Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы и средства оценки и обеспечения искроезопасности рудничного электрооборудования 14
1.1. Взрывоопасность атмосферы горных предприятий 14
1.2. Воспламенение взрывчатых смесей электрическим разрядом 18
1.3. Обеспечение вэрывозащиты электрооборудования на предприятиях со взрывоопасной атмосферой 29
1.4. Технологическое оборудование горных предприятий как источник электрического искрения и воспламенения 40
1.5. Способы и средства обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования
1.5. Современные методы испытаний на искробезо- пасность электрических цепей во взрывных камерах
1.7. Расчетная оценка искробезопасности электрических цепей 56
1.8. Электроизмерительная оценка искробезолас- ности электрических цепей 59
1.9. Постановка научно-технической проблемы исследований 63
2. Влияние длительности электрического разряда на его воспламеняющую способность взрывчатых смесей 66
2.1. Определение критической длительности электри ческого разряда при воспламенении взрывчатых смесей
2.2. Влияние длительности электрического разряда на величину его минимальной энергии, мощности и тока при воспламенении взрывчатых смесей 87
2.3. Зависимости воспламеняющих параметров электрического разряда от его длительности, регулируемой скоростью разведения контактов
2.4. Исследование воспламеняющей способности разрядов размыкания в омических и индуктивных цепях при ограничении времени выделения энергии из источника питания 105
3. Электрические разряд!, возникахщие при коммутации искробезопасных электрических цепей, и их моделирование 121
3.1. Дуговой электрический разряд 121
3.2. Тлеющий электрический разряд 144
3.3. Многопробойный искровой электрический разряд 148
3.4. Однопробойный искровой электрический разряд 159
3.5. Сопоставление воспламеняющей способности различных электрических разрядов, возникающих при коммутации электрических цепей 161
4. Исследование и разработка расчетной оценки искробезопасности электрических цепей 173
4.1. Принципы бескамерной оценки искробезопасности электрических цепей 173
4.2. Изучение энергоотдачи из безреактивных электрических цепей в разряд размыкания 177
4.3. Изучение энергоотдачи из индуктивных электрических цепей в разряд размыкания 131
4.4. Изучение энергоотдачи из индуктивно-емкостных электрических цепей в разряды размыкания и замыкания 194
4.5. Методика расчетной оценки искробезопасности электрических цепей 214
5. Исследование и разработка электроизмерительной оценки искробезопасности электрооборудования .233
5.1. Разработка методов и средств для электроизмерительной оценки искробезопасности безреактивных электрических цепей 233
5.2. Разработка методов и средств для электроизмерительной оценки искробезопасности индуктивных электрических цепей 238
6. Разработка метода определения наиболее опасной скорости разведения контактов в электрических цепях при испытаниях их на искробезопасность во взрывных камерах 277
6.1. Наиболее опасная скорость разведения контактов при коммутации безреактивных электрических цепей 277
6.2. Наиболее опасная скорость разведения контактов при коммутации простых индуктивных электрических цепей 281
6.3. Наиболее опасная скорость разведения контактов в индуктивных цепях с диодными и стабилитронными шунтами 288
6.4. Наиболее опасная скорость разведения контактов в индуктивных цепях с омическими шунтами 297
6.5. Критерий наиболее опасной скорости разведения контактов в электрических цепях с быстродействующей искрозащитой 303
6.6. Выбор режима испытаний на искробезопасность по скорости разведения контактов для любого класса электрических цепей 319
7. Сокращение времени и повшенйе точности испытаний на искробезопасность электрических цепей вовзрывных камерах 322
7.1. Устройство для непрерывного приготовления взрывчатых смесей 322
7.2. Выбор наиболее опасной длины линии связи и параметров индуктивных нагрузок без искрогасящих шунтов по разрядам размыкания 325
7.3. Выбор наиболее опасных параметров индуктивных нагрузок с искрогасящими шунтами по разрядам размыкания 352
7.4. Влияние последовательного и параллельного соединения индуктивных элементов с различными шунтами и без шунтов на воспламеняющую способность разрядов размыкания 363
7.5. Методика выбора наиболее опасных испытательных электрических цепей при оценке искробезопасности электрооборудования 366
7.6. Методика ускоренной оценки искробезопасности электрооборудования 369
7.7. Исследование и разработка способов и средств испытаний на искробезопасность электрических цепей при номинальных параметрах в контрольных взрывчатых смесях 375
8. Исследование и разработка методов и вредив обеспечения искробезопаснсти электрооборудования 385
8.1. Обеспечение искробезопасности электрооборудования 385
8.2. Исследование влияния параметров линии связи на величину искробезопасной мощности в нагрузке 386
8.3. Обеспечение искробезопасности электрических систем с индуктивной нагрузкой 405
8.4. Повышение искробезопасной мощности в электрических цепях с быстродействующей искрозащитой 419
8.5. Разработка искробезопасных источников питания повышенной мощности 432
8.6. Разработка искробезопасных электромеханических приводов 448
Заключение 461
Литература 465
Приложения 496
- Обеспечение вэрывозащиты электрооборудования на предприятиях со взрывоопасной атмосферой
- Влияние длительности электрического разряда на величину его минимальной энергии, мощности и тока при воспламенении взрывчатых смесей
- Многопробойный искровой электрический разряд
- Разработка методов и средств для электроизмерительной оценки искробезопасности индуктивных электрических цепей
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года", утвержденными ХХУЇЇ съездом КПСС, предусмотрено "...внедрять автоматизированные системы в различные сферы хозяйственной деятельности, и в первую очередь в проектирование, управление оборудованием и технологическими процессами. Поднять уровень автоматизации производства примерно в 2 раза".
Внедрение механизации и автоматизации на горных предприятиях со взрывоопасной атмосферой неотделимо от разрешения проблемы безопасного применения электрической энергии. Взрывоопасность атмосферы горных предприятий обусловлена выделением в нее горючих газов и паров. К ним прежде всего относятся метан, этан, пропан, бутан, пары бензина, водород и др. На предприятиях, характеризующихся возможностью образования взрывчатой атмосферы, по условиям безопасности допускается только взрывозащищенное электрооборудование. Одним из наиболее прогрессивных видов взрывозащиты электрооборудования является "иекробезопаеная электрическая цепь", выполненная так, что электрический разряд или нагрев частей оборудования не может воспламенить взрывоопасную среду. Этот вид взрывозащиты характеризуется самой высокой степенью безопасности. Он обеспечивает меньший вес и габариты,более простую технологию изготовления и меньшую стоимость электрооборудования в сравнении с другими видами взрывозащиты.
Около 90$ существующего и разрабатываемого взрывозащищенно-го электрооборудования имеет искробезопасные цепи. К ним относятся практически все контрольные цепи и цепи управления в защитной и пусковой аппаратуре и средствах автоматизации, микропроцессорная техника.
Малая допустимая искробезопасная мощность не позволяет повсеместно использовать этот прогрессивный вид взрывозащиты и в раде случаев отрицательно сказывается на функциональной надежности искробезопасного электрооборудования, а продолжительные испытания на искробезопасность во взрывных камерах и отсутствие бескамерных (расчетных и электроизмерительных) методов оценки, позволяющих вести оценку на стадии разработки оборудования и выбирать оптимальные его параметры, существенно увеличивают сроки разработки и внедрения искробезопасного электрооборудования.
Теоретическая база методов оценки и обеспечения искробезо-паености электрооборудования ранее была создана работами Л, П. Шроцкого, В.С.Кравченко, В.И. Серова, П.Ф.Ковалева, Б.А.Петренко, Б. М. іуршнова, І.Й.Гаврильченко, Р.Н.Еагибаровой, А.И. Сул-тановича, А. Е. Погорельского, Н.А. Черникова, Б.Г.Попова, Г.И. Сиелкова, В.Н.Веревкина, В.А.Бондаря, В.С.Комарова, Г.Г.Швняка, М.А.Васнева, Я.І.Краеика, Э.Г.Когана, Б.М.Кириченко, Н.А. Мар-сюка, В.П.Вшоградова, А.В.Панина, В.П.Яковлева, В.В.Давыдова, Г.Й.Макарова, Б.В.Чернова, А.Л.Трембицкого, В.Ф.Іахманова, 0. А. Свис тельника, С.В.Мамченко, П.В.Лаппо, Л.А.Павлгоченко, Ж.Б.Фаерштеина, Б.Льюиса, Г.Эльбе, К.К.Светта, Д.В.Уидгинтона, Р.Гордона, Г. Фогта, Ф.Шебсдата и других исследователей.
Имеющий место до выполнения этой работы теоретический базис в этой области не позволял решить вышеуказанные научно-технические задачи.
Научно-техническая проблема состоит в том, чтобы на основании изучения воспламенения электрическим разрядом взрывчатых смесей установить новые закономерности этого процесса. На основании обобщения известных и вновь полученных научных знаний и практического опыта разработать теоретические основы искробезо-пасности электрических цепей и с помощью последних получить новые научные и практические результаты в области оценки и обеспечения искробезонасности рудничного электрооборудования.
Таким образом целью работы является установление закономерностей и зависимостей воспламенения взрывчатых смесей электрическими разрядами для разработки теоретических основ искробезонасности рудничного электрооборудования и эффективных методов его оценки и обеспечения, позволяющих повысить безопасность применения электрической энергии во взрывоопасной атмосфере горных предприятий путем расширения области применения искробезопаеного электрооборудования; осуществлять рациональный выбор искробезо-пасных параметров электрических цепей электрооборудования, сократить время его разработки.
Основная идея работы заключается в том, чтобы оценку и обеспечение искробезопасности рудничного электрооборудования осуществлять с учетом совместного влияния энергии и длительности электрического разряда и условий коммутации электрической цепи.
Дая решения проблемы был принят комплексный метод исследований, включающий анализ статистического материала, проведение экспериментальных и теоретических исследований, научное обобщение.
Основные положения, защищаемые в диссертации, включают:
1. Зависимости минимальных воспламеняющих параметров электрического разряда от его длительности, отличающиеся тем, что они получены для представительных взрывчатых смееей и учитывают электрические потери в контактах.
2. Принципы оценки опасности электрического искрения во взрывоопасной атмосфере горных предприятий, основанные на сопоставлении энергии разряда с воспламеняющей энергией взрывчатой смеси и учитывающие длительность электрического разряда и скорость движения контактов.
3. Условие определения наиболее опасной скорости движения контактов при испытаниях электрических цепей во взрывных камерах, заключающееся в том, что наименьшие воспламеняющие параметры электрической цепи имеют место при скоростях движения контактов, обеспечивающих минимальное отношение воспламеняющей энергии взрывчатой смеси к энергии разряда.
4. Критерий наиболее опасной скорости разведения контактов в электрических цепях с быстродействующей искрозащитой со временем ее срабатывания, меньшей критического времени взрывчатой смеси, заключающийся в том, что скорость разведения контактов при размыкании электрической цепи выбирают такой, чтобы длительность электрического разряда в отсутствии защиты была равна времени ее срабатывания.
5. Безопасные и наиболее опасные параметры индуктивных нагрузок определяются из условия, что подключение к источнику питания индуктивной нагрузки, меньшей граничного значения, снижает воспламеняющую способность разрядов размыкания,а при постоянной времени, большей граничного значения, наибольшая воспламеняющая способность разрядов имеет место при параметрах нагрузки, обеспечивающих максимальное выделение мощности на ней.
6. Принцип шунтирования индуктивных нагрузок в искробезопае-ных электрических цепях, заключающийся в ограничении постоянной времени индуктивного элемента до максимальной из величин, при которых комбинированное (последовательно-параллельное) соединение любого количества таких элементов не превышает граничного значения постоянной времени.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами анализа большого объема статистического материала, статистической обработкой экспериментальных данных, их достаточным объемом и удовлетвори тельной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна результатов, полученных в работе, заключается во введении в методологию оценки и обеспечения искробезо-пасности рудничного электрооборудования факторов, отражающих установленные закономерности процесса воспламенения взрывчатых смесей электрическим разрядом: влияния длительности электрического разряда на его воспламеняющую способность, учет скорости движения контактов и диапазона ее регулирования.
В работе впервые:
- установлены зависимости минимальных воспламеняющих параметров электрического разряда от его длительности для неподвижных и расходящихся электродов, являющихся исходными данными для оценки опасности электрического искрения во взрывоопасной атмосфере горных предприятий;
- определены области длительностей разряда, при которых критерием воспламеняющей способности является его энергия или мощность, и экспериментально определены критические значения длительности разряда при воспламенении представительных взрывчатых смесей и кислородо-водородной смеси переменного состава;
- разработана методика бескамерной оценки искробезопаснос-ти электрических цепей, учитывающая влияние длительности электрического разряда и скорости движения контактов и реализующая при оценке наиболее опасные условия комму талии;
- определено условие, позволяющее для каждой электрической цепи установить наиболее опасную скорость разведения контактов, при которой воспламеняющие параметры электрической цепи минимальны;
- установлены закономерности, обеспечивающие выбор параметров индуктивной нагрузки, при которых имеет место наибольшая воспламеняющая способность разрядов размыкания. Разработан критерий степени шунтирования индуктивных нагрузок в иекробезопас-ных цепях, при соблюдении которого подключение индуктивной нагрузки к искробезопасноыу источнику питания не нарушает его иек-робезопасность.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные теоретические основы, методы и средства обеспечения искробе-зопасности рудничного электрооборудования позволяют:
- повысить точность оценки опасности электрического искрения во взрывоопасной атмосфере горных предприятий за счет учета влияния длительности электрического разряда и потерь в контактах;
- производить оценку искробезопасности рудничного электрооборудования на стадии его разработки расчетным или электроизмерительным путем и выбирать его рациональные параметры;
- снизить число испытательных режимов, решить вопрос обеспечения коэффициента искробезопасности без изменения параметров взрывчатой смеси и электрической цепи и автоматизировать процесс приготовления взрывчатых смесей при оценке искробезопасности электрооборудования во взрывных камерах;
- производить оценку искробезопасности электрических цепей во взрывных камерах при наиболее опасных скоростях движения контактов;
- упростить и ускорить процесс разработки новой искробезо-пасной аппаратуры за счет создания безопасных индуктивных нагрузок;
- создать искробезопасные источники питания повышенной мощности для работы на длинные линии свяаи и силовые исполнительные устройства.
Результаты исследований использованы в "Методике определения критического зазора при зажигании паровзвесей горючих пыле! и минимальных значении тока, мощности и энергии зажигания горючих газов и паров с воздухом", согласованной с ГУПО МВД СССР ж изданной во ВНШШО МВД СССР. Величина минимальной воспламеняющей энергии разряда для метано-воздушной смеси использована в "Правилах безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов", разработанных ШЖГазом.
Принципы и исходные данные по бескамерным методам оценки искробезопасности электрических цепей включены в РТМ 12.44.015-76 "Аппаратура шахтной автоматики, способы и средства обеспечения искробезопасности" и во временную инструкцию по оценке искробезопасности электрических цепей электроизмерительным методом (1985 г.).
Способ шунтирования индуктивных нагрузок реализован в диспетчерской аппаратуре связи ДЙСК-1А.ТС, серийно выпускаемой Быковским экспериментальным заводом ІУА Минуглепрома СССР.
Методика выбора испытательных режимов принята ВостНЙИ и МакНИИ для апробации при оценке искробезопасности электрических цепей.
Способ оценки искробезопасности электрических цепей при номинальных параметрах в контрольных взрывчатых смесях используется в ВостНИЙ при проведении государственных контрольных испытаний.
Устройство для непрерывного приготовления смесей, приборы для электроизмерительной оценки "Поиск" и ИЭДР-1 изготовлены на опытно-экспериментальном заводе ИЦЦ им.А.А.Скочинского.
Силовые исполнительные устройства СЙУ-І изготавливаются на Конотопском заводе "Красный металлист".
Основные положения работы и результаты исследований докладывались на Ш Всесоюзном совещании по взрывозащищенному электрооборудованию во ВНЙЙВЭ (1967 г.), в МакНйй (1967 г.), в ВостНЙИ (1967 г.), в ЙЕН им.А.А.Скочинского (1967 г.), в Московском горном институте на конференции по физике горных пород и процессов (1969 г.), на совещаний ВПО "Союзуглеавтоматика" МУІІ СССР по "Программе работ по расширению применения прогрессивных материалов и совершенствование несущих конструкций аппаратов и искро-защитннх устройств для изделий шахтной автоматики" (1982 г.), на заседаниях ученых советов Сектора физико-технических горных проблем ЙФЗ АН СССР, Института проблем комплексного освоения недр АН СССР в 1972, 1976, 1981 и 1986 гг. Результаты работы экспонировались на ВДИ в 1976, 1982 и 1986 гг. и были удостоены одной серебряной и двух бронзовых медалей.
В диссертации использованы результаты исследований, выполненных автором в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя 4 основных плановых тем за период 1967-1987 гг.
в сига та АН СССР И ШЖОН АН СССР.
Автор выражает глубокую благодарность за многолетнюю всестороннюю поддержку и постоянное внимание к своей работе член-корр.АН СССР Д.М.Бронникову и проф., докт.техн.наук В.И. Серову.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю прознатель-ность коллегам по работе в ИПКОН АН СССР за постоянное доброжелательное содействие и ценные критические замечания при выполнении исследований.
Обеспечение вэрывозащиты электрооборудования на предприятиях со взрывоопасной атмосферой
Электрооборудование, эксплуатация которого связана с искро-образованием и перегревами его частей, является во взрывоопасной атмосфере источником повышенной опасности - потенциальной причиной воспламенения. Этим обусловлено требование применять во взрывоопасных условиях только оборудование, которое в результате ряда защитных мер не может быть источником воспламенения взрывчатой атмосферы, - взрывозащищенное электрооборудование.
В результате длительного опыта разработки и использования электрооборудования сложилось несколько способов обеспечения взрывозащиты или несколько исполнений взрывозащищенного электрооборудования [б].
Взрывонепроницаемая оболочка, при которой все искрящие и нагревающие элементы заключены в оболочку, внутренняя полость которой соединяется с внешней атмосферой через взрывонепроница-емые щели между фланцами.
Масляное заполнение оболочки, при котором все искрящие и нагревающие элементы погружены в масло и изолированы им от взрывоопасной атмосферы.
Кварцевое заполнение оболочки, у которого посредством заполнения оболочки кварцевым песком определенного зернового состава достигается то, что электрическая дуга, возникающая при аварийных условиях внутри оболочки, не может вызвать воспламенение наружной взрывоопасной среды.
Защита вида "е ", при котором при нормальных условиях работы электрооборудования исключается воспламенение внутри оболочки, служащей только для механической защиты.
Заполнение или продувка оболочки под избыточным давлением, у которого благодаря заполнению инертным газом или продуванию свежей струей воздуха исключается образование внутри электрооборудования взрывоопасной смеси.
Автоматическое защитное отключение электрооборудования, при котором за время разрушения защитной оболочки кабеля происходит отключение от источника энергии и благодаря этому исключается воспламенение взрывоопасной смеси.
Искробезопасная электрическая цепь, у которого путем соответствующего ограничения мощности цепи и локализации энергии, накопленной в индуктивных и емкостных элементах цепи, энергия коммутационных разрядов снижается до уровня, исключающего воспламенение взрывоопасной смеси.
Специальный вид взрывозащиты, у которого используются другие меры и средства для исключения воспламенения взрывчатой смеси.
В настоящее время установлены следующие уровни взрывозащиты электрооборудования:I. Уровень "Повышенная надежность против взрыва" обеспечивается одним из следующих видов взрывозащиты:- искробезопасностью цепей только в нормальном режиме их работы;- продуванием под избыточным давлением чистым воздухом или инертным газом с устройством сигнализации о недопустимом снижении давления;- средствами и мерами, затрудняющими возникновение опасных электрических разрядов и нагрева.П. Уровень "Взрывобезопасное электрооборудование" обеспечивается одним из следующих видов взрывозащиты:взрывонепроницаемой оболочкой, предотвращающей передачу взрыва наружу при оспламенении взрывоопасной смеси внутри оболочки;продуванием под избыточным давлением чистым воздухом или инертным газом с автоматическим отключением от источника электроэнергии при недопустимом снижении давления;заполнением оболочки с токоведущими частями маслом или кварцевым песком;автоматическим отключением напряжения токоведущих частей при нарушении защитной оболочки за время, исключающее воспламенение взрывоопасной смеси;другими специальными средствами и мерами, исключающими воспламенение взрывоопасной смеси. 111. Уровень "Особовзрывобезопасное электрооборудование" обеспечивается искробезопасностью при любом количестве повреждений в нормальном и аварийных режимах.
Искробезопасное исполнение является наиболее оправданным видом взрывозащиты систем управления, автоматики, сигнализации и связи, которыми все в большей степени насыщается современное производство, и позволяет сделать все эти системы совершенно безопасными по отношению к взрывоопасной атмосфере. Искробезопасное электрооборудование характеризуется наименьшим весом, размерами, более простой технологией изготовления и наиболее высокой степенью безопасности по сравнению с другими видами взрывозащищенного электрооборудования.
В связи с тем, что искробезопасное исполнение электрооборудования основано на ограничении передаваемой мощности, область его применения - слаботочные системы, аппаратура и приборы автоматики, связи, сигнализации, измерения и т.д.
История исследований в области искробезопасности, начавшаяся с опытов Деви, впервые исчерпывающе описана в СССР П.П.Пи-роцким [зз]. В работе П.П.Пироцкого обобщены все экспериментальные и теоретические исследования в области воспламенения взрывчатых газовых смесей электрическими разрядами, выполненными до 1937 года.
В послевоенный период в СССР в связи с началом широкого применения устройств связи, сигнализации, контроля и дистанционного управления значительно возрос интерес к искробезопасности. Этому во многом способствовали работы В.С.Кравченко з,17, 28, 34 38], расширившие представления о границах применимости искробезопасных систем и давшие исходные положения по их оценке. В дальнейшем благодаря работам П.Ф.Ковалева [39 43], Л.И. Гаврильченко [44 4б], В.И.Серова [38, 47 52], П.А.Фетисова
Влияние длительности электрического разряда на величину его минимальной энергии, мощности и тока при воспламенении взрывчатых смесей
В основе существующих методов оценки опасности статического электричества и искробезопасности электрических цепей лежит сравнение расчетных или экспериментально измеренных выделяющихся в разрядах энергий с минимальным для воспламенения данной горючей смеси значением. Точность и надежность такой оценки может быть достигнута только в том случае, если Итс/г имеет действительно минимальное значение.
При определении нтСп необходимо учитывать, что на величину воспламеняющей энергии оказывает влияние целый ряд факторов, таких как: расстояние между электродами, конфигурация и материал электродов, концентрация, температура, давление и влажность горючей смеси, длительность, тип, форма и частота электрического разряда, скорость расхождения электродов в разрядах размыкания и т.д. Действие одних факторов на величину воспламеняющей энергии достаточно полно изучено. Действие же других факторов нуждается в дальнейшем изучении. К последним следует отнести и длительность электрического разряда.
Из работ ряда авторов [24,25,29] видно, что длительность электрического разряда может существенно влиять на величину воспламеняющей энергии. Однако малый диапазон изменения длительностей электрического разряда в работах 24,25,29J не дал полного представления об ее влиянии на величину воспламеняющей энергии. Кроме того, представленные в этих работах экспериментальные данные не могут быть использованы при решении практических задач электровзрывобезопаеноети, поскольку они были получены в смеси неоптимальной концентрации [29 J или при межэлектродном расстоянии, отличном от Сікр (_24,25j. Совместно с А.Л.
Трембицким [I70J были проведены экспериментальные исследования по изучению уровня воспламеняющей энергии, тока и мощности при воспламенении взрывчатых смесей электрическими разрядами различной длительности.
Эксперименты проводились на установке, блок-схема которой представлена на рис.2. II. Накопительный конденсатор 3 заряжался от высоковольтного источника напряжения I через высокоомный резистор 2 до 9 кВ. Величина напряжения выбиралась из условия обеспечения пробоя во взрывной камере межэлектродаого расстояния,равного dкр , Подключение накопительного конденсатора 3 к взрывной камере 10 осуществлялось с помощью управляемого разрядника 4 при включении кнопки 6. Резистор 9 служит для регулировки тока разряда. Для прекращения разряда использовался управляемый разрядник 7, включаемый через схему задержки 5, которая начинала работать только после возникновения разряда во взрывной камере. Резистор 8 обеспечивал снятие электрического разряда с электродов взрывной камеры и разрядника 7. Электроды взрывной камеры имели цилиндрическую форму и изготовлялись из стальной проволоки диаметром 0,3 мм. Взрывная камера была выполнена из органического стекла. Межэлектродная паразитная емкость камеры составляла 0,3 лФ. Исследуемая смесь приготовлялась на установке БВК-3 и контролировалась интерферометром ИТР--І.
Дяя определения выделившейся в разряде энергии снимались осциллограммы напряжения в точке "а" и на резисторе II (рис. 2.12), по которым вычислялись значения падения напряжения на разряде, его ток и длительность. Напряжение в точке "а" снималось с помощью компенсированного делителя. Вид осциллограмм напряжения и тока представлен на рис.2.12.
Величина воспламеняющей энергии рассчитывалась по формулегде Не - энергия, выделившаяся за счет разряда паразитной межэлектродной емкости С; Нср - энергия, выделившаяся за время переходного процесса срна переднем фронте разряда; Дп - энергия, выделившаяся при постоянных значениях тока Эусти напряжения 11 уст за время іп і нар - энергия, выделившаяся за время переходного процесса српри прекращении разряда. В проведенных экспериментах величина ар составляла порядка 0,1 мке и, как показали расчеты энергий Дер в сравнении с Qcp или нп , можно пренебречь- ЙТИМИ значениями.
Б переходном режиме при 0 L t r tcp закон нарастания тока и падения напряжения на разряде был весьма близок к линейномугде 11 пр - напряжение пробоя разрядного промежутка.
При этом следует отметить, что при малых значениях тока Дер значительно меньше Дп и в пределах точности измерений может не учитываться. Однако по мере увеличения тока разряда энергия /7qo возрастает, становится сравнимой с Дп и начинает ее превышать. В этом случае наряду с Нп. необходимо учитывать и энергию Дер . Такое увеличение энергии Д р связано с тем, что время Ьср имеет конечное значение, определяемое параметрами разрядного контура и характеристикой исследуемогогаза.
Полученные в процессе экспериментов значения воспламеняющих энергий разряда в зависимости от их длительности приводились к одной вероятности воспламенения.
На рис.2.13 представлены зависимости воспламеняющей энергии разряда от его длительности при вероятности воспламенения Ю"3 для метано-воздушной смеси, пропано-воздушной, этилено-воздушной и водородо-воздушной. Минимальные значения воспламеняющих энергий приведены в табл.2.2.
Эксперименты по определению минимального воспламеняющего тока проводились на той же установке, что и при определении минимальных воспламеняющих энергий. Минимальные значения воспламеняющих токов определялись для наиболее легковоспламеняемых концентраций метано-воздушной, пропано-воздушной и этилено-воз-душной смесей, содержащих, согласно литературным данным [98], соответственно 8,5 об.% СН4, 5,1 о6.% CgHg и 7,1 о6.% С . Электроды взрывной камеры имели цилиндрическую форму и изготовлялись из стальной проволоки 0 0,3 мм. Чтобы исключить пла-мягасящее действие электродов, последние разводились на критические расстояния, которые составляют для перечисленных выше концентраций смесей соответственно 2,1 мм, 1,8 мм и 1,1 мм
Многопробойный искровой электрический разряд
Искровые электрические разряды возникают в результате пробоя разрядного промежутка и могут наблюдаться в емкостных, индуктивных и индуктивно-емкостных цепях. Под искрой понимается нестабильный сконцентрированный в пространстве достаточно короткий электрический разряд с большой силой тока, который обычно следует за инициированием разряда в газе.
Образование токопроводящей перемычки между катодом и анодом может происходить в зависимости от напряженности поля и величины рс (произведения давления на длину разрядного промежутка) двумя путями: по классическому механизму Таунсенда (для малых pt ) или путем формирования стримера (для больших рв ) l83j. После прохождения стримера образуется токопроводящий канал и начинается искровой разряд (_I84J.
Многопробойный искровой разряд имеет прерывистый характер тока в разрядном промежутке. Простейшая схема индуктивно-емкостной цепи, поясняющая механизм этого разряда, приведена на рис.3.10.
В этом случае распределенная емкость цепи заменена сосредоточенной емкостью, параллельной искровому промежутку.Этим приемом можно межвитковую емкость катушки индуктивности заменить сосредоточенной и привести сложную электрическую систему к схеме, которая позволяет математически описать процесс многопробойного искрового разряда [I85J.
При размыкании электродов искрообразующего устройства в индуктивной цепи, по которой протекает ток, меньший минимального
тока возникновения дуги, в первый момент после нарушения металлического контакта не возникает ни одна из форм газового разряда, а начнется рост напряжения на емкости. При достижении на емкости напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка, происходит искровой разряд малой длительности (доли микросекунды).
В зависимости от параметров цепи и кинематики электродов количество пробоев может быть различным. Предельным случаем является однопробойный разряд.
По наблюдениям английских исследователей [ 24J напряжение пробоя в течение всего разряда составляет примерно 300 В. Подобные результаты (сохранение напряжения пробоя практически на одном уровне) наблюдалось и у советских исследователей.Приняв этот факт зо внимание, проанализируем возможную длительность многопробойного разряда в простой индуктивно-емкостной цепи.
Обозначимгде llcmath максимальное напряжение на емкости, возникающее при безыскровом размыкании цепи; 11пр - напряжение, при котором происходит пробой искрового разрядного промежутка. Запасенная энергия в цепи перед первым циклом зарядки пробоя выразится
Время первого цикла зарядки емкости для случая, когда напряжением источника питания можно пренебречь, определится из соотношения Правая и левая части равны, так как представляют собой один и тот же ряд только с обратным относительно друг друга расположением членов.
Для вычисления длительности многопробойных искровых разря дов в цепях без гасящих контуров гостроен график функции ST azcSin- z от числа пробоев емкости (рис.3.II). n-f В качестве примера вычислим длительность многопробойного искрового разряда в цепи L =0,1 ft, J = 0,100 А при т = 2 10.
Различные величины т установим соответствующим подбором емкости цепи С. Результаты расчета сведены в табл.3.9.Таблица 3.9.многопробойного искрового разряда в простой индуктивно-емкостной цепи с величиной емкости, не оказывающей влияния на величину минимального воспламеняющего тока, и при постоянной величине напряжения пробоя, не зависит от величины емкости.
Из приведенного анализа также следует, что возможное число пробоев при размыкании зависит от величины т следующим образом
При уменьшении величины Zlnp увеличивается число пробоев и длительность разряда, а величина его энергии остается постоянной.
Увеличение ипр соответственно уменьшает число пробоев и длительность разряда. Таким образом, изменяя величину напряжения пробоя, можно регулировать длительность электрического разряда. Увеличение напряжения пробоя и уменьшение длительности разряда на практике может быть обеспечено повышением скорости разведения контактов.
Проследим на примере двух цепей, как меняется число пробоев в этих цепях в зависимости от величины емкости
Из табл. ЗЛО видно, что в двух цепях, имеющих разряды равной воспламеняющей способности по отношению к метану, при одних и тех же емкостях имеют место равное число пробоев. Это равенство является следствием приблизительного равенства магнитных энергий цепи I и 2.
Проведенный анализ выполнен при условии, что в многократной зарядке емкости участвует энергия, накопленная только в индуктивном элементе. Поэтому он справедлив, для индуктивных цепей, где долей энергии разряда, поступающей из источника питания,можно пренебречь.Дія случая, когда долей энергии разряда от источника питания пренебречь нельзя, напряжение пробоя определится
Пользуясь вышеизложенным методом, определим длительность многопробойных разрядов для ряда точек характеристик искробезо-пасности Jg = /( ,Е) для метано-воздушной смеси, полученных А.И.Султановичем \80].
Результаты подсчета сведены в табл.3.II.Из табл.ЗЛІ видно, что в зависимости длительности разряда от параметров электрической цепи обнаруживаются те же закономерности, которые были получены при анализе длительных разрядов в сложных индуктивных цепях [18б]. На границе воспламенения взрывчатой смеси с увеличением индуктивности цепи и доли энергии из индуктивного элемента повышается длительность многопробойного искрового разряда.
Рассмотрим многопробойный искровой разряд при размыкании индуктивных цепей, где долей энергии разряда от источника питания пренебречь нельзя. Для простой индуктивной цепи с емкостью на выходе напряжение на ней может быть определено из выраженияПо мере зарядки емкости ток в цепи снижается. При достижении напряжения на емкости 300 Б, происходит пробой и затем снова происходит зарядка емкости.
Напряжение и ток зарядки емкости для второй и последующихзарядок определится из выражений/где К =" Р/У » 30- ток в цепи перед зарядкой.
По полученным выражениям были рассчитаны параметры многопробойного искрового разряда для цепи: Е = 70В; L =1,9 Гн; З = 0,1101, С = ІО"8 Ф при условии, что все пробои происходят при напряжении на емкости, равном 300 В. Результаты расчета сведем в табл.3.12.
Общая длительность многопробойного искрового разряда будет составлять 842,6 мкс. Энергия разряда, состоящего из 16 пробоев,
Разработка методов и средств для электроизмерительной оценки искробезопасности индуктивных электрических цепей
Как уже отмечалось, для определения эквивалентной индуктивности индуктивных цепей с железными сердечниками Уидгинтоном ІІ65І был предложен способ, основанный на измерении энергии, выделяемой в элементе, моделирующем разряд. В качестве элемента, моделирующего разрядный промежуток, был использован лавинный диод, имеющий постоянное напряжение пробоя. Для измерения энергии, рассеиваемой при размыкании цепи на диоде, достаточно определить количество электричества, протекающего через него. Количество электричества, протекающего через диод, можно определить с помощью флюксметра или емкости.
Уидгинтоном было рекомендовано измерять энергию разряда при напряжении пробоя диода, равном 200 В, и замеренную энергию считать поступившей в разряд от индуктивного элемента.
С помощью подбора напряжения пробоя диода можно регулировать длительность моделируемого разряда.
К недостатку предложенного метода следует отнести тот факт, что он не позволяет измерять Ь эк при различных напряжениях источников питания и для случаев, когда в разряд из цепи поступает значительная доля энергии от источника питания.
С целью создания измерительного метода оценки искробезопасно-ети индуктивных цепей с железными сердечниками:, основанного на определении величины энергии разряда, рассмотрим индуктивную цепь (рис.5.2), в которой в качестве элемента, модулирующего разряд, включен стабилитрон ДІ.
При размыкании индуктивной цепи без разряда дифференциальное уравнение, описывающее процессы, происходящие в ней, запишетсягде XI - напряжение стабилизации стабилитрона.
Решение дифференциального уравнения Определим длительность моделируемого разряда из условия, что при і = О j t -Т где / - длительность моделируемого разряда.
Энергия, выделенная в стабилитроне, находится из выражения"7"" —о Проанализируем для простой индуктивной цепи моделируемыйстабилитроном разряд с точки зрения формы, длительности и количества выделенной в нем энергии. Для принятой модели разряда можно изменить форму, длительность и количество выделяемой в нем энергии за счет изменения напряжения пробоя стабилитрона.
В результате анализа расчетного выражения (5.13) построена зависимость энергии моделируемого разряда от напряжения стабилизации стабилитрона (рис.5.3). Анализ приведенной зависимости показывает, что при 11 =(s IO) Е замеренная в:а модели разряда энергия фактически равна энергии магнитной составляющей цепи ( L - ). При этом при замерах необходимо ориентироваться не на рекомендуемое Уидгинтоном постоянное напряжение пробоя стабилитрона, равное 200 В, а на отношение у , которое должно быть равно 5 10, Принятие такого отношения расширяет область напряжений источника питания цепи, при которых рассматриваемый метод оценки дает достаточную точность.
На рис.5.4,а,б приведены результаты расчетов тока по формуле (5. II) при различных напряжениях пробоя моделируемого элемента. Из приведенных графиков видно, что при "/" SH0 форма моделируемого разряда близка к линейной. Для оценки искробезопа-сности индуктивной цепи, кроме размыкаемого тока цепи, ЭДС источника питания, энергии разряда, необходимо знать еще его дли тельность. Длительность разряда в этом случае можно определитьпо формуле
Однако такой метод определения длительности весьма приблизителен и при малых - вообще неприменим.
Установим связь между длительностью моделируемого разряда / и длительностью Xt , определяемой как катет прямоугольного треугольника, равновеликого по площади количеству электричества, протекающего через моделируемый элемент. Отношение л/т будет равно
Из выражения (5.15) видно, что отношение iA/f не зависит от параметров индуктивных цепей ( J , L , ), а определяется только отношением у . Последний вывод облегчает оценку иск-робезопасности индуктивных цепей, так как позволяет всегда определить без специальных замеров длительность моделируемых разрядов. Для практического пользования построим зависимость (рис.5.5).
Для оценки искробезопасности индуктивных цепей необходимо пользоваться не замеренной энергией моделированного разряда, а такой величиной энергии, которая бы выделялась из цепи при линейном убывании тока разряда от своего установившегося значения до нуля за время, равное длительности моделируемого разряда. Для рассмотренных цепей отношение этих энергий равно
Как видно из выражения (5.16), отношение энергии моделированного разряда к энергии разряда, выделенной из цепи при линейном убывании тока разряда от своего установившегося значения до нуля, не зависит от параметров ( J , L , t ), а определяется отношением
Полученные зависимости позволяют без дополнительных измерений времени моделируемого разряда и при его законе, не полностью соответствующей линейному убыванию тока в разряде, осуществлять оценку простых индуктивных цепей на искробезопасность.
Из приведенного анализа вытекает, чисто электротехнический способ замера индуктивностей с линейной характеристикой в соответствии с формулой (5.13).Для практического пользования построим график зависимости
Дія определения величины индуктивности цепи необходимо знать следующие параметры:I) ток в цепи (режим короткого замыкания); 2) э.д.с. источника питания (режим холостого хода);3) установленную величину UL , при которой производилось измерение величины энергии моделированного разряда;4) замеренную величину энергии моделированного разряда.Предлагаемый метод определения индуктивности цепи не ограничивает в выборе напряжения стабилизации диода U . Для практических целей следует выбирать это значение как можно меньше, чтобы слабее сказывалось влияние распределенной емкости цепи.Пример. Дана индуктивная цепь: Е = 10 В; J = 0,05 А. Измерения вели при Ы = 20 В; замеренная энергия моделированного разрада оказалась равной І.534.КГ №. Из графиков (рио.5.6)
