Исследование барьеров искробезопасности на стабилитронах применительно к смесям IIb категории взрывоопасности

© А.Л. Трембицкий, 2015

УДК 621.31:622 А.Л. Трембицкий

ИССЛЕДОВАНИЕ БАРЬЕРОВ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ НА СТАБИЛИТРОНАХ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СМЕСЯМ IIB КАТЕГОРИИ ВЗРЫВООПАСНОСТИ*

Исследование барьеров искробезопасности на стабилитронах применительно к смесям HB категории взрывоопасности

В работе рассмотрены барьеры безопасности постоянного тока со стаби-литронной зашитой для искробезопасных цепей. Исследовано влияние на минимальный воспламеняюший ток отношения напряжения питания и напряжения стабилизации стабилитрона, а также параметров цепей с барьерами безопасности со стабилитронной зашитой.

Ключевые слова: барьер безопасности, искробезопасная электрическая цепь, электрооборудование.

Обеспечение взрывозащиты электрооборудования с помощью барьеров безопасности на стабилитронах является самым распространенным способом в большинстве слаботочных электронных устройств различного назначения. Стабилитроны в барьере безопасности контролируют напряжение на электрическом разряде и ограничивают его значение, которое может быть приложено к искробезопасной цепи.

Разработка такого метода взрывозащиты должна базироваться на ясном представлении о физических процессах, которые происходят в электрическом разряде и их влиянии на работу элементов, обеспечивающих взрывозащиту.

При возникновении электрического разряда напряжение на нем изменяется как из-за движения проводников, между которыми существует разряд, так и в результате случайных физических процессов, происходящих в разряде в течение времени его существования. Эти случайные процессы изменения напряжения до настоящего времени не учитываются при испыта-

* Работа выполнена по плану НИР ИПКОН РАН по теме «Развитие теории разрушения горного массива и геомеханического обоснования инновационных технологий ведения горных работ на глубоких карьерах и рудниках при комплексном освоении недр» (№ гос.регистрации 01201354607).

ниях искробезопасного электрооборудования в сертификационных центрах и не имеется каких-либо методик, позволяющих гарантировать искробезопасность разрабатываемого электрооборудования.

Колебания напряжения на дуговом разряде связаны с изменениями катодного падения напряжения [3]. Форма колебаний зависит от физических свойств и состояния металла катода. Возможны колебания как в виде кратковременных импульсов с длительностью 10-6-10-7 с, так и в виде более длительных циклических изменений напряжения с одновременным наложением кратковременных импульсов. Характерной особенностью колебаний является наличие более или менее определенного нижнего уровня напряжения на контактах и отсутствие верхнего уровня. Это обстоятельство говорит о том, что колебания возникают в результате наложения положительных импульсов на относительно постоянный уровень напряжения, которой называется характеристическим или минимальным и соответствует наиболее вероятному состоянию разряда. С увеличением тока разряда амплитуда колебаний сначала снижается, а затем остается практически неизменной, т.е., колебания обнаруживаются при любых больших значениях тока. Причиной увеличения катодного падения напряжения является начинающийся распад катодного пятна. Чередование подъемов и спадов напряжения показывает, что в дуге периодически повторяется один и тот же цикл ее развития. Луга проходит при этом через ряд различных состояний. Наиболее устойчивое состояние соответствует нижнему уровню напряжения. Это состояние является начальной стадией разряда, поскольку с него всегда начинается разряд.

При камерных испытаниях на искробезопасность стабилитрон срабатывает на одном из колебаний напряжения на разряде, в результате чего происходит прекращение дугового разряда. Очевидно, что наиболее опасным будет тот случай, когда стабилитрон срабатывает при отсутствии колебаний напряжения на разряде. В этом случае из разряда выделяется максимальная (за вычетом катодных потерь) энергия и воспламеняющая способность разряда будет наибольшей. Исключить колебания напряжения на разряде при проведении камерных ис-

пытаний на искробезопасность физически не возможно. Это не позволяет обеспечить наиболее опасные условия искрения при камерных испытаниях безопасности барьеров искробезо-пасности. Поэтому для оценки безопасности барьеров искро-безопаспасности должен использоваться другой метод оценки, позволяющий каким-то образом учитывать влияние колебания напряжения или исключить их рассмотрения. Исключение из рассмотрения колебаний напряжения на разряде гарантирует, возможно и с некоторым запасом, определение минимального воспламеняющего тока или оценку искробезо-пасности цепи со стабилитронной защитой в наиболее опасных условиях. Этот последний способ бескамерный метод оценки и использовался для оценки искробезопасности цепей со стабилитронной защитой.

Помимо колебаний напряжения на электрическом разряде необходимо иметь в виду, что на искробезопасный ток оказывает сильное влияние кратность напряжения. Кратность напряжения Кп=Е/ив/ это отношение напряжения, прикладываемого ко входу барьера безопасности Е, к напряжению стабилизации стабилитрона ЦЬ/.

Ниже рассматривается влияние на минимальный воспламеняющий ток кратности напряжения, а также параметров цепей со стабилитронными барьерами безопасности применительно к смеси II В категории взрывоопасности. Минимальный воспламеняющий ток через коэффициент искробезопасности Ки=1,5 связан с максимальным значением искробезопасного тока ¡без=1/Ки. Расчеты выполнялись применительно к цепям, принципиальные электрические схемы которых приведены на рис. 1.

Расчетные оценки искробезопасности барьеров безопасности показали, что при отсутствии значительных индуктивностей в схемах этих устройств наиболее опасными являются испытания с малой скоростью размыкания контактов искрообразую-щего механизма. Лля барьера безопасности, схема которого приведена на рис. 1б (И2=0), были рассчитаны значения минимальных воспламеняющих токов при различных скоростях размыкания контактов искрообразующего механизма. Напряжение стабилизации стабилитрона было 9 В, э.д.с. источника питания составляла 9 В и 90 В. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Рис. 1. Электрические схемы блоков искрозащиты на стабилитронах: а — схема блока искрозащиты с балластным резистором; б — схема блока искрозащиты без балластного резистора; в— схема блока искрозащиты с индуктивной нагрузкой. Условные обозначения: Е — э.д.с. источника питания, Р — предохранитель, Я1 — ограничительный резистор, Я2 — балластный резистор, — индуктивное сопротивление, Ь — индуктивность, К — контакт, Ust — напяжение стабилизиэации защитного стабилитрона

Таблица 1

Значения минимального воспламеняющего тока от скорости размыкания контактов искрообразующего механизма

Е=9 В ^воспл 557,7 581,1 613,3 707,9 805,3 1077,3 1593,4 1791,8

Е=90В ^воспл 21,87 22,82 24,13 27,95 31,9 42,95 64,1 71,9

V, м/с 0,15 0,25 0,45 1,0 2,0 4 6,5 7,9

Из табл. 1 видно, что при малых скоростях размыкания значения минимальных воспламеняющих токов существенно ниже. Поэтому оценку искробезопасности барьеров безопасности без индуктивной нагрузки следует выполнять при малых скоростях размыкания цепи. Камерные испытания, как указывалось выше, не учитывают колебания напряжения на разряде. Если будет разработан способ учета влияния этих колебаний напряжения, то испытания можно выполнять и на механизме механизме 1-го типа (искрообразующий механизм МЭК, принятый действующими стандартами для проведения испытаний). При этом, если для оценки искробезопасности используется вероятностный метод, что по нашему мнению наиболее правильно в настоящее время, количество учитываемых искрений применительно к испытаниям омической цепи нужно определять в соответствии с приложением к стандарту ГОСТ Р 51330.10. — 99 [2].

Все дальнейшие расчеты минимальных значений воспламеняющих токов для цепей с барьерами безопасности без индуктивных элементов выполнялись применительно к малой скорости размыкания, которая для смеси 11В категории взрывоопас-ности составляет 0,15 м/с.

Влияние параметров барьера безопасности на стабилитронах на минимальный воспламеняющий ток в безреактивной цепи рассмотрим применительно к схеме (рис. 1а). В этой схеме балластный резистор И2 является также омической нагрузкой барьера безопасности.

Были рассчитаны значения минимальных воспламеняющих токов (режим КЗ) для различных кратностей напряжения Кп при заданных значениях балластного резистора И2 для 6^=9 В и 6^=30 В. Полученные результаты в виде зависимостей приведены на рис. 2.

Рассмотрение кривых (рис. 2) показывает сильную зависимость 1воспл от Кп. Так, в пределах Кп=1-5, для И2=0 Ом минимальный воспламеняющий ток ниже минимального воспламеняющего тока омической цепи ¡ом (Кп =1) в 22,8 раза. При И2=0,005 Ом минимальный воспламеняющий ток ниже минимального воспламеняющего тока омической цепи ¡ом (Кп =1) в 17,4 раза.

Лостаточно сильно минимальный воспламеняющий ток зависит также от балластного резистора И2, что показано на

рис. 3. В очень большой степени на минимальный воспламеняющий ток влияет э.д.с. источника питания Е. Так, например, при Кп=Е/ив/=1 и И2=0 значения минимальных воспламеняющих токов при напряжениях стабилизации 6/= 9 В и ЦЬ/"= 30 В составляют 557,62 А и 0,573 А соответственно. Таким образом, повышение напряжения источника питания с 9 В до 30 В снижает минимальный воспламеняющий ток в омической цепи в 973,2 раза. При Кп=Е/ив/=30 минимальный воспламеняющий ток для И2=0 при напряжениях стабилизации иэ1= 9 В и 6?/= 30 В снижается от 21,27 А до 0,13 А, что составляет 28,31/0,163=163,6 раз.

При наличии индуктивной нагрузки после срабатывания стабилитрона разряд не прекращается. Это одно из отличий такой цепи от цепи с омической нагрузкой. Второе существенное отличие состоит в том, что в зависимости от величины индуктивности минимальные воспламеняющие токи будут реали-зовываться при малых или больших скоростях размыкания цепи. При этом имеется величина индуктивности нагрузки, при которой значение минимального воспламеняющего тока будет одинаковым при малых и больших скоростях размыкания, что имеет место и в простой индуктивной цепи [3].

На рис. 4 а, б для схемы рис. 1, в приведены зависимости минимального воспламеняющего тока от индуктивности нагрузки для Яь=0 и Кп=1, Кп=10 при двух скоростях размыкания контактов искрообразующего механизма - 0,15 м/с и 6,5 м/с. Из рассмотрения зависимостей рис. 4, а видно, что при Кп=1 (омическая цепь, стабилитрон не работает) при индуктивности нагрузки Ь<108 Г более опасна медленная скорость размыкания, при 1>10-8 Г - более опасна большая скорость размыкания, а при Ь=108 Г опасность медленной и большой скорости размыкания одинакова. Лля 1=10-8 Г по мере увеличения скорости размыкания от 0,15 м/с величина минимального воспламеняющего тока будет возрастать, достигнет максимума при некоторой скорости размыкания, затем начнет снижаться и при скорости размыкания 6,5 м/с достигнет минимального значения, равного значению на скорости размыкания цепи 0,15 м/с.

На рис. 4, б приведены зависимости минимального воспламеняющего тока при Кп=10. Характер изменения мини-

мального воспламеняющего тока здесь такой же, как на рис. 4, а. Однако величина индуктивности нагрузки (граничная индуктивность), при которой медленная и большая скорости размыкания цепи одинаково опасны здесь больше и составляет около 4-10-7 Г. Это свидетельствует о том, что значение граничной индуктивности как при переходе от простой омической цепи к индуктивной цепи [4], так и в цепи со стабилитронной защитой зависит от параметров цепи.

а

б

Рис. 2. Зависимости минимального воспламеняющего тока 1воспл от кратностей напряжения Кп=Е/иэЬ при разных значениях балластного резистора Я2: а - Ш = 9 В; б - Ш = 30 В

а

Рис. 3. Зaвиcимocти мииимaльиoгo вocплaмeияюшeгo то^ 1воспл от всличииы бaллacтиoгo coпрoтивлeиия R2 при рaзличиыx зиaчeиияx ^amo^eé иaпряжeиия Kn=E/Ust: а - Ust= 9 В; б - Ust= 30 В.

а

Рис. 4. Зависимости минимального воспламеняющего тока ¡воспл от индуктивности нагрузки при различных значениях кратностей напряжения Kn=E/Ust и скоростях размыкания цепи для Ust= 9 В

Выводы

Исследования цепей со стабилитронной защитой показали:

1. Минимальный воспламеняющий ток сильно зависит от Кп. Причина снижения минимального воспламеняющего тока в случаях когда Кп >1 связана с изменением нагрузочной характеристики барьера безопасности. При увеличении Кп в цепи, которая носит омический характер возрастает сопротивление цепи. При этом уменьшается скорость спада тока и, как следствие этого, увеличивается длительность и энергия разряда, что и приводит к возрастанию его воспламеняющей способности. Если последовательно с резистором и сопротивлением КЬ в цепи и стоит элемент с индуктивностью Ь, то подобное имеет место в тем большей степени, чем больше Ь. При больших Ь ток за время разряда может практически не снижаться, и цепь начинает работать как идеальный стабилизатор тока. Это наиболее опасный случай, при котором минимальный воспламеняющий ток будет иметь наименьшее значение.

2. В безреактивных барьерах безопасности при омической нагрузке минимальный воспламеняющийся ток реализуется при малой скорости размыкания цепи.

3. В безреактивных барьерах безопасности при индуктивной нагрузке минимальный воспламеняющийся ток может реализоваться как при медленной, так и при большой скорости размыкания цепи. Поэтому оценка искробезопасности такой цепи в общем случае должна вестись как при медленной, так и при большой скорости размыкания цепи.

4. В безреактивных барьерах безопасности при омической нагрузке Кп оказывает сильное влияние на минимальный воспламеняющий ток. При индуктивной нагрузке влияние Кп меньше и оно снижается с увеличением индуктивности. Во всех случаях влияние Кп должно учитываться при оценке ис-кробезопасности барьеров безопасности со стабилитронной защитой.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. — М.: Наука, 1968. — 244 с.

2. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь 1. Введ. от 01.01.00 — М.: Изд-во стандартов, 2000. — 117 с.

3. Трембицкий А.Л. Исследование влияния скорости размыкания омических и индук-тивных цепей на величины воспламеняющих токов и энергий разрядов. //Задачи рудничной аэрологии при подземной разработке полезных ископаемых. — М.: ИПКОН АН СССР, 1985.

4. Трембицкий А.П. Исходные данные для оценки искробезопасности электрических цепей при их размыкании с различной скоростью. //Вопросы теории и практики разработки и обогащения полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1983. - С. 125-130. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Трембицкий Андрей Леонидович — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИПКОН РАН, sertium.ipkon@mail.ru.

UDC 621.31:622

THE STUDY OF INTRINSIC SAFETY BARRIERS ON ZENER REFERENCE TO MIXTURES CATEGORY IIB EXPLOSION

Trembitsky A.L., leading researcher IPKON RAS, Doctor. tehn. Sciences, sertium.ipkon@mail.ru, Russia.

The article discusses the security barriers DC with Zener diode protection for intrinsically safe circuits. The influence of the minimum igniter current voltage relationship and zener voltage, as well as the parameters of the electric circuits with safety barriers with a Zener diode protection.

Key words: barrier of safety, intrinsic safety circuit, an electric equipment.

REFERENCE

1. Kesaev I.G. Katodnye processy jelektricheskoj dugi (Cathodic arc processes). Moscow, Nauka, 1968, 244 p.

2. GOST R 51330.10-99. Jelektrooborudovanie vzryvozashhishhennoe. Chast' 11. Iskrobezopasnaja jelektricheskaja cep' i. Vved. ot 01.01.00, Moscow, Izd-vo standartov, 2000, 117 p.

3. Trembickij A.L. Issledovanie vlijanija skorosti razmykanija omicheskih i induk-tivnyh cepej na velichiny vosplamenjajushhih tokov i jenergij razrjadov (Investigation of the effect of the rate of opening of ohmic and inductive-tive chains on quantities of flammable currents and discharge energy) // Zadachi rudnichnoj ajerologii pri podzemnoj razrabotke poleznyh iskopaemyh, Moscow, IPKON AN SSSR, 1985.

4. Trembickij A.L. Ishodnye dannye dlja ocenki iskrobezopasnosti jelektricheskih cepej pri ih razmykanii s razlichnoj skorostju (Baseline information for intrinsically safe circuits in their opening at different speeds. // Problems in the theory and practice of development and enrichment of minerals) //Voprosy teorii i praktiki razrabotki i obogashhenija poleznyh iskopaemyh. Moscow, IPKON AN SSSR, 1983, pp. 125-130.