Спосіб розрахункової оцінки іскробезпечності електричних кіл рудничного устаткування

Спосіб розрахункової оцінки іскробезпечності електричних кіл рудничного устаткування, що включає математичне моделювання параметрів дугового розряду розмикання й теплового вибуху та оцінку запалюючої здатності метаноповітряної суміші, який відрізняється тим, що розраховують 3 енергії й часу перехідного процесу, що ініціюються розрядом; - програма, заснована на зазначених математичних моделях слабкострумового розряду, задовольняє точності розрахунку тільки для омічних кіл з повільними швидкостями розмикання. Дослідження кіл з індуктивними елементами показали, що в цьому випадку не досягається необхідна точність обчислення тривалості розряду Т і його електричної енергії W, тому що не враховуються зміни електричних і теплових властивостей розряду в динамічних режимах, що істотно знижує галузь застосування способу; - оцінка за експериментальними графіками залежностей Wmin=f(T, i) не дає вичерпної інформації про процеси формування теплового вибуху з урахуванням впливу всіх факторів іскроутворення (теплові й масопереносівні параметри метаноповітряної суміші, характеристики тестового іскрового апарата, параметри електродів, напруга й частота джерела живлення, форма й характер слабкострумового розряду). В основу нового способу розрахункової оцінки іскробезпечності електричних кіл рудничного електроустаткування поставлене завдання підвищення точності визначення небезпеки іскріння при розмиканні контактів електричного кола складної конфігурації в атмосфері вибухонебезпечної метаноповітряної суміші за рахунок удосконалення моделі розрахунку параметрів слабкострумового розряду в електричних колах вибухозахищеного електроустаткування. Крім цього спосіб забезпечує зменшення обсягу трудомістких випробувань при експериментальній оцінці іскробезпечності, особливо на стадії проектування й пошуку оптимальних схемних рішень. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що запропонований спосіб розрахункової оцінки іскробезпечності електричних кіл рудничного устаткування, заснований на математичному моделюванні параметрів дугового розряду розмикання й теплового вибуху та оцінці запалюючої здатності метаноповітряної суміші, згідно корисної моделі розраховують значення теплової постійної часу дуги й потужності, що відводиться від неї Рд, залежно від струму й напруги перехідного процесу та враховують ці зміни при визначенні енергії електричного розряду й часу його існування, а також кількісно оцінюють розвиток температурного поля теплового вибуху, при цьому визначення температури вибухонебезпечної метаноповітряної суміші здійснюють на основі рішення рівнянь її теплопровідності, дифузії й екзотермічної хімічної реакції окислювання, і при значеннях температурного фронту полум'я, рівного температурі горіння метаноповітряної суміші 2000К, роблять висновок про факт небезпеки іскріння електричного кола. Структура математичної моделі (Фіг.1), що реалізує даний спосіб, містить джерело 1 електричної енергії з лінійною, трапецієподібною або прямокутною вольт-амперною характеристикою на виході, реактивне електричне коло 2 з довільним з'єднанням входячих до нього елементів, блок 3 дугового розряду, що враховує динамічну зміну теплової постійної часу дугового розряду й поту 55718 4 жності, що відводиться від розряду, залежно від струму й напруги комутаційного процесу, конвертор 4 з електричної моделі в теплову, блок 5 результатів розрахунку температурного фронту полум'я, рівного температурі горіння метаноповітряної суміші 2000К, накопичувачі 6 й 7 інформації, що дозволяють застосувати графічні засоби для виводу результатів або збереження й документування звітів. Для розрахунків у блоках 3 й 4 використовується база теплофізичних властивостей газових сумішей 8 у заданих умовах роботи електроустаткування й база дизайну іскроутворювального механізму 9, що враховує швидкість і характер розходження контактів, розміри й матеріал контактів. Програма, що реалізує запропонований спосіб, функціонує таким чином. У нормальному режимі роботи під дією джерела 1 в електричному колі 2 розраховується сталий режим, який характеризується заданим струмом іскроутворювального апарата I і напругою робочих елементів U. На Фіг.2 представлена графічна залежність теплової постійної часу дугового розряду від струму I. При комутації однієї з гілок електричного кола, у якій встановлено блок 3 дугового розмикання із заданими параметрами, прораховуються виділення енергії розряду W і час його існування Т, а також залежність миттєвої зміни ефективної електричної потужності дуги P(t) від часу t. Модель розряду представлена передатковою функцією у вигляді математичного запису рівняння Майра, а теплова постійна часу дуги коректується зворотним зв'язком за струмом в блоці 3 згідно Фіг.2. Отримані параметри розряду передаються в теплову модель блока 4. У ньому вирішується система диференціальних рівнянь у частинних похідних, що визначає розвиток теплового вибуху (наявність або відсутність температурного фронту полум'я горіння) з урахуванням явищ теплопровідності й дифузії, а також екзотермічної хімічної реакції окислювання метаноповітряної суміші. Швидкість розмикання контактів кола, початкова провідність дуги, момент початку розмикання кола визначаються користувачем у діалоговому вікні. На Фіг.3 представлена електрична схеми аварійного відключення при перевищенні температури, що розраховується як приклад використання запропонованого способу й математичної моделі. Схема складається із трифазного випрямляча 10 (розрахункова напруга 116В, активний опір 50Ом), резистора 11 фільтра опором 1000Ом, обмежувального резистора 12, які перебувають у невибухонебезпечній зоні. У вибухонебезпечній зоні розміщена котушка 13 реле сигналізації (індуктивність 1Гн, активний опір 2000Ом), контакти 14 температурного реле (на Фіг.3 не показано) і виводи а-б. У розглянутій схемі іскробезпечними повинні бути: виводи а-б, зовнішній ланцюг (реле 13, контакти 14 температурного реле). Запалення викликає: електричний розряд при комутації контактів температурного реле - нормальний режим; коротке замикання в точках а-б, обрив проводів (аналогічно розряду на реле) - аварійний режим. 5 На Фіг.4 показаний просторовий стан ізоліній температурного фронту полум'я горіння метаноповітряної суміші. Сила мінімального запалюючого струму в нормальному режимі визначається з урахуванням додаткового обмежувального резистору 12, що відповідно до результатів розрахунку повинен бути не нижче за R12=1600Ом. При цьому одержали розрахунковим шляхом: середня потужність дугового розряду Рср=3,06Вт, струм гілки з розрядом Iи=0,035А, час існування розряду Т=167мкс. Залишкова напруга на котушці 13 становить 62В, тобто уставка реле повинна відповідати цьому значенню. У випадку, якщо умова, що стосується до опору 12, не буде виконана спостерігається температурний фронт полум'я, що дозволяє зробити висновок про виникнення вибуху метаноповітряної суміші (Фіг.4). В аварійному режимі реле 55718 6 зашунтоване короткозамкненим колом й опір визначається резістивними елементами схеми. Таким чином, при R12=1600Ом одержимо: середня потужність дугового розряду Рср=1,21Вт, струм гілки з розрядом Iи=0,067А, час існування розряду Т=57,7мкс. Розрахунок температурного поля показує відсутність фронту полум'я. Отже, розглянута схема зберігає іскробезпечність у всіх режимах. Запропонований метод розрахункової оцінки іскробезпечності при розмиканні електричного кола складної конфігурації при наявності електронних блоків іскрозахисту дозволяє одержати високу для практики точність у широкому діапазоні параметрів кіл і знизити тривалість і трудомісткість випробувань виробів і макетів у вибухових камерах. 7 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 55718 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601