Стартовая >> Оборудование >> Принципы искробезопасности

Принципы искробезопасности

Наряду с известными методами защиты от взрывов искробезопасное исполнение   электрооборудования   обеспечивает   безопасность   всей электрической системы (аппаратов, кабелей) как в нормальном, так и в аварийном .режиме работы. Основное отличие искробезопасного исполнения от других способов обеспечения безопасности электроэнергии в том, что искробезопасность исключает возможность возникновения взрыва. Благодаря этому     расширяется     область     применения     искробезопасного электрооборудования: оно может применяться без каких-либо ограничений в загазованных подземных выработках. Искробезопасной    электрической    системой    называют    комплекс электрооборудования и электрических устройств, состоящий только из искробезопасных цепей. Искробезопасной считается такая цепь, в которой искрения в виде коммутационных разрядов замыкания или размыкания, а также нагрев элементов цепи не способны воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся взрывчатую смесь. Теория поджигания смесей разрядами коммутируемых электрических цепей основана на тепловом механизме поджигания. Наиболее полно теория поджигания такими разрядами разработана советскими специалистами (работы ИГД им. А. А. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ВНИИВЭ и др.). Основным моментом этой теории является нахождение связи между параметрами электрической цепи и воспламеняющей способностью электрических разрядов, возникающих при ее коммутации. Эта связь определяется целым рядом факторов: переходным процессом в цепи, возникшим разрядом, процессом нагревания смеси до необходимой температуры и распространения пламени в окружающей смеси. Все эти явления связаны настолько сложными функциональными зависимостями, что не удается получить уравнения, полностью описывающие весь процесс поджигания даже применительно к простейшим цепям. Поэтому зависимости между параметрами электрических цепей, условиями коммутации и условиями поджигания смесей устанавливаются экспериментальным путем с помощью искрообразующих механизмов.
Воспламеняющие ток 1в, напряжение Uв, мощность Рв или энергия Ев- это минимальные ток, напряжение, мощность или энергия электрической цепи, при которых коммутация ее с помощью искрообразующего механизма вызывает воспламенение взрывоопасной смеси с вероятностью 10-3. Под вероятностью воспламенения понимают отношение количества воспламенении смеси к общему количеству образовавшихся разрядов, т. е. к количеству произведенных искрений. Для расчета вероятности следует провести столько опытов, чтобы было получено не менее 16 воспламенении смеси.

Обычно при испытании в каждом режиме производится не менее 16000 искрений. Электрическая цепь признается искробезопасной, если средняя частота взрывов равна или меньше одного на 1000 искрений, т. е. вероятность возникновения взрывов в камере не должна превышать 10-3 Искробезопасные ток Iи напряжение Uи, мощность Ри или энергия Еи - наибольшие ток, напряжение, мощность или энергия электрической цепи, разряды в которой не вызывают воспламенение взрывоопасной смеси в предписанных условиях испытаний цепи.
Коэффициент искробезопасности Kи - это отношение минимальных воспламеняющих параметров цепи Iв, Uв, Рв или Ев к соответствующим искробезопасным:
Kи = Iв / Iи =Uв / Uи =Рв / Ри = Ев / Еи > 1(4.1)
Характеристики   искробезопасности   это   зависимости   минимальных воспламеняющих или искробезопасных тока, напряжения, мощности или энергии от остальных параметров электрической цепи. В искробезопасных электрических цепях наиболее характерными являются два вида разряда: дуговой и искровой. Дуговой разряд возникает в момент размыкания контактов искрообразующего механизма и существует десятки, сотни микросекунд. Искровой разряд, как правило, возникает при пробое разрядного промежутка при сближении электродов, весь процесс разряда занимает 10-8 - 10-9 с.
На вид возникающего разряда основное влияние оказывают параметры электрической цепи: ток, напряжение, индуктивность и емкость. Поэтому в практике искробезопасности все цепи условно разделены на омические (безреактивные), индуктивные, емкостные. К омическим цепям относятся цепи, не содержащие сосредоточенной емкости, при индуктивности всей цепи, включая соединительные провода, не превышающей 1 мГ. В них наиболее опасными являются дуговые разряды размыкания, энергия которых определяется энергией источника питания. Воспламеняющая способность электрических разрядов в омической цепи зависит от силы тока в цепи и э. д. с, источника. Разряд носит апериодический характер.
К индуктивным цепям относятся цепи с индуктивностью, большей 1 мГ, и не содержащие сосредоточенной емкости. В них наиболее опасны разряды размыкания. Воспламеняющая способность электрических разрядов зависит от силы тока в цепи, э. д. с, источника и индуктивности. Характер разряда может быть различным: от дугового (апериодического) до многопробойного, все зависит от соотношения параметров цепи. К емкостным цепям относятся цепи с большими сосредоточенными емкостями. Наибольшую опасность в них представляют разряды замыкания, которые при достаточно высоком напряжении носят характер искрового разряда. Воспламеняющая способность таких разрядов зависит от напряжения на емкости, величины емкости и сопротивления, реже - индуктивности, разрядного контура.
Явление поджигания электрическими разрядами носит вероятностный характер, поэтому для получения сравнимых результатов экспериментальных исследований используется статистический метод их обработки При сравнении основных воспламеняющих параметров цепей их приводят к одной вероятности воспламенения. Зависимость вероятности воспламенения от воспламеняющих параметров (тока в омической и индуктивной цепи, напряжения в емкостной цепи) в логарифмическом масштабе имеет вид прямой линии. Сила тока при любой вероятности воспламенения

где I1,р1 - известные сила тока и соответствующая ему вероятность воспламенения; In, рn- искомые величины силы тока и вероятности воспламенения; @ - угол наклона вероятностной прямой к оси абсцисс, градус;

Между вероятностью воспламенения р и коэффициентом kи есть взаимосвязь:
чем больше коэффициент kи, тем меньше р. Например, значению kи=1,5
соответствует р= 10-6, значению kи=2,0 - р=10-8
Обобщённый критерий искробезопасности может быть представлен в виде

где U(t), I(t) - функции напряжения и тока; еk, Еэ - тепловые и электрические потери [5,6] за время разряда Ткр; Ткр- критическое время зажигания (для метано-воздушной смеси Ткр=110мкс); Еmin- абсолютный минимум энергии зажигания взрывчатой смеси за время Ткр.
Искра зависит от электрических параметров цепи, от скорости разведения контактов, их формы и металла. В цепи с постоянной ЭДС Е, резистором r и катушкой L напряжение и между размыкаемыми электродами определяется нелинейным дифференциальным уравнением.


и энергия, развиваемая в искре за время tр полного разряда

В соответствии с формулой (1) она определяется как

Первое слагаемое представляет собой энергию источника ЭДС е1, второе в резисторе r, третье энергию, накопленную в магнитном поле катушки до размыкания контактов.
В процессе размыкания контактов общее сопротивление цепи увеличивается, следовательно ток должен уменьшаться от первоначального значения до нуля.

В связи с этим энергия магнитного поля будет также уменьшаться от  до нуля.


при t=0, в момент начала размыкания контактов, энергия запасённая в магнитном поле катушки вместе с энергией источника Е будет выделяться в искре и резисторе r. Очевидно, что для цепей с большой индуктивностью труднее обеспечить искробезопасность. Искрение при постоянном токе более стабильно и происходит с большим выделением тепла, чем при переменном токе. При постоянном токе высвобождаемая энергия зависит от неизменяющегося значения тока, тогда как при переменном токе разрыв цепи может произойти с определённой вероятностью в тот момент, когда ток равен нулю, или имеет малое значение, поэтому переменный ток менее опасен в отношении искрения. При практической реализации искробезопасных цепей исходят из того, чтобы накопленная в индуктивной катушке энергия выделялась не в искре, а в другом месте, для чего применяют различные шунтирующие искрозащитные элементы.

Если в цепь ввести резистор r', то катушка индуктивности будет рассеивать энергию частично и в резисторе r'. Опыт показывает , что в некоторых цепях можно принять такое значение r', при котором искрообразование не вызовет взрыва.
Поскольку в резисторе происходят потери тепла, его целесообразно заменить ёмкостью. В случае разрыва цепи в точке А, катушка действует как генератор. Возникает процесс колебания энергии, который заканчивается в результате рассеяния энергии в активном сопротивлении контура, которое не участвует в искре размыкания.

Вместо резистора можно применить выпрямитель, оказывающий большое сопротивление прохождению тока в обратном направлении. Можно использовать также дополнительную катушку и получить схему трансформатора. Во время размыкания вторичная обмотка поглощает часть энергии.
Рассмотренные схемы применяются на практике, главным образом для устройств, питаемых постоянным током. Однако в силовых шахтных электрических    сетях,    характеризующихся    большой    мощностью электроприёмников, шахтное электрооборудование имеет взрывозащищённое исполнение, исключающее возможность воспламенения. Поскольку токи и напряжения в искробезопастных цепях незначительны, по сравнению с параметрами силовых цепей, в электрооборудовании должна быть исключена возможность попадания основных токов в искробезопасные цепи. Это решается целым рядом конструктивных мер, в частности применением специальных искрозащитных элементов или целых устройств (ограничители тока и напряжения, шунтирующие и разделительные элементы, блоки искрозащиты на стабилитронах и т.д.).

 
« Принципы взрывобезопасности   Присоединение »
электрические сети