). Резистор R0 используется для контроля выходного тока источника, а
резистор R2 - для устранения коллизий в программе при подключении
индуктивности к источнику напряжения.
Следствием колебаний силы тока могут стать срывы разряда при испытаниях блока питания на искробезопасность во взрывных камерах и эпизодические взрывы (с вероятностью <10-3). В некоторых случаях это приводит к необходимости иметь излишние запасы по силе тока испытываемой цепи.
Приведенные положения показывают целесообразность предварительных испытаний схем искробезопасных источников питания с помощью компьютерной модели метода бескамерной тепловой оценки и определения параметров разряда и их вероятной опасности воспламенения.
Результаты тестирования
сведены в табл. 1 и
2. Согласно ГОСТ 22782.5-78 необходимо испытывать искробезопасные цепи
с применением коэффициента искробезопасности, чтобы гарантировать
испытание или оценку для цепи, которая с большей вероятностью вызовет
воспламенение, чем первичная цепь, или же первичная цепь должна
испытываться в более легковоспламеняющейся взрывоопасной смеси[3]. При
увеличении напряжения сети до 110 % (с учетом его колебания) от
номинального значения или подачей напряжения от батарей источников
питания и устройств, ограничивающих напряжение на максимальном уровне,
коэффициент искробезопасности должен быть обеспечен одним из следующих
способов:
При заданном коэффициенте искробезопасности, например 1,5, для таких цепей вначале в 1,5 раза увеличивают силу действующего в цепи тока. Определяют индуктивность, при которой установленный в цепи ток становится минимальным воспламеняющим (вызывает воспламенение взрывоопасной смеси с вероятностью 10-3). Затем в 1,5 раза увеличивают напряжение, а силу тока устанавливают равной искробезопасному значению для найденной индуктивности и увеличенного напряжения. После этого проводят испытание цепи на искробезопасность.
При тестировании цепи, работающей в газовой смеси группы I (метан) с силой тока I(R0) = 2,93 А получаем безопасные параметры: индуктивность LН=160 мкГн, энергия разряда W = 614,6 мкДж, опасная скорость размыкания v=6,5 м/с. C учетом коэффициента искробезопасности по силе тока Ki = 1,5 имеем I(R0) = 4,95 А и напряжение источника U0 = 26,4 В.
Опасность подключения емкостной нагрузки тестировалась согласно расчетной модели рис. 5. Ключ SW1 в исходном состоянии разомкнут, что обеспечивает заряд конденсатора С1 до напряжения источника питания V1. Переходный процесс запускается в момент замыкания ключа (100 мкс на рис. 6). Дополнительная цепочка VD, Rd, Dd задает предварительный ток через разряд и моделирует возникновение в нем автоэлектронной эмиссии. Начальное напряжение на разряде уменьшается от значения V1 до установившегося напряжения = 10 В по экспоненте с постоянной времени 10-9 с. Модель RR задает изменение во времени сопротивления разрядного промежутка, которое, в свою очередь, зависит от параметров разрядного контура.
Ключ S1 используется для имитации режима перехода от сопротивления дугового разряда к сопротивлению контактов при их схождении. Этот переход выполняется плавно после окончания дугового разряда для предотвращения скачка напряжения.
Безопасные параметры в результате тестирования составляют: LН=55 мкГн, T =17,3 мкс, W=0,646 мкДж, опасная скорость размыкания v=6,5 м/с, безопасная емкость при подключении нагрузки LH и RH - 9 мкФ.
Рисунок 3–Схема расчетная по разрядам размыкании барьера искрозащиты блока питания типа ИПИ–24–3
Рисунок
4 –
Зависимость мощности нагрузки блока питания PD1 (а, в)
и энергии разряда SD (б, г) на интервале времени а), б) - 0 .. 4 мс,
в), г) - 2 .. 2,3 мс
Рисунок 5 – Схема расчетная по емкостным разрядам замыкания барьера искрозащиты типа ИПИ–24–3
Для блоков питания ИПИ–24–3 проводились контрольные испытания в государственно сертификационном центре взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (г. Донецк) (вывод экспертизы № 1843–2010).
Допустимые
параметры искробезопасных цепей составили:
Эти
результаты удовлетворительно согласуются с безопасными параметрами,
полученными по расчетно метода бескамерной тепловой оценки.
Примечательно, что анализ протоколов камерных испытаний ряда образцов искробезопасных блоков питания показал наличие упреждающей запасов параметров искробезопасных цепей из–за использования образцовых индуктивностей и емкостей с номиналами кратными 5 и 10. Рассмотренный расчетный метод позволяет устранить этот недостаток камерных испытаний.
Таблица 1 –
результаты
расчета для метано–воздушной
смеси
(I), сила
тока нагрузки – 2,93 А
|
Индуктив–ность
нагрузки
L1, мкГн |
Время
разряда T, мкс (после окончания колебаний) |
Энергия
разряда W, мкДж |
Температура
«поверхности дуги» TK, K |
Радиус дуги
электрического разряда r, мм |
Скорость
размыкания v, м/с |
Факт
воспламенения |
| 100 | 14,85 | 376,2 | 3803 | 0,095 | 6,5 | нет |
| 150 | 17,37 | 574,2 | 4136 | 0,118 | нет | |
| 160 | 18,65 | 614,6 | 4210 | 0,121 | нет | |
| 180 | 18,9 | 693,8 | 4351 | 0,131 | есть |
| Индуктив–ность
нагрузки L1, мкГн |
Время
разряда T, мкс (после окончания колебаний) |
Энергия
разряда W, мкДж |
Температура
«поверхности дуги» TK, K |
Радиус дуги
электрического разряда r, мм |
Скорость
размыкания v, м/с |
Факт воспламенения |
| 50 | 16,2 | 0,585 | 4211 | 0,116 | 6,5 | нет |
| 55 | 17,3 | 0,646 | 4263 | 0,123 | нет | |
| 56 | 17,97 | 0,659 | 4248 | 0,126 | есть | |
| 58 | 18,09 | 0,683 | 4281 | 0,128 | есть | |
| 60 | 18,3 | 0,706 | 4309 | 0,13 | есть |
На стадии проектирования и разработки целесообразно применять метод бескамерной тепловой оценки искробезопасности существующих и новых схем взрывозащищенного электрооборудования с требуемыми искробезопасными параметрами. Применение такого метода актуально при сравнительном сопоставлении различных способов обеспечения искробезопасности, в частности, измерительных органов узлов отключения при коммутации.
Бескамерная оценка также позволяет избежать необоснованных запасов при определении предельных параметров, вызванных особенностями проверок и испытаний во взрывных камерах, что в ряде случаев повышает потребительские качества изделий.