все вопросы Подписка на рубрику Вопрос - Ответ ВестиПБ.ру

вопрос - ответ

Вопрос:
В эксплуатации находится ОПО, в состав которого входит котельная установка с двумя паровыми...

Ответ:
Здравствуйте. Согласно Приказу Ростехнадзора № 168 «Об утверждении требований к ведению...


Федеральные
законы
Правила
безопасности
Руководящие
документы
Документы
Ростехнадзора
18+

Научно-технические статьи

Динамическая искрозащита взрывозащищенного электрооборудования

Дата публикации: 27.12.2010

В шахтах и на предприятиях со взрывоопас-ной атмосферой применение электрооборудования возможно только во взры-возащищенном исполнении. Наиболее прогрессивен ис-кробезопасный вид взрыво-защиты: обеспечивает полную безопасность использования электроэнергии, может применяться непосредственно во взрывоопасной атмосфере предприятий. Ограничивает применение искробезопасных систем малая допустимая искробезопасная мощность (всего несколько ватт).

Традиционно для обеспечения искробезопас-ности источников питания применяют различные статические схемы защиты: линейные и нелинейные ограничительные элементы (резисторы, стабилитроны и др.). Они снижают мощность, поступающую в электрическую цепь в номинальном режиме, до допустимой искробезопасной за счет статической характеристики ограничителя. Такая цепь при аварийной коммутации благодаря незначительной номинальной мощности не способна воспламенить взрывчатую смесь.

Динамическая искрозащита не ограничивает мощность цепи в номинальном режиме, а срабатывает по сигналу датчика начала разряда и лимитирует энергию, поступающую из элементов цепи в разряд, только в момент аварийной коммутации за счет сокращения времени ее выделения. Это позволяет в номинальном режиме работы использовать мощность для рудничного электрооборудования, значительно превышающую допустимую при статических схемах искрозащиты [1, 2, 3].

С появлением быстродействующих электронных приборов в середине XX в. специалисты по искро-безопасности начали исследования воспламеняющей способности электрической цепи, содержащей защиту в виде устройств сокращения длительности разряда, срабатывающих только при возникновении аварийной коммутации и не ограничивающих мощность цепи в номинальном режиме. Основные проблемы при применении такого вида взры-возащиты — способы и режимы изоляции участка цепи, в котором происходит разряд [4,5]. Структурно динамическая искрозащита состоит из ограничителя энергии и датчика начала аварийного разряда, который включает ограничитель [6, 7]. В качестве ограничителя применяют быстродействующие полупроводниковые приборы, закорачивающие (шунтирующие) источник питания или отключающие (изолирующие) разрядный промежуток, вводя последовательное изолирующее сопротивление в цепь разряда.

Эффективность динамической защиты, при различных схемах ее построения, исследована для выяснения воспламеняющей способности разрядов сокращенной длительности. Стандартная методика выполнения данных исследований основана на экспериментах во взрывной камере, вероятностно-статистических методах оценки воспламеняющей способности разрядов в исследуемых электрических цепях. Дополнительно проведены осциллографические измерения параметров разряда во время переходного процесса и выполнено моделирование энергоотдачи в разряд из элементов электрических (индуктивных) цепей и из источника питания при различных параметрах динамической искрозащиты. Работу вели в лаборатории электрофизических исследований ИПКОН АН СССР. По результатам исследований сформулированы основные характеристики динамической искрозащиты, позволяющие оценить возможности ее применения для повышения допустимой искробезопасной мощности рудничного электрооборудования.

Рассмотрены основные способы построения динамической искрозащиты: шунтирование источника питания или участка цепи с разрядом; отключение (изоляция) цепи питания от участка с разрядом; комбинированный (шунтирование и изоляция).

Определены области параметров электрических цепей, в которых эффективен каждый способ защиты.

Динамическая искрозащита, шунтирующая источник питания

Воспламеняющая способность разрядов при шунтировании источника питания оценена экспериментально в 8,5%-ной метановоздушной смеси во взрывной камере. Экспериментальная установка разделяет разряды замыкания и размыкания, дозирует по времени подачу энергии из источника питания в разряд и синхронизирует работу взрывной камеры и дозирующей ячейки.

Для каждой электрической цепи определена зависимость воспламеняющего тока IB от времени срабатывания искрозащиты ТШIB = f(TШ), Е= const, L = const, при э.д.с. источника питания Е= 10÷250 В, индуктивности L ≤ 10-2 Гн; время срабатывания защиты изменялось от 10 до 150 мкс. Для получения сопоставимых результатов определяли также значения воспламеняющего тока в цепи с традиционным ограничительным сопротивлением.

Полученные зависимости воспламеняющего тока от параметров электрической цепи показали, что воспламеняющий ток увеличивается тем больше, чем выше э.д.с. источника питания, меньше индуктивность цепи и время срабатывания защиты. Максимальное увеличение воспламеняющего тока и, следовательно, искробезопасной мощности достигается при TШ ≤ 15 мкс, которое зависит от э.д.с. источника и определяется только индуктивностью цепи, т.е. воспламеняющая способность разрядов определяется долей энергии, запасенной в индуктивности цепи, на которую шунтирующая защита не влияет. При увеличении индуктивности значение воспламеняющего тока снижается.

Эффективность повышения допустимой искробезопасной мощности за счет применения шунтирующей искрозащиты можно оценить с помощью коэффициента эффективности шунтирующей защиты Кш. Зависимость КШ = F(E) при TШ ≤ 15 мкс и L = const (рис. 1) показывает, что быстродействующая (динамическая) искрозащита, шунтирующая источник питания, обеспечивает повышение искробезопасной мощности более чем в 10 раз при Е ≤ 70 В, L ≤ 10-3 Гн. В этих цепях рационально применять динамическую искрозащиту. Такие цепи характерны для систем связи, дистанционного питания. Использование защиты в системах с кабелем с удельной индуктивностью 0,5-10-3Гн/км позволяет получить искробезопасную линию длиной до 2 км при мощности более 10 Вт.

Рис. 1. Зависимость коэффициента эффективности шунтирующей искрозащиты КШ от э.д.с. источника питания E при ТШ ≤ 15 мкс:
1 — L = 100мГн; 2 — L = 10мГн; 3 — L= 1 мГн

Рис. 2. Зависимость воспламеняющего тока от τ:
1,3,5, 7— значения IB с применением искрозащиты при Е, равной соответственно 10В; 30В; 70В; 250В;
2, 4,6,8 — значения IB без применения искрозащиты при Е, равной соответственно 10В; 30В; 70В; 250В.

При Е< 30 В, L > 10~2 Гн такая защита почти эквивалентна ограничительному сопротивлению, поэтому в таких цепях применять ее нерационально.

Зависимость воспламеняющего тока от постоянной времени электрической цепи τ = L/R дпя цепей с шунтирующей искрозащитой и линейным ограничительным сопротивлением (рис. 2) позволяет проанализировать влияние параметров цепи и защиты на энергоотдачу из элементов цепи в разряд и на его воспламеняющую способность.

Как видно из рис. 2, эффективность шунтирующей искрозащиты зависит от τ, т.е. от реактивности (индуктивности) цепей нагрузки. При τ ≤ 10 мкс при применении искрозащиты воспламеняющий ток увеличивается более чем в 10 раз (кривая 7, Е = 250 В, ТШ < 15 мкс) по сравнению с током в цепи с линейным ограничительным сопротивлением (кривая 8). На отрезках между кривыми 7 и 8 лежат значения воспламеняющего тока при τ> TШ >15 мкс.

При увеличении т эффективность искрозащиты уменьшается, и при τ ≥ 110 мкс защита не влияет на значение воспламеняющего тока. Следовательно, воспламеняющая способность разрядов в искро-безопасных цепях с быстродействующей искроза-щитой определяется долей энергии, поступающей в разряд: из источника питания — при τ ≤110 мкс; из индуктивных элементов цепи, на которую шунтирующая искрозащита не влияет, — при τ ≥110 мкс.

Как было показано в работах [1,3], для 8,5%-ной метановоздушной смеси и условий расходящихся контактов время, равное 110 мкс, соответствует времени формирования минимального ядра пламени τф. Анализ позволяет установить связь между характеристикой инерционности процесса воспламенения (τф) и характеристикой инерционности электрического переходного процесса (τ) и на ее основании сформулировать критерий классификации искробезопасных цепей с динамической искрозащитой: цепь будет индуктивной при τф ≥ 110 мкс, омической при τ ≤ 10 мкс, смешанной при 0,1τф< τф< τф. Полученные соотношения определяют связь между параметрами электрической цепи, быстродействующей искрозащиты и энергоотдачей из элементов цепи в разряд, что устанавливает области эффективного применения быстродействующей искрозащиты.

Осциллографические исследования энергоотдачи из цепи в разряд подтвердили, что в индуктивных цепях шунтирующая искрозащита не уменьшает энергию разряда и не сокращает его длительность.

Диапазоны значений параметров электрической цепи, при которых происходит воспламенение (вероятность воспламенения р = 10-3) и разрядов сокращенной длительности для условий расходящихся контактов (8,5%-ная метановоздушная смесь) приведены в таблице.

Вычисленные значения полезной энергии разряда, т.е. энергии за вычетом электрических потерь, в контактах показали, что она может быть принята за параметр, определяющий воспламеняющую способность разрядов сокращенной длительности (см. таблицу). Следовательно, для цепей с динамической искрозащитой в качестве условия искробезопасности при их расчетной или электроизмерительной оценке может быть принято условие

АП< АВ min,

где АП — полезная энергия разряда; АВ min = 0,44 мДж — минимальная полезная энергия разряда при значениях параметров электрической цепи и защиты, при которых происходит воспламенение.

Е, В IB, A τ, мкс T/τ АВ min,мДж
10 0,364-6,600 42,00-360,00 0,25-1,57 0,47
30 0,330-6,400 9,50-115,00 0,52-6,80 0,44
70 0,190-8,000 0,01-46,00 1,52-53,50 0,49

Примечание. Т– длительность разряда.

Влияние параметров искрозащиты на энергоотдачу из цепи в разряд

Способы построения динамической защиты — шунтирование источника питания и шунтирование непосредственно разрядного промежутка — не могут эффективно применяться в цепях, содержащих распределенную индуктивность и кабельную линию связи. Первый имеет низкую эффективность, а второй предполагает непосредственную близость блока защиты к месту возникновения аварийного искрения, которое на практике предсказать невозможно.

Для ограничения энергии разряда в индуктивных цепях использовали экспериментальную установку, позволяющую вводить в цепь тока разряда последовательное отключающее сопротивление, регулировать жесткость вольт-амперной характеристики (изолирующее сопротивление) и время срабатывания защиты. В качестве отключающего элемента применяли быстродействующий транзисторный ключ. Результаты обработки осциллограмм тока и напряжения на разряде и на отключающем элементе показали, что в индуктивных цепях достигается уменьшение энергии разряда при увеличении изолирующего сопротивления. Шунтирующая защита в этих цепях, как было сказано выше, энергию разряда существенно не ограничивает.

Моделирование условий энергоотдачи из цепи в разряд при различных способах защиты показало, что наибольшую эффективность по ограничению полезной энергии разряда имеет комбинированная динамическая защита. При такой защите в момент начала разряда срабатывает элемент, шунтирующий источник питания, который ограничивает поступление энергии из источника. Время срабатывания шунтирующего элемента TШ должно быть меньше τ. После срабатывания шунтирующего элемента τ контура с разрядом увеличивается, цепь становится индуктивной с эквивалентной э.д.с. источника питания, близкой к нулю. В таких цепях эффективное ограничение энергии разряда обеспечивается с помощью последовательной отключающей защиты, поэтому в цепь вводится отключающий элемент [8, 9]. Для 8,5%-ной метано-воздушной смеси время срабатывания отключающего элемента должно быть TШ =10÷15 мкс. За это время в условиях реальных скоростей контактов в разряде выделяется не более 10 % полезной энергии по сравнению с энергией разрядов естественной длительности (при традиционном ограничительном резисторе искрозащиты).

Практический вариант реализации такого способа защиты — источник питания, блок защиты которого в момент начала разряда включает шунтирующий элемент на выходе источника, затем отключает от источника зашунтированный контур цепи нагрузки с разрядом. Блок искрозащиты выполнен на полупроводниковых ключах. При возникновении разряда в нагрузке датчик начала разряда [7] открывает ключ, шунтирующий выход источника питания, затем схема запирает ключ, включенный последовательно в цепь нагрузки. Такое схемотехническое решение при правильном выборе параметров электрической цепи позволяет обеспечить в номинальном режиме допустимую искробезопас-ную мощность до 50 Вт.

Практическая реализация систем с динамической искрозащитой

ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) содержит данные для оценки искробезопасности по энергетическому критерию, в нем приведены характеристики искробезопасности для источников питания, снабженных устройствами сокращения длительности разряда (УСДР) — зависимости для УСДР. Вопрос внедрения таких систем обсуждался на семинарах в Донецке (Украина), Катовице (Польша), Остраве (Чехия) со специалистами по искробезопасности из европейских стран. В последние годы в Европе повысился интерес к искробезопас-ным системам питания с динамической искрозащитой, была проведена презентация продукции [10], разработанной с применением такого вида искрозащиты.

Необходимо отметить, что на практике область эффективного использования этих систем определяется многими параметрами всей системы питания. Главным образом это касается цепей нагрузки, в особенности линии связи. Параметры линии ограничивают точность контроля момента начала аварийного разряда и, следовательно, эффективность всей динамической искрозащиты. К числу основных вопросов нужно отнести неопределенность параметров сигнала, характеризующих момент начала аварийной коммутации. Кроме того, на сигнал воздействуют широкий спектр помех в пространстве по которому проходит линия связи, параметры самой линии, вносящие существенные и недетерминированные искажения исходного сигнала, и, разумеется, запаздывание сигнала, вызванное параметрами линии. При этом линия — далеко не идеальный элемент цепи питания, в особенности пр/ наличии клеммных коробок и разветвлений кабеля. Эти проблемы требуют продолжения многосторонних исследований параметров сигнала, характеризующего момент начала аварийной коммутации, и самого канала электропитания, нормирования их значений и условий применения, конструкторской проработки допустимых решений. К числу проблем следует отнести и параметры оконечной нагрузки, которые внесут свою долю в искажение информационного сигнала и воспламеняющую способность разрядов.

И это не единственная сложность развития таких систем. Важная проблема — необходимость ограничения по отводу тепла, которое может выделяться при повышенной мощности и малом объеме питаемой аппаратуры, т.е. новое нормирование температурного класса такого изделия. Возникает вопрос надежности мер по теплоотводу и гарантированных технических решений по их реализации.

Сложные задачи — сертификация и испытания таких систем, условия и оборудование для их проведения. Пространство объекта, для которого предназначено оборудование, становится фактором, определяющим надежность искрозащиты. Подземные выработки в данном случае находятся в выигрышном положении: ограничены виды и спектры помех, влияющие на надежность срабатывания искрозащиты.

Изготовление надежных узлов искрозащиты высокого качества требует повышения технологического уровня производства. Переход на новые технологии силами современных обескровленных отраслевых институтов или полукустарных частных лабораторий, очевидно, невозможен. В освоении динамической искрозащиты необходимо использование нанотехнологий, которые смогут обеспечить высокую точность изготовления, воспроизводство параметров, минимизацию человеческого фактора при выполнении сложной электронной схемы — блока динамической искрозащиты.

Это лишь общие вопросы, касающиеся возможности обоснованного применения динамической искрозащиты. Тем не менее, результат — повышение допустимой искробезопасной мощности — очень заманчив.

Возможными системами, применяющими динамическую искрозащиту, могут стать такие цепи, которые имеют ограниченные и нормированные параметры нагрузки и канала связи, например сети аварийного освещения на базе светодиодных излучателей или сети беспроводной связи. Первые могут иметь почти безреактивные параметры нагрузки, вторые проектируются с жесткими требованиями к параметрам сети, и поэтому не могут произвольно изменять характеристики информационного канала.

При решении вышеперечисленных проблем системы с динамической искрозащитой могут стать эффективным вариантом электропитания на объектах, где применение электроэнергии в настоящее время запрещено, например на шахтах, опасных по внезапным выбросам, и сверхкатегорийных шахтах, а также в аварийных зонах при постоянном присутствии в атмосфере объекта взрывоопасной концентрации газов для электроснабжения оборудования.

Выводы

  1. Рассмотрены основные принципы построения динамической искрозащиты для систем электропитания на предприятиях со взрывоопасной атмосферой. Показана высокая эффективность ее применения.
  2. Сформулирована связь между параметрами электрической (индуктивной) цепи, режимами быстродействующей искрозащиты и воспламеняющей способностью разрядов сокращенной длительности; показана связь постоянной времени индуктивной цепи с временем формирования минимального ядра пламени 8,5%-ной метано-воздушной смеси.
  3. Определены диапазоны параметров индуктивных цепей и режимы работы быстродействующей искрозащиты, обеспечивающие ее эффективное применение; описан способ повышения искробезопасной мощности в индуктивных цепях и цепях, содержащих кабельную линию связи; обоснованы принципы построения искробезопасных источников питания повышенной мощности для рудничного электрооборудования.
  4. Показано, что расчетная и электроизмерительная оценки искробезопасных цепей с быстродействующей искрозащитой могут проводиться по разности энергии, выделившейся в разряде, и энергии электрических потерь в контактах.
  5. Для практической реализации систем с динамической искрозащитой необходимо привлечение ресурсов нанотехнологий, способных обеспечить высокое качество аппаратных решений динамической искрозащиты.

Список литературы

  1. Исходные данные для создания искробезопасных источников питания повышенной мощности/ B.C. Кравченко, А.Т. Ерыгин, В.П. Яковлев, В.В. Давыдов// Сб. науч. тр./ СФТГП ИФЗ АН СССР. - 1973. - Вып. 4. -С. 159-163.
  2. Давыдов В.В. Воспламеняющая способность электрических разрядов сокращенной длительности при коммутации индуктивных цепей// Сб. науч. тр./ СФТГП ИФЗ АН СССР.- 1974.-С. 148.
  3. Ерыгин АЛ., Яковлев В.П., Давыдов В.В. Сформировании пламени взрывчатых смесей при воспламенении электрическим разрядом// Физика горения и взрыва. - 1975. — № 1. — С. 144-146.
  4. Об уровне искробезопасности электрических цепей/ B.C. Кравченко, А.Т. Ерыгин, В.П. Яковлев, В.В. Давыдов// Безопасность труда в промышленности. — 1975.-№6.-С. 41-43.
  5. А.с. 546729 СССР. Способ искробезопасного питания энергоемких систем/А.Т. Ерыгин, В.П. Яковлев, В.В. Давыдов. — Бюл. № 6// Открытия. Изобретения. — 1977.-№6.
  6. А.с. 546729 СССР. Способ испытаний на искробе-зопасность индуктивных цепей во взрывных камерах/ А.Т. Ерыгин, В.П. Яковлев, В.В. Давыдов. — Бюл. № 6// Открытия. Изобретения. — 1977. — № 6.
  7. А.с. 608963 СССР. Устройство контроля начала аварийного разряда в искробезопасных цепях/ А.Т. Ерыгин, В.П. Яковлев, В.В. Давыдов, А.Л. Трембицкий. — Бюл. № 20//Открытия. Изобретения. — 1978. — № 20.
  8. Давыдов В.В., Листвинский В.М., Сорокин А.А. Основные направления повышения эффективности полупроводниковой искрозащиты//Сб. докл. конф. ICAMC: Докл. 3.2. — Острава, 1990.
  9. Автоматизированная система расчета и оценки искробезопасности средств автоматики/ P.P. Абзалет-динов, В.И. Василенко, М.М. Гурарий и др.// Сб. докл. конф. ICAMC: Докл. 3.19. — Острава, 1990.
  10. Жданкин В. Динамическое обнаружение и прерывание электрического разряда — новая концепция обеспечения искробезопасности// Современные технологии автоматизации. — 2009. — № 4. — С. 8-12.

© В.В. Давыдов, канд. техн. наук, доцент (Московский государственный горный университет)

Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 7.2010

Последние Научно-технические статьи

Быстровозводимые фермовые металлоконструкции. Контроль состояния элементов.

Быстровозводимые металлоконструкции. Расчет.

Оценка состояния элементов строительных лесов.

Цепные грузоподъемные лебедки. Контроль состояния цепи

Техническое диагностирование технологического трубопровода цеха № 1429, рег №  1194 и рег №  2095

другие статьи

Информация о Ростехнадзоре

СМИ о
Ростехнадзоре

Предприятия и надзор

Новости
компаний

Промышленные новости, аналитика, обсуждения

© 2006–2018 Вестник Промышленной Безопасности | Реклама на сайте | Связь с нами | Статистика
При полном или частичном использовании материалов Вести ПБ гиперссылка на сайт обязательна.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ №ФС77-36452 от 28.05.2009.