Евгения Александровна Тукмачева

Электротехнический факультет

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий и городов

Специальность «Электротехнические системы электропотребления»

Исследование искробезопасных цепей переменного тока и цепей с импульсным питанием

Научный руководитель: к.т.н., доц. Илья Адольфович Бершадский

Реферат по теме выпускной работы 

1   1 Общие сведения о теме магистерской работы

1       1.1 Введение
    1.2 Актуальность
    1.3 Цель работы
    1.4 Основные задачи разработок и исследований

2 Исследование искробезопасных цепей переменного тока и цепей с импульсным питанием

1.     Общие сведения о теме магистерской работы
 
          1.1 Введение

В последние годы широкое развитие получают прогрессивные технологии и высокопроизводительное оборудование на предприятиях горной, нефтяной и химической отраслей промышленности. Его внедрение невозможно без средств автоматизации, управления и контроля технологическими процессами. В средах, опасных по газу, наиболее эффективным видом взрывозащиты маломощных электрических цепей является искробезопасное исполнение. Такой вид взрывозащиты обеспечивает наиболее полную безопасность применения электрической энергии во взрывоопасных средах и по сравнению с другими видами взрывозащиты позволяет значительно снизить стоимость, вес и габариты аппаратуры.

1.2   Актуальность

      Обеспечение взрывобезопасности от электрических разрядов является неотъемлемой частью работы предприятий горной, нефтяной и химической отраслей промышленности. Одним из наиболее эффективных и перспективных видов взрывозащиты электрооборудования со слаботочными цепями является «искробезопасная электрическая цепь». Область применения искробезопасного электрооборудования охватывает сигнализацию, связь, системы мониторинга и управления технологическими процессами. Высокая трудоемкость разработки искробезопасного электрооборудования связана с большой продолжительностью камерных методов испытаний и отсутствием бескамерных методов оценки искробезопасности сложных электрических цепей, которые преобладают в современном электрооборудовании и не могут быть оценены на искробезопасность с помощью существующих характеристик искробезопасности. Создание таких методов позволит не только сократить продолжительность и стоимость испытаний, но и даст возможность выбирать оптимальные искробезопасные параметры электрооборудования на стадии его разработки. Кроме того, эти методы во многих случаях дают более достоверные результаты, а в ряде случаев они являются единственно доступными для оценки искробезопасности электрических цепей.

 1.3   Цель работы

Целью магистерской работы является развитие научных основ оценки, прогнозирования и способов обеспечения искробезопасности электрических цепей, разработать рекомендации, реализация которых позволит предотвращать воспламенение взрывчатой смеси при эксплуатации взрывозащищенного электрооборудования.

 1.4 Основные задачи разработок и исследований

Задачи работы:

• создание компьютерной модели оценки искробезопасностицепей переменного тока промышленной частоты;
• исследование математической модели воспламенения метано-воздушной смеси от электрического разряда;
• исследование воспламеняющей способности искробезопасных цепей с импульсным питанием;
• обзор результатов исследований по воспламенению взрывоопасных смесей электрическими разрядами. 

2.     Исследование искробезопасных цепей переменного тока и цепей с импульсным питанием

 
2.1  Что такое искробезопасная цепь

Искробезопасная электрическая цепь – электрическая цепь, выполненная так, что электрический разряд не может воспламенить взрывоопасную среду с вероятностью большей 0,001. Этот вид взрывозащиты основывается на поддержании искробезопасного тока (напряжения, мощности или энергии) в электрической цепи и применяется в автоматике, сигнализации, освещении и т.д. Электрическая цепь считается искробезопасной, когда разряды или термическое действие, которое создается в нормальном или аварийном режимах работы электрооборудование не приводит к воспламенению взрывоопасной смеси.                                                                                  

  Повышение общего уровня безопасности ведения работ на предприятиях с наличием взрывоопасной среды достигается применением искробезопасного оборудования:

-для управления проходческими и очистными комбайнами;

-для систем контроля рудничной атмосферы и регулирования проветривания шахт;

-для создания средств связи, сигнализации и контрольно-измерительной аппаратуры;

-для схем питания светильников в условиях угольных шахт всех категорий по пылегазовому режиму.

             
       В работах А.В.Колосюка [1] рассматривалась особенность систем импульсного питания постоянного тока, состоящая в том, что ток в линии протекает от источника к нагрузке только в течение импульса напряжения источника, а в течение паузы ток в линии отсутствует, т.к. линия и источник заперты диодными заградителями под действием обратного напряжения, а запасенная в индуктивной нагрузке энергия разряжается благодаря шунтирующему диоду в собственной цепи.
        Целью настоящей работы является определение предельной энергии дугового разряда в системе импульсного питания индуктивной нагрузки, зашунтированной диодом, в сравнении  с питанием постоянным током.
     Для моделирования использовалась модель дуги (рис.1) [2]. Индуктивная нагрузка снабжена искрозащитным элементом с запирающим (заградительным) и шунтирующим диодами.

Рисунок 1 – Схема определения опасности искрения при импульсном питании индуктивной нагрузки

1– амперметр, 2 – оградительный диод, 3 – модель дуги, 4 – нагрузка,  5 – шунтирующий диод, 6 – источник питания,  7 – измерительный блок

Рисунок 2 – Блок размыкания электрической цепи

Запись системы уравнений Майра (1) с помощью редактора дифференциальных уравнений DEE:

                                                                                   (1)

Рисунок 3 - Диаграммы установившегося режима мгновенных токов в системе импульсного питания с однофазным выпрямлением:

                             а) U – мгновенное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

                             б) iл – ток в линии (ток в течение импульса);

                             в) i в – ток в цепи шунтирующего диода (ток в течение паузы);

                             г) iн – ток в цепи нагрузки;

тонкими сплошными линиями показан средний ток в линии (Iл), в шунтирующем диоде (Iв) и в нагрузке (Iн), а также среднее выпрямленное напряжение (Uс)

      Из диаграммы мгновенных значений напряжения и токов в системе с однофазным выпрямлением (рис. 2) видно, что импульс тока в линии (iл) протекает только в течение импульса питающего напряжения (U), а в течение паузы – тока в линии и в источнике нет, т.к. разряд энергии, запасенной в индуктивности нагрузки (L), происходит в шунтирующей цепи, обеспечивая протекание тока через шунтирующий диод (iВ) в течение паузы и непрерывность тока в нагрузке величиной iн.

     Индуктивная нагрузка снабжена искрозащитным элементом с запирающим (заградительным) и шунтирующим диодами.  Среднее напряжение в системе импульсного питания с однофазным выпрямлением переменного напряжения выражается зависимостью

,                                               (2)

где - амплитудное линейное напряжение;             

- действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Результаты расчетов по программе Simulink приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1 – Расчет параметров разряда при импульсном питании (напряжение питания 12 В, ток - 1А)

m	0,25	0,5	0,75	1	1,5	2	3	4	5	6
I′, A	1,02	1	1,01	1,02	1,03	1,05	1	1,09	1,02	1,04
T′, мкc	343	306	266	226	157	108	37,4	18,2	15,1	15,5
Wд′,мДж	1,71	1,38	1,088	0,834	0,478	0,29	0,109	0,0402	0,0178	0,0134
Pcp, Bт	4,98	4,51	4,08	3,68	3,03	2,67	2,92	2,2	1,18	0,86
R, Oм	35	33	30	27	23	20	18	15	15	14

Таблица 2 – Расчет параметров разряда при постоянном питании (напряжение питания 12 В, ток - 1А)

m	0,25	0,5	0,75	1	1,5	2	3	4	5	6
I′, A	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
T′, мкc	40,3	40,31	40,3	40,28	40,25	40,22	40,14	40,07	40	39,93
Wд′,мДж	0,1316	0,1316	0,1315	0,1314	0,1312	0,1309	0,1305	0,13	0,1295	0,129
Pcp, Bт	3,26	3,26	3,26	3,26	3,258	3,255	3,25	3,244	3,238	3,232
R, Oм	12	12	12	12	12	12	12	12	12	12

m = х/R – отношение индуктивного сопротивления цепи (хн) к её активному сопротивлению (R); 
          Эти данные показывают, что с увеличением отношения m, т.е. индуктивности цепи, максимальное значение тока импульса (I′) снижается. Это вполне логично, т.к. при увеличении индуктивности увеличивается полное сопротивление цепи  Z.
          Отношение энергий при двух вариантах питания индуктивной нагрузки: 

,                                                                                                                (3)

     2.4 О развитии методики расчетной оценки безопасности электрического искрения во взрывоопасной среде

              
      Использование искробезопасного исполнения электрических цепей является одним из основных способов предотвращения аварий, могущих повлечь опасность для жизни человека на взрывоопасных производствах [3]. Искробезопасная электрическая цепь (ИБЦ) определяется как цепь, в которой разряды или термическое действие, возникающее в нормальном и аварийном режимах работы электрооборудования, не вызывает зажигание метано-воздушной смеси (МВС).
       Основным предметом теории ИБЦ является связь между параметрами цепи и воспламеняющей способностью разрядов при ее коммутации. Эта связь определяется переходным процессом в цепи, газовым разрядом, процессом нагрева и горения взрывчатой атмосферы. Сложность этих явлений не позволила до настоящего времени установить с достаточной для практики точностью математическую модель указанных процессов, поэтому методы оценки искробезопасности базируются либо на экспериментальных характеристиках, либо на допущениях далеких от данных по воспламенению.
      В настоящее время принято считать [4], что взрыв газа электрической искрой происходит в результате воздействия тепловой энергии разряда на газовую смесь. Согласно тепловой теории зажигания, весь газ может быть воспламенен, если его элементарный объем будет нагрет до температуры воспламенения Tвосп. Весь окружающий разряд взрывчатый газ воспламенится, если даже источник зажигания прекратит свое существование после воспламенения элементарного объема.
     Реальный тепловой источник при электрическом зажигании может моделироваться в виде цилиндра, опирающегося торцами в расходящиеся электроды. В процессе моделирования предполагается, что электроды имеют ось симметрии и плоскость симметрии, перпендикулярную этой оси и равноудалённую от торцов электродов. Таким образом при расчете температурного поля рассматривается только один квадрант плоскости, в которой расположена ось симметрии (рис. 4).  

Рисунок 4 – Аппроксимация моделируемого пространства (PL - ствол разряда, EL - электрод, G - горючая газовая смесь)

     Температура пламени, характеризующая опасный и безопасный процесс искрообразования, просчитывается с использованием рассмотренной выше модели. Вначале не учитывается наличие электродов, и определяется энергетическая зона возникновения устойчивого фронта пламени с температурой горения МВС 2137 К, а также зона его разрушения (см. рис. 5 а, б).
      Затем, для оценки изменения агрессивности разряда под действием электродов рассматривается влияние их диаметра и длины межконтактного промежутка на энергию зажигания.

Рисунок 5 – Изолинии температуры при зажигании МВС (электрод отсутствует)
      а) tp=100 мкс, Р0 = 2,4 Вт, время наблюдения – 500 мкс (устойчивый фронт пламени не возник)
б) tp=100 мкс, Р0 = 2,5 Вт, время наблюдения – 500 мкс (устойчивый фронт пламени возник)

 Рисунок 6 —  Изолинии температуры при зажигании МВС с подвижным электродом

Рисунок 7 – Изолинии температуры при зажигании МВС (с электродом)

а) «тонкий электрод», tp=100 мкс, Р0 = 5 Вт, r1=0.13 мм, r2=0.25 мм, r3=1мм, z1=0.25 мм, z2=1.25 мм;
   б) «толстый электрод», tp=100 мкс, Р0 = 12 Вт, r1=0.18 мм, r2=0.5 мм, r3=2 мм, z1=0.25 мм, z2=1.25 мм

        Характер распространения очага пламени при медленно расходящих-ся электродах, т.е. в условиях, когда их воздействие значительно, меняется (см. рис. 7 а, б). Это объясняется усилением факторов, препятствующих воспламенению:

     – увеличение потерь энергии в результате роста кривизны пламени и потери энергии в контактах;
               – частичное «экранирование» контактами поступления свежей горючей смеси в очаг зажигания;
            – несовпадение во времени максимального воспламеняющего значения мощности и расхождения контактов на достаточное расстояние, при котором их влияние уменьшается.

3. Заключение

Сравнение полученных результатов показывает, что для импульсного питания минимальные воспламеняющие токи выше, чем в системе питания постоянным током. Это также свидетельствует о возможности повышения искробезопасности при импульсном питании по сравнению с питанием нагрузки постоянным током.
        Показано, что в системе импульсного питания энергия дугового разряда в искре снижается с увеличением отношения индуктивного сопротивления цепи к ее активному сопротивлению, а в системе постоянного тока практически не изменяется. При значении отношения n больше 3,5 для цепи с напряжением    12 В и током 1А при прочих равных условиях энергия дугового разряда при искрении в системе импульсного питания ниже, чем в системе питания постоянным током.
        Предложена математическая модель электрического зажигания МВС от источника постоянной мощности, которая основываясь на решении нестационарного уравнения теплопроводности и диффузии для заданных параметров электрического разряда, искрообразующего механизма и взрывоопасной смеси, может быть использована в дальнейшей расчетной оценке искробезопасности электрических цепей.
        Для определенного искрообразующего механизма существует такая мощность источника, при уменьшении которой возникновение взрыва невозможно независимо от времени существования этого источника.
        При увеличении диаметра электродов и уменьшения межконтактного расстояния при одном и том же времени существования разряда (100 мкс) возрастает минимальная энергия зажигания.
       Разработанная модель имеет преимущества перед известными, так как обладает устойчивостью за счет применения неявной нелинейной разностной схемы, более точна и не требует предварительного подбора коэффициентов модели при изменении расчетных условий.

           Литература

1. Колосюк А. В., Колосюк В. П. Энергия дугового разряда в искробезопасной системе импульсного питания рудничного электрооборудования с однофазным  выпрямлением тока // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: сб. науч.тр. / МакНИИ. –  Макеевка-Донбасс, 2009. – С. 71 –84.


2.  Ковалёв А.П., Бершадский И.А., Иохальсон З.М. Моделирование параметров разряда и расчетная оценка искробезопасности при размыкании электрической цепи, с.62-69, №11, 2009 г., журн. «Электричество».
   
   
   
3.  Лейбов Р.М., Озерной М.И. Электрификация подземных горныхработ. М.: Недра, 1972. – 464 с. 
   
   
4. Серов В.И. Воспламеняющая способность сложных индуктивных цепей. М.: Наука, 1966. – 95 с.
   
   
5. Коган А.Г. Электроизмерительная и расчетная оценка искробезопасности индуктивных электрических цепей на основе математической модели очагового зажигания рудничных газов: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.26.01, Макеевка, 1988.
   
   
   
6. Коган Э.Г. Способы и средства обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования. М.: Недра, 1988. - 101 с.
   
   
7. Ерыгин А. Т. Методы оценки искробезопасности электрических цепей / А. Т. Ерыгин,Л. А. Трембицкий, В. П. Яковлев. – М. : Наука, 1984. – 256 с.

---

Резюме | Биография | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальный раздел

---