4.2. Краткие основы искробезопасности

Наряду с известными методами защиты от взрывов искробе-зопасное исполнение электрооборудования обеспечивает безопас­ность всей электрической системы (аппаратов, кабелей) как в нормальном, так и в аварийном режиме работы. Основное отличие искробезопасного исполнения от других способов обес­печения безопасности электроэнергии в том, что искробезопас-ность исключает возможность возникновения взрыва. Благодаря этому расширяется область применения искробезопасного элек­трооборудования: оно может применяться без каких-либо огра­ничений в загазованных подземных выработках.

Искробезопасной электрической системой называют ком­плекс электрооборудования и электрических устройств, состоя­щий только из искробезопасных цепей. Искробезопасной счита­ется такая цепь, в которой искрения в виде коммутационных разрядов замыкания или размыкания, а также нагрев элемен­тов цепи не способны воспламенить наиболее легко воспламе­няющуюся взрывчатую смесь.

Теория поджигания смесей разрядами коммутируемых элек­трических цепей основана на тепловом механизме поджигания. Наиболее полно теория поджигания такими разрядами разра­ботана советскими специалистами (работы ИГД им. А. А. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ВНИИВЭ и др.). Основным мо­ментом этой теории является нахождение связи между парамет­рами электрической цепи и воспламеняющей способностью электрических разрядов, возникающих при ее коммутации. Эта связь определяется целым рядом факторов: переходным процес­сом в цепи, возникшим разрядом, процессом нагревания смеси до необходимой температуры и распространения пламени в ок­ружающей смеси. Все эти явления связаны настолько сложными функциональными зависимостями, что не удается полу­чить уравнения, полностью описывающие весь процесс поджи­гания даже применительно к простейшим цепям [20]. Поэтому зависимости между параметрами электрических цепей, усло­виями коммутации и условиями поджигания смесей устанавли­ваются экспериментальным путем с помощью искрообразующих механизмов.

Воспламеняющие ток I_в, напряжение U_B, мощность Р_В или энергия E_В — это минимальные ток, напряжение, мощность или энергия электрической цепи, при которых коммутация ее с по­мощью искрообразующего механизма вызывает воспламенение взрывоопасной смеси с вероятностью 10^-3. Под вероятностью воспламенения понимают отношение количества воспламенений смеси к общему количеству образовавшихся разрядов, т. е. к ко­личеству произведенных искрений. Для расчета вероятности следует провести столько опытов, чтобы было получено не ме­нее 16 воспламенений смеси.

Обычно при испытании в каждом режиме производится не менее 16000 искрений. Электрическая цепь признается искро-безопасной, если средняя частота взрывов равна или меньше одного на 1000 искрений, т. е. вероятность возникновения взры­вов в камере не должна превышать 10^-3. Искробезопасные ток I_И, напряжение U _B, мощность P_И или энергия Е_И— наибольшие ток, напряжение, мощность или энергия электрической цепи, разряды в которой не вызывают воспламенение взрывоопасной смеси в предписанных условиях испытаний цепи.

Коэффициент искробезопасности k_И— это отношение мини­мальных воспламеняющих параметров цепи /_в, U_В, Р_В или Е_В к соответствующим искробезопасным:

Характеристики искрооезопасности — это зависимости ми­нимальных воспламеняющих или искробезопасных тока, напря­жения, мощности или энергии от остальных параметров элек­трической цепи.

В искробезопасных электрических цепях наиболее харак­терными являются два вида разряда: дуговой и искровой. Дуго­вой разряд возникает в момент размыкания контактов искрообразующего механизма и существует десятки, сотни микро­секунд. Искровой разряд, как правило, возникает при пробое разрядного промежутка при сближении электродов, весь про­цесс разряда занимает 10^-8-10^-9 с.

На вид возникающего разряда основное влияние оказы­вают параметры электрической цепи: ток, напряжение, индук­тивность и емкость. Поэтому в практике искробезопасности все цепи условно разделены на омические (безреактивные), индук­тивные, емкостные.

К омическим цепям относятся цепи, не содержащие сосредо­точенной емкости, при индуктивности всей цепи, включая соеди­нительные провода, не превышающей 1 мГ. В них наиболее опасными являются дуговые разряды размыкания, энергия ко­торых определяется энергией источника питания. Воспламеняю­щая способность электрических разрядов в омической цепи за­висит от силы тока в цепи и э. д. с. источника. Разряд носит апериодический характер.

К индуктивным цепям относятся цепи с индуктивностью, большей 1 мГ, и не содержащие сосредоточенной емкости. В них наиболее опасны разряды размыкания. Воспламеняющая спо­собность электрических разрядов зависит от силы тока в цепи, э. д. с. источника и индуктивности. Характер разряда может быть различным: от дугового (апериодического) до многопро­бойного, все зависит от соотношения параметров цепи.

К емкостным цепям относятся цепи с большими сосредото­ченными емкостями. Наибольшую опасность в них представ­ляют разряды замыкания, которые при достаточно высоком на­пряжении носят характер искрового разряда. Воспламеняющая способность таких разрядов зависит от напряжения на емкости, величины емкости и сопротивления, реже — индуктивности, раз­рядного контура.

Явление поджигания электрическими разрядами носит веро­ятностный характер, поэтому для получения сравнимых резуль­татов экспериментальных исследований используется статисти­ческий метод их обработки. При сравнении основных воспламе­няющих параметров цепей их приводят к одной вероятности воспламенения. Зависимость вероятности воспламенения от вос­пламеняющих параметров (тока в омической и индуктивной цепи, напряжения в емкостной цепи) в логарифмическом мас­штабе имеет вид прямой линии.

Сила тока при любой вероятности воспламенения

где I₁ .p₁ — известные сила тока и соответствующая ему вероят­ность воспламенения; I_n .p _n — искомые величины силы тока и вероятности воспламенения; α — угол наклона вероятностной прямой к оси абсцисс, градус;

Между вероятностью воспламенения р и коэффициентом k_и есть взаимосвязь: чем больше коэффициент K_и, тем меньше р. Например, значению k_и=1,5 соответствует р=10^-6, значению k_и = 2,0-р=10^-8.

Обобщенный критерий искробезопасности может быть пред­ставлен в виде

где U(t), I(t)—функции напряжения и тока; Е_к, Е_э — тепло­вые и электрические потери [5, 6] за время разряда τ_кр; τ_кр — критическое время зажигания (для метано-воздушной смеси τ_кр=110 мкс); E_min— абсолютный минимум энергии зажигания взрывчатой смеси за время τ_кр. Наряду с экспериментальным методом оценки искробезопас­ности, основные условия которого упомянуты выше (искрообра-зующий механизм, число искрений не менее 16000 и др.), есть бескамерные методы оценки, которые основываются на расчет­ных формулах определения критериальных параметров, напри­мер минимальной энергии зажигания, минимального воспламе­няющего тока (МВТ) и т. д. Анализ, проведенный в этой обла­сти, показывает, что решение задачи бескамерной оценки цепей связано с обоснованием модели разряда, что, в свою очередь, представляет немалую сложность. Аналитические решения дают сходимость с результатами эксперимента либо в ограниченной области (метод замены сложных индуктивных цепей эквивален­том в виде безреактивной цепи, метод моделирования разряда стабилитроном), либо при подборе соответствующих граничных значений энергии воспламенения (расчетно-экспериментальный метод).

Для бескамерной оценки предложен технический критерий искробезопасности

где Е' — энергия, учитывающая теплопотери в контактах.

Основу технического критерия искробезопасности состав­ляют характеристики I—L—Е. Критерий не является строго по­стоянным и зависит от параметров цепи и уровня потерь на искрообразующих контактах.

Таким образом, сложность явлений, происходящих при поджигании взрывчатых смесей, пока не позволяет оперировать достаточно точными аналитическими выражениями для рас­чета искробезопасных параметров цепей. Однако ясно, что для обеспечения искробезопасности необходимо ограничивать ток и напряжение в цепи; принудительно сокращать длительность разряда; снижать действующую индуктивность и емкость цепи, применяя эффективные способы шунтирования [20]; заменять там, где это целесообразно, постоянный ток переменным. В ко­нечном итоге меры по обеспечению искробезопасности дол­жны быть направлены на уменьшение энергии и длительности разрядов. Поскольку токи и напряжения в искробезопасных цепях незначительны, по сравнению с параметрами силовых цепей, в электрооборудовании должна быть исключена возможность попадания опасных токов в искробезопасные цепи. Это реша­ется целым рядом конструктивных мер, в частности примене­нием специальных искрозащитных элементов или целых уст­ройств (ограничители тока и напряжения, шунтирующие и раз­делительные элементы, блоки искрозащиты на стабилитронах и т. д.).