CC BY
33
- © А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило,
М.С. Спасов, 2014
УДК 622.81
А.Т. Ерыгин, А.Н. Шатило, М.С. Спасов
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ НА СТАБИЛИТРОНАХ
В результате теоретических исследований предложен метод расчетной оценки ис-кробезопасности барьера безопасности со стабилитронной защитой в режиме короткого замыкания и с реактивными нагрузками.
Ключевые слова: искробезопасность, электрическая цепь, электрооборудование, расчетная оценка.
В настоящее время в мировой практике широкое распространение получили барьеры безопасности на стабилитронах, разделяющие искробе-зопасные электрические цепи от искроопасных. Выбор выходных искробезо-пасных параметров барьеров безопасности в настоящее время возможен только с помощью экспериментальных методов оценки с помощью взрывной камеры, во взрывоопасной испытательной смеси которой коммутируется испытуемая электрическая цепь. Однако взрывные камеры для оценки искробезопасности электрических цепей имеются не у всех сертификационных центров взрывоза-щищенного и рудничного электрооборудования и отсутствуют у разработчиков взрывозащищенного электрооборудования. Отсутствие реальных методов оценки искробезопасности при разработке барьеров безопасности не позволяет обеспечить их искробезопасность, а, следовательно, правильно выполнить эту работу. Из-за отсутствия бескамерных (расчетных и электроизмерительных) методов оценки их искробезопасности некоторые испытатели оценивают данные барьеры безопасности по характеристикам искробезопасности для омических цепей при одних выходных параметрах: напряжению и размыкаемому току. Однако такой подход принципиально неверен, о чем ниже будет показано.
Целью данной работы является разработка расчетного метода оценки ис-кробезопасности барьеров безопасности как в режиме короткого замыкания, так и с реактивными нагрузками. Рассмотрим электрическую схему одного из видов барьера безопасности (рис. 1). Для данной рассматриваемой электрической цепи и омической цепи наиболее опасная скорость размыкания искро-образующего механизма во взрывной камере медленная для реализации электрических разрядов большой длительности. Следовательно, критерием воспламеняющей способности электрических разрядов, возникающих при коммутации данных цепей, будет мощность электрического разряда. Максимальное напряжение на разрядном промежутке в момент прерывания разряда у обеих электриче-
Рис. 1. Электрическая схема барьера безопасности
ских цепей также будет одинаковым Проведем сопоставление воспламеняющей способности электрических разрядов в этих цепях. Сравним при каких параметрах в этих электрических цепях их электрические разряды будут иметь одинаковую воспламеняющую способность. Для анализа воспользуемся моделью линейного роста напряжения на разряде. Математическая модель электрического разряда применительно к омической цепи будет иметь следующий вид
Ц = Цз + (Е - ин/т , (1)
где Цз - напряжение на разрядном промежутке; Ц - минимальное напряжение зажигания дуги. Для материалов искрообразующего устройства МЭК оно равно 8 В; Е0 - э.д.с. источника питания омической цепи; Т - длительность электрического разряда; t - текущее время.
Уравнение переходного процесса при размыкании омической цепи запишется
Е0 - К* = Цз + (Е0 - Цз)^т (2)
где Я - сопротивление омической цепи
Из выражения (2) определим ток в разряде
¡р = (Ео - Ц)/Я - (Ео - ЦК/ИТ (3)
Энергия разряда за время разряда Т и за вычетом потерь в контактах будет равна
ар = ¡р (Ео - Ц№/Т = 1оЕоТ (Ео - Цз)2/6 Ео2 (4)
где 1о - размыкаемый ток омической цепи, равный Ео/Я.
Выполним аналогичную работу применительно к барьеру безопасности (рис. 1)
Математическая модель электрического разряда применительно к барьеру безопасности будет иметь следующий вид
Ц = Ц + Ц - Ц^/Т , (5)
где Ц.т - напряжение стабилизации стабилитрона.
Уравнение переходного процесса при размыкании омической цепи запишется
Е - ¡Я = Цз + Ц - Ц^/т (6)
где Е - э.д.с. источника питания барьера безопасности. Из выражения (6) определим ток в разряде
¡р = (Е - иуя - (ист - изП/ЯТ (7)
Энергия разряда за время разряда Т и за вычетом потерь в контактах будет равна
А = ¡(Ц - Ц^А /Т = 1Т (Ц - Ц) (3Е - Ц - 2 Ц /6 (8)
р р ст з ст ст з з ст
где I - размыкаемый ток электрической цепи барьера безопасности.
Электрические разряды в омической цепи и в барьере безопасности будут иметь одинаковую воспламеняющую способность, если их энергии разряда в стволе дуги за одно время разряда будут равны. Исходя из равенства энергий разряда в обеих электрических цепях и э.д.с. омической цепи равен Ц.т, получим
/0/ I = (3Е - U - 2 т и /(и - U)Е
0' ст 4 з ст ст 4 ст з'
После преобразования выражение (9) будет иметь вид 4// = 3(и - и/к) / (Uст - Ш - 2/к
(10)
где к = Е/ и .
ст
Соотношение размыкаемых токов в омической цепи и в рассматриваемом барьере безопасности определяется тремя параметрами: минимальным напряжением зажигания дуги, напряжением стабилизации стабилитрона в барьере безопасности и напряжением источника питания барьера безопасности (рис. 2). Полученное выражение (9) следует рассматривать как закономерность. Соотношение токов в цепях не зависит от взрывоопасной смеси и определяется только параметрами электрической цепи. Так как минимальные воспламеняющие параметры омических цепей хорошо изучены и приведены в таблицах и в характеристиках искробезопасности, то при равенстве Ц.т = Е0 и на основании знания параметров барьера безопасности и минимального напряжения зажигания дуги, равного 8 В, мы можем без экспериментов определить минимальный воспламеняющий ток барьера безопасности.
Проанализируем как будет изменяться соотношение токов /0/ 1ст при изменении значений коэффициента к и напряжения стабилизации стабилитрона ист. По результатам анализа были построены зависимости 10/1ст = = ^(Ц.т, к) (рис. 2). Из данного рисунка следует, что соотношение токов 10/1ст растет по мере увеличения коэффициента к (напряжения источника барьера безопасности) и при приближении напряжения стабилизации стабилитрона ист к значению минимального напряжения зажигания дуги из. При коэффициенте к, стремящемся к бесконечности, соотношение размыкаемых токов в омической цепи и в рассматриваемом барьере безопасности Рис. 3. Зависимость максимального будет равно значения I/ от установленньх значе-
/«Л т = 3ист / (ист - из) (11) ниях ист "
Рис. 2. Зависимости соотношений токов 10/1ст при изменении значений коэффициента к = Е/ ист и напряжения стабилизации стабилитрона и : 1 - и = 9 В;
2 - и = 10 В; 3 - и = 12 В; 4 - и"= 20 В;
ст ' ст ' ст
5 - и = 30 В.
Используя выражение (11) построим зависимость /о//ст = f (Цст) (рис. 3).
График на рис. 3 показывает максимальные значения /о//ст при установленных значениях Ц . При значении Ц , стремящемуся к бесконечности, /о//ст = 3. С уменьшением значения Ц максимальные значения /о//ст растут вплоть до значения Ц. Из графика на рис. 3 следует, что максимальные значения /о//ст при всех значениях Цст не могут быть меньше 3. Большие значения /о//ст на графиках (рис. 2 и 3) показывают, что неправомерно использование характеристик искробезопасности для омических цепей без учета корректирующих значений /о//ст, приведенных на графиках (рис. 2 и 3), так как это приводит к значительным погрешностям и как, следствие, к ошибочной оценке искробезопасности барьеров безопасности.
Действующий стандарт [1] при оценке барьера безопасности требует установить не только значения искробезопасного тока в режиме короткого замыкания, но и максимальные значения индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки, которые могут быть безопасно к нему подключены. Эта задача может быть решена путем замены электрической схемы барьера безопасности на омическую цепь при равенстве Цст = Ео и увеличенном токе омической цепи в соответствии с зависимостями, приведенными на рис. 2. Такая замена правомерна в виду одинаковой воспламеняющей способности электрических разрядов в этих цепях. Выбор значений индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки можно выполнить по характеристикам искробезопасности 1о = ^Ео, Ь). При этом может быть определено значение допустимой индуктивности линии связи и индуктивной нагрузки без учета их омического сопротивления и с учетом их омического сопротивления. Кроме этого может быть решена задача снижения допустимого искробезопасного значения тока барьера безопасности для безопасного подключения линии связи и индуктивной нагрузки заданного уровня. Выбор значений емкости линии связи и емкостной нагрузки можно выполнить по характеристикам искробезопасности Ц = ^С, Я Я2). При этом может быть определено значение допустимой емкости линии связи и емкостной нагрузки без учета их омического сопротивления и с учетом их омического сопротивления. Кроме этого может быть решена задача снижения допустимого искробезопасного значения выходного напряжения барьера безопасности для безопасного подключения линии связи и емкостной нагрузки заданного уровня.
На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:
1. Разработан метод установления искробезопасного значения тока барьера безопасности в режиме короткого замыкания.
2. Предложены методы установления допустимых параметров линии связи, индуктивной и емкостной нагрузки, подключаемых к барьеру безопасности.
3. Недопустимо оценивать на искробезопасность барьеры безопасности по характеристикам искробезопасности 1о = ^Ео, Ь) при одних выходных параметрах тока и напряжения барьера безопасности и электрической цепи из характеристик искробезопасности.
4. Предложенные методы оценки искробезопасности барьера безопасности в режиме короткого замыкания и при подключении линии связи, индуктивной и емкостной нагрузки должны пройти тщательную экспериментальную проверку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрообору- 01.01.2000. - М.: Издательство стандартов, дование взрывозащищенное. Часть 11. Ис- 2000. - 117 с. ЕПЭ кробезопасная электрическая цепь. Введ. От
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Ерыгин Александр Тимофеевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],
Шатило Алексей Николаевич - доктор технических наук,
Спасов М.С. - аспирант,
ИПКОН РАН, e-mail: [email protected].
UDC 622.81
DEVELOPMENT OF COMPUTATIONAL EVALUATION PROCEDURE FOR INTRINSIC SAFETY OF SECURITY BARRIERS OF THE ZENER DIODES
Erygin A.T., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected], ShatUo A.N., Doctor of Technical Sciences, Spasov M.S., Graduate Student,
Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected].
The authors propose an estimate method for intrinsic safety of security barrier with Zener diode protection in short-circuit conditions and with reactive termination. Electric circuit of one type of security barriers is studied. As applied to the security barrier, mathematical model of electrical discharge is described. By the research findings, it is possible to reduce permissible intrinsically safe out voltage of security barrier for safe connection of communication circuit and assigned capacitive load. The methods of identifying permissible parameters of communication circuit and inductive and capacitive loads connected to security barrier are proposed. Key words: intrinsic safety, an electric circuit, an electric equipment, a settlement estimation.
REFERENCES
1. Jelektrooborudovanie vzryvozashhishhennoe. Chast' 11. Iskrobezopasnaja jelektricheskaja cep'. Vved. Ot 01.01.2000 GOST R 51330.10-99 (Explosion-proof electrical equipment. Part I: Intrinsically safe electric mains. Introduction, from 01.01.2000, State Standart R 51330.10-99). Moscow, Izdatel'stvo standartov, 2000, 117 p.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ЗАРИСОВКИ_
Шахтерская лампа. История
Еще в 1815 году, спустя сто лет после первого крупного взрыва гремучего газа на шахте возле Ньюкестля, английский химик и физик Гумфри Дэви предложил предохранительную лампу для освещения мест работы шахтеров. Дэви заметил, что если пламя накрыть достаточно частой медной сеткой, то последняя, поглощая значительное количество тепла, будет настолько охлаждать газ, что горение не будет распространяться по другую сторону сетки, хотя часть не сгоревших (вследствие охлаждения пламени) паров и газов и будет проникать туда сквозь ее отверстия, так что их можно зажечь.
Источник: http://www.rosugol.ru/museum/lamp.php http://eng.polymus.ru/rv/?s=44&d_id=894
Лампы для шахт с повышенным содержанием взрывоопасных газов. Г. Дэви, 1815 г.
