Развитие расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей

УДК 622.81 А. Т. Ерыгин

РАЗВИТИЕ РАСЧЕТНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Проанализировано современное положение в мире в части расчетной оценки искробезопасности электрических цепей. Показаны преимущества расчетной оценки искробезопасности электрических цепей в сравнении с экспериментальным методом. Приведены последние результаты исследований в области расчетной оценки искробезопасности электрических цепей и намечены пути ее дальнейшего развития.

Ключевые слова: искробезопасность, электрическая цепь, электрооборудование, расчетная оценка.

Семинар № 23

Лри оценке на искробезопасность электрических цепей на практике используются следующие методы:

1) экспериментальный, основанный на коммутации электрических цепей искрообразующим механизмом во взрывной камере, заполненной испытательной взрывоопасной смесью, и определении вероятности ее воспламенения;

2) расчетный, основанный на использовании характеристик искробезопасности, полученных с помощью экспериментов во взрывной камере для электрической цепи, которая оценивается на искробезопасность.

Согласно действующего стандарта [1] оба эти методы равно применимы при оценке искробезопасности электрических цепей. Однако расчетный метод оценки искробезопасности электрических цепей в сравнении с испытаниями во взрывной камере имеют значительные преимущества:

1) более высокая достоверность оценки. Точки на характеристике искробезопасности исключают значительные колебания значений воспламеняющих параметров в сравнении с отдельными испытаниями;

2) расчетная оценка имеет более широкую область применения в сравнении с камерными испытаниями. Характеристики искробезопасности могут быть получены в области параметров электрических цепей, где экспериментальные методы невозможны из-за

влияния реактивных параметров искрообразующего механизма и его присоединительных проводов. При установлении характеристик искробезопасности реактивные параметры искрообразующего механизма и его присоединительных проводов могут быть измерены и использованы в качестве эталонных;

3) расчетная оценка имеет более высокую информативность за счет получения ее результатов в количественной форме в виде значений коэффициентов искробезопасности. Испытания во взрывной камере обеспечивают только качественный результат: да или нет;

4) для выполнения расчетной оценки в сравнении с камерными испытаниями требуется затратить меньше труда и меньше времени;

5) расчетная оценка позволяет выбирать более рациональные параметры искробезопасного электрооборудования;

6) расчетная оценка искробезопасности электрических цепей доступна не только испытателям Сертификационных центров взрывозащищенного и рудничного электрооборудования, но и разработчикам искробезопасной аппаратуры, которые обычно не имеют экспериментальной испытательной аппаратуры.

О необходимости развития, совершенствования и расширения использования расчетной оценки искробезопасности электрических цепей настоятельно рекомендует МЭК (Международная электротехническая комиссия) в своих стандартах на взрывозащищенное электрооборудование [2]. При всей привлекательности расчетных методов оценки искробезопасности электрических цепей они до сих пор не заняли достойного места в процессе разработки нового искробезопасного электрооборудования и в его сертификационных испытаниях. В данной работе намечено проанализировать настоящее положение в России и за рубежом с расчетной оценкой искро-безопасности электрических цепей и наметить пути ее дальнейшего развития.

При коммутации (замыкание и размыкание) электрических цепей возникают электрические разряды. Электрические разряды подразделяются на разряды замыкания и размыкания. Причем в зависимости от параметров электрических цепей или один или другой вид разрядов может быть более опасным. Чаще всего разряды замыкания в основном являются более опасными в емкостных цепях, а разряды размыкания - в омических и индуктивных цепях. Первоначально рассмотрим вопрос расчетной оценки искробезо-пасности электрических цепей по разрядам замыкания.

В электрических цепях емкости конденсаторов и напряжения на них могут превышать искробезопасные значения. Существует несколько способов, основанных на снижении энергии и мощности электрического разряда, которые позволяют емкостную цепь сделать искробезопасной. К таким способам следует отнести снижение значения емкости конденсатора, уменьшение величины напряжения на нем или подсоединение непосредственно к конденсатору ограничительного сопротивления или индуктивного элемента. Использование одного или нескольких методов для обеспечения ис-кробезопасности зависит от параметров разрабатываемой аппаратуры. В разрабатываемой аппаратуре могут быть несколько различных конденсаторов. В результате учета аварийных режимов может возникнуть параллельное соединение конденсаторов. 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 с одной стороны определяется уровнем искробезопасной цепи и связанным с ним количеством учитываемых при испытаниях повреждений. Не учитываемые повреждения возникают в основном при уменьшении электрических зазоров и путей утечки, а также других конструктивных повреждений относительно требований, установленных нормативными документами. Уменьшение электрических зазоров и путей утечки, как правило, имеют место при использовании в электрических схемах современных элементов микроэлектроники из-за их недостаточной надежности и необходимости увеличения плотности монтажа в электрических схемах.

В искробезопасном электрооборудовании емкостные цепи могут состоять из одних конденсаторов, а также содержать резисторы 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. Искробезопас-ность одного конденсатора может быть оценена по характеристике искробезопасности Uc = /(C) при условии, что в электрический разряд попадает только энергия , накопленная в конденсаторе. В стандарте МЭК [3] приведены характеристики искробезопасности Uc = /(C) для четырех представительных смесей классификационной

таблицы и в виде табличных данных. Однако эти характеристики искробезопасности имеют ограниченную область применения, так как установлены при токе подпитки от источника питания не более 2 мА. Желая расширить область применения расчетной оценки на искробезопасность емкостных цепей и не имея других характеристик искробезопасности разработчики искробезопасной аппаратуры и испытатели в сертификационных центрах взрывозащищенного и рудничного электрооборудования ошибочно используют данные характеристики искробезопасности вне зависимости от тока подпитки от источника питания, что приводит к необъективной оценке. О серьезности ошибок при оценке на искробезопасность емкостных цепей при использовании данных характеристик искро-безопасности проследим ниже.

Важным этапом в развитии расчетной оценки искробезопасно-сти емкостных цепей явилось установление с помощью экспериментов во взрывной камере с использованием искрообразующего механизма l-типа (механизм МЭК) зависимостей воспламеняющего напряжения от емкости конденсатора и сопротивлений в ее зарядной и разрядной цепях для активизированных взрывоопасных смесей I, IIA, IIB и IIC категорий взрывоопасности для токов подпитки от источника питания от 2 мА до 2,0 А. Для каждой взрывоопасной смеси установлены зависимости ив = /(C, Rl, R2) в виде 4 аналогичных зависимостей (рис. l) для Rl = 0, l0, l00 и l000 Ом. На рис. l приведены зависимости ив = /(C, Rl, R2) для Rl = 0 и взрывоопасных сред I категории взрывоопасности. Анализ приведенных характеристик ив = /(C, Rl, R2) показывает, что в зависимости от параметров электрических цепей наиболее опасными являются разряды размыкания или разряды замыкания. Для ряда электрических цепей при одном значении емкости конденсатора в зависимости от тока подпитки напряжение зажигания изменяется в несколько раз, что говорит о недопустимости использования при оценке характеристик искробезопасности Uc = /(C) без учета токов подпитки от источника питания. Установленные характеристики искробезопасности для активизированных взрывоопасных смесей IIA и IIB категорий взрывоопасности приведены в стандарте [l]. Приведенные характеристики искробезопасности ив = /(C, Rl, R 2) позволяют установить искробезопасные параметры емкостных цепей, когда параллельное соединение емкостных элементов может быть заменено одним.

Сложные емкостные цепи, например, содержащие искрогасящие сопротивления, оценить по характеристикам искробезопасные ив = /(C, Rl, R2) на искробезопасность невозможно. Поэтому была разработана методика расчетной 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 основанная на одинаковом законе выделения энергии из простой и сложной емкостной цепи в разряд при коммутации этих цепей. Справедливость такого метода замещения емкостных цепей была подтверждена экспериментально. Для удобства работы при оценке сложных емкостных цепей была разработана компьютерная программа, позволяющая наряду с оценкой искробезопасности осуществлять выбор оптимальных параметров электрической цепи.

Так как характеристики искробезопасности ив = /(C, Rl, R2) получены для размыкаемых токов до 2,0 А, то в настоящее время ведутся исследования по расширению их области применения на большие токи и меньшие напряжения источников питания. На рис. 2 приведены вновь установленные зависимости ив = /(C, Rl, R2) для Rl = 0 и взрывоопасных сред I категории взрывоопасности. Характеристики искробезопасности ив = /(C, Rl, R2) [4] должны ограничиваться определенным значением низкого напряжения. Таким ограничением является минимальное напряжение зажигания дуги, которое для материалов контактов искрообразующего механизма МЭК равно S В. При этом следует иметь в виду, что характеристики искробезопасности ив = /(C, Rl, R2) могут существовать только при напряжении источников питания выше S В. При напряжениях источников питания S В и меньше возможны в емкостных цепях только разряды размыкания.

10'5 10‘4 10‘3 Ю'2 10"1 1 10 102 103

Емкость С, мкФ

Рис. 1. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85%H2+15%O2) для ёмкостных цепей рудничного электрооборудования при Rl = 0 Ом

ш1

ЧМІ ПГП/ и *1 ~п/п

2 ш/о н2 +0

k т

т

А

Р -1 1П Пи

L иМ

= і /

- / —С

/ / /  7

/ 1 с 11м / /

/ 2-) / / /

/ 2-? / /

Г им / /

1 чъ-

ш'5 ш4 т1 т 01 і ю по \\о]

Рис. 2. Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси (85%H2+15%O2) для ёмкостных цепей рудничного электрооборудования при R1 = 0 Ом

В части разрядов размыкания до последнего времени расчетная оценка искробезопасности электрических цепей по разрядам размыкания ограничивалась простыми индуктивными и омическими цепями, для которых с помощью экспериментов во взрывной камере были установлены и приведены в действующих стандартах [1, 3] характеристики искробезопасности !в = f(L, E). Однако оценка искробезопасности этих простых электрических цепей имеют ограниченную область применения. Характеристики искробезопас-ности !в = f(L, E) получены для размыкаемых токов до 2 А в пределах области применения искрообразующего механизма I типа. В последнее время в ИПКОН РАН в результате экспериментальных исследований установлены характеристики искробезопасности !в = f(L, E) (рис. 3) для активизированной кислородоводородной смеси применительно к рудничному электрооборудованию [4]. В данных характеристиках размыкаемые токи повышены до 16,8 А, что позволяет оценивать на искробезопасность химические источники тока в режиме короткого замыкания и совместно с индуктивными нагрузками. Новые характеристики искробезопасности позволяют разрабатывать рудничные переносные приборы с более высокими технико-экономическими показателями. Аналогичную работу намечено выполнить применительно к взрывоопасным смесям других категорий взрывоопасности. Более сложные электрические цепи оценить по этим характеристикам искробезопасности нельзя. Некоторые испытатели пытаются по этим характеристикам искробезо-пасности оценивать источники питания со стабилитронной защитой. Однако это недопустимо, так как искробезопасный ток в источнике питания со стабилитронной защитой при одном выходном напряжении с источником питания с линейной нагрузочной характеристикой может быть в несколько раз меньше что ведет к необъективной оценке.

Была поставлена задача разработать расчетный метод оценки искробезопасности электрических цепей любой сложности, учитывающий наиболее опасные условия коммутации для каждой электрической цепи. Научным базисом перехода к такой оценке послужили исследования, приведенные в работе [5]. На основе проведенных исследований был сформулирован принцип расчетной оценки искробезопасности электрических цепей по разрядам размыкания, заключающийся в определении

!,А

1 гь /> V -6 Гн

г г*Гн\

—^-3 г-—

10 Гн

10~2 Гн

10 Гн

4 6 8 10 2 4 6 8 102 2 11 В

Рис. 3. Зависимости минимального воспламеняющего тока от э.д.с. источника питания и индуктивности цепи для водородокислородной (85% Н2 + 15% О2) смеси

энергии и длительности электрического разряда на каждой из возможных скоростей размыкания контактов и последующего сравнения полученных энергий со значениями воспламеняющих энергий при одинаковых длительностях разрядов и скоростях размыкания контактов. Данный метод расчета искробезопасности электрических цепей приведен в действующем стандарте [1].

Для практической реализации этого принципа расчетной оценки искробезопасности электрических цепей необходимо определять параметры электрического разряда при разных скоростях размыкания цепи. Для этого была использована модель электрического разряда, построенная на основе экспериментальных статических вольтамперных характеристик электрического разряда [5]. Математическая модель электрического разряда определяется выражением ир = ик +

где ир - напряжение на разрядном промежутке; ик - минимальное значение катодного падения напряжения; 1р - ток разряда; 1р - длина разряда; а и Ь - коэффициенты.

Для трех диапазонов изменения тока разряда 1р < 0,058 А; 0,058 А < 1р < 0,340 А; !р>0,340 А значения коэффициентов а и Ь соответственно составляют а = 98,122 В/мм, Ь = 2,033 В.А/мм; а = 49,235 В/мм, Ь = 4,848 В.А/мм; а = 35,712 В/мм,

Ь = 9,442 В.А/мм.

Оценка искробезопасности электрической цепи по данной методике сводится к следующему. При параметрах электрической цепи, используя модель электрического разряда (1), расчетным путем определяют энергию разряда за вычетом катодных потерь и его длительность при заданной скорости размыкания контактов Vi из диапазона Vmin<Vi<Vmax. Полученное значение энергии разряда сравнивают со значением минимальной воспламеняющей энергии при такой же длительности и скорости разведения контактов. Электрическая цепь считается искробезопасной, если при всех скоростях разведения контактов энергии электрических разрядов не превышают минимальных воспламеняющих значений энергии разряда, получаемых из зависимостей на рис. 4. Если значения энергии и длительности электрического разряда определяют

Рис. 4. Минимальная воспламеняющая энергия метановоздушной смеси (8,3%CH4+91,7% воздух) в зависимости от длительности электрического разряда и скорости размыкания контактов

при номинальных параметрах электрической цепи, то для сравнения используют значения воспламеняющих энергий, уменьшенных в ^ раз, где ^ - коэффициент искробезопасности по энергии, обеспечивающий регламентированный коэффициент искробезопасности К по току для рассматриваемой электрической цепи.

Приведенная методика расчетной оценки искробезопасности электрической цепи позволяет определить минимальный воспламеняющий ток и наиболее опасную скорость размыкания контактов, характерную для оцениваемой электрической цепи любой сложности. В отличие от экспериментального метода оценки ис-кробезопасности электрических цепей данная методика учитывает наиболее опасные условия коммутации для всех электрических це-

пей. Искрообразующий механизм взрывной камеры не обеспечивает весь диапазон изменения скорости движения контактов. Он имеет максимальную и минимальную скорость разведения контактов, а также некоторые промежуточные скорости, что не позволяет реализовать наиболее опасные условия коммутации для огромного числа сложных электрических цепей. Методика расчетной оценки дает возможность получать численные значения коэффициентов искробезопасности и из многих испытательных электрических цепей выбирать наиболее опасный испытательный режим, который при необходимости можно подвергнуть камерным испытаниям, снижая тем самым сроки испытаний электрооборудования на ис-кробезопасность. Использование данной методики позволяет осуществлять оптимальный выбор параметров разрабатываемого электрооборудования.

Сложным моментом использования данной методики расчета является необходимость решения дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в оцениваемой электрической цепи и в электрическом разряде. Используя данную методику были рассчитаны и построены характеристики искробезопасности 1в = f(L, E) для представительных взрывоопасных смесей для омических и индуктивных цепей с индуктивностью от 10-7 до 0,1 Гн и размыкаемыми токами от десятка мА до сотни Ампер. Расчет выполнялся из условия, что источником воспламенения взрывоопасных смесей являлся только электрический разряд Экспериментальные исследования по установлению аналогичных характеристик искробезопасности для активизированной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности показали, что контактным перегревом для токов до 16,8 А можно пренебречь. Разделив рассчитанные значения воспламеняющих токов на коэффициент искробезопасно-сти 1,5, получаем полное совпадение с экспериментальными характеристиками искробезопасности. В дальнейшем была разработана программа и рассчитаны воспламеняющие токи для источников питания со стабилитронной защитой. Перспективным направлением данной работы является разработка электрической модели разряда, которая позволит оценивать на искробезопасность электрические цепи любой сложности. В этом случае мы от расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей переходим к электроизмерительному, не требующему решения сложных дифференциальных уравнений.

В заключение следует отметить, что в данной работе рассмотрено современное состояние в России и за рубежом в части расчетного метода оценки искробезопасности электрических цепей. Приведены новые решения в России в этой области и намечены дальнейшие пути развития расчетного и электроизмерительного метода оценки искробезопасности электрических цепей.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть11. Искробезопасгая электрическая цепь i. Введен. От 01.01.00.- М.: Издательство стандартов. - 2000. - 117 с.

2. МЭК 60079-0-98. Электрооборудование для взрывоопасных сред. Часть 0. Общие требования.

3. МЭК 60079-11-99. Электрооборудование для взрывоопасных сред. Часть 11. Искробезопасгая электрическая цепь i.

4. Толченкин Р.Ю. Разработка метода оценки и способов обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: ИПКОН РАН. - 2009. - 18 с.

5. Ерыгин А.Т.,Трембицкий А.Л., Яковлев В.П. Методы оценки искробезопасности электрических цепей. М.: Наука, 1984. - 256 с. шгЛ

A. T. Erygin

DEVELOPMENT OF A SETTLEMENT METHOD OF ESTIMATION INTRINSIC SAFETY ELECTRIC CIRCUITS.

In the report modern position in the world regarding a settlement estimation intrinsic safety electric circuits is analysed. Advantages of a settlement estimation electric circuits in comparison with an experimental method are shown. Last results of researches are resulted in the field of a settlement estimation intrinsic safety, electric circuits and ways of its(her) further development are planned.

Key words: intrinsic safety, safe circuit, apparatus, settlement estimation.

— Коротко об авторе --------------------------------------------

Ерыгин А.Т. - профессор, доктор технических наук, УРАН ИПКОН РАН, т.р. 360-76-05, т.д. 559-64-52.