CC BY
38
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР < 18
ния объектов следующего над ним иерархического уровня. Описанный процесс продвижения вверх по иерархии продолжается до тех пор, пока не будет промоделировано поведение "системы" (угольного предприятия) - объекта наивысшего иерархического уровня.
Для построения описанной выше прогнозной схемы необходимо установление закономерностей формирования энергетических затрат в виде математических моделей, учитывающих влияние случайных воздействий, что требует привлечения математической теории случайных процессов, описывающей переходы системы между ее состояниями под влиянием случайных воздействий
Среди всех случайных процессов эволюции простейшими являются Марковские процессы, для которых состояние системы в будущем определяется только ее состоянием в исходный момент времени, но не состоянием в прошлом. Однако, даже в этом простейшем случае "случайных процессов без памяти", эффективное применение точных аналитических методов возможно только для ограниченного
класса достаточно специальных моделей, что заставляет в реальных ситуациях обратиться к численному моделированию.
Одним из наиболее перспективных методов численного моделирования случайных процессов является метод прямой генерации реализаций исследуемого процесса при помощи метода Монте-Карло, основанного на генерации случайных чисел. Для систем с конечным числом состояний, к которым относится ГШО, отдельная реализация процесса ее эволюции осуществляется при помощи метода вероятностных автоматов, генерирующих переходы между состояниями системы по некоторому заранее заданному правилу.
Установленные с помощью предложенной модели закономерности электропотребления отдельных звеньев, подсистем и предприятия в целом могут применяться для решения задачи повышения эффективности использования электроэнергии как на стадии проектирования, так и для условий нормальной эксплуатации предприятия путем оптимизации выбора технологической системы и ГШО.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------
Захарова Алла Геннадьевна - доцент, кандидат технических наук, Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово.
© А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило,
А.Л. Трембиикий, 2002
"АК 622.81
А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило, А.Л. Трембиикий О РАСШИРЕНИИ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКАМЕРНОЙ ОЦЕНКИ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
О
сновным методом испытаний на искробезопасность электрических цепей является экспериментальный [1], основанный на коммутации их искрообразующими механизмами во взрывной камере, заполненной испытательной взрывоопасной смесью. Кроме этого действующий стандарт [1] разрешает бескамерный метод оценки, основанный на исполь-
зовании характеристик искробе-зопасности.
Бескамерные методы оценки искробезопасности электрических цепей в сравнении с испытаниями во взрывной камере имеют значительные преимущества. О необходимости развития, совершенствования и использования бескамерных методов оценки настоятельно рекомендует МЭК в своих стандартах на взрывозащищенное электрооборудование. Основные преимуще-
ства бескамерных методов оценки искробезопасности электрических цепей следующие:
1. Более высокая достоверность. Точки на характеристиках искробезопасности исключают значительные колебания значений воспламеняющих параметров в сравнении с отдельными испытаниями;
2. Иногда бескамерные методы оценки могут иметь более широкую область применения в сравнении с камерными испытаниями. Характеристики искробе-зопасности могут быть получены в области параметров электрических цепей, где экспериментальные методы оценки невозможны;
3. Более высокая информативность оценки за счет получения ее результатов в количественной форме в виде значений коэффициентов искробезопас-ности;
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР < 18
4. Меньшее время проведения испытаний;
5. Возможность в процессе оценки выбирать оптимальные параметры электрооборудования;
6. Бескамерная оценка ис-кробезопасности электрических цепей доступна не только испытателям Сертификационных центров, но и разработчикам искробезопасного электрооборудования.
При всей привлекательности бескамерных методов оценки ис-кробезопасности электрических цепей они до сих пор не заняли достойного места в сертификационных испытаниях взрывозащищенного и рудничного электрооборудования. В данной работе рассмотрены вопросы совершенствования и развития бескамерной оценки искробезо-пасности электрических цепей с целью расширения ее области применения.
При коммутации (замыкание и размыкание контактов) электрических цепей возникают электрические разряды. Разряды замыкания в основном возникают в емкостных цепях, а разряды размыкания - в омических и индуктивных. Первоначально рассмотрим вопрос разработки бес-камерной оценки электрических цепей по разрядам замыкания.
В электрических цепях емкости конденсаторов и напряжения на них могут превышать искробезопасные значения. Существует ряд способов, основанных на снижении энергии и мощности электрического разряда, которые позволяют конденсатор сделать искробезопасным. В качестве таких способов может быть: снижение значения емкости конденсатора, уменьшение величины напряжения на нем или подсоединение непосредственно к конденсатору ограничительного сопротивления. Какой из указанных способов или их совокупность следует использовать, определяется необходимостью обеспечения требуемых параметров разрабатываемой аппаратуры.
Вместе с тем, даже если каждый отдельный конденсатор в электрическом электрооборудовании является искробезопасным, это еще не говорит об ис-
кробезопасности электрооборудования в целом. В результате его аварийной работы может возникать параллельное соединение цепей, содержащих емкостные элементы. Электрооборудование считается искробезопасным относительно имеющихся в нем емкостных элементов только в том случае, если каждая емкостная цепь в отдельности и возможное параллельное соединение нескольких емкостных цепей является искробезопасным.
Количество возможных параллельных соединений емкостных цепей с одной стороны определяется уровнем искробезопасной цепи и связанным с ним количеством учитываемых при испытаниях повреждений, с другой стороны - количеством не учитываемых повреждений. Не учитываемые повреждения возникают в основном при уменьшении электрических зазоров и путей утечки, а также других конструктивных нарушений относительно требований, установленных нормативными документами. Уменьшение электрических зазоров и путей утечки, как правило, всегда имеют место при использовании в электрических схемах современных элементов микроэлектроники (из-за недостаточной надежности таких элементов
и, поэтому, невозможности их считать не повреждаемыми элементами, из-за малых расстояний между их выводами), а также в результате необходимости увеличения плотности монтажа в электрических схемах.
В искробезопасном электрооборудовании емкостные цепи могут состоять из одних конденсаторов, а также содержать резисторы (или другие безреактив-ные элементы, которые можно отождествить с элементом, обладающим сопротивлением) и индуктивные элементы.
Если в емкостных цепях последовательно с конденсаторами не включены другие элементы, то параллельное соединение эквивалентно одному конденсатору с емкостью, равной сумме емкостей отдельных конденсаторов. Искро-безопасность одного конденсатора может быть оценена без камерных
испытаний по характеристикам искробезопасности.
Если хотя бы в одной из емкостных цепей последовательно с конденсатором присутствуют другие элементы, то бескамерная оценка искробезопасности параллельного соединения емкостных цепей до настоящего времени была невозможна.
До выполнения данной работы бескамерная оценка искробезо-пасности емкостных электрических цепей имела весьма ограниченную область применения. Она ограничивалась емкостными нагрузками с подпиткой электрического разряда от источника питания током не более 2 мА. Желая расширить область применения бескамерной оценки емкостных цепей, некоторые разработчики искробезопасной аппаратуры и испытатели ошибочно использовали данные характеристики вне зависимости от тока подпитки, что приводило к необъективной оценке.
Важным этапом в развитии бескамерной оценки искробезо-пасности емкостных цепей явилось установление с помощью экспериментов во взрывной камере с использованием искрообразующего механизма 1-го типа (механизм МЭК) зависимостей воспламеняющего напряжения от емкости конденсатора и сопротивлений в его зарядной и разрядной цепях для активизированных взрывоопасных смесей ІІА и ІІВ категорий взрывоопасности во всем реальном диапазоне токов источников питания. Данные характеристики искробе-зопасности включены в новый действующий стандарт [1]. Для иллюстрации на рис. 1 приведено одно из 8 семейств зависимостей. Приведенные характеристики искробезопасности позволяют установить искробезопасные параметры в емкостных цепях, когда параллельное соединение емкостных элементов может быть заменено одним.
В дальнейшем на основании экспериментальных данных аналогичные 8 семейств зависимостей были построены для взрывоопасных смесей I и ІІС категорий взрывоопасности, что позволило иметь исходные данные
&HEdEk" r0PH"KA-2002» CEMMHAP < 18
для бескамерной оценки емкостных цепей для всех взрывоопасных смесей.
Сложные емкостные цепи, например, содержащие искрогасящие сопротивления, непосредственно по приведенным характеристикам искробезопасности оценить на искробезопасность невозможно. Поэтому была разработана методика бескамерной
оценки искробезопасности
сложных емкостных цепей, использующая принцип эквивалентного замещения сложных цепей простыми с последующим использованием указанных характеристик искробезопасности. В основе эквивалентного замещения сложных емкостных цепей простыми лежит одинаковая воспламеняющая способность
Рис. 1. Зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи для различных сопротивлений в цепях емкости и источника питания
Рис. 2. Зависимости воспламеняющей энергии от длительности разряда при различных скоростях размыкания контактов для представительной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности
электрических разрядов при коммутации данных цепей. Справедливость такого метода замещения цепей была подтверждена экспериментально. Сложные цепи приводились к виду цепи, для которого были установлены характеристики искробезопасно-сти. Для удобства процесса проведения оценки использовалась специально разработанная компьютерная программа, что позволяет наряду с оценкой осуществлять выбор оптимальных параметров электрической цепи.
Таким образом, в настоящее время практически полностью решена задача разработки бес-камерной оценки емкостных цепей по разрядам замыкания.
В части разрядов размыкания до последнего времени беска-мерная оценка искробезопасно-сти электрических цепей ограничивалась простыми индуктивными и омическими цепями, для которых с помощью экспериментов во взрывной камере были получены характеристики искробезо-пасности ^ =/ (E,L).
Однако оценка искробезопас-ности этих электрических цепей имеет ограниченную область применения. Характеристики ис-кробезопасности ^ =/(Е, L) получены только для токов до 3,0 А в пределах области применения искрообразующего механизма Iго типа. Тем не менее в стандарте МЭК [2] приведены характеристики искробезопасности для омических цепей электрооборудования группы II до 5,0 А.
Была поставлена задача -разработать бескамерный метод оценки искробезопасности электрических цепей, учитывающий наиболее опасные условия коммутации для каждой электрической цепи. Был предложен принцип бескамерной оценки искро-безопасности электрических це-
&HEdEk" r0PH"KA-2002» CEMMHAP < 18
пей по разрядам размыкания. Для оценки на искробезопас-ность электрической цепи необходимо:
1. Для различных значений у, из диапазона скоростей размыкания цепи утп <у <утах необходимо определить энергии разрядов за вычетом катодных потерь Щр/ и их длительности Т/ .
Значение утп выбирается из условия реализации минимального воспламеняющего тока в цепях, размыкание которых с малой скоростью наиболее опасно. Экспериментально установлено, что в зависимости от вида взрывоопасной смеси значение утп< 0,05-0,2 м/с.
Значение утах соответствует наибольшей скорости размыкания в аварийных условиях. Наиболее вероятное значение большой скорости размыкания соответствует скорости расхождения концов проводника при его обрыве. Для медных проводников утах < 6,5 м/с. Затем строится зависимость энергии разряда от скорости размыкания цепи
Щр=(у).
2. Для выбранных и полученных по пункту 1 значений у/ и Т, исходя из зависимостей минимальной воспламеняющей энергии от скорости размыкания цепи и длительности разряда Щтп = (у, Т) (см. рис. 2), определяются соответствующие значения энергий. Совместно с зависимостью Щр = (у) строится зависимость
Щ/ = (у)
Цепь считается искробезопасной, если для всех возможных скоростей размыкания цепи из диапазона утп ч утах выполняется условие Щр < Щтп.
Для реализации такого метода бескамерной оценки искробезо-пасности электрических цепей необходимо было с помощью экспериментов во взрывной камере с искрообразующим механизмом, позволяющим устанав-
ливать необходимую скорость движения контактов, установить зависимости воспламеняющей энергии Wmn = f(v¡, T) и разработать модель электрического разряда, описывающую реальные процессы в нем. Были проведены исследования влияния скорости движения контактов и длительности электрического разряда на величину воспламеняющей энергии и установлены зависимости Wmn = f(v¡, T) для метановоздушной (рис. 2), пропановоздушной и этиленовоздушной смесей. В качестве модели разряда использовалась зависимость йр = =йз + aVt +в^/1р , где V - скорость движения контактов; йр - напряжение на разрядном промежутке; йз -минимальное напряжение зажигания дуги; ¡р - ток в разряде; t - текущее время; а и в - постоянные коэффициенты, определенные в результате изучения вольт-амперных характеристик дугового разряда.
Разработанная бескамерная оценка позволяет оценить по разрядам размыкания электрическую цепь любой сложности. Для этого должна быть решена задача определения с помощью разработанной модели разряда его параметров при коммутации оцениваемой электрической цепи при различной скорости движения контактов. Эта задача может решаться как расчетным, так и электроизмерительным методами. Последний является более предпочтительным, так как его использование не зависит от сложности цепи.
На первом этапе должен быть решен вопрос расширения области применения бескамерной оценки омических и индуктивных цепей в сторону больших токов. Для этого необходимо обосновать, что источником воспламенения взрывоопасной смеси является электрический разряд, а
влияние разогрева контактов в этом процессе ничтожно мало.
Изучение воспламеняющей способности электрических разрядов в ранее не исследованной области параметров электрических цепей и установление исходных данных для бескамерной оценки их искробезопасности позволит повысить уровень взрывозащиты и технико-экономические характеристики переносных приборов и головных шахтных светильников, в которых источниками питания служат химические источники тока.
В настоящее время существует острая необходимость в установлении исходных данных, подобных характеристикам искро-безопасности, для бескамерной оценки искробезопасности наиболее распространенных в мировой практике источников питания со стабилитронной защитой и различными индуктивными нагрузками. Это важно, так как некоторые испытатели ошибочно оценивают выходные параметры данных источников питания по характеристикам искробезопас-ности Ів =/ (Е, Ь), что недопустимо, поскольку воспламеняющий ток в источнике питания со ста-билитронной защитой при одинаковом выходном напряжении с источником питания, имеющим линейную нагрузочную характеристику, может быть в 3 раза меньше.
Дальнейшая работа по расширению области применения бес-камерной оценки искробезопас-ности электрических цепей по разрядам размыкания должна быть направлена на выявление типовых наиболее часто встречающихся при испытаниях искробезопасного электрооборудования электрических цепей и установление для них необходимых зависимостей, позволяющих оценивать их искробезопасность.
СПИСОК ЛИTEРАTYРЫ
1. ГОСТ Р 51330.10-99.Электрооборудование взрыво- 2. МЭК 60079-11-99. Electrical apparatus for explosive
защищенное.Часть 11. Искробезопасная электрическая atmospheres. Part 11. Intrinsic safety i.
цепь i. М., Издательство стандартов,2000.118с.
КОРОШО ОБ АВАРАХ
«НЕДЕЛЯ Г0РНЯКА-2002» СЕМИНАР < 18
Ерыгин А.Т., Шатило А.Н, Трембицкий А.Л. — Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
