Євгенія Олександрівна Тукмачова

Електротехнічний факультет

Кафедра електропостачання промислових підприємств та міст

Спеціальність «Електротехнічні системи електроспоживання»

Дослідження іскробезпечних кіл змінного струму та кіл з імпульсним
живленням

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

Реферат з теми випускної роботи

Зміст роботи

1   1  Загальні відомості про тему магістерської роботи

1       1.1 Вступ
    1.2 Актуальність
    1.3 Мета роботи
    1.4 Основні завдання розробок і досліджень

 2  Дослідження іскробезпечних кіл змінного струму та кіл з імпульсним живленням

 1.    Загальні відомості про тему магістерської роботи

           1.1 Вступ

Останніми роками широкий розвиток отримують прогресивні технології і високопродуктивне устаткування на підприємствах гірської, нафтової і хімічної галузей промисловості. Його впровадження неможливе без засобів автоматизації, управління і контролю технологічними процесами. У середовищах, небезпечних по газу, найбільш ефективним видом вибухозахисту малопотужних електричних ланцюгів є іскробезпечне виконання. Такий вид вибухозахисту забезпечує якнайповнішу безпеку застосування електричної енергії у вибухонебезпечних середовищах і в порівнянні з іншими видами вибухозахисту дозволяє значно понизити вартість, вагу і габарити апаратури.

 1.2   Актуальність 

Забезпечення вибухобезпечності від електричних розрядів є невід'ємною частиною роботи підприємств гірської, нафтової і хімічної галузей промисловості. Одним з найбільш ефективних і перспективних видів вибухозахисту електроустаткування із слабкострумовими ланцюгами є "іскробезпечний електричний ланцюг". Сфера застосування іскробезпечного електроустаткування охоплює сигналізацію, зв'язок, системи моніторингу і управління технологічними процесами. Висока трудомісткість розробки іскробезпечного електроустаткування пов'язана з великою тривалістю камерних методів випробувань і відсутністю безкамерних методів оцінки іскробезпеки складних електричних ланцюгів, які переважають в сучасному електроустаткуванні і не можуть бути оцінені на іскробезпеку за допомогою існуючих характеристик іскробезпеки. Створення таких методів дозволить не лише скоротити тривалість і вартість випробувань, але і дасть можливість вибирати оптимальні іскробезпечні параметри електроустаткування на стадії його розробки. Крім того, ці методи у багатьох випадках дають достовірніші результати, а у ряді випадків вони є єдино доступними для оцінки іскробезпеки електричних ланцюгів.
 
           1.3   Мета роботи

Метою магістерської роботи є розвиток наукових основ оцінки, прогнозування і способів забезпечення іскробезпеки електричних ланцюгів, розробити рекомендації, реалізація яких дозволить запобігати займанню вибухової суміші при експлуатації вибухозахищеного електроустаткування.

  1.4 Основні завдання розробок і досліджень

Завдання роботи:

• створення комп'ютерної моделі оцінки искробезопасностицепей змінного струму промислової частоти;         
• дослідження математичної моделі займання метано-воздушной суміші від електричного розряду; 
• дослідження запалюючої здатності іскробезпечних ланцюгів з імпульсним живленням;
• огляд результатів досліджень по займанню вибухонебезпечних сумішей електричними розрядами.

2.     Дослідження іскробезпечних кіл змінного струму та кіл з імпульсним живленням 

2.1  Що таке іскробезпечне коло

Іскробезпечне електричне коло – електричне коло, виконане так, що електричний розряд не може запалити вибухонебезпечне середовище з імовірністю більшої 0,001. Цей вид вибухозахисту грунтується на підтримці іскробезпечного струму (напруги, потужності або енергії) в електричному колі та  застосовується  в автоматиці, сигналізації, освітленні. Електричне коло вважається іскробезпечним, коли розряди або термічна дія, що створюється в нормальному або аварійному режимах роботи электроустаткування не приводить до запалення вибухонебезпечної суміші.

2.2  Застосування іскронебезпечного обладнання        
 

  Підвищення загального рівня безпеки ведення робіт на підприємствах з наявністю вибухонебнзпечного середовища досягається застосуванням іскробезпечного устаткування:

-для керування проходческими и прохіжницькими комбайнами;

-для систем контролю рудничної атмосфери та регулювання провітрювання шахт;

-для створення засобів звязку, сигналізації та контрольно-вимірювальной аппаратур;

-для схем живлення світильників в умовах вугільних шахт всіх категорій по пилогазовому режиму.

     У роботах А. В. Колосюка [1] розглядалася особливість систем імпульсного харчування постійного струму, що складається в тому, що струм у лінії протікає від джерела до навантаження тільки протягом імпульсу напруги джерела, а протягом паузи струм у лінії відсутній, тому що лінія й джерело замкнені діодними загороджувачами під дією зворотної напруги, а запасена в індуктивному навантаженні енергія розряджається завдяки шунтувального діоду у власному колі.
       Метою дійсної роботи є визначення граничної енергії дугового розряду в системі імпульсного харчування індуктивного навантаження, зашунтованним діодом, у порівнянні  з живленням постійним струмом.
        Для моделювання використалася модель дуги (ріс. 1) [2]. Індуктивне навантаження постачене іскрозахисним елементом із замикаючим (загороджувальним) і шунтувальним діодами.

1– амперметр, 2 – загороджувальний діод, 3 – модель дуги, 4 – навантаження,  5 – шунтируючий діод, 6 – джерело живлення,  7 – вимірювальний блок

Рисунок 2 – Блок розмикання електричного кола

Запис системи рівнянь Майра (1) за допомогою редактора диференціальних рівнянь DEE:

                  ,                                                                   (1)

Рисунок 3 - Діаграми сталого режиму миттєвих струмів у системі імпульсного живлення з однофазним випрямленням:

                             а) U – миттєва напруга вторинної обмотки трансформатора;

                             б) iл – струм у лінії (струм протягом імпульсу);

                             в) i в – струм у колі шунтуючого діода (струм протягом паузи);

                             г) iн – струм у колі навантаження;

тонкими суцільними лініями показаний середній струм у лінії (Iл), у шунтуючому діоді (Iв) і в навантаженні (Iн), а також середнє

випростана напруга (Uс)

      З діаграми миттєвих значень напруги й струмів у системі з однофазним випрямленням (мал. 2) видно, що імпульс струму в лінії (iл) протікає тільки протягом імпульсу живлячої напруги (U), а протягом паузи – струму в лінії й у джерелі ні, тому що розряд енергії, запасеної в індуктивності навантаження (L), відбувається в шунтуючому колі, забезпечуючи протікання струму через шунтуючий діод (iВ) протягом паузи й безперервність струму в навантаженні величиною iн.

     Індуктивне навантаження постачене іскрозахисним елементом із замикаючим (загороджувальним) і шунтувальним діодами.  Середня напруга в системі імпульсного живлення з однофазним випрямленням змінної напруги виражається залежністю

,                                                                                                   (2)

де - амплітудна лінійна напруга;             

- діюча напруга вторинної обмотки трансформатора.

Результати розрахунків по програмі Simulink наведені в табл. 1, 2.

Таблиця 1 – Розрахунок параметрів розряду при імпульсному живленні (напруга живлення 12 В, струм - 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

Таблиця 2 – Розрахунок параметрів розряду при постійному живленні (напруга живлення 12 В, струм - 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

Ці дані показують, що зі збільшенням відносини m, тобто індуктивності кола, максимальне значення струму імпульсу (I′) знижується. Це цілком логічно, тому що при збільшенні індуктивності збільшується повний опір кола  Z.
    Відношення енергій при двох варіантах живлення індуктивного навантаження: 

,                                                                                                                 (3)

 2.4 Про розвиток методики розрахункової оцінки безпеки електричного іскріння у вибухонебезпечному середовищу

       Використання іскробезпечного виконання електричних ланцюгів є одним з основних способів запобігання аварій, що можуть спричинити небезпеку для життя людини на вибухонебезпечних виробництвах [3]. Іскробезпечний електричний ланцюг (ІБЛ) визначається як ланцюг, у якому розряди або термічна дія, що виникає в нормальному й аварійному режимах роботи електроустаткування, не викликає запалювання метано-воздушной суміші (МВС).
       Основним предметом теорії ІБЛ є зв'язок між параметрами ланцюга й запалювальної здатністю розрядів при її комутації. Цей зв'язок визначається перехідним процесом у ланцюзі, газовим розрядом, процесом нагрівання й горіння вибухової атмосфери. Складність цих явищ не дозволила дотепер установити з достатньої для практики точністю математичну модель зазначених процесів, тому методи оцінки іскробезпечності базуються або на експериментальних характеристиках, або на допущеннях далеких від даних по запаленню.
       У цей час прийнято вважати [4], що вибух газу електричною іскрою відбувається в результаті впливу теплової енергії розряду на газову суміш. Відповідно до теплової теорії запалювання, весь газ може бути запалений, якщо його елементарний об'єм буде нагрітий до температури запалення Tвосп. Весь навколишній розряд вибуховий газ запалиться, якщо навіть джерело запалювання припинить своє існування після запалення елементарного об'єму.
       Реальне теплове джерело при електричному запалюванні може моделюватися у вигляді циліндра, що опирається торцями в розбіжні електроди. У процесі моделювання передбачається, що електроди мають вісь симетрії й площина симетрії, перпендикулярну цієї осі й рівновіддалений від торців електродів. У такий спосіб при розрахунку температурного поля розглядається тільки один квадрант площини, у якій розташована вісь симетрії (мал. 4).    

Рисунок 4 - Апроксимація моделируемого простору (PL - стовбур розряду, EL - електрод, G - горюча газова суміш)

  Температура полум'я, що характеризує небезпечний і безпечний процес іскроутворення, прораховується з використанням розглянутої вище моделі. Спочатку не враховується наявність електродів, і визначається енергетична зона виникнення стійкого фронту полум'я з температурою горіння МВС 2137 ДО, а також зона його руйнування (див. мал. 5 а, б).
      Потім, для оцінки зміни агресивності розряду під дією електродів розглядається вплив їхнього діаметра й довжини міжконтактного проміжку на енергію запалювання.

Рисунок 5 – Ізолінії температури при запалюванні МВС (електрод відсутній)
      а) tp=100 мкс, Р0 = 2,4 Вт, час спостереження – 500 мкс (стійкий фронт полум'я не виник)
 б) tp=100 мкс, Р0 = 2,5 Вт, час спостереження – 500 мкс (стійкий фронт полум'я виник)

  Рисунок 6 —  Ізолінії температури при запалюванні МВС із рухливим електродом

Рисунок 7 - Ізолінії температури при запалюванні МВС (з електродом)
а) «тонкий електрод», 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) «товстий електрод», 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 поширення вогнища полум'я при повільно розбіжних електродах, тобто в умовах, коли їхній вплив значно, міняється (див. мал. 7 а, б). Це пояснюється посиленням факторів, що перешкоджають запаленню: 

 – збільшення втрат енергії в результаті росту кривизни полум'я й втрати енергії в контактах;
          – часткове «екранування» контактами надходження свіжої горючої суміші у вогнище запалювання;
         – розбіжність у часі максимального запалювального значення потужності й розбіжності контактів на достатню відстань, при якому їхній вплив зменшується.

        3. Висновок 

       Порівняння отриманих результатів показує, що для імпульсного живлення мінімальні запалювальні струми вище, ніж у системі живлення постійним струмом. Це також свідчить про можливості підвищення іскробезпечності при імпульсному живленні в порівнянні з живленням навантаження постійним струмом.
        Показано, що в системі імпульсного живлення енергія дугового розряду в іскрі знижується зі збільшенням відносини індуктивного опору ланцюга до її активного опору, а в системі постійного струму практично не змінюється. При значенні відносини n більше 3,5 для ланцюга з напругою 12 В і струмом 1А за інших рівних умов енергія дугового розряду при іскрінні в системі імпульсного живлення нижче, ніж у системі живлення постійним струмом.
        Запропоновано математичну модель електричного запалювання МВС від джерела постійної потужності, що ґрунтуючись на рішенні нестаціонарного рівняння теплопровідності й дифузії для заданих параметрів електричного розряду, іскроутворюючого механізму й вибухонебезпечної суміші, може бути використана в подальшій розрахунковій оцінці іскробезпечності електричних ланцюгів.
Для певного іскроутворюючого механізму існує така потужність джерела, при зменшенні якої виникнення вибуху неможливо незалежно від часу існування цього джерела.
        При збільшенні діаметра електродів і зменшення міжконтактної відстані при тому самому часі існування розряду (100 мкс) зростає мінімальна енергія запалювання.
       Розроблена модель має переваги перед відомими, тому що має стійкість за рахунок застосування неявної нелінійної різницевої схеми, більш точна й не вимагає попереднього підбора коефіцієнтів моделі при зміні розрахункових умов.

Перелік посилань

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 | Бiография

---