А.4 Использование характеристик искробезопасности рисунков А.20-А.22 для оценки искробезопасности электрических цепей по разрядам размыкания
А.4.1 Общие положения
Для многих электрических цепей наиболее опасными, с точки зрения обеспечения искробезопасности, являются разряды размыкания. В свою очередь, опасность разрядов размыкания в каждой из таких цепей очень сильно зависит от того, каким образом происходит размыкание цепи и, в частности, с какой скоростью расходятся размыкаемые контакты. Для каждого конкретного типа цепи имеется определенная скорость ее размыкания (или диапазон скоростей), при которой возникающие разряды представляют наибольшую опасность. Диапазон скоростей, в котором в различных электрических цепях реализуются наиболее опасные разряды размыкания, весьма широк. Нижняя граница этого диапазона относится к омическим цепям и составляет в зависимости от вида взрывоопасной смеси vmin £ (0,05-0,2) м/с. При уменьшении скорости размыкания относительно указанных значений, минимальный воспламеняющий ток в омических цепях сначала остается неизменным, а затем начинает возрастать. В настоящее время не представляется возможным с определенностью указать конкретный тип цепи, который можно было бы отнести к верхней границе скоростей размыкания, но можно сказать, что имеется много типов цепей, для которых большие скорости размыкания более опасны, например индуктивные цепи, цепи со стабилизированными по току источниками питания. Промежуточное положение между омическими и, например, индуктивными цепями могут занимать индуктивные цепи с диодными шунтами, для которых значение наиболее опасной скорости размыкания меняется в зависимости от их параметров в достаточно широком диапазоне.
На практике большие скорости размыкания реализуются при обрыве проводников. Для медных проводников эти скорости составляют 5-6,5 м/с.
А.4.2 Возможности искрообразующих механизмов
Стандартные искрообразующие механизмы не могут реализовать всех необходимых скоростей, которые могут понадобиться на практике. Так, искрообразующий механизм I типа позволяет получать медленные скорости размыкания, необходимые для испытаний омических цепей. Это происходит при движении вольфрамовой проволочки вдоль паза кадмиевого диска. При этом количество таких медленных размыканий невелико и составляет приблизительно 0,7 на один оборот держателя проволочек. Большие скорости размыкания на этом механизме реализуются при соскальзывании вольфрамовых проволочек с краев кадмиевого диска. Не потерявшие упругость проволочки, обеспечивают достаточно большие скорости размыкания, приемлемые для испытания индуктивных цепей. По мере потери упругости максимальные скорости размыкания снижаются, но это практически не контролируемый процесс.
Выход из этой ситуации или в создании специальных искрообразующих механизмов, которые, как правило, во много раз сложнее существующих, да и не для всех случаев в настоящее время могут быть созданы, или в переходе на бескамерный метод оценки искробезопасности электрических цепей.
А.4.3 Определение параметров электрического разряда
Для обеспечения искробезопасности электрической цепи достаточно снизить мощность разряда или выделяющуюся в нем энергию до безопасного значения. Отсюда следует, что, контролируя параметры электрического разряда и зная предельно допустимые для него значения, можно осуществлять бескамерную оценку искробезопасности электрических цепей.
Параметры разряда можно определять непосредственными измерениями, а также расчетами или измерениями на основе использования его модели.
Примечание - Непосредственные измерения параметров разряда, как правило, проводить нецелесообразно, поскольку для этого требуется искрообразующий механизм, реализующий наиболее опасные условия разрядообразования, и более оправданным в этом случае является его использование для проведения прямых испытаний искробезопасности цепи.
Следует отметить, что при наличии действующего макета цепи параметры разряда значительно проще определять, используя специальное электронное устройство, которое подключают к размыкаемым контактам рассматриваемой цепи и осуществляют физическое моделирование математической модели разряда, как показано на рисунке А.26.
Для решения многих задач в области обеспечения и оценки искробезопасности электрических цепей математическая модель разряда может быть создана на базе его статических вольт-амперных характеристик. Эта модель может быть представлена уравнением:
, (A.1)
где Up- напряжение разряда;
Uk- катодное падение напряжения;
а и b - коэффициенты, характеризующие условия получения характеристик; Ip- ток разряда;
v - скорость размыкания контактов;
f - время.
Для катода, изготовленного из кадмия, Uk= 8 В, а = 40 В/мм и b =7,6 В×А/мм. С целью повышения точности определения напряжения разряда Up, коэффициенты а и b можно определять для ограниченных диапазонов изменения тока разряда. Так, например, для двух диапазонов изменения тока разряда 0,024 - 0,1 А и 0,05 - 2 А значения коэффициентов a u b соответственно составляют а = 82,81 В/мм, b = 2,42 В×А/мм и а = 43,89 В/мм, b= 5,18В×А/мм.
При использовании формулы (А.1) необходимо знать ток обрыва дугового разряда. Он зависит от материала контактов и параметров разрядной цепи. В некоторых случаях ток обрыва может быть определен при анализе переходного процесса в размыкаемой цепи. Если фактическое значение тока обрыва неизвестно, то может быть использовано значение минимального тока дугового разряда, определяющее физическую возможность существования разряда. В этом случае оценка искробезопасности цепи становится несколько более жесткой. Для контактной пары из кадмия и вольфрама минимальный ток дуги приблизительно равен 0,02 А.
А.4.4 Воспламеняющая энергия разряда размыкания
Для того, чтобы электрический разряд вызвал воспламенение горючей смеси, необходимо выполнение двух условий:
1) мощность разряда должна превышать некоторое пороговое значение, при котором поступление тепла в зону горения превышает потери тепла из ядра пламени, что обеспечивает его развитие;
2) в разряде должно выделиться количество энергии, достаточное для достижения ядром пламени условий самораспространения.
Экспериментальные исследования показали:
а) в воспламенении не участвует часть энергии, выделяющаяся в области катодного падения напряжения разряда;
б) значение воспламеняющей энергии разряда в значительной степени зависит от мощности разряда при определенном ее снижении. Кроме того, эта величина также сильно зависит от скорости размыкания контактов цепи, поскольку этим во многом определяется их пламегасящее действие.
На рисунках А.20-А.22 приведены зависимости минимальной воспламеняющей энергии разряда Wmin=f(T,vi), за вычетом потерь энергии в области катодного падения напряжения, от длительности разряда Т (что характеризует его среднюю мощность) для различных скоростей viразмыкания контактов цепи при вероятности воспламенения 10-3. Зависимости, относящиеся к наименьшим скоростям размыкания контактов, соответствуют условиям реализации минимального воспламеняющего тока в омических цепях. Результаты получены на искрообразующем механизме с регулируемой скоростью размыкания контактов, в котором для сохранения уровня искробезопасности близкому к тому, который обеспечивается искрообразующим механизмом I типа, контакты были изготовлены из кадмиевой пластинки и вольфрамовой проволочки диаметром 0,2 мм.
Значения минимальных воспламеняющих энергий Wminдля каждой скорости размыкания удобнее получать не из графиков, а используя формулу
, (А.2)
где Wmin - минимальная воспламеняющая энергия при скорости размыкания vi;
Wг- минимальная воспламеняющая энергия при скорости размыкания vi, соответствующая горизонтальным участкам графиков;
W//- минимальная воспламеняющая энергия при скорости размыкания vi, соответствующая наклонным участкам графиков;
Тp- длительность разряда, мс; В и К - коэффициенты для скорости размыкания vi.
Значения Wmin, коэффициентов В и К для 8,5%-ной метановоздушной смеси, 5,1%-ной пропановоздушной и 7,1 %-ной этиленовоздушной смесей приведены соответственно в таблицах А.4.4.1-А.4.4.3.
Таблица А.4.4.1 - Оценка значений Wminи коэффициентов В и К для 8,5 %-ной метановоздушной смеси
|
V, М/С |
0,046 |
0,110 |
0,300 |
0,900 |
1,800 |
4,000 |
6,500 |
|
Wmin, мДж |
8,26 |
3,89 |
1,94 |
1,06 |
0,74 |
0,42 |
0,35 |
|
В |
1,146 |
1,919 |
2,363 |
2,528 |
2,056 |
1,757 |
1,384 |
|
К |
1,235 |
1,110 |
1,097 |
0,835 |
0,661 |
0,662 |
0,531 |
Таблица А.4.4.2 - Оценка значений Wminи коэффициентов В и К для 5,1 %-ной пропановоздушной смеси
|
V, М/С |
0,046 |
0,110 |
0,300 |
0,900 |
1,800 |
4,000 |
6,500 |
|
Wmin, мДж |
7,43 |
3,60 |
1,75 |
0,88 |
0,60 |
0,39 |
0,30 |
|
В |
1,425 |
1,672 |
2,205 |
2,355 |
1,940 |
1,681 |
1,304 |
|
К |
1,033 |
1,068 |
1,007 |
0,864 |
0,713 |
0,648 |
0,552 |
Таблица А.4.4.3 - Оценка значений Wminи коэффициентов В и К для 7,1 %-ной этиленовоздушной смеси
|
v, м/с |
0,15 |
0,25 |
0,45 |
1,00 |
2,00 |
4,00 |
7,90 |
|
Wmin, мДж |
1,820 |
1,140 |
0,670 |
0,350 |
0,200 |
0,135 |
0,115 |
|
В |
1,527 |
1,643 |
1,350 |
1,150 |
1,072 |
0,601 |
0,183 |
|
К |
0,787 |
0,797 |
0,786 |
0,809 |
0,807 |
0,576 |
0,147 |
А.4.5 Метод оценки
Метод оценки искробезопасности электрической цепи сводится к следующему. При параметрах цепи, обеспечивающих требуемый коэффициент искробезопасности К, определяют энергию разряда за вычетом катодных потерь и его длительность при заданной скорости размыкания контактов цепи viиз диапазона vmin£vi£vmax. Полученное значение энергии сравнивают со значением минимальной воспламеняющей энергии (Р=10-3) при такой же длительности разряда и скорости размыкания контактов цепи. Цепь считают искробезопасной, если при всех скоростях размыкания viэнергии разрядов не превышают минимальных воспламеняющих значений. Если значения энергии и длительности разряда определяют при номинальных параметрах цепи, то для сравнения используют значения воспламеняющих энергий, уменьшенные с учетом коэффициента искробезопасности в К раз.
А.4.6 Пример оценки искробезопасности цепи
Для иллюстрации процедуры оценки искробезопасности рассмотрим цепь, состоящую из источника питания в виде элемента или батареи напряжением U В и последовательно установленного неповреждаемого токоограничительного резистора сопротивлением R Ом, как показано на рисунке А.25. Рассмотрение проведем для группы I. Величина R Ом - минимальная, U В - максимальная. Оценку проведем для U == 24 В и трех различных сопротивлений резистора: R1 = 33 Ом, R2 == 30,25 Ом и R3 = 75,5 Ом. Соответственно токи I0в цепях будут приблизительно равны: I01= 0,73 А, I02=0,79 А и I03= 1,55 А.
Последовательность оценки.
1) Определяют параметры цепи с учетом коэффициента искробезопасности, например 1,5. Измененная цепь будет иметь параметры: ток в цепи Iu= 1,5× (U/R), напряжение U = 24 В. Для рассматриваемых цепей (сопротивления цепей R1, R2и R3) токи в измененных цепях будут: Iu1»1,10 А, Iu2»1,19 А и Iu3»2,32 А.
2) Определяют энергию разряда и его длительность при размыкании контактов цепи с различными скоростями. Применительно к рассматриваемой цепи можно получить аналитические выражения для определения искомых параметров разряда. Для более сложных цепей расчеты, как правило, ведут с использованием численных методов решения. С учетом выражения (A.1) имеем следующие расчетные формулы:
