ДонНТУ   Портал магістрів

Соломатіна Людмила Сергіївна

Електротехнічний факультет

Кафедра електропостачання промислових підприємств і міст

Спеціальність Електротехнічні системи електроспоживання

Розробка елементів САПР іскробезпеки ланцюгів рудничного електрообладнання

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

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• 1. Постановка проблеми
• 2. Аналіз досліджень і публікацій
• 3. Мета статті
• 4. Сфера застосування
• 5. Огляд існуючих методоів досягнення іскробезпеки
• Висновки
• Література

1. Постановка проблеми

Підприємства нафтохімічної, хімічної, фармацевтичної, газопереробної промисловості, а також ряд підприємств харчової галузі висувають особливі вимоги до систем управління і контролю технологічними процесами. Характерною особливістю таких виробництв є постійне або тимчасове наявність вибухонебезпечних газоповітряних сумішей на виробничих установках. Несправності слабкострумових електричних ланцюгів систем управління і контролю подібних об'єктів (замикання або поява високого потенціалу в сигнальних ланцюгах) може викликати іскріння і спровокувати пожежу або вибух. Вид вибухозахисту "іскробезпечний електричний ланцюг" (ІБЦ), що одержав поширення в останні десятиліття, дозволяє уникнути використання для електричних ланцюгів зазначеного типу вибухозахисних оболонок, тобто відсутня необхідність в прокладанні проводів у сталевих трубах і розташування приладів у литих алюмінієвих коробках, що створювало значні незручності при монтажі і експлуатації. Враховуючи широкі можливості з розширення, модернізації систем управління з видом захисту ІБЦ, а також їх високу економічність, безпечність, зручність, простоту установки і обслуговування виникає необхідність вирішення проблеми, пов'язаної з вибором методики оцінки граничних параметрів ІБЦ, яка враховує можливість їх застосування в заданих виробничих умовах. Прийнято проводити поділ ІБЦ на два види по відношенню до утвореним ними іскробезпечним електричних систем: – електричні ланцюги тільки з одним пов'язаних пристроєм, звані "елементарними". Пов'язане пристрій не відокремлене гальванічно від іскробезпечних ланцюгів в нормальному або аварійному режимах роботи; – електричні ланцюги з кількома пов'язаними пристроями, які здатні виробляти електричну енергію в нормальному і аварійному режимі, звані "об'єднаними". Оцінка іскробезпеки (ІБ) елементарних електричних ланцюгів легко виконується за довідковими даними про електричних параметрів зовнішніх ланцюгів, які наводяться у сертифікатах відповідності. При цьому ємність і індуктивність ІБ ланцюгів з урахуванням з'єднувальних кабелів не повинні перевищувати максимальних значень, обумовлених для пов'язаного електрообладнання. Розрахункова оцінка ІБ об'єднаних ланцюгів викликає набагато більші труднощі, так як при з'єднанні чинного пов'язаного електрообладнання в комплект вже неможливо безпосередньо використовувати електричні параметри, які наведені у сертифікатах відповідності кожної одиниці обладнання. Загальна ІБ комплекти (системи) розглядається як для єдиного електричного пристрою з новими допустимими значеннями параметрів. Тести таких електричних систем зустрічаються з рядом труднощів, тому що необхідний набір пов'язаного обладнання і аварійних режимів, як правило, недоступний розробнику. Тут єдиним засобом є розрахункові перевірки [5].

2. Аналіз досліджень і публікацій

Містить спрощені процедури пошуку максимальних напруг і сили струму в ІБ системах з декількома пов'язаними апаратами і лінійними навантажувальними характеристиками. Основою розрахунку тут служить еквівалентне приведення послідовного, паралельного та змішаного сполук ланцюгів до простих ланцюгів з подальшою оцінкою за [4]. Даний аналіз не може бути використаний для джерела живлення з іншими навантажувальними характеристиками. Проблема оцінки ІБ схем з нелінійними елементами вивчена в меншій мірі; вона активно обговорюється тривалий час і досі перебуває в стадії розвитку [2]. У цьому випадку визначення максимально допустимих електричних параметрів шляхом простого складання вихідних значень окремих елементів неможливо і потрібно обробка більш складних залежностей вольт-амперних характеристик. Відома методика, наведена в передбачає графічне підсумовування вихідних характеристик, а також нанесення їх на поле припустимих графічних залежностей U0 = f(I0, C0, L0) для груп вибухозахищеного електрообладнання IIC і IIB. Тут і далі в тексті використані наступні позначення: U0, I0 – максимальні значення, відповідно, напруги і струму для пов'язаного обладнання; Uі, Іі –максимально допустимі значення, відповідно, напруги і струму для іскробезпечного електрообладнання, встановленого у вибухонебезпечній зоні; L0, C0 – максимально допустимі значення індуктивності і ємності у зовнішній іскробезпечного кола; Lі, Сі – значення власної індуктивності і ємності; Lс, Сс – значення індуктивності і ємності з'єднувального кабелю. Кожна залежність мінімального воспламеняющего струму від напруги представлена двома обмежувальними кривими: 1 – індуктивний межа для джерела живлення з прямокутної навантажувальною характеристикою і максимально допустимої індуктивністю у зовнішній іскробезпечного кола L0= 0,15; 0,5; 1; 2; 5 мГн для підгрупи ІІС або 0,5; 1; 5; 10; 25 мГн для ІІВ підгрупи та 2 – те ж для джерела живлення з лінійною навантажувальною характеристикою при різних максимально допустимих ємностях С0 = 0,03..5 мкФ. Тому захисні характеристики окремих джерел та їх комбінацій можуть відрізнятися від наведених, і параметри Li, Сі іскробезпечного обладнання виходять за зазначені межі, то необхідна розробка методики, що враховує ці особливості.

3. Мета статті

Розробка розрахункової методики для перевірки можливості підключення пов'язаних електричних ланцюгів ІБ електрообладнання. Результати досліджень рекомендується використовувати для вибору номінальних параметрів бар'єрів іскробезпеки і максимально допустимих індуктивностей Lс і ємностей Сс з'єднувальних кабельних ліній.

4. Сфера застосування

Методика призначена для оцінки і прогнозування безпечних параметрів електричного обладнання з видом вибухозахисту ”іскробезпечний електричний ланцюг”, яка знаходиться під напругою з урахуванням нормативних коефіцієнтів запасу виключає виникнення іскор і нагріву, неприпустимих за умовами займання метано-повітряної вибухової суміші. Методика призначена для фахівців науководослідникських та конструкторських організацій з розробки вибухозахищеної апаратури автоматики, управління і зв'язку в гірничій галузі промисловості, фахівців випробувальних та сертифікаційних центрів вибухозахищеного електрообладнання та працівників наглядових органів. Методика може використовуватися в якості допоміжного засобу для кількісного аналізу коефіцієнтів іскробезпеки при створенні нових схем і принципів конструювання, а також при проведенні попередніх сертифікаційних випробувань рудникового електрообладнання з видом вибухозахисту ”іскробезпечний електричний ланцюг”.

5. Огляд існуючих методоів досягнення іскробезпеки

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 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 [6]. 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 (анімація: 5 кадрів, 6 циклів повторення, 44 кілобайта)

 

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 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 – 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