коммутационными электрическими разрядами

Лекция 1

Основные сведения о взрывоопасных факторах в условиях предприятий со взрывоопасной средой

 

Факторы, влияющие на воспламенение газовой смеси.

Для подавляющего большинства пластов угольных шахт, как известно, характерно выделение метана, который в смеси с возду­хом представляет собой опасную взрывчатую смесь, легко вос­пламеняемую электрической искрой, дугой или накаленным про­водником. При переходе к разработке на глубокие рабочие гори­зонты приходится считаться с появлением в атмосфере более легко воспламеняющихся смесей с воздухом — этана, пропана, бутана.

В калийных шахтах часто встречается смесь метана и водорода с воздухом, в озокеритовых и серных шахтах — смесь сероводо­рода и водорода и т. п. Наконец, значительное количество взрыв­чатой угольной пыли является неизбежным результатом процесса добычи угля в шахтах.

Для воспламенения метано-воздушной смеси необходимо, во- первых, появление высокотемпературного источника (искры, дуги, накаленного тела), соответствующего точке воспламенения газо­вой смеси, во-вторых, наличие определенного количества метана и поддерживающего горение кислорода, то есть опасной концентра­ции смеси.

Температура воспламенения метано-воздушной смеси не яв­ляется строго постоянной величиной и изменяется в довольно ши­роких пределах (от 650 до 750° С) в зависимости от большого ко­личества факторов (энергии источника воспламенения, длитель­ности воздействующего импульса, окружающей температуры, на­чального давления и др.). Так, например, температура воспламе­нения метано-воздушной смеси при длительности воздействия 0,5 с равна 740° С, а при 15 с — 675° С. При увеличении начального давления от 1 до 7 кгс/см^а температура воспламенения снижается от 728 до 644° С.

Газо-пыле-воздушная смесь приобретает свойства взрываемости лишь при определенной концентрации горючих газов и пыли в воздухе, которая выражается в объемных процентах или в грам­мах на 1 м³ воздуха.

При избытке воздуха в горючей смеси выше некоторого предела смесь не взрывается — нижний предел взрывоопасной концентра­ции. При избытке в смеси горючего газа выше некоторого предела смесь также не воспламеняется — верхний предел взрывоопасной концентрации.

Для метана при нормальпом атмосферном давлении нижний предел концентрации равен 5%, верхний — 15%; для водорода соответственно 4 и 74%. Нижний предел взрывоопасной концен­трации угольной пыли — 15 г/м³.

В промежутке между пределами взрывания имеются оптималь­ные концентрации, при которых взрывное давление достигает наи­большей величины, либо смесь наиболее легко взрывается.

В свою очередь, оптимальная концентрация одной и той же горючей смеси не одинакова при различных источниках зажига­ния. Так, например, метано-воздушная смесь наиболее легко вос­пламеняется электрическими искрами при концентрации около 8,5%, нитями накаливания - при концентрации 9,8%, фрикцион­ными искрами (искры трения) - при концентрации 6,4—7,4%. Наибольшее давление взрыва в случае поджигания метано­ воздушной смеси электрической искрой возникает при концен­трации смеси 9—10% [1].

Для водорода оптимальная концентрация равна 20%.

При введении газоопасной смеси в среду, нагретую до ее тем­пературы воспламенения, взрыв происходит не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Промежуток между моментом появления по взрывоопасной среде источника зажигания и момен­том возникновения взрыва называется временем запаздывания. Время запаздывания характеризует чувствительность взрыво­опасной смеси, которая тем больше, чем меньше время запаздыва­ния. Применение электрической энергии в шахтах, опасных по газу, требует особого исполнения аппаратуры, исключающего вос­пламенение взрывоопасной среды от электрической искры или дуги, возникающих как в нормальных режимах при коммутации цепей, так и в аварийных режимах.

Искробезопасное исполнение обеспечивает наиболее полную безопасность применения электрической энергии во взрывоопас­ных средах. Кроме того, такое исполнение по сравнению с другими взрывозащищенными исполнениями позволяет значительно сни­зить стоимость, вес и габариты аппаратуры. В маломощных цепях очень часто эти факторы являются определяющими при выборе средств взрывозащиты. Поэтому в шахтной аппаратуре управле­ния, автоматизации и связи искробезопасное исполнение находит все более широкое применение.

Физические процессы воспламенения газовой смеси

коммутационными электрическими разрядами

К настоящему времени достаточно хорошо разработана теория воспламенения газовой смеси от высокотемпературного точечного источника тепла. Согласно этой теории газовая смесь воспла­менится втом случае, если этот источник тепла в состоянии нагреть до температуры воспламенения некоторый, вполне определенный объем газа.

Для нагрева такого объема газа до необходимой температуры требуется определенное количество энергии, которое называют минимальной энергией воспламенения. Величина этой энергии определялась экспериментально многими исследователями и для водородо-воздушной и метано-воздушной среды соответственно принята равной 0,019 и 0,28 мДж.

Однако определение минимальной энергии воспламенения не решает задачи о том, воспламенится ли газовая смесь от электри­ческого разряда, возникающего при коммутации цепи, если энер­гия, выделяемая в разряде, даже превышает минимальную энер­гию воспламенения.

Условия зажигания газовой смеси искровым или дуговым раз­рядом зависят от многочисленных факторов, из которых главней­шими являются: 1) энергия зажигания и определяющие ее пара­метры электрической цепи (напряжение, ток, вид цепи — активная индуктивная, емкостная); 2) размер, материал и форма контак­тов, между которыми возникает разряд; 3) расстояние между кон­тактами и скорость их размыкания и др.

При повышении напряжения величина тока, способного воспла­менить газовую смесь, при прочих равных условиях уменьшается. Так, например, если при напряжении 25 В потребный для воспла­менения метано-воздушной смеси минимальный ток составлял 1,18 А, то при напряжении 140 В в тех же условиях для воспламе­нения достаточен ток 0,12 А.

Повышение частоты тока при постоянной величине индуктив­ности благоприятно влияет на уменьшение воспламеняющей спо­собности тока при частотах от 4 до 200 кГц. При дальнейшем по­вышении частоты воспламеняющая способность тока снова увели­чивается, достигая уровня постоянного тока, и при высоких ча­стотах может увеличиваться и быть выше, чем у постоянного тока [2].

Большое влияние на воспламеняющую способность электриче­ской искры оказывает величина индуктивности цепи. С увеличе­нием индуктивности цепи величина воспламеняющего тока заметно уменьшается, что объясняется увеличением энергии, рассеиваемой в искре за счет запасенной в индуктивности энергии магнитного поля.

Опытами установлено, что величина воспламеняющего тока тем меньше, чем ниже температура плавления металла контактов, чем меньше площадь контакта в момент размыкания и чем больше, до определенной величины, скорость размыкания.

При замыкании или размыкании цепи электрический разряд возникает в непосредственной близости от контактов. При этом контакты не только поглощают часть энергии разряда, но и, нахо­дясь в зоне формирования элементарного объема воспламенения, рассеивают часть энергии, выделяемой в результате химической реакции. Поэтому для воспламенения газовой смеси разрядами, возникающими при коммутации цепей, в разряде должна выде­ляться энергия, заметно превышающая минимальную энергию воспламенения. Экспериментальные данные подтверждают, что с уменьшением расстояния между контактами для воспламенения газовой смеси необходимо большее количество энергии.

Так, согласно данным Льюиса и Эльбе, а также согласно результатам исследований, проведенных в ВостНИИ под руковод­ством В. С. Комарова, величина энергии, необходимая для вос­пламенения метано-воздушной среды, увеличивается примерно на порядок с уменьшением расстояния между контактами от 2 до 0,5 мм.

Увеличение скорости движения контактов при размыкании цепи приводит к уменьшению энергии, необходимой для воспла­менения газовой среды, так как быстрее увеличивается расстояние между контактами. Кроме того, с увеличением скорости размыкания цепи увеличивается э. д. с. самоиндукции что облегчает условия воспламенения. Однако из этого не следует, что вероятность воспламенения газовой смеси будет всегда увели­чиваться с увеличением скорости движения контактов.

При размыкании контактов в цепи возникают переходные про­цессы, в результате которых на контактах появляется напряжение.

Так как расстояние между контактами может быть как угодно малым, это напряжение создает значительную напряженность поля в межконтактном промежутке. Напряженность поля, обеспе­чивающая возникновение разряда между контактами, составляет величину порядка 10⁷—10⁸ В/м. Изменение величины напряжен­ности поля в межконтактном промежутке определяется скоростью изменения напряжения, приложенного к контактам, и скоростью движения самих контактов.

Скорость изменения напряжения на контактах, а также вели­чина максимального напряжения на них зависят от параметров электрической цепи. Известно, что при разрыве индуктивной цепи возникают перенапряжения, которые могут значительно пре­высить э. д. с. источника. Величину перенапряжения, а в ряде случаев и скорость увеличения напряжения, ограничивают с по­мощью искрогасящих шунтов.

Если параметры электрической цепи не обеспечивают в начале размыкания напряженность поля, необходимую для возникнове­ния разряда, а скорость движения контактов настолько велика, что увеличение расстояния между контактами происходит быстрее, чем увеличение напряжения на них во время переходного процесса в цепи, то электрического разряда между контактами не возни­кает.

В случае возникновения разряда его длительность определя­ется временем существования напряженности поля, при которой энергия, выделяемая в разряде, поддерживает необходимую сте­пень ионизации газа в электрическом разряде.

В электрическом разряде может иметь место как ударная, так и тепловая ионизация молекул газа. В [1,3] приведена зависимость напряжения на контактах от времени, характера ионизационных процессов, напряжения зажигания разряда, тока разряда, ско­рости движения контактов, обеспечивающего в межконтактном промежутке напряженность поля, достаточную для ионизации мо­лекул газа и сохранения устойчивого электрического разряда,

 

(1.1)

где U _р — напряжение на разряде, В; U₀ — напряжение зажига­ния разряда, В; а и b — соответственно коэффициенты, характе­ризующие степень ударной (В/м) п тепловой (Вт/м) ионизации; v — скорость движения контактов; I_р — ток разряда.

а)

Е=20 В, I=0,08 A. Масштабы: m_t =0.5 мкс /дел., m_u =5,6 В/ дел.

 

б)

E=50 B, I=0,29 A. Масштабы: m_t =10мкс/дел., m_I =0,115 A/дел., m_u=12,5 B/дел.

 

 

в)

Е=200 В, I=0,09A. Масштабы: m_t =25 мкс/дел., m_I =0,03 А/дел., m_u =65 В/дел.

Рис. 1.1. Осциллограммы напряжений и токов разрядов размыкания безиндуктивной (омической) цепи постоянного тока. Верхняя линия-ток, нижняя-напряжение (б), (в).

 

На рис. 1.1. представлены осциллограммы токов и напряжений некоторых разрядов, возникающих при размыкании цепей с питающими напряжениями до 200 В включительно.

Так как разряд в начальной стадии в основном обусловлен тепловыми процессами, то при низких напряжениях он прекращает свое существование через 1.5-2 мкс. Осциллограмма на рис. 1.1, а) типична для разрядов размыкания омических цепей низкого напряжения (Е=20 В, коммутируемый ток 80 мА). Разряд существует всего 2 мкс только за счет тепловой ионизации молекул газа в начале размыкания (после взрыва мостика). Начальное напряжение на разряде U₀ составляет примерно 11,5 В. На рис. 1.1, б) представлена осциллограмма тока и напряжения на разряде с параметрами Е=50 В, I=290 mA. Длительность разряда составляет 66 мА. В начальной стадии ток резко падает до 233 мА, а затем убывает почти по линейному закону до 133мА при 48 мкс и в последующем нелинейно уменьшается до 0.

Аналогично возникает и развивается разряд, показанный на рис. 1.1, в). Осциллограмма описывает размыкание цепи с параметрами Е=200 В, I=90 mA. Пробои на таких разрядах отсутствуют, и с увеличеним напряженя длительность разрядов увеличивается, причем более резкое возрастание наблюдается в диапазоне напряжений до 50 В. Длительность разряда составляет 125 мкс. В то же время при осциллографировании цепи с напряжением 100 в и током 180 мА длительность разряда составляла в отдельных случаях 100-110 мкс. В диапазоне напряжений от 100 до 200 В длительности разрядов при при одинаковой мощности примерно равны, и поэтому искробезопасная мощность уменьшается незначительно (кривые 1, 2 на рис. 3.1).

Сравнительно небольшое влияние напряжения на длительность разряда в указанном диапазоне можно объяснить тем, что уменьшение тока приводит к значительному уменьшению влияния тепловой ионизации, а величина напряжения при реальных скоростях искрообразующего механизма еще не обеспечивает в достаточной степени ударную ионизацию. С увеличением напряжения степень ударной ионизации возрастает, и длительность разрядов увеличивается.

Так как цепь с определенными параметрами может обеспечить на контактах (разряде) конечное максимальное напряжение Uр, то, как следует из (1.1), увеличение тока разряда приводит к уве­личению длительности разряда, а увеличение скорости движения контактов — к уменьшению длительности разряда, а следова­тельно, и выделяемой в разряде энергии. При определенной ско­рости эта энергия может быть даже меньше минимальной энергии воспламенения.

Таким образом, как чрезмерное увеличение, так и уменьшение скорости движения контактов затрудняет воспламенение газо­вой смеси. Задачи определения скорости, наиболее благоприятной для воспламенения газовой смеси и установления ее зависимости от параметров цепи, до настоящего времени не решены. Кроме того, недостаточно исследовано влияние материала и формы кон­тактов как на возникновение и развитие разряда, так и на форми­рование минимального ядра пламени.

Сложность этих процессов затрудняет разработку теории, по­зволяющей аналитически оценивать искробезопасность цепей. По­этому до настоящего времени вопросы искробезопасности, не­смотря на значительные успехи в решении практических задач по оценке и обеспечению искробезопасности, базируются в основ­ном на экспериментальных исследованиях.

Литература:

1. Озерной М. И. Электрооборудование и электроснабжение подземных выработок угольных шахт. М., «Недра», 1975.

2. Гаврильченко Л. И. Исследование параметров и разработка технических требований и норм на проектирование искробезопасных систем электрического взрывания. – В кн.: «Научно-исследовательские работы МакНИИ. М., Госгортехиздат, 1961.

3. Коган Э. Г. Способы и средства обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования. – М.: Недра,1988.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: