Душевін Василь Юрійович

Кафедра електропостачання промослових підприємств і міст

Прогнозування іскробезпечних параметрів складних електричних кіл рудничного устаткування

Науковий керівник: к.т.н. доц. Ілля Адольфович Бершадський

Реферат з теми випускної роботи

Одним із найбільших ефективних та економічно виправданих видів вибухозахисту є іскробезпечне електричне коло, що одержало широке поширення в шахтній апаратурі зі слабкострумовими колами (апаратура газового захисту, зв’язку, автоматики та ін.). Цей від вибухозахисту дозволяє експлуатацію шахтної апаратури в аварійних ситуаціях, пов’язаних із раптовим підвищенням концентрації вибухонебезпечних газів у рудничній атмосфері, що істотно підвищує загальний рівень безпеки праці на вугільних підприємствах.

Електричні кола таких систем безпечні за своєю природою і не потребують додаткового захисту, безпека їх не може бути порушена помилково або недбалістю в процесі експлуатації.

Досвід експлуатації іскробезпечних електричних систем показав, витрати на апаратуру і засоби автоматизації при цьому знижуються на 25–30% в порівнянні з витратами на таку ж апаратуру, вибухобезпечність котрої забезпечена іншими засобами (заповнення оболонок інертними середовищами, інтенсивна продувка чистим повітрям і т.д.). Проте, до теперішнього часу не створена достатньо повна і не суперечлива теорія процесу електричного запалення вибухонебезпечних газових сумішей. Існуючі основні методи оцінки іскробезпеки засновані на спрощуючи припущеннях про моделі електричного розряду, експериментальних даних про іскробезпеку простих кіл.

Наслідком такого припущення є надмірна трудомісткість розрахункових і експериментальних методів оцінки іскробезпеки електричних кіл, використання яких пов’язане із застосуванням коригуючи коефіцієнтів, поправочних кривих і т.п., що істотно ускладнює вибір оптимальних варіантів іскробезпечної апаратури, максимально задовольняючих як технологічним вимогам, так і вимогам безпеки.

2   Мета та задачі работи

Метою роботи є встановлення закономірностей електричного запалення в газовому середовищі для визначення співвідношень між параметрами електричного розряду, що забезпечує задану вірогідність вибуху, які дозволяють підвищити безпеку виробництва за рахунок вдосконалення методів оцінки іскробезпеки електричних кіл.

Наступний перелік відображає задачі, що відносяться до чотирьох головних напрямів наукових досліджень в області іскробезпеки:

1. уточнення початкових умов для оцінки іскробезпеки електричних кіл;
2. вдосконалення  розрахункового методу прогнозування іскробезпеки в складних колах,  що містять велику кількість елементів, зокрема напівпровідникових;
3. дослідження за допомогою комп’ютерної моделі розряду в іскробезпечних колах і встановлення залежності параметрів іскрового розряду (енергії, тривалості) і їх впливу на процес запалення;
4. підвищення іскробезпечної потужності електричних кіл.

3   Практична цінність

Наукова значущість роботи полягає в тому, що достовірна аналітична оцінка іскробезпеки електричних кіл може бути здійснена при створенні моделі, що одночасно враховує перехідні процеси в колі за різних умов комутації, розвиток електричного розряду за цих умов, а також вплив іскроутворювального механізму на запалювання. До теперішнього основним методом оцінки іскробезпеки був експериментальний, заснований на випробуванні електричних кіл у вибухових камерах. Такий метод оцінки іскробезпеки  трудомісткий і в більшості випадків не дає можливості оцінити іскробезпеку на початковій стадії розробки апаратури.

В окремих випадках результати випробувань у вибухових камерах можуть бути використані для оцінки іскробезпеки електричних кіл на стадії проектування апаратури. Так, електричні кола, що характеризуються незмінною величиною струму розряду протягом всієї його тривалості, можуть бути оцінені по характеристиках іскробезпеки, одержаних спеціально для таких кіл. До такого класу кіл відносяться індуктивні навантаження з діодними і стабілітроннимі шунтами, індуктивність яких перевищує 50 мГ, а також джерела живлення з нелінійною характеристикою, що забезпечує постійний струм в розряді.

 При випробуваннях у вибухових камерах однією з найважливіших задач є вибір найбільш небезпечних режимів. Обгрунтований вибір таких режимів дозволяє істотно скоротити час випробувань. Можна вважати, що найбільш небезпечними режимами при випробуванні індуктивних навантажень з іскрогасильними шунтами є:

1. випробування лінійних і нелінійних джерел при підключенні до навантаження з максимальною потужністю;
2. випробування джерел, що відключаються при комутації - режим, при якому паралельно джерелу підключене постійне навантаження з мінімальною потужністю, але з максимальною ємністю іскрогасильного шунта (комутується решта частини навантаження). Крім того, необхідно перевіряти режими з максимальною потужністю навантаження, а також з обмеженою потужністю, що дещо перевищує іскробезпечну потужність для безреактивних кіл, визначуваних по характеристиках іскробезпеки;
3. випробування кіл з кабелем у разі малої потужності кола і підвищеної напруги кола - коротке замикання у середині кабелю. За наявності джерела з відключенням при комутації кола - коротке замикання і розрив в кінці кабелю. За наявності опору кабелю, сумірного з опорами джерела і навантаження, - при різних довжинах кабелю.

Іншою, не менш важливою задачою є забезпечення заданого коефіцієнту іскробезпеки.

Серед запланованих практичних результатів можна відмітити: 

1. уточнення методів прогнозування іскробезпечних параметрів електричних кіл;
2. прогнозування іскробезпечних параметрів пускових органів шахтного обладнання при використанні імпульсного джерела живлення;
3. економічне обґрунтування проекту розробки математичної моделі електричного запалення в газовому середовищі.

В [1] наведено опис іскробезпечного блоку живлення і захисту для цифрових систем управління та диспетчеризації. Дослідження розрядів і процесів комутації, а також аварійних режимів поз воляет оцінити іскробезпека підключених до нього ланцюгів. Роботи [2, 5] показують можливість використання з цією метою пропонованого методу безкамерної теплової оцінки небезпеки іскріння в електричних ланцюгах вибухозахищеного обладнання. Використання такого методу для розрахунку складних схем розроблюваних і експлуатованих іскробезпечних джерел живлення раніше не проводилося.

Пропонований метод розрахункової оцінки іскробезпеки електричних кіл, іменований далі методом безкамерної теплової оцінки, підвищує точність визначення небезпеки іскріння при розмиканні контактів електричного кола складної конфігурації в атмосфері вибухонебезпечної суміші за рахунок удосконалення моделі розрахунку параметрів слаботочного розряду в електричних ланцюгах вибухозахищеного електроустаткування[4]. Крім того, метод забезпечує зменшення обсягу трудомістких випробувань при експериментальній оцінці іскробезпеки, особливо на стадії проектування і при пошуку оптимальних схемних рішень.

Структура математичної моделі (рис. 1), що реалізує даний метод, містить джерело 1 електричної енергії з лінійною, трапецеїдальної або прямокутною вольтамперною характеристикою на виході, реактивне електричне коло 2 з довільним з'єднанням елементів, що входять до неї, блок 3 дугового розряду, що враховує динамічні зміни теплової постійної часу дугового розряду і відводиться від розряду потужності Рд в залежності від сили струму і напруги комутаційного процесу, конвертор 4 з електричної моделі в теплову, блок 5 результатів розрахунку температурного фронту полум'я, рівного температурі горіння метано-повітряної суміші 2000 К, накопичувачі 6 і 7 інформації, що дозволяють застосувати графічні засоби для виведення результатів або збереження і документування звітів. Для розрахунків в блоках 3 та 4 використовується база теплофізичних властивостей газових сумішей 8 в заданих умовах роботи електрообладнання та база дизайну іскроутворювального механізму 9, що враховує швидкість і характер розмикання контактів, їх розміри і матеріал.

Програма, що реалізує запропонований спосіб, функціонує наступним чином. У нормальному режимі роботи під дією джерела 1 в електричному ланцюзі 2 розраховується сталий режим, що характеризується заданою силою струму іскроутворювального апарату I(t) і напругою робочих елементів U(t). При комутації однієї з гілок електричного кола, в якій встановлено блок 3 дугового розмикання із заданими параметрами, прораховується виділення енергії розряду W(t) і часу його існування T, а також залежність миттєвої зміни ефективної електричної потужності дуги Р(t) від часу t. Модель розряду представлена ​​функцією передачі у вигляді математичного запису рівняння Майра, а теплова постійна часу дуги коригується зворотним зв'язком по силі струму в блоці 3.

Отримані параметри розряду передаються в теплову модель блоку 4. У ньому розв'язується система диференціальних рівнянь в приватних похідних, що визначає розвиток теплового вибуху (наявність або відсутність температурного фронту полум'я горіння) з урахуванням явищ теплопровідності і дифузії при наявності екзотермічної хімічної реакції окислення метаноповітряної суміші. Швидкість розмикання контактів ланцюга, початкова провідність дуги і момент початку розмикання ланцюга визначаються користувачем у діалоговому вікні.

Рисунок 1 – Блок–діаграма програмного забезпечення автоматичного аналізу займання в тестовому електричному колі

Дослідження проведені на прикладі комутації активно–індуктивного навантаження блоку живлення іскробезпечного типу ІПІ–24–3 (номінальна вихідна напруга 24 В, сила номінального вихідного струму 3 А) з маркуванням вибухозахисту Іb за ГОСТ 12.2.020, виконаного за комбінованою схемою: з струмовою відсічкою і з відключенням по похідній сили струму навантаження.

ІПІ–24–3 складається з двох функціональних вузлів: перетворювача напруги мережі 127 ... 220 В в напругу постійного струму 12 В або 24 В і бар'єру іскрозахисту

Рисунок 2 – Блок–схема іскробезпечного джерела живлення

Бар'єр іскрозахисту складається з двох силових ключів з незалежним керуванням, що забезпечує дублювання, шунта для вимірювання сили струму навантаження джерела і схеми управління. Для забезпечення необхідної швидкодії при обмеженні сили струму на заданому рівні використовуються дві незалежні схеми порівняння 3 і 4, які переводять ключі в лінійний режим роботи. Обмеження сили струму досягається за рахунок управління опором ключів. Схеми 3 і 4 формують падаючу струмову характеристику з рівнем відсічення 5,5 А (для 12 В) і 3,3 А (для 24 В). Швидкодія схем гарантує обмеження сили струму в разі короткого замикання за час 2 ... 3 мкс.

Сигнал з шунта також подається на схеми диференціювання і порівняння 1 і 2, реалізуючі компаратори. При перевищенні модуля швидкості зміни сили струму навантаження заданого значення 1А/мс вони впливають на відповідні силові ключі і розривають ланцюг живлення навантаження. Швидкодія схем – не менше 5 ... 7 мкс. Таким чином, при комутації ланцюга навантаження енергія джерела живлення майже повністю розсіюється на опорах силових ключів і не виділяється в електричному розряді. Після відключення струму навантаження схеми 1 і 2 забезпечують паузу в 20 ... 25 мкс до наступного включення силових ключів.

Контролер переводить бар'єр у включений стан і забезпечує плавне включення ключів зі швидкістю зміни сили струму, меншою, ніж поріг спрацювання схем порівняння 1 і 2, стежить за тепловим навантаженням ключів, не допускаючи їх перегріву, а також контролює напругу на навантаженні. Він може пріорітетно відключати силові ключі і включати ключі, якщо немає заборони на це з боку схем порівняння 1–4. Аналізуючи вхідні сигнали, контролер обчислює потужність теплового навантаження силових ключів і при необхідності відключає їх на час паузи.

Розрахункова схема ланцюга бар'єру іскрозахисту показана на рис.3. Ланцюги дублювання і сервісних функцій мікроконтролера не показані, оскільки в комутації навантаження вони не беруть участь. У схемі блок живлення містить основний V1 (24 В) та допоміжні джерела напруги V2 і V3 (5 В) для живлення ланцюгів захисту. Транзисторний ключ Х3 на польовому MOSFET транзисторі IRL205_IR представлений коректною SPICE–моделлю. Вузол струмового захисту моделюється транзистором Q4, компаратори X1 і X2 забезпечують швидку (протягом 4,7 мкс) подачу вимикаючого сигналу на ключ Х3.

Навантаження індуктивністю LH і опором RH відключається в момент часу c_br. Модель розряду в ланцюзі складається з ключа SW1, керованого за часом, резистора RD, опір якого відображає динамічну інерційну модель слаботочного розряду [2] і допоміжної ланцюга (джерело EI і індуктивність LI = 1 Гн, рис. 3). Резистор R0 використовується для контролю вихідного струму джерела, а резистор R2 – для усунення колізій у програмі при підключенні індуктивності до джерела напруги.

Наслідком коливань сили струму можуть стати зриви розряду при випробуваннях блоку живлення на іскробезпека у вибухових камерах та епізодичні вибухи (з ймовірністю <10–3). У деяких випадках це призводить до необхідності мати зайві запаси за силою струму випробуваного кола.

Наведені положення показують доцільність попередніх випробувань схем іскробезпечних джерел живлення за допомогою комп'ютерної моделі методу безкамерної теплової оцінки та визначення параметрів розряду та їх вірогідної небезпеки загорання.

Результати тестування зведені в табл. 1 і 2. Відповідно до ГОСТ 22782.5–78 необхідно тестувати іскробезпечні кола із застосуванням коефіцієнта іскробезпеки, щоб гарантувати випробування або оцінку для ланцюга, яка з більшою ймовірністю викличе запалення, ніж первинне коло, або ж первинне коло повинне випробовуватися в більш легкозаймистій вибухонебезпечній суміші[3]. При збільшенні напруги мережі до 110% (з урахуванням його коливання) від номінального значення або подачею напруги від батарей джерел живлення і пристроїв, що обмежують напругу на максимальному рівні, коефіцієнт іскробезпеки повинен бути забезпечений одним з таких способів:

1. для індуктивних і резистивних кіл зменшують опір обмежувального резистора для збільшення сили струму випробуваного кола в число разів, кратне коефіцієнту іскробезпеки. Якщо коефіцієнт іскробезпеки не може бути досягнутий таким способом, то збільшують напругу;
2. для ємнісних кіл напругу випробуваного кола збільшують в число разів, кратне коефіцієнту іскробезпеки.

При заданому коефіцієнті іскробезпеки, наприклад 1,5, для таких кіл спочатку в 1,5 рази збільшують силу дії в ланцюзі струму. Визначають індуктивність, при якій встановлений в ланцюзі струм стає мінімальним запалюючим (викликає запалення вибухонебезпечної суміші з імовірністю 10–3). Потім в 1,5 рази збільшують напругу, а силу струму встановлюють рівною іскробезпечним значенням для знайденої індуктивності і збільшеної напруги. Після цього проводять випробування кола на іскробезпеку.

При тестуванні кола, що працює в газовій суміші групи I (метан) з силою струму I (R0) = 2,93 А отримуємо безпечні параметри: індуктивність LН = 160 мкГн, енергія розряду W = 614,6 мкДж, небезпечна швидкість розмикання v = 6 , 5 м / с. З урахуванням коефіцієнта іскробезпеки за силою струму Ki = 1,5 маємо I (R0) = 4,95 А і напруга джерела U0 = 26,4 В.

Небезпека підключення ємнісного навантаження тестувалася згідно з розрахунковою моделлю рис.5. Ключ SW1 в початковому стані розімкнутий, що забезпечує заряд конденсатора С1 до напруги джерела живлення V1. Перехідний процес запускається в момент замикання ключа (100 мкс на рис. 5). Додаткове коло VD, Rd, Dd задає попередній струм через розряд і моделює виникнення в ньому автоелектронної емісії. Початкова напруга на розряді зменшується від значення V1 до сталого напруги = 10 В по експоненті з постійною часу 10–9 с. Модель RR задає зміну в часі опору розрядного проміжку, яке, у свою чергу, залежить від параметрів розрядного контуру.

Ключ S1 використовується для імітації режиму переходу від опору дугового розряду до опору контактів при їх сходженні. Цей перехід виконується плавно після закінчення дугового розряду для запобігання стрибка напруги.

Безпечні параметри в результаті тестування складають: LН = 55 мкГн, T = 17,3 мкс, W = 0,646 мкДж, небезпечна швидкість розмикання v = 6,5 м / с, безпечна ємність при підключенні навантаження LH і RH – 9 мкФ.

Рисунок 3 – Схема розрахункова за розрядами розмиканні бар'єру іскрозахисту блоку живлення типу ІПІ–24–3

Рисунок 4 – Залежність потужності навантаження блоку живлення PD1 (а, в) і енергії розряду SD (б, г) на інтервалі часу а), б) – 0 .. 4 мс, в), г) – 2 .. 2,3 мс

Для блоків живлення ІПІ–24–3 проводилися контрольні випробування в державному сертифікаційному центрі вибухозахищеного рудничного електрообладнання (м. Донецьк) (висновок експертизи № 1843–2010).

Допустимі параметри іскробезпечних кіл склали:

1. індуктивність L0 – не більше 0,05 мгн;
2. ємність С0 – не більше 10 мкФ.

Ці результати задовільно узгоджуються з безпечними параметрами, отриманими розрахунковим методом безкамерної теплової оцінки. 

Примітно, що аналіз протоколів камерних випробувань ряду зразків іскробезпечних блоків живлення показав наявність упереджувальної запасів параметрів іскробезпечних кіл через використання зразкових індуктивностей і ємностей з номіналами кратними 5 і 10. Розглянутий розрахунковий метод дозволяє усунути цей недолік камерних випробувань.

Таблиця 1 – результати розрахунку для метано–повітряної суміші (I), сила струму 
навантаження – 2,93 А