Результаты исследований влияния параметров емкостных цепей на величину воспламеняющего напряжения в искробезопасном электрооборудовании

4НАР 22 :

ОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ 'НЕДЕЛЯ: ГОРНЯК

I

МОСКВ А, МП'У, 31 января - 4 февраля 2000 гола

^ А.Л. Трембицкий, 2000

УДК 621.31:622

А.Л. Трембицкий

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕМКОСТНЫХ ЦЕПЕЙ НА ВЕЛИЧИНУ

Е

мкостные электрические цепи -один из самых распространенных типов цепей, используемых в искробезопасном электрооборудование.

Выполненные в предшествующий период различными исследователями работы дали представление о характере изменения воспламеняющего напряжения конденсатора в зависимости от параметров простой емкостной цепи. Результаты этих исследований нашли свое воплощение в характеристиках искробезопасности, внесенных в нормативные документы на взрывозащищенное элетрооборудование как в нашей стране, так и за рубежом. Однако полученные результаты имеют ограниченную область применения, поскольку не учитывалось влияние на воспламеняющее напряжение величины тока источника питания, а влияние ограничительного сопротивления конденсатора изучалось на искрообразующем механизме, имеющем в настоящее время ограниченную область применения. В то же время потребность в данных, которые позволяли бы оценивать искробезопасность простых емкостных цепей с учетом влияния перечисленных факторов, весьма велика. Так, например, большинство емкостных цепей, которые приходится испытывать при оценке искробезопасности электрооборудования, являются подключенными к источникам питания в условиях, когда влиянием последних пренебрегать нельзя.

На значение воспламеняющего напряжения в емкостной цепи оказывают

влияние величины емкости и ограничительных сопротивлений R1 и R2 в цепи емкости и источника питания соответственно. Чтобы учесть влияние этих трех параметров необходимо иметь несколько семейств зависимостей. В качестве последних при исследованиях были выбраны зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи, получаемые для различных фиксированных значений сопротивления R2 (или фиксированных значений тока через сопротивление R2) при заданной для данного семейства величине сопротивления R1. Фиксированные значения тока использовались для получения зависимостей в условиях отсутствия влияния источника питания на воспламеняющее напряжение (ток источника питания не превышает 2 мА).

Исследования воспламеняющей способности разрядов, возникающих при коммутации емкостных RC цепей, проводились на искрообразующем механизме МЭК применительно к активизированной кислородоводородной смеси ПА категории взрывоопасности, содержащей 81 % Н2 и 19 % О2 по объему. Схема и параметры исследованных RC цепей приведены на каждом рисунке с соответствующими зависимостями.

Для приготовления взрывоопасной кислородо-водород-ной смеси применялся электролизер ПУЭ.

Контроль состава смеси осуществлялся с помощью интерферометра ИТР-1, а также по наличию взрыва в камере при коммутации контрольной цепи в соответствии с требованиями ГОСТ 22782.5-78.

Для установления необходимых значений ограничительных сопротивлений R1 и R2 в цепях емкости и источника

питания использовались магазины сопротивлений Р 58. Величина емкости устанавливалась магазином емкостей Р 544. При исследования цепей с емкостями большими 1 мкФ применялись конденсаторы типа МБГО.

В качестве источника питания использовалась аккумуляторная батарея 10 НК-55.

При исследовании емкостных цепей необходимо обеспечивать полную зарядку конденсаторов от источника питания. Для этого контакты искрообразующего механизма должны достаточное время находиться в разомкнутом состоянии. Искрообразующий механизм МЭК, как показали выполненные расчеты, основанные на анализе работы механизма и учитывающие прогиб проволочки при ее движении по кадмиевому диску, обеспечивает (с небольшим запасом) следующие времена разомкнутого состояния контактов:

• при 4-х проволочках - 0,046с;

• при 2-х проволочках - 0,23 с;

• при 1-ой проволочке - 0,61с.

При больших значениях емкостей в цепях в условиях ограничения зарядного тока эти времена могут оказаться недостаточными для полной зарядки конденсаторов.

При проведении экспериментов полная зарядка конденсаторов обеспечивалась как за счет изменения числа вольфрамовых проволочек, так и за счет увеличения зарядного тока путем шунтирования сопротивления в цепи зарядки конденсатора на время, меньшее, чем время разомкнутого состояния контактов.

Экспериментальные значения воспламеняющих напряжений приводились к вероятности воспламенения Р=10-3.

Полученные в результате исследований зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи для различных величин ограничительных сопротивлении Rl и R2 приведены на рис. 1 - рис. 4.

Как видно из приведенных графиков семейства зависимостей воспламеняющего напряжения от величины емкости цепи имеют подобный характер.

На всех графиках верхние кривые получены при переменных значениях сопротивления R2 - при токе источника питания через замкнутые контакты искрообразующего механизма 2 мА. Величина сопротивления R2 снижается от верхней кривой к нижней.

Формально, рассматриваемая емкостная цепь переходит в омическую при нулевой величине емкости. На практике любая цепь (не имеющая в своем составе конденсаторов) обладает некоторой распределенной емкостью. Кроме того, сам искрообразующий механизм может иметь емкость до 30 пФ. Таким образом, при исследованиях воспламеняющих параметров электрической цепи параллельно разрядному промежутку всегда подключена емкость, величина которой, как правило, не менее 20 пФ.

При достаточно малых значениях емкости цепи величина воспламеняющего напряжения совпадает со значением воспламеняющего напряжения омической цепи с сопротивлением равным по величине R2.

Для омической цепи наиболее опасными являются разряды размыкания с медленной скоростью расхождения контактов. В искрообразующем механизме МЭК такие скорости реализуются при движении вольфрамовой проволочки вдоль поверхности паза кадмиевого диска из предварительно замкнутого состояния.

Емкость, которая шунтирует разрядный промежуток, забирает часть тока источника питания на свою зарядку. При этом снижается ток и энергия разряда (по сравнению с меньшей емкостью) и, следовательно, уменьшается его воспламеняющая способность. Таким образом, увеличение емкости цепи (от значения, допустимого для омической цепи) при неизменной величине сопротивления R2 сопровождается непрерывным снижением воспламеняющей способности разрядов размыкания. Для поддержания неизменного уровня воспламеняющей способности разрядов необходимо было бы непрерывно увеличивать напряжение источника питания. При этом ток в разряде увеличивается и происходит компенсация потерь энергии в разряде из-за шунтирующего действия емкости. До определенной величины емкости это снижение воспламеняющей способности разряда незначительно и точность существующего метода оценки не позволяет это регистрировать. Поэтому в этом диапазоне изменения емкости цепи величина воспламеняющего напряжения принимается постоянной. Дальнейшее увеличение емкости цепи вызывает существенное снижение воспламеняющей способности разрядов, и оно компенсируется увеличением тока разряда за счет увеличения напряжения источника питания и соот-

ветственно напряжения зарядки емкости цепи (при разомкнутых контактах искрообразующего механизма). На графиках это соответствует росту величины воспламеняющего напряжения с возрастанием емкости. При дальнейшем увеличении емкости скорость возрастания напряжения снижается, а затем прекращается. Это означает, что появляется все больше емкостных разрядов замыкания, энергии которых оказывается достаточно для воспламенения смеси. При этом снижается доля разрядов размыкания цепи, способных вызвать воспламенение. В области максимальной величины воспламеняющего напряжения происходит переход от воспламенения разрядами размыкания цепи к воспламенению разрядами замыкания емкостной цепи, который, по-видимому, в основном завершается при увеличении емкости цепи до значений, соответствующих началу снижения воспламеняющего напряжения.

Шунтирующее действие емкости снижается как с увеличением тока источника питания (уменьшение величины сопротивления R2) так и с возрастанием ограничительного сопротивления R1 в цепи емкости. Из приведенных на рис. 1 - рис. 4 зависимостей видно, что при величине сопротивления R2 около 10 Ом заметного возрастания воспламеняющего напряжения при увеличении емкости цепи не происходит. В этом случае при R1 = 0 и R1 = 10 Ом и определенном увеличении емкости цепи воспламенение смеси происходит от емкостных разрядов замыкания цепи, о чем свидетельствует снижение воспламеняющего напряжения - в первом случае достаточно большое, а во втором -весьма незначительное. При Rl = 100 Ом и более в исследованном диапазоне изменения емкости воспламенение смеси происходит от разрядов размыкания цепи (для R1 = 1000 Ом, например, это имеет место в цепи с R2 = 100 Ом).

Если принять допущение об отсутствии индуктивности в цепи разряда, то при малых значениях сопротивления R1 или R1 = 0 снижение воспламеняющего напряжения с увеличением емкости цепи должно происходить до значений близких к суммарной величине катодного и анодного падений напряжения (для контактной пары кадмий-вольфрам это напряжение около 8 В) вне зависимости от величины сопротивления R2. В реальном случае в разрядную цепь вносится ин дуктивность и сопротивление эле-

ментов схемы и соединительных проводников. При достаточно больших токах в разрядной цепи - (малых сопротивлениях разрядного контура) эта индуктивность играет определяющую роль в воспламенении взрывоопасной смеси и величина воспламеняющего напряжения

Рис. 1. Зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи с R1 = 0 при различных значениях R2 (81 % Н2, 19 % О2

Рис. 2. Зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи с R1 = 10 Ом при различных значениях R2 (81 % Н2, 19 %

О2

Рис. 3. Зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи с R1 = 100 при различных значениях R2 (81 % Н2, 19 % О2

может быть во много раз ниже значения, которое имело бы место при отсутствии индуктивности. Из графиков, приведенных на рис. 1 видно, что при емкости цепи около 1000 мкФ и R2<100 Ом величина воспламеняющего напряжения становится менее 8В. Это свидетельствует о влиянии индуктивности разрядной цепи на процесс воспламенения горючей смеси.

Эксперименты, проведенные с омическими цепями, показали, что индуктивные свойства разрядного контура начинают проявляться, начиная с токов около 3 А. Из этого следует, что если сопротивления R1 и R2 ограничивают ток разрядного контура в пределах

3 А, то величина воспламеняющего напряжения с увеличением емкости будет стремиться к значению воспламеняющего напряжения омической цепи с ограничительным сопротивлением, величина которого равна сопротивлению параллельно соединенных резисторов R1 и R2.

В нормативно-

технической документации имеются зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи и=А[С) для четырех представительных

взрывоопасных смесей I, ПА,

ПВ и ПС категорий взрывоопасности, которые обеспечивают требуемый в настоящее время уровень взрывобезопас-ности (реали-зуемый искрообразующим механизмом МЭК). Каждая из этих зависимостей получена для условий соответствующих условиям получения верхней кривой на рис. 1 ^ = 0, ток источника питания I < 2 мА). Сопоставление верхней кривой рис. 1 с остальными кривыми рис. 1 - рис. 4 показывает, что ток источника питания (величина сопротивления R2) и сопротивление R1 оказывают весьма существенное влияние на величину воспламеняющего напряжения. Так, например, для цепи с R1=0 при изменении тока источника питания от 2 мА до 1,7 А - 0,75 А при R2=10 Ом величина воспламеняющего напряжения может меняться от 200 В до 17 В при малых величинах емкости цепи и от 9В до 7,5 В при С=1000 мкФ. Приведенные примеры наглядно показывают, что не учет влияния тока источника питания может приводить к ошибочным оценкам искробезопасности емкостных цепей.

Сопротивление R1 ограничивает разрядный ток емкости, и наиболее опасные разряды имеют место при R1=0. Правильный учет влияния этого сопротивления расширяет возможности конструирования и повышает эксплуатационные характеристики искробезопасного элек-трооборудования.

Приведенные на рис. 1 - рис. 4 зависимости дают возможность учитывать влияние параметров простых емкостных цепей на величину воспламеняющего напряжения для большинства встречающихся на практике случаев. Использование активизированной водо-родо-кислородной смеси позволяет получать искробезопасные значения воспламеняющих напряжений с коэффициентом запаса не менее 1,5.

При разработке метода бескамерной оценки искробезопасности емкостных цепей было показано, что сложная емкостная цепь, состоящая из параллельного соединения RC цепей, может быть сведена к эквивалентной по опасности возникающих разрядов простой емкостной цепи рассмотренного в данной работе

Рис. 4. Зависимости воспламеняющего напряжения от емкости цепи с Rl =1000 Ом при различных значениях R2 (81%Н2, 19 % О2

типа. Это позволяет использовать полученные зависимости также и для оценки искробезопасности сложных емкостных цепей.

Таким образом, в результате выполненных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Показано, что источник питания, в зависимости от величины протекающего в нем тока, может более чем на порядок снижать воспламеняющее напряжение в емкостной цепи. Это необходимо учитывать при конструировании и испытаниях искробезопасного электрооборудования.

2. Установлены зависимости вос-

пламеняющего напряжения от параметров емкостной цепи применительно к активизированной кислородо-

водородной смеси ПА категории взрывоопасности, позволяющие проводить бескамерную оценку искробезопасности простых и сложных емкостных цепей.

3. Полученные результаты соответствуют существующим требованиям к обеспечению искробезо-пасности электрических цепей и позволяют определять непосредственно искробезопасные параметры емкостных цепей с коэффициентом безопасности не менее 1,5, удовлетворяющим, как Российским, так и международным стандартам на взрывозащищенное электрооборудование.

Трембицкий /1.. І. Инсіи іуі проблем комплексної о освоения недр РАН.