Фрагмент доклада «Научные исследования в Англии в области искробезопасного применения электрической энергии в воспламеняющей атмосфере», 1964 г., стр. 13-21

УДК 622.8

Кравченко В.С.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

     Исследуется влияние форм электрических разрядов на их воспламеняющую способность. Уже в настоящее время имеется основание считать, что емкостные разряды, повидимому, обладают наиболее низкой минимальной энергией воспламенения (Литчфилд, I960 г.); дуговые разряды требуют для воспламенения в 1,5, а тлеющие в 2-3 раза большей энергии. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что как дуговые, так и тлеющие разряды имеют узкие области катодного падения, и значительная часть энергии разряда, концентрирующаяся вблизи катода, теряется на катоде за счет его высокой теплопроводности. Это подтверждают фотографии (рис.1), снятые Уидгинтоном [1]. Они показывают, что начальная форма ядер пламени зависит от типа разряда и распределения энергии в разрядном промежутке.

     Изучение различных форм электрических разрядов и их воспламеняющей способности продолжает оставаться важной задачей исследований по искробезопасности.
     Электрические разряды, происходящие при замыкании и размыкании реальных электрических искробезопасных цепей, как правило, происходят между движущимися контактами и прекращаются, когда контакты замкнутся или разойдутся на слишком большое расстояние. В этих условиях различают разряды, близкие к стационарным (дуговые и тлеющие), и колебательные (искры пробоя), когда емкость, связанная с электрической цепью, многократно заряжается и разряжается через зазор между электродами при достижении напряжения пробивной величины (Аттала, 1953 г.)
     Дуговые разряды отличаются небольшим падением напряжения (порядка 27 В), почти не зависящим от тока и расстояния между электродами при небольших зазорах, характерных для искробезопасных цепей. Для больших зазоров напряжение увеличивается. Распределение потенциалов при дуговом разряде показано на рис. 2,а [1].

     Ток при дуговом разряде должен превышать определенную величину (порядка 1А по английским и 0,5 м по немецким данным), чтобы дуговой разряд был возможен. Длительность дуговых разрядов в искробезопасных цепях достигает 100 мксек (в рудничном газе).
     Предполагается, что при дуговом разряде, если катод выполнен из тугоплавкого материала (вольфрам, углерод), основным источником электронов является скорее термоионная эмиссия, чем эмиссия, вызванная электрическим полем. Вследствие бомбардировки электронами анода получаются ионы металлов. Электронная и ионная бомбардировки вызывают нагрев анода и катода.
     Тлеющие разряды отличаются более высоким катодным падением напряжения (примерно 300 В, рис. 2,6) и обычно происходят при токе ниже 10 мА; при большем токе имеется тенденция в возникновению колебательных и при еще большем токе - дуговых разрядов.
     Катодное падение напряжения 300 В при тлеющем разряде обеспечивает ионы энергией, достаточной для возникновения вторичной эмиссии за счет ионной бомбардировки.
     Единичные разряды большого тока длительностью порядка до 1 мксек наступают при достижении на электродах напряжения пробивной величины (более 300 В).
     В серии колебательных разрядов в искробезопасных цепях длительностью порядка 100 мксек может быть несколько сот небольших емкостных разрядов.
     В реальных условиях размыкания индуктивных искробезопасных цепей имеют место также смешанные разряды – дуговые, тлеющие и колебательные. Характерным для этих разрядов является то, что они не могут быть воспроизведены даже при сохранении постоянства номинальных условий размыкания. Небольшие изменения поверхности электродов, обгорание, загрязнение, пыль и т.п., а также особая нестабильность разрядов при токе, приближающемся к минимальному дуговому току – все это является одной нз основных причин нестабильности самих paзрядов и, следовательно, статистического характера воспламенения взрывчатой смеси от разрядов разныкания. Другая не менее важная причина нестабильности воспламенения, заключается в неустойчивости самого процесса развития ядра пламени и теплоотвода через электроды.
     Таким образом, электрическая цепь при одних и тех же параметрах может давать разряды, которые иногда вызывают, а иногда не вызывают воспламенение окружающей взрывчатой смеси. В связи с этим возникает необходимость учета вероятностного характера искрового зажигания.
     В последнее время в Англии было проведено исследование возможных форм электрических разрядов в реальных искробезопасных цепях различных типов. Ниже кратко описаны результаты этих исследований [1].
     Низковольтные (50 в) индуктивные цепи. При размыкании индуктивно-емкостной цепи (рис. 3,а) форма разряда размыкания в первую очередь определяется величиной размыкаемого тока. Если ток размыкания превышает минимальный ток дуги U_min , то в начале образуется дуговой разряд при падении напряжения примерно в 25 В.

     Дуга погаснет при I_min, а остаток накопленной индуктивной энергии превратится в емкостную энергию конденсаторов C₁ и С₂. Процесс эарядки будет продолжаться до тех пор, пока напряжение между контактами не достигнет величины пробивного напряжения. Последнее зависит от расстояния между электродами и скорости нарастания напряжения. Пробой часто происходит примерно при 300 В, а емкости разряжаются. Затем емкости вновь заряжаются – происходит колебательный емкостной разряд.
     Колебательный разряд прекращается при понижении индуктивной энергии и при увеличении расстояния между электродами. Часто за колебательным разрядом следует простое колебание тока в цепи без разряда, но в некоторых случаях происходит тлеющий разряд при силе тока в несколько миллиампер и напряжении примерно 300 В. Тлеющий разряд гаснет по мере понижения тока и дальнейшего рассеяния накопленной индуктивной энергии.
     Если ток размыкания меньше минимального тока дуги, то дуговая стадия отсутствует. Разряд начинается с колебательного емкостного разряда при условии, что накопленной индуктивной энергии достаточно для обеспечения напряжения на разрядном промежутке более 300 В; в противном случае разряд отсутствует.
     Разряд замыкания в цепях низкого напряжения может возникнуть при сближении электродов в результате эмиссии электронов из катода при напряженности поля выше 10 В/см и электрического пробоя промежутка. Однако разряд вскоре прекращается вследствие физического контакта электродов. При этом обычно происходит нагрев и выплавление участков соприкосновения, могущее привести к образованию зазора между электродами и к образованию новых пробоев. В достаточно индуктивной цепи возрастание тока происходит медленно, а поверхности соприкосновения между электродами обычно увеличиваются так быстро, что расплавления не происходит. Предполагается, что могут иметь место только весьма кратковременные разряды за счет межэлектродной емкости при пробое, вызванном начальной эмиссией [1].
     Емкостные цепи. В емкостных цепях (рис. 3,6) при размыкании цепи дуга не образуется, так как требуется некоторое время для повышения напряжения на контактах до напряжения горения дуги. При замыкании заряженного конденсатора тотчас же после пробоя или физического контакта между электродами протекает большой ток. При достаточной величине энергии конденсатора и тока просиходит выплавление небольших поверхностей соприкосновения контактов и образуется дуга (при напряжении более 25 В), которая будет существовать до повторного сближения контактов или до падения напряжения ниже напряжения горения дуги.
     Омические цепи. В омических цепях (рис. 3,в) при размыкании образуется дуговой разряд, если > I_min ( при U>25 В). Разряд прекращается при увеличении расстояния, так как при этом увеличивается напряжение горения дуги и, следовательно, снижается ток.
     Если U > 300 В и < I_min, может произойти тлеющий разряд. Разряд гаснет в результате повышения необходимого разрядного напряжения при увеличении расстояния. При этом межконтактная емкость может разрядиться в виде пробоя зазора и колебательного разряда. Возникновение такого разряда наиболее вероятно в начале разведения электродов при небольшом расстоянии между ними. При большем разведении электродов более вероятен тлеющий разряд (при токе порядка 1 мА [1]).
     Если напряжение цепи U < 300 В, разряды замыкания определяются расплавлением контактных поверхностей, а при более высоких напряжениях могут возникнуть пробои еще до соприкосновения контактов. При > I_min после начального пробоя следует дуговой разряд, который заканчивается только при завершении физического контакта между электродами.
     Если U < 300 В, < I_min, то при сведении контактов образуются весьма непродолжительные разряды пробоя небольшой энергии, связанные с межэлектродной емкостью.
     Если U > 300 В и < I_min, то при сведении контактов образуются колебательные и тлеющие разряды. Разряды гасятся при достаточно хорошем контакте между электродами, предотвращающем образование искрового промежутка при расплавлении.
     Изучение условий образования различных форм электрических разрядов в цепях различных конфигураций является одной из наиболее сложных проблем искробезопасиости.
     Приведенный здесь анализ [1] относится только к весьма простым цепям. В более сложных цепях предсказание вероятной формы разряда затруднительно, а так как минимальный ток дуги зависит еще от материала и формы контактов, предварительное определение действительного типа разряда, возможного в практических условиях, не может быть достаточно точным.
     Расчетная оценка искробезопасности электрических цепей усложняется еще тем, что до сих пор нет расчетного способа оценки влияния гасящего действия электродов и влияния формы разряда на его воспламеняющую способность. Таким образом, в Англии в настоящее время еще не имеется надежного расчетного (без взрывных камер) способа решения вопроса, вызовет ли искрообразование в цепи воспламенение; только в очень простых случаях можно путем вычисления прийти к надежным выводам. Поэтому оценка искробезопасности электрических цепей производится, как правило, экспериментально с помощью специальных взрывных камер, где искропроизводящее устройство должно имитировать искрообразование в реальных рабочих условиях. Возникающее при этом затруднение заключается в том, что различные конструкции искрообразущих устройств воспроизводят разряды различного характера. Более того, даже разряды, полученные с помощью одного и того же прибора, также могут значительно отличаться друг от друга.
     В английской практике оценки искробезопасиости стремятся обеспечить лучшую воспроизводимость одинаковых разрядов и, главное, обеспечить наиболее опасные условия искрообразования, встречающиеся в реальной рабочей обстановке.
     Дальнейшие исследования в Англии направлены на более фундаментальное изучение процесса зажигания и получение основных данных о воспламеняющих параметрах разрядов в сложных цепях. Надеются, что эти исследования приведут к созданию простых и надежных расчетных способов оценки искробезопасиости электрических цепей и позволят усовершенствовать методы испытания искробезопасного электрооборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Уидгинтон Д.У. Воспламенение метано-воздушных смесей под действием электрических разрядов. Доклад на III Международном горном конгрессе. Зальцбург, 1963.