Одним из направлений решения задачи безопасности является применение искробезопасных систем передачи и использования электроэнергии. Электрические цепи таких систем безопасны по своей сути и не требуют дополнительной защиты. Электрические цепи считаются искробезопасными, когда разряды или термическое воздействие, которое возникает в нормальном и при аварийном режиме работы электрооборудования, не приводит к возгоранию взрывоопасной смеси.
Для бескамерной оценки искробезопасности индуктивных емкостных цепей в настоящий момент используются зависимости минимального воспламеняющего напряжения от емкости цепи и сопротивления ограничительного резистора, полученные для основных газовых смесей групп I и II при токе заряда конденсатора менее 2 мА (ГОСТ 22782.5-78, IEC 60079-11, ГОСТ Р 51330.10-99). На практике же данные цепи применяются редко. Поэтому имеющиеся зависимости минимального воспламеняющего напряжения находят применение для ориентировочной оценки допустимой емкости конденсаторов, особенно на стадии проектирования аппаратуры. Их применение ограничивается также малым перечнем значений емкости конденсатора и сопротивления ограничительного резистора, для которых имеются данные зависимости. Это делает актуальной разработку расчетного метода оценки искробезопасности цепей, имеющих емкостный, а также индуктивный характер.
Работа выполняется согласно разделам плана Национальной академии наук Украины: постановление №55, п.1.7.4.1, 1.7.8. Работа выполняется в соответствии с тематикой кафедры ЭПГ.
- установить закономерности электрического воспламенения в газовой среде с учетом влияния искрогасильного действия контактов и длительности разряда на воспламенение, а также установить соотношения между параметрами электрического разряда, который обеспечивает заданную достоверность взрыва;
- установить возможности использования разработанных математических и компьютерных моделей искрогасильних шунтов для расчетной оценки искробезопасности на примере ряда сложных индуктивных, емкостных и индуктивно емкостных цепей.
- разработать методику, которая позволяет определить необходимые параметры искробезопасной цепи заданной конфигурации с использованием блока дугового размыкания и замыкания; определение параметров разряда, в искробезопасной цепи с учетом влияния емкостных и индуктивных элементов и последующая проверка опасности при развитии ядра огня, то есть взрывозащищённости; провести симуляцию переходных процессов в искробезопасных цепях электрооборудования и спрогнозировать опасность воспламенения во взрывоопасной среде при помощи компьютерного моделирования.
а) изучение существующих моделей дуговых и искровых разрядов;
б) изучение энергоотдачи из индуктивно-емкостних цепей в разряд;
в) использование разработанной на кафедре ЭПГ методики для оценки искробезопасности;
г) расчёт схем с индуктивно-емкостными цепями и сравнение результатов.
Определение искробезопасных цепей, содержащих индуктивные и емкостные элементы, на основе расчётно-экспериментальных зависимостей воспламеняющей энергии разряда емкостной цепи от времени разряда и напряжения схемы.
искробезопасные электрические цепи, сигнализация, управление, автоматизация взрывоопасных производств.
Все методы оценки искробезопасности электрических цепей базируются на разработке более или менее точной модели процесса, который отображает характер электрического воспламенения взрывоопасной газовой смеси. Чем более точные будут модели процесса, тем более эффективными будут методы оценки искробезопасности. Эффективные расчетные методы позволили бы уменьшить объём испытаний во взрывных камерах за счет определения наиболее опасных ветвей.
Методы оценки искробезопасности приведены в ГОСТ Р 51330.10-99 и стандартах Международной электротехнической комиссии, основанные на упрощающих предположениях о моделях электрического разряда или експерементальних данных об искробезопасности простых цепей.
В действующем стандарте приведены основные методы оценки искробезопасности. Но эти методы достаточно трудоёмки, в связи с применением корректирующих коэффициентов, поправочных кривых, и тому подобное, что существенно усложняет выбор оптимальных вариантов искробезопасной аппаратуры.
Важно отметить, что испытания электрических цепей на искробезопасность, проведенные во взрывных камерах, как один из методов, имеют низкую достоверность и плохую воспроизводимость результатов. Кроме того, они длительны и, как правило, доступны только для специализированных организаций. Предложены безкамерные методы оценки сложные, недостаточно формализированные и имеют много ограничений.
Поэтому была применена программа Microcap 9.0 для расчетной оценки искробезопасности емкостных цепей, а также для получения расчетных зависимостей минимального воспламеняющего напряжения для емкостных цепей и их сравнение с имеющимися экспериментальными зависимостями. А также был использован цифровой осциллограф для получения экспериментальных кривых для смесей I и II :
|
Рисунок 1 - Осциллограмма экспериментальных кривых для смесей I и II
Исследована воспламеняющая способность емкостных цепей с ограничительным резистором в разрядной цепи по данным IEC60079-11. Определена расчетная зависимость минимального воспламеняющего напряжения емкостной цепи с ограничительным резистором в разрядной цепи для группы I, а в цепи с индуктивными элементами – обоснована причина погрешностей существующих методик.
Разработано программное обеспечение, подобраны коэффициенты уравнения регрессии, отражающие зависимости воспламеняющей энергии от времени разряда и напряжения цепи; проведены конкретные расчёты схем искробезопасного электрооборудования.
На кафедре ЭПГ была создана математическая модель электрического воспламенения в газовой среде (система уравнений, которая описывает процессы теплопроводимости и движения электродов, а также методика решения этой системы уравнений на ЭВМ). Она отличается тем, что впервые для решения задач электрического воспламенения газовой смеси обеспечивается учет зависимости теплотехнических свойств среды от температуры (включая тепловое расширение очага воспламенения), а также материалы, формы и скорости движения коммутирующих электродов.
Модель позволяет исследовать развитие ядра пламени практически при любых реальных условиях коммутации и может быть использована для непосредственной оценки искробезопасности конкретных электрических цепей.
Доцентом кафедры ЕПГ Бершадским И.А. предложена усовершенствованная модель оценки искробезопасности в цепях, содержащие индуктивно-емкостные элементы. Модель работает следующим образом: при замыкании ключа SV1 конденсатор С1 разряжается через модель искрового разряда, который представляет собой сопротивление RR, изменяющееся с течением времени, как показано на рис.2.
 |
Рисунок 2 - Схема расчетная для оценки искробезопасности индуктивно-емкостной цепи (Анимация: объем - 52 кВ; количество кадров - 5; задержка между кадрами - 100 мс; количество циклов повторения - 6)
Постоянная времени дугового разряда τ изменяется в соответствии с зависимостью радиуса от тока и теплофизических параметров газовой смеси. В отличие от предыдущих моделей, данная модель учитывает знак Ct цепочки, моделирующей инерционный ток дуги, что позволило правильно учесть физические процессы, происхлдящие в рассматриваемых искробезопасных цепях.
Вопросом расчётной оценки искробезопасности емкостных цепей занимается канд. техн. наук, ведущий науч. сотр. МАКНИИ Диденко В.П., который предложил схему для расчёта переходных процессов при замыкании и размыкании контактов:
 |
Рисунок 3 - Схема расчетная для оценки искробезопасности емкостной цепи (Анимация: объем - 104 кВ; количество кадров - 5; задержка между кадрами - 100 мс; количество циклов повторения - 6)
Оценке искробезопасности емкостных цепей посвящены также работы В.И. Демихова (1971), в которых приводятся полученные экспериментальным путем характеристики искробезопасности.
Аналогичные исследования проводит намецкий учёный Мартин Крамер.
Разработана методика в пакетах MathCad и MicroCap, которая позволяет определить параметры индуктивно-емкостных цепей, обеспечивающих заданную вероятность взрывозащищённости в искробезопасных цепях групп I и II. Это позволило сократить трудоёмкость, повысить точность оценки искробезопасности электрических цепей на стадии проектирования аппаратуры.
При написании данного реферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2010 года.