Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- 1. Постановка проблемы
- 2. Анализ исследований и публикаций
- 3. Цель статьи
- 4. Сфера применения
- 5. Обзор существующих методов достижения искробезопасности
- Заключение
- Список источников
1. Постановка проблемы
Предприятия нефтехимической, химической, фармацевтической, газоперерабатывающей промышленности, а также ряд предприятий пищевой отрасли предъявляют особые требования к системам управления и контроля технологическими процессами. Характерной особенностью таких производств является постоянное или временное наличие взрывоопасных газовоздушных смесей на производственных установках. Неисправности слаботочных электрических цепей систем управления и контроля подобных объектов (замыкание или появление высокого потенциала в сигнальных цепях) может вызвать искрение и спровоцировать пожар или взрыв.
Вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» (ИБЦ), получивший распространение в последние десятилетия, позволяет избежать использования для электрических цепей указанного типа взрывозащитных оболочек, т.е. отсутствует необходимость в прокладке проводов в стальных трубах и расположении приборов в литых алюминиевых коробках, что создавало бы значительные неудобства при монтаже и эксплуатации. Учитывая широкие возможности по расширению, модернизации систем управления с видом защиты ИБЦ, а также их высокую экономичность, безопасность, удобство, простоту установки и обслуживания возникает необходимость решения проблемы, связанной с выбором методики оценки предельных параметров ИБЦ, которая учитывает возможность их применения в заданных производственных условиях.
Оценка искробезопасности (ИБ) элементарных электрических цепей легко выполняется по справочным данным об электрических параметрах внешних цепей, которые приводятся в сертификатах соответствия. При этом емкость и индуктивность ИБ цепей с учетом соединительных кабелей не должны превышать максимальных значений, оговоренных для связанного электрооборудования. Расчетная оценка ИБ объединенных цепей вызывает гораздо большие затруднения, так как при соединении действующего связанного электрооборудования в комплект невозможно уже непосредственно использовать электрические параметры, которые приведены в сертификатах соответствия каждой единицы оборудования. Общая ИБ комплекта (системы) рассматривается как для единого электрического устройства с новыми допустимыми значениями параметров. Тесты таких электрических систем встречаются с рядом трудностей, т.к. необходимый набор связанного оборудования и аварийных режимов, как правило, недоступен разработчику. Здесь единственным средством являются расчетные проверки [5].
2. Анализ исследований и публикаций
Содержит упрощенные процедуры поиска максимальных напряжений и силы тока в ИБ системах с несколькими связанными аппаратами и линейными нагрузочными характеристиками. Основой расчета здесь служит эквивалентное приведение последовательного, параллельного и смешанного соединений цепей к простым цепям с последующей оценкой по [4]. Данный анализ не может быть использован для источника питания с другими нагрузочными характеристиками. Проблема оценки ИБ схем с нелинейными элементами изучена в меньшей степени; она активно обсуждается длительное время и до сих пор находится в стадии развития [2]. В этом случае определение максимально допустимых электрических параметров путем простого сложения выходных значений отдельных элементов невозможно и требуется обработка более сложных зависимостей и вольт-амперных характеристик. Известная методика предполагает графическое суммирование выходных характеристик, а также нанесение их на поле допустимых графических зависимостей U0 = f(I0, C0, L0) для групп взрывозащищенного электрооборудования IIC и IIB. Здесь и далее в тексте использованы следующие обозначения: U0, I0 – максимальные значения, соответственно, напряжения и тока для связанного оборудования; Uі, Iі – максимально допустимые значения, соответственно, напряжения и тока для искробезопасного электрооборудования, установленного во взрывоопасной зоне; L0, C0 – максимально допустимые значения индуктивности и емкости во внешней искробезопасной цепи; Lі, Cі – значения собственной индуктивности и емкости; Lс, Cс – значения индуктивности и емкости соединительного кабеля. Каждая зависимость минимального воспламеняющего тока от напряжения представлена двумя ограничительными кривыми: 1 – индуктивный предел для источника питания с прямоугольной нагрузочной характеристикой и максимально допустимой индуктивностью во внешней искробезопасной цепи L0 = 0,15; 0,5; 1; 2; 5 мГн для подгруппы ІІС или 0,5; 1; 5; 10; 25 мГн для подгруппы ІІВ и 2 – то же для источника питания с линейной нагрузочной характеристикой при различных максимально допустимых емкостях С0 = 0,03..5 мкФ. Т.к. защитные характеристики отдельных источников и их комбинаций могут отличаться от приведенных, и параметры Li, Сi искробезопасного оборудования выходят за указанные рамки, то необходима разработка методики, учитывающей эти особенности.
3. Цель статьи
Разработка расчетной методики для проверки возможности подключения связанных электрических цепей ИБ электрооборудования. Результаты исследований рекомендуется использовать для выбора номинальных параметров барьеров искробезопасности и максимально допустимых индуктивностей Lс и емкостей Cс соединительных кабельных линий.
4. Сфера применения
Методика предназначена для оценки и прогнозирования безопасных параметров электрического оборудования с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», которая, находись под напряжением с учетом нормативных коэффициентов запаса исключает возникновение искр и нагрева, недопустимых по условиям воспламенения метано – воздушной взрывчатой смеси.
Методика предназначена для специалистов научно – исследовательских и конструкторских организаций по разработке взрывозащищенной аппаратуры автоматики, управления и связи в горной отрасли промышленности, специалистов испытательных и сертификационных центров взрывозащищенного электрооборудования и работников надзорных органов.
Методика может использоваться в качестве вспомогательного средства для количественного анализа коэффициентов искробезопасности при создании новых схем и принципов конструирования, а также при проведении предварительных сертификационных испытаний рудничного электрооборудования с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь».
5. Обзор существующих методов достижения искробезопасности
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 показывают возможность использования с этой целью предлагаемого метода бескамерной тепловой оценки опасности искрения в электрических цепях взрывозащищенного 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 [6]. 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.
<style type="text/css"> #maintext {background-color: white;}
</style>
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 (анимация: 5 кадров; 6 циклов повторения; 44 килобайта)
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
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:
- для индуктивных и резистивных цепей уменьшают сопротивление ограничительного резистора для увеличения силы тока испытуемой цепи в число раз, кратное коэффициенту искробезопасности. Если коэффициент искробезопасности не может быть достигнут таким способом, то увеличивают напряжение;
- для емкостных цепей напряжение испытуемой цепи увеличивают в число раз, кратное коэффициенту искробезопасности.
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 –
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 4 – 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:
- >индуктивность L0 – не более 0,05 мГн;
- >емкость С0 – не более 10 мкФ.
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 |
Таблица 2 – результаты расчета для метано–воздушной смеси (I), коэффициент запаса по току 1,5. Отсюда I0 = 3,3*1,5 = 4,95 A, U0 = 25 B*1,1 = 26,4 B.
|
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.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
1. ГОСТ 22782.5–78. Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», технические требования и методы испытаний. – Введ. от. 01.80. – М.: Изд–во стандартов, 1979. – 69 с.
2. Султанович А.И. Искробезопасность электрических цепей приборов и средств автоматики. – М.: Недра, 1966. – 119 с.
3. ГОСТ P 51330.10 – 99 (МЭК 60079 – 11 – 99). Электрооборудование взрывозащищенное, ч.11 – Искробезопасная электрическая цепь. Госстандарт России от 09.12.1999г. – М.: Изд–во стандартов, 1999.
4. Серов В.И. Рудничные искробезопасные цепи и устройства: Автореф. дис. .докт. техн. наук. – М.: Ин–т горн, дела им. А.А.Скочинского, 1971. – 47 с.
5. Иост В. Взрывы и горение в газах. – М.: Энергия, 1952. – 678с.
6. Щетинков Е.С. Физика горения газов – М.: Наука, 1965. – 740с
7. Ерыгин А.Т. Воспламенение взрывчатых смесей от электрического разряда и обеспечение искробезопасности электрических цепей – М.: Наука, 1980. – 138с.