УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНОСТИ КАБЕЛЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ОДИНОЧНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО УДАРА
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE EXPLOSION HAZARD OF A CABLE WHEN EXPOSED TO A SINGLE MECHANICAL SHOCK

1. Область применения
Изобретение относится к устройству и способу определения взрывоопасности кабеля при воздействии механического удара, которые применяются при проверке взрывоопасности кабелей, предназначенных для эксплуатации в электроустановках во взрывоопасных средах.
2. Уровень техники
Известен способ испытаний на взрывоопасность искробезопасных цепей с помощью искрообразующего механизма по ГОСТ 31610.11-2014.[1].
Электрическую цепь подключают к контактам искрообразующего механизма, которые находятся во взрывной камере, заполненной испытательной взрывоопасной смесью.
Испытание проводят с целью определения, произойдет или не произойдет воспламенение испытательной взрывоопасной смеси при определенном количестве срабатываний контактной системы.
3
Искрообразующий механизм должен состоять из контактного устройства, расположенного внутри взрывной камеры объемом не менее 250 м и предназначен для создания электрических разрядов при замыкании и размыкании электрической цепи в среде испытательной взрывоопасной смеси. Составы испытательных взрывоопасных смесей для наполнения взрывной камеры, в которой устанавливается искрообразующий механизм, представлены в таблицах 7 и 8 ГОСТ 31610.11-2014.[1].
Один из контактных электродов должен представлять собой вращающийся кадмиевый диск с двумя пазами. Другой контактный электрод состоит из четырех вольфрамовых проволочек диаметром 0,2±0,02 мм, закрепленных по окружности диаметром 50 мм на держателе электрода из платины.
При вращении держателя, вольфрамовые проволочки скользят по шероховатой поверхности кадмиевого диска. Длину вольфрамовых проволочек выбирают такой, чтобы при прохождении паза цепь, состоящая из вольфрамовой проволочки и кадмиевого диска, разрывалась, а после прохождения паза замыкалась.
Держатель проволочек вращают с частотой 80 об/мин электрическим двигателем. Диск вращают медленнее в противоположном направлении.
Таким образом, при прохождении одной проволочкой одного паза цепь размыкается и замыкается, в результате чего может образоваться искра, если искробезопасная цепь не обеспечивает предъявляемых требований.
Таким образом проверяются и точки соединения кабеля с клеммами электрооборудования. Однако сам кабель располагается вне взрывной камеры, поэтому испытание кабеля при такой схеме не осуществляется, что является недостатком метода.
Известен способ определения степени взрывоопасности парогазовоздушных смесей по патенту на изобретение RU №2099790 [2] от 19.06.1992 г., МПК: G08B 17/04.
Способ заключается в определении степени взрывоопасности парогазовоздушных смесей, заключающийся в поджигании с помощью искры во взрывной камере исследуемой парогазовоздушной смеси, предварительно обогащенной водородом. Отличие этого метода заключается в том, что условия проведения испытания заключаются в обязательности возникновения взрыва.
В нашем случае предусмотрено, чтобы взрыв мог произойти только в случае нарушения условий эксплуатации кабеля под воздействием механического удара. Поэтому способ по изобретению RU №2099790 [2] неприменим.
Известен способ испытания на ударостойкость по п. 26.4.2 ГОСТ 31610.0-2019.[3]. Установка представляет собой пластмассовую направляющую трубу, внутри которой падает груз с бойком (ударник) из закаленной стали в форме полусферы с диаметром 25 мм, и стальной подставки весом не менее 20 кг. Испытуемый образец устанавливается на подставке. Труба крепится к подставке таким образом, чтобы падающий груз попадал в нужную точку образца.
К образцам относятся оболочки и внешние части оболочек, защитные решетки, крышки, кожухи вентиляторов, кабельные вводы и другое оборудование.
Способ заключается в падении ударника по направляющей пластмассовой трубе на поверхность испытуемого образца. Все отскоки ударника в процессе испытания учитываются как продолжение испытания. Критерием выдерживания испытания является отсутствие визуально наблюдаемых повреждений испытуемого образца.
Недостатком является то, что метод не предусматривает испытание активного оборудования. Кабель является активным оборудованием и должен испытываться при подключенном рабочем напряжении.
Известен способ испытания на стойкость к механическому удару по ГОСТ 30630.1.. 10-2013 [4].
Установка состоит из вертикальной направляющей, по которой от места крепления на нормируемой высоте до образца, закрепленного на основе, с поверхностью, лежащей в горизонтальной плоскости, перемещается ударник.
Согласно п. 3.4.1. ГОСТ 30630.1.10-2013 [4], если изделие предназначено для эксплуатации при подключении его к источникам электропитания от 40 до 400 В, то при испытании изделие должно быть подключено к таким источникам электропитания.
Для обеспечения требуемой энергии удара в стандарте [4] подобраны массы ударника и высота его падения. Направляющая не должна касаться образца и ударник не должен соприкасаться с направляющей в момент удара об образец. Для уменьшения трения длина ударника не должна быть меньше его диаметра и должен быть предусмотрен небольшой зазор (например, 1 мм) между ударником и внутренней стенкой направляющей.
Критерием выдерживания испытания является отсутствие электрического пробоя образца в месте удара или отключение системы защиты от перенапряжения, а также отсутствие визуально наблюдаемого повреждения в месте соприкосновения с ударником.
В качестве прототипа выберем способ испытания на стойкость к механическому удару по ГОСТ 30630.1.10-2013 [4].
3. Раскрытие сущности изобретения
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагается устройство и способ испытания на воздействие одиночного механического удара на кабель, находящийся под рабочим электрическим напряжением, предназначенный для эксплуатации во взрывоопасных средах, позволяющие при испытании установить взрывоопасность кабеля.
Технический результат достигается тем, что используют устройство для определения взрывоопасности кабеля, с подключенным рабочим электрическим напряжением, при воздействии механического удара, состоящее из ударника, направляющего приспособления с зажимом на нормируемой высоте для закрепления ударника, станины с приспособлением для закрепления кабеля и направляющего приспособления. Устройство отличается тем, что напряжение от электросети к кабелю подают через устройство защитного отключения от электросети, на станине размещают взрывную камеру, в боковой стенке которой в направлении устройства защитного отключения оборудовано герметизируемое отверстие для вывода ближнего конца кабеля. Над кабелем в верхней панели взрывной камеры устанавливают подвижный шток, принимающий удар и передающий его на поверхность кабеля. Кабель прикреплен изнутри к основанию взрывной камеры приспособлением из двух частей, находящихся с разных сторон от штока. Над дальним концом кабеля к верхней панели взрывной камеры кронштейном прикрепляют половину кабельного разъема, в котором закрепляют токопроводящие жилы дальнего конца кабеля так, чтобы оголенные концы токопроводящих жил выступали из разъема на расстояние 2-5 мм внутрь взрывной камеры и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции. Взрывная камера оборудована устройством определения наличия электрического потенциала на каждой токопроводящей жиле кабеля и измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема взрывной камеры, устройством управления, обеспечивающим согласованную работу всех приспособлений и устройств взрывной камеры. Устройство имеет сосуд с концентратом испытательной смеси с приспособлением для подачи испытательной смеси внутрь взрывной камеры и дистанционную панель для ввода параметров, а также устройство для перемешивания испытательной смеси, установленное внутри взрывной камеры.
Главной задачей предлагаемых устройств и способа испытаний является подтверждение на опыте взрывоопасности кабеля. Это означает, что если по установленным критериям кабель не выдержал испытание, то это позволяет сделать заключение, что кабель взрывоопасен. Если кабель выдержал испытание, то это дает право испытания на следующем участке кабеля. Если кабель выдержит испытание «n» раз на различных участках кабеля. То на основании частотного определения вероятности [5] можно заключить, что вероятность возникновения взрыва, инициированного механическим ударом по кабелю, составляет не более
и, соответственно, вероятность того, что кабель не вызовет взрыва в результате механического удара с нормируемой энергией, составит
Можно установить два типа критериев взрывоопасности: фактическая взрывоопасность и потенциальная взрывоопасность.
Фактическая взрывоопасность определяется осуществлением взрыва испытательной взрывоопасной смеси внутри взрывной камеры в течение интервала времени, начинающегося с момента передачи удара от падающего ударника через шток на поверхность кабеля. При этом, взрыв может произойти в результате осуществления одного из двух событий.
Первое событие заключается в том, что при передаче удара через шток происходит изменение круглой формы в поперечном сечении кабеля и преобразование ее в эллиптическую с уменьшением диаметра в направлении удара. При этом уменьшаются все составляющие элементы конструкции, кроме сплошных металлических. Уменьшается толщина изоляции между двумя токопроводящими жилами, находящимися под рабочим электрическим напряжением. При определенном утончении изоляции (обусловленном энергией удара и применяемыми материалами, и конструкцией) происходит электрический пробой изоляции. Если электрический пробой происходит с локальным нагревом оболочки, превышающим предельно допустимый, с воспламенением полимеров изоляции и/или оболочки или с растрескиванием полимеров и прохождением искры через взрывоопасную испытательную смесь, то происходит взрыв испытательной смеси.
Второе событие заключается в том, что электрический пробой между токопроводящими жилами происходит через твердый диэлектрик без нагрева и воспламенения, и взрыв испытательной смеси отсутствует, то инициация взрыва может произойти между оголенными токопроводящими жилами, выведенными за пределы панели половины кабельного разъема внутрь взрывной камеры. Этому способствует следующее явление: короткое замыкание в месте электрического пробоя изоляции изменит состояние свободного участка цепи, накопившаяся энергия после подключения к электросети перед испытанием волной распространится до короткого замыкания, а затем, отразившись, распространится до оголенных жил, если этой энергии будет достаточно для электрического пробоя воздушного промежутка между оголенными концами токопроводящих жил, между ними возникнет искра, вслед за которой произойдет взрыв.
Если пробой изоляции произойдет, но ни одно из событий, приводящих к взрыву, не реализуется, возникнет поток энергии от электросети. Это явление относится к потенциальной взрывоопасности, так как оно также может привести к взрыву. Но в этом случае, возможны трагические последствия, которые могут быть связаны с возникновением возгорания подводящего кабеля и дальнейшим пожаром, либо взрывом на трансформаторной подстанции. Поэтому поток энергии от электросети в лаборатории должен быть прерван устройством защитного отключения, но само явление приравнено к взрыву.
Для того чтобы произошел вышеобозначенный взрыв, необходимо выполнение нескольких условий.
Чтобы был зафиксирован потенциальный взрыв, необходимо, чтобы в электрической цепи до испытуемого кабеля стояло устройство защитного отключения от сети, которое срабатывает в случае возникновения короткого замыкания в результате электрического пробоя изоляции.
Для того чтобы произошел взрыв испытательной смеси в камере, необходимо выполнение следующих условий. В первую очередь должна быть взрывная камера, ограничивающая определенную концентрацию испытательной смеси в воздухе в объеме камеры. В связи с этим, удар может быть нанесен только опосредованно: взрывная камера, в которую можно поместить всю ударную установку, экономически нецелесообразна, так как она должна обеспечивать взрывозащиту окружающего пространства, а это - чем больше объем защиты, тем дороже. Поэтому нужен промежуточный шток для передачи энергии удара на кабель. К штоку должны быть предъявлены особые требования. Для того чтобы шток упирался в поверхность кабеля, он должен быть подпружинен. Нижняя часть штока, находящаяся внутри взрывной камеры должна иметь конструктивные размеры (диаметр) больше отверстия в верхней панели взрывной камеры или иметь расширяющийся ободок, препятствующий выдавливанию штока за пределы взрывной камеры при повышенном давлении при взрыве.
В связи с нарушением герметичности в двух местах: в месте установки штока и месте выхода кабеля для подключения к сети должны быть минимальные условия воздухообмена: шток должен быть притерт с учетом передаваемой энергии удара на кабель, а в месте выхода кабеля обеспечено изолируемое отверстие, герметизируемое в статичном режиме.
Для того чтобы кабель не смещался под ударом, необходимо прочно закрепить кабель ко дну взрывной камеры изнутри, причем приспособление для заземления кабеля должен состоять из двух частей, закрепляющих кабель с разных сторон от штока.
Фактический взрыв во взрывной камере происходит тогда, когда между двумя токопроводящими элементами в газовой смеси проскакивает искра, а газовая смесь содержит взрывоопасные газы в определенной концентрации.
В известном испытании оборудования с взрывозащитой вида «искробезопасная электрическая цепь «i» с помощью искрообразующего механизма во взрывной камере (ГОСТ 31610.11-2014 [1]) нормируются три варианта испытательной смеси: воздушная смесь с взрывоопасными газами из ряда - метан, пропан, этилен, водород; кислородно-водородно-воздушная смесь и кислородно-водородная смесь. Все варианты отличаются тем, что необходимо выдерживать требуемую концентрацию реагентов. Для того чтобы выдерживать требуемую концентрацию реагентов, взрывная камера оборудована устройством измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема взрывной камеры. Так как взрывная камера имеет два конструктивных элемента, в которых возможна минимальная утечка газа из объема взрывной камеры, измерение концентрации испытательной смеси внутри взрывной камеры должно проводиться непосредственно перед испытанием на удар. Для восполнения испытательной смеси должен быть предусмотрен сосуд с концентратом испытательной смеси и устройством для подачи испытательной смеси внутрь взрывной камеры, а также устройство для перемешивания испытательной смеси, установленное внутри взрывной камеры.
Еще одним важным условием инициации взрыва является закрепление дальнего конца кабеля в половине кабельного разъема и фиксации оголенных токопроводящих жил на расстоянии не менее двойной толщины изоляции. При этом обеспечивается условие равномерности распределения оголенных токопроводящих жил в объеме камеры. Половина кабельного разъема - это устройство, основанное на стандартной половине кабельного разъема, доработанной для фиксации изолированных токопроводящих жил и выведения концов оголенных жил за пределы торца разъема. Для подтверждения наличия электрического потенциала до удара производится измерение потенциала с помощью устройства для определения наличия потенциала на каждой жиле. Для обеспечения выполнения всех операций и согласованной работы всех устройств, камера оборудована устройством управления, а для ввода параметров предусмотрена дистанционная панель.
Таким образом, при наличии электрического потенциала на оголенных жилах дальнего конца кабеля и нормированной концентрации взрывоопасной испытательной смеси в объеме взрывной камеры, при ударе о шток ударника и передачи через шток энергии удара на поверхность кабеля возникает один из двух возможных вариантов событий: либо энергии ударника не достаточно для возникновения электрического пробоя изоляции и тогда ин один из трех вариантов взрывоопасности не реализуется, либо энергии ударника оказывается достаточно для возникновения электрического пробоя изоляции и реализации хотя бы одного из трех вариантов взрывоопасности. Что и требовалось доказать.
Так как полноценная передача энергии удара обеспечивается касанием штоком поверхности кабеля, целесообразно оснастить взрывную камеру устройством контроля соприкосновения подвижного штока с поверхностью кабеля в положении до удара.
Целесообразно сделать так, чтобы на установке можно было проводить испытания серии ударов со смещением места удара после каждого удара на некоторое расстояние. При этом каждый удар можно считать одиночным. Для этого бухту кабеля размещают на вращающуюся отдающую площадку, которая оборудована двигателем, обеспечивающим дискретное вращение и торможение площадки с кабелем, производимое автоматически, что исполняется устройством управления, а перемещение линейной части кабеля производится протягивающим устройством. В момент работы протягивающего устройства, устройство управления приоткрывает приспособления для закрепления кабеля, а после протягивания кабеля вновь закрывает, прижимая кабель к днищу взрывной камеры.
Так как бухта с кабелем вращается, то будет вращаться и половина кабельного разъема, в котором закреплены токопроводящие жилы дальнего конца кабеля. Закрепленная половина кабельного разъема при вращении бухты кабеля приведет к перекручиванию и обрыву токопроводящих жил кабеля. Поэтому в качестве подставки используют неподвижную закрепленное кольцо со скользящей поверхностью, на которое сверху свободно устанавливают половину кабельного разъема, к которому снизу через центр кольца подводят кабель и закрепляют в половине кабельного разъема токопроводящие жилы так, чтобы оголенные концы токопроводящих жил выступали из разъема на расстояние 2-5 мм внутрь взрывной камеры и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции.
Так как кабель имеет достаточно большую длину, серия испытаний большая, а ближний конец кабеля закреплен на устройстве защитного отключения от электросети, то целесообразно, чтобы кабель, выходящий из герметизируемого отверстия, не ложился произвольно около установки, а собирался в кабельном накопителе, состоящем из двух роликов: активного, по которому подается в систему накопителя кабель, и пассивного, увеличивающего объем накопителя. Причем, в зависимости от геометрии свободного места возле установки испытания на удар, накопитель может быть сориентирован либо в вертикальной плоскости, либо в горизонтальной.
При соответствующем программировании управляющего устройства, испытательное устройство может применяться для испытаний на многократные механические удары в каждой предусмотренной режимом испытаний точке поверхности кабеля.
Если кабель имеет большую длину и намотан на барабан и количество испытаний в серии также большое, то целесообразно взрывную камеру разделить на две независимые части: первую взрывную камеру, включающую все устройства взрывной камеры по п. 1, обеспечивающие работу первой взрывной камеры, и установленную на станине испытательного устройства на воздействие механического удара, и вторую взрывную камеру, закрепленную на щеке барабана. Факторы взрывоопасности распределены по трем устройствам: первый фактор фактической взрывоопасности определяется за счет возникновения искры при изменении изоляции под воздействием механического удара с образованием пробоя изоляции с коротким замыканием между токопроводящими жилами, или воспламенением изоляции и оболочки, или перегрев оболочки сверх допустимого значения, сопровождаемых взрывом испытательной смеси, второй фактор фактической взрывоопасности определяется за счет стекания накопленной энергии на дальнем конце кабеля к месту пробоя с коротким замыканием между токопроводящими жилами, возникновением отраженной волны и возникновением искры между оголенными токопроводящими жилами на дальнем конце кабеля, сопровождаемой взрывом испытательной смеси, третий фактор потенциальной взрывоопасности, после пробоя изоляции с коротким замыканием между токопроводящими жилами, сопровождаемый срабатыванием устройства защитного отключения от электросети. В первой взрывной камере возможна реализация первого фактора фактической взрывоопасности, так как в ней находится лишь незначительная часть линейного отрезка кабеля, в том числе места, в котором производится удар. Для обеспечения сквозного прохождения кабеля, необходимо выполнение второго герметизируемого отверстия для входа кабеля, поступающего с барабана. Первая взрывная камера должна включать все устройства взрывной камеры по п. 1, обеспечивающие работу первой взрывной камеры, а также иметь протягивающее устройство, обеспечивающее протягивание кабеля при смене места, в котором производится удар. Также, первая взрывная камера должна быть оборудована устройством управления, обеспечивающим согласованную работу всех устройств первой взрывной камеры с отдающим устройством и управляющим устройством второй взрывной камеры. Вторая взрывная камера ориентирована на обеспечение условий реализации второго фактора фактической взрывоопасности, состоящем в возникновении искры между оголенными токопроводящими жилами вследствие прихода отраженной волны от короткозамкнутого участка после пробоя изоляции под воздействием удара. Для этого, независимо от вращения барабана, положение дальнего конца кабеля и второй взрывной камеры относительно друг друга было постоянным. Это обеспечивается тем, что дальний конец кабеля и вторая взрывная камера зафиксированы (прикреплены) на щеке барабана.
Для обеспечения условий реализации второго фактора фактической взрывоопасности вторая взрывная камера должна иметь герметизируемое отверстие для ввода дальнего конца кабеля с барабана, в объеме второй взрывной камеры должна находиться взрывоопасная испытательная смесь, токопроводящие жилы кабеля закреплены в половине кабельного разъема так, чтобы оголенные концы их выступали из разъема на расстояние 2-5 мм внутрь взрывной камеры и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции. Также вторая взрывная камера оборудована устройствами измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри второй взрывной камеры, наличия электрического потенциала на каждой токопроводящей жиле кабеля и устройством управления, обеспечивающим согласованную работу всех устройств второй взрывной камеры между собой и с устройством управления первой взрывной камеры.
Так как вторая взрывная камера оборудована герметизируемым вводным отверстием для кабеля, кабель и вторая взрывная камера неподвижны относительно друг друга, дополнительное введение взрывоопасной испытательной смеси в процессе испытания обычно не производят, поэтому второй сосуд для содержания и введения испытательной смеси, а также перемешивающее устройство во второй взрывной камере не предусмотрены.
Отдающее устройство по команде управляющего устройства первой взрывной камеры должно обеспечивать дискретный поворот барабана для подачи кабеля при переходе к новому (следующему) месту удара.
При соответствующем программировании управляющего устройства, испытательное устройство может применяться для испытаний на многократные механические удары в каждой предусмотренной режимом испытаний точке поверхности кабеля.
Так как кабель имеет достаточно большую длину, серия испытаний большая, а ближний конец кабеля закреплен на устройстве защитного отключения от электросети, то целесообразно, чтобы кабель, выходящий из герметизируемого отверстия, не ложился произвольно около установки, а собирался в кабельном накопителе, состоящем из двух роликов: активного, по которому подается в систему накопителя кабель, и пассивного, увеличивающего объем накопителя. Причем, в зависимости от геометрии свободного места возле установки испытания на удар, накопитель может быть сориентирован либо в вертикальной плоскости, либо в горизонтальной.
Технически результат достигается тем, что для определения взрывоопасности кабеля, находящегося под рабочим электрическим напряжением при воздействии механического удара, используют способ, при котором ударник, закрепленный на фиксированной высоте, соответствующей нормируемой энергии удара для данной массы ударника, сбрасывается по направляющему приспособлению на кабель, причем для проведения испытания используют устройство по п. 1. Для проведения испытания подают напряжение от электросети и на панели управляющего устройства проверяют наличие электрического потенциала на токопроводящих жилах дальнего конца кабеля, проверяют соответствие концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри взрывной камеры и при необходимости запускают механизм подкачивания взрывоопасной испытательной смеси до нормируемого значения концентрации и перемешивания газовой среды внутри взрывной камеры, после установления нормируемого значения концентрации, на панели управления вводят сигнал начала испытания, управляющее устройство освобождает ударник в месте закрепления, и ударник по направляющему приспособлению падает до соприкосновения с подвижным штоком, который принимает удар на себя и предает его на кабель, если в месте удара или между оголенными токопроводящими жилами дальнего конца кабеля возникает искра, происходит воспламенение изоляции и оболочки или перегрев оболочки кабеля сверх допустимого значения, сопровождаемое взрывом взрывоопасной испытательной смеси или в результате удара происходит срабатывание устройства защитного отключения от электросети, то считают, что кабель испытание не выдержал и является взрывоопасным, при отсутствии вышеперечисленных явлений, считают, что кабель испытание выдержал и не является взрывоопасным.
Известны кабели силовые и контрольные, применяемые в электроустановках во взрывоопасных средах и выпускаемые по ГОСТ Р 58342-2019 «Кабели силовые и контрольные для применения в электроустановках во взрывоопасных средах. Общие технические условия» [6]. Одним из подтверждений применимости во взрывоопасных средах является проверка стойкости на удар по ГОСТ 30630.1.10-2013 [4]. Недостаток указанного метода заключается в том, что испытание проводят в два этапа: первый этап состоит из собственно удара ударником, сбрасываемом с нормированной высоты, на поверхность кабеля, второй этап состоит в испытании кабеля электрическим напряжением, спустя некоторое время. В момент удара происходит изменение конструкции кабеля, в том числе утончение изоляции. Если процесс упругий, то изоляция за очень короткое время (менее 1 с) восстанавливается и последующее испытание напряжением производится на кабеле, имеющем конструкцию, совпадающую с первоначальной, что обеспечивает выдерживание испытаний. Если же проводить испытание на удар по кабелю, подключенному к рабочему напряжению, то утончение изоляции может привести к электрическому пробою изоляции, и такой метод испытания является более жестким и более близким к реальному удару в процессе эксплуатации. ГОСТ 30630.1.10-2013 [4] предусматривает такое испытание, но только для электрического напряжения из диапазона от 40 до 400 В.
Если при таком испытании произойдет электрический пробой, то это позволит судить только о потенциальной взрывоопасности, которая напрямую не связана с фактической взрывоопасностью.
Фактическая взрывоопасность подтверждается нахождением кабеля в момент удара в объеме взрывной камеры, наполненной взрывоопасной испытательной смесью. Если в момент удара происходит короткое замыкание между токопроводящими жилами, за счет перегрева участка оболочки кабеля, воспламенения полимерных материалов или проскакивания искры через взрывоопасную испытательную смесь, возникает взрывоопасная ситуация, другим вариантом инициации взрыва является волна от дальнего конца кабеля к месту короткого замыкания, отраженная и вернувшаяся к оголенным жилам дальнего конца, где возможна искра между оголенными концами токопроводящих жил с последующим взрывом. Таким образом, основным подтверждением взрывоопасности будет служить фактическая взрывоопасность, а потенциальная взрывоопасность, заключающаяся в электрическом пробое с последующим коротким замыканием между токопроводящими жилами, является дополнительным фактором.
Сопутствующими обязательными требованиями является наличие электрического потенциала на токопроводящих жилах дальнего конца кабеля, наличие требуемой концентрации взрывоопасной испытательной смеси. Подключив источник питания через устройство защитного отключения от электросети, проверив наличие требуемой концентрации взрывоопасной испытательной смеси и наличие электрического потенциала на токопроводящих жилах дальнего конца кабеля, вводят сигнал начала испытаний. Управляющее устройство освобождает ударник в месте закрепления, ударник по направляющему приспособлению падает до соприкосновения с подвижным штоком, который принимает на себя удар и передает его на кабель. Если в месте удара возникает нагрев оболочки кабеля, пламя или искра, или между оголенными токопроводящими жилами дальнего конца кабеля возникает искра и происходит взрыв взрывоопасной испытательной смеси, или в результате удара происходит срабатывание устройства защитного отключения, то кабель считают взрывоопасным. При этом место удара и оголенные жилы находятся в окружающем взрывоопасном газообразном веществе. Если удар не приведет к взрыву и не произойдет отключение устройства защитного отключения от электросети, то для данного образца можно утверждать, что он обеспечивает взрывобезопасность. А если создадутся условия взрывоопасности, сопровождаемые взрывом, или отключением устройства защитного отключения от электросети, то можно утверждать, что кабель взрывоопасен. Что и требовалось доказать.
Если необходимо провести испытание на удар в большом количестве точек по длине кабеля, то целесообразно использовать образец кабеля, скрученный в бухту и помещенный на отдающую площадку, размещенную во взрывной камере. На панели управляющего устройства задают режим испытаний в виде количества циклов испытаний, периодичность испытаний во времени и длину по оболочке кабеля между точками удара для двух последовательных испытаний. При числе испытаний более одного испытания проводят циклами в автоматическом режиме. Один цикл испытаний включает в себя следующую последовательность действий: проверку электрического потенциала на токопроводящих жилах дальнего конца кабеля, соответствие концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри взрывной камеры нормируемому значению, в случае несоответствия измеренного значения концентрации нормируемому, производят подкачивание взрывоопасной испытательной смеси до нормируемого значения концентрации и перемешивание газовой среды внутри взрывной камеры, после установления нормируемого значения концентрации, освобождение ударника в месте закрепления, падение ударника по направляющему приспособлению, возврат ударника в исходную позицию, фиксацию результата в виде взрыва или срабатывания устройства защитного отключения от электросети.
При наличии взрыва во взрывной камере или срабатывании устройства защитного отключения от электросети, считают, что кабель испытание не выдержал и является взрывоопасным, при отсутствии взрыва или срабатывания устройства защитного отключения от электросети - кабель считают выдержавшим испытание, такой кабель не является взрывоопасным.
После введения режима испытаний дают сигнал начала испытаний, устройство в автоматическом режиме выполняет действия, входящие в один цикл, затем перемещает на установленную длину кабель и после выдержки в течение заданного времени, начинает действия очередного цикла. В конце каждого цикла, устройство фиксирует результаты испытаний и, если кабель испытания не выдержал, то устройство испытания прекращает и зажигает на панели индикацию, подтверждающую, что кабель является взрывоопасным.
Если необходимо провести удар в большом количестве точек кабеля, намотанного на барабане, то целесообразно использовать отдающее устройство для барабана с кабелем, а взрывную камеру разделить на две части: первую взрывную камеру использовать для линейно проложенного участка кабеля, чтобы ударник падал на шток, а шток передавал удар на кабель, а вторую взрывную камеру с введенным в нее дальним концом кабеля закрепить на щеке барабана, в которой зачищенные концы токопроводящих жил закрепляют в половине кабельного разъема во второй взрывной камере так, чтобы оголенные концы токопроводящих жил выступали внутрь объема второй взрывной камеры на расстоянии 2-5 мм и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции.
Один цикл испытания включает в себя: проверку электрического потенциала дальнего конца кабеля во второй взрывной камере, соответствие концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри первой и второй взрывных камер нормируемому значению, в случае несоответствия измеренного значения концентрации в одной или обеих камерах нормируемому, производят подкачивание взрывоопасной среды до нормируемого значения (в случае несоответствия измеренного значения концентрации нормируемому во второй камере, подкачивание концентрата испытательной смеси производят вручную), освобождение ударника в месте закрепления, падение ударника по направляющему приспособлению, возврат ударника в исходную позицию, фиксацию результата в виде взрыва в любой из камер или срабатывание устройства защитного отключения от электросети, кабель считают не выдержавшим испытание (взрывоопасным), при отсутствии взрыва в любой из взрывных камер или срабатывания устройства защитного отключения от электросети - кабель считают выдержавшим испытание (не взрывоопасным).
Способ заключается в следующем: испытуемый кабель прокладывают через первую взрывную камеру, закрепляют, подсоединяют к устройству защитного отключения от электросети, подают напряжение, устройство в автоматическом режиме выполняет действия, входящие в один цикл, затем включает отдающее устройство, оно поворачивает барабан с кабелем и освобождает необходимую длину кабеля, освобождает устройство закрепления кабеля в первой взрывной камере, протягивающее устройство перемещает кабель на заданную длину и закрепляющее устройство вновь закрепляет кабель, и после выдержки в течение заданного времени начинает действие очередного цикла, в конце каждого цикла устройство фиксирует результат испытания и, если кабель испытание не выдержал, то устройство испытания прекращает и зажигает на панели индикацию, подтверждающую, что кабель испытания не выдержал.
4. Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, представленными на чертежах:
Фиг. 1 - схематическое изображение устройства для испытания короткого образца кабеля на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением, при воздействии механического удара;
Фиг. 2 - схематическое изображение устройства для испытания образца кабеля, смотанного в бухту, на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением, при воздействии механического удара;
Фиг. 3 - схематическое изображение устройства для испытания образца кабеля, намотанного на барабан, на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением, при воздействии механического удара.
Изображенное схематически на чертеже Фиг. 1 устройство для испытания короткого образца кабеля на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением, при воздействии механического удара состоит из взрывной камеры 1, закрепленной на станине 2, направляющего приспособления 3 для ударника 4 с зажимом 5 для крепления ударника 4, устройство включает в себя устройство защитного отключения 6 от электросети с кабелем силовым 7 для подсоединения к электросети, на устройстве защитного отключения 6 от электросети установлены клеммы 8 для подсоединения испытуемого кабеля 9, испытуемый кабель 9 выходит из герметизируемого отверстия 10 в торцевой поверхности взрывной камеры 1, в верхней панели взрывной камеры 1 закреплен подвижный шток 11, передающий удар на испытуемый кабель 9, в основании взрывной камеры 1 установлены два приспособления 12 для закрепления испытуемого кабеля 9, на кронштейнах 14 к верхней панели взрывной камеры 1 прикреплена половина кабельного разъема 13, из которой выведены оголенные концы 15 изолированных токопроводящих жил 16 испытуемого кабеля 9, для измерения электрического потенциала на каждой токопроводящей жиле предусмотрено устройство 17, для измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема взрывной камеры 1 предусмотрено устройство 18, для обеспечения совместной работы различных устройств испытательного устройства используется устройство управления 20 и связанная с ним дистанционная панель ввода параметров 21, для обеспечения нормируемой концентрации взрывоопасной испытательной смеси предусмотрен сосуд 22, содержащий концентрированную взрывоопасную испытательную смесь, с приспособлением для введения испытательной смеси внутрь взрывной камеры 1, и внутри взрывной камеры 1 устройство 19 для перемешивания испытательной смеси.
Изображенное схематически на чертеже Фиг. 2 устройство для автоматического испытания со сменой места удара после каждого одиночного удара, на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением при воздействии механического удара, с кабелем, смотанным в бухту состоит из взрывной камеры 1, закрепленной на станине 2, направляющего приспособления 3 для ударника 4 с зажимом 5 для крепления ударника 4, устройство включает в себя устройство защитного отключения 6 от электросети с кабелем силовым 7 для подсоединения к электросети, на устройстве защитного отключения 6 от электросети установлены клеммы 8 для подсоединения испытуемого кабеля 9, испытуемый кабель 9 выходит из герметизируемого отверстия 10 в торцевой поверхности взрывной камеры 1, в верхней панели взрывной камеры 1 закреплен подвижный шток 11, передающий удар на испытуемый кабель 9, в основании взрывной камеры 1 установлены два приспособления 12 для закрепления испытуемого кабеля 9, на кронштейнах 14 к верхней панели взрывной камеры 1 прикреплена половина кабельного разъема 13, из которой выведены оголенные концы 15 изолированных токопроводящих жил 16 испытуемого кабеля 9, так, чтобы оголенные концы 15 токопроводящих жил 16 выступали из разъема на расстояние 2-5 мм внутрь взрывной камеры и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции, для измерения электрического потенциала на каждой токопроводящей жиле предусмотрено устройство 17, для измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема взрывной камеры 1 предусмотрено устройство 18, для обеспечения совместной работы различных устройств испытательного устройства используется устройство управления 20 и связанная с ним дистанционная панель ввода параметров 21, для обеспечения нормируемой концентрации взрывоопасной испытательной смеси предусмотрен сосуд 22, содержащий концентрированную взрывоопасную испытательную смесь, с приспособлением для введения испытательной смеси внутрь взрывной камеры 1, и внутри взрывной камеры 1 устройство 19 для перемешивания испытательной смеси, внутри взрывной камеры 1 для предотвращения перекручивания и обрыва токопроводящих жил дальнего конца кабеля, закрепленного в половине кабельного разъема 13 предусмотрено неподвижно закрепленное кольцо 23 со скользкой поверхностью, для отматывания необходимой длины кабеля из бухты 26 для смены места удара предусмотрена вращающаяся площадка 24, с которой связан электродвигатель 25, обеспечивающий дискретное вращение и торможение площадки 24, для перемещения кабеля 9 для смены места удара в автоматическом режиме предусмотрено протягивающее устройство 27, для обеспечения непрерывности автоматического режима испытания, предусмотрено устройство 28 для возврата ударника в изначальное положение.
Изображенное схематически на чертеже Фиг. 3 устройство для автоматического многоразового испытания со сменой места удара после каждого одиночного удара на определение взрывоопасности с подключенным рабочим электрическим напряжением при воздействии механического удара с кабелем, намотанным на барабан, состоит из первой взрывной камеры 29, закрепленной на станине 2, направляющего приспособления 3 для ударника 4 с зажимом 5 для крепления ударника 4, устройство включает в себя устройство защитного отключения 6 от электросети с кабелем силовым 7 для подсоединения к электросети, на устройстве защитного отключения 6 от электросети установлены клеммы 8 для подсоединения испытуемого кабеля 9, кабель 9 линейно проложен по дну первой взрывной камеры 29 и проходит через герметизируемые отверстия 31 в торцах первой взрывной камеры 29, в верхней панели первой взрывной камеры 29 закреплен подвижный шток 11, передающий удар на испытуемый кабель 9, в основании первой взрывной камеры 29 установлены два приспособления 12 для закрепления испытуемого кабеля 9, для измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема первой взрывной камеры 29 предусмотрено устройство 18, для обеспечения совместной работы всех устройств и приспособлений первой взрывной камеры 29 и устройства второй взрывной камеры и отдающего устройства используется устройство управления 20 и связанная с ним дистанционная панель ввода параметров 21, для обеспечения нормируемой концентрации взрывоопасной испытательной смеси предусмотрен сосуд 22, содержащий концентрированную взрывоопасную испытательную смесь, с приспособлением для введения испытательной смеси внутрь камеры, и внутри камеры устройство 19 для перемешивания испытательной смеси, внутри первой взрывной камеры 29, и из второй взрывной камеры 30, закрепленной на щеке барабана 32 с кабелем 9, барабан 32 устанавливается на стойке 33, снабженной электродвигателем для дискретного поворачивания барабана 32 и освобождения намотанного на него кабеля 9, стойка 33 закреплена на опоре 34 для обеспечения механической устойчивости, дальний конец кабеля 9 введен во вторую взрывную камеру 30 через герметизируемое отверстие 35, токопроводящие жилы 16 кабеля 9 закреплены в половине кабельного разъема 13 так, чтобы оголенные концы 15 токопроводящих жил 16 выступали из разъема на расстояние 2-5 мм внутрь взрывной камеры и находились по отношению друг к другу на расстоянии не менее двойной толщины изоляции, для измерения электрического потенциала на каждой токопроводящей жиле предусмотрено устройство 17, для измерения концентрации взрывоопасной испытательной смеси внутри объема второй взрывной камеры 30 предусмотрено устройство 18, для управления устройствами и приспособлениями второй взрывной камеры 30 и для связи с устройством управления 20 первой взрывной камеры 29 предусмотрено устройство управления 36, размещенное во второй взрывной камере 30.
5. Осуществление изобретения
Устройство для испытания на одиночный механический удар описано в ГОСТ 31610.1.10-2013 [4] и может быть заказано на предприятиях, производящих испытательное оборудование.
В качестве устройства защитного отключения от электросети может быть использована универсальная пробойная установка УПУ, применяющаяся для испытания кабелей электрическим напряжением.
Установка обеспечена устройством автоматики, отключающей ее от сети в случае электрического пробоя изоляции испытуемого кабеля.
Взрывная камера применяется в устройстве с искрообразующим механизмом, применяемым по ГОСТ 30610.11-2014 [1] для испытания на искробезопасность и выпускается серийно. На основании этой камеры может быть сконструирована камера большого размера для выполнения задач по настоящему изобретению.
Контрольно-измерительные приборы для измерения концентрации взрывоопасных испытательных смесей производятся серийно.
6. Библиография
1. ГОСТ 31610.11-2014 «Взрывоопасные среды. Часть 11. Оборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», М. Стандартинформ, 2016.
2. Патент на изобретение RU №2099790 «Способ определения степени взрывоопасности парогазовоздушных смесей» от 19.06.1992, МПК: G08B 17/04.
3. ГОСТ 31610.0-2019 «Взрывоопасные среды. Часть 0. Оборудование. Общие требования», М., Стандартинформ, 2020 - 92 с.
4. ГОСТ 30630.1.10-2013 «Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Удары по оболочке изделия», М., Стандартинформ, 2015-33 с.
5. Гмурман В.Е. «Теория вероятностей и математическая статистика» - М., Высшая школа, 2002 - 479 с.
6. ГОСТ Р 58342-2019 «Кабели силовые и контрольные для применения в электроустановках во взрывоопасных средах. Общие технические условия», М., Стандартинформ, 2019 - 26 с.