Разработка метода оценки и способов обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования

На правах рукописи

ТОЛЧЁНКИН Роман Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ И СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ РУДНИЧНЫХ ПЕРЕНОСНЫХ ПРИБОРОВ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.26.01 – «Охрана труда

(горная промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН, отдел проблем горной аэрогазопылединамики и безопасности освоения недр

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор ЕРЫГИН Александр Тимофеевич
Официальные оппоненты: Ведущее предприятие:	доктор технических наук, профессор ЛЯХОМСКИЙ Александр Валентинович кандидат технических наук ФАЕРШТЕЙН Леонид Борисович Негосударственный фонд «Межотраслевой орган сертификации «Сертиум» (орган по сертификации взрывозащищенного и рудничного электрооборудования)

Защита состоится «___10__» ____июня______2009 г. в _10-30__ часов на заседании диссертационного совета Д 002.074.02 в Учреждении Российской академии наук - Институте проблем комплексного освоения недр РАН (УРАН ИПКОН РАН) по адресу: 111020, Москва, Крюковский тупик, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УРАН ИПКОН РАН.

Автореферат разослан «_8__» _____мая_______2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Милетенко И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные рудничные переносные приборы и электрооборудование существенно уступают по своим технико-экономическим показателям (габариты, вес, стоимость) аналогичным приборам и электрооборудованию в общепромышленном исполнении. Это связано с тем, что обеспечение взрывозащиты существенно усложняет их конструкцию, что сказывается на технико-экономических показателях рудничных переносных приборов и электрооборудовании. Прогрессивный вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» также не решают полностью эту задачу. Для максимального приближения конструкции рудничных переносных приборов и электрооборудования к общепромышленному исполнению требуется разработать более совершенные методы оценки и обеспечения искробезопасности в сравнении с действующими в мировой практике.

В переносных приборах и электрооборудовании используются автономные источники питания, в качестве которых применяются химические источники тока – аккумуляторы и сухие элементы. Параметры их характеризуются малым напряжением и индуктивностью и большими значениями размыкаемых токов. Воспламеняющая способность электрических разрядов при коммутации этих цепей до настоящего времени не изучена ни в России, ни за рубежом, что не позволяет рационально выбирать параметры рудничных переносных приборов и электрооборудования. Отсутствие исходных данных, позволяющих оценивать на искробезопасность химические источники тока в режиме короткого замыкания и совместно с индуктивными и емкостными нагрузками, не позволяет повысить технико-экономические показатели рудничных переносных приборов и электрооборудования.

При этом для эффективного обеспечения искробезопасности переносных приборов и электрооборудования необходимо установить характер электрической цепи (омическая или индуктивная) – химического источника тока и установить области параметров электрических цепей, где химический источник тока является омической, а где индуктивной цепью. Для оценки искробезопасности химического источника тока необходимо измерять его параметры: э.д.с., ток короткого замыкания и индуктивность. Первые два параметра измеряются известными методами. Задача измерения индуктивности химических источников тока до настоящего времени не решена. Требуется разработать способ и конструкцию прибора для определения индуктивности химического источника тока.

Кроме того, в настоящее время существует необходимость в методике оценки и обеспечения искробезопасности на основе новых научных и практических результатов, обеспечивающей доступность оценки искробезопасности разработчиками рудничных переносных приборов и электрооборудования и позволяющая создавать их с более высокими технико-экономическими показателями (уменьшить вес, габариты, стоимость).

Цель работы. Установление исходных данных для разработки метода оценки и способов обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования, позволяющих повысить их технико-экономические показатели.

Идея работы заключается в получении новых знаний о воспламеняющей способности электрических разрядов, возникающих при коммутации электрических цепей рудничных переносных приборов и электрооборудования, служащих для оценки и обеспечения их искробезопасности.

Методы исследования. В работе теоретически проанализированы переходные процессы электрической цепи химического источника тока и установлены основные параметры искробезопасности химических источников тока. С помощью экспериментов установлены новые исходные данные для оценки искробезопасности рудничных переносных приборов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Зависимости минимального воспламеняющего тока от э.д.с. и индуктивности химического источника тока для активизированной испытательной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности, служащие для оценки искробезопасности химических источников тока в режиме короткого замыкания и совместно с линией связи и индуктивными нагрузками рудничных переносных приборов и электрооборудования.

2. Зависимости минимального воспламеняющего напряжения химического источника тока от значения сопротивления и параметров емкостной цепи для испытательной активизированной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности, служащие для оценки искробезопасности химических источников тока совместно емкостными нагрузками рудничных переносных приборов и электрооборудования.

3. Значения минимального напряжения зажигания дугового электрического разряда для материалов контактов, используемых для обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования.

4. Закономерность, связывающая между собой параметры химического источника тока, емкость конденсатора, включенного параллельно его выходу, и максимальное напряжение на конденсаторе, возникающее при колебательном режиме размыкания данной электрической цепи без электрического разряда. Установленная закономерность используется для разработки способа и устройства для измерения индуктивности химического источника тока.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами анализа большого объема статистического материала, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований при использовании стандартизированной методики экспериментальных исследований по установлению минимальных воспламеняющих параметров электрических разрядов, которая обеспечивает погрешность в их определении на уровне 10%, при доверительной вероятности не менее 95 %.

Научная новизна результатов, полученных в работе, заключается в том, что в работе впервые установлены:

- характеристики искробезопасности Iв = f(L, E) и Uв = f(С, R1, R2), служащее для оценки и обеспечения искробезопасности электрических цепей рудничных переносных приборов и электрооборудования;

- значения минимального напряжения зажигания дуги для различных материалов контактов, используемых для обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования;

- области параметров электрических цепей, где химический источник тока в режиме короткого замыкания является индуктивной или омической цепью;

- закономерность, связывающая между собой параметры химического источника тока, емкость конденсатора, включенного параллельно его выходу, и максимальное напряжение на конденсаторе, возникающее при коммутации цепи химического источника тока, являющуюся научным базисом разработки прибора для измерения индуктивности химического источника тока.

Практическая ценность работы состоит в том, что новые научные знания и разработанная на их базе методика оценки и обеспечения искробезопасности переносных приборов и электрооборудования позволяет:

- производить оценку искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования на стадии разработки и определять их рациональные параметры;

- предложить эффективные методы обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования, позволяющие повысить их технико-экономические показатели;

- разработать прибор для измерения индуктивности химических источников тока, обеспечивающий электроизмерительную оценку их искробезопасности.

Основные технические решения в работе защищены патентом Российской Федерации «Способ обеспечения искробезопасности переносных приборов» (патент № RU 2336417 C1), и подана заявка на предполагаемое изобретение «Устройство для измерения индуктивности химических источников тока» (заявка на получение патента Российской Федерации от 17.09.2008 г. №2008137228).

Реализация выводов и рекомендаций.

Результаты исследований использованы:

- при анализе причин аварийности горношахтного оборудования и составлении статистических сборников о состоянии охраны труда и промышленной безопасности на предприятиях угольной промышленности Федеральным агентством по энергетике;

- при испытаниях электрооборудования на искробезопасность в сертификационном центре МОС «Сертиум».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку в Федеральном агентстве по энергетике (Росэнерго) в 2008 году на научной конференции по итогам конкурса научно-технических разработок среди молодёжи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса «ТЭК-2007» ; на научных симпозиумах «Неделя горняка» МГГУ в 2006, 2007 и в 2008 г.г.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК-3.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 217 страниц машинописного текста, в том числе 44 страницы приложения, 52 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 117 наименований.

Основное содержание работы

В первой главе представлен анализ современных методов оценки искробезопасности электрических цепей.

Большой вклад в изучение воспламеняющей способности электрического разряда, влияния на неё различных факторов, разработку методов оценки опасности электрического искрения и определения минимальных воспламеняющих параметров электрических цепей и разрядов внесли работы П.П. Пироцкого, В.С. Кравченко, В.И. Серова, П.Ф. Ковалева, А.Т. Ерыгина, А.Л. Трембицкого, В.Н. Веревкина, Ю.Н. Камынина, А.Н. Шатило, В.А. Бондаря, А.Е. Погорельского, А.И. Султановича, В.С. Комарова, М.А. Васнева, Б.А. Петренко, В.Б. Неймана, Э.Г. Когана, В.П. Яковлева, В.В. Давыдова, Л.Б. Фаерштейна, Б.В. Чернова, В.П. Виноградова, А.С. Залогина, К.К. Светта, В. Иоста, Д.В. Уингинтона, Р. Гордона, Г. Фогта, Ф. Шебсдата и других исследователей. В то же время анализ этих работ показал, что вопросы, связанные с определением минимальных воспламеняющих параметров электрического разряда в электрических цепях с малыми значениями э.д.с. источников питания и индуктивности и больших размыкаемых токов, не нашли своего решения.

Подробно рассмотрены способы и средства обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов. Установлено, что на данный момент не существует электроизмерительного метода, который позволял бы оценивать химические источники тока на искробезопасность по разрядам размыкания. Обоснована актуальность разработки нового метода оценки и обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов, позволяющего осуществлять выбор рациональных параметров рудничных переносных приборов при их разработке и существенно улучшить эксплуатационные и технико-экономические характеристики.

В соответствии с целью и на основании выполненного анализа состояния вопроса в настоящей работе поставлены следующие научно-технические задачи:

- установить для химического источника тока в режиме короткого замыкания класс электрической цепи и параметры химического источника тока, определяющие его воспламеняющую способность;

- установить исходные данные для оценки искробезопасности электрических цепей с химическим источником тока в режиме короткого замыкания, а также совместно с индуктивными и емкостными нагрузками;

- разработать эффективные методы и средства обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования;

- разработать метод оценки и способы обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов, позволяющих осуществлять выбор рациональных параметров рудничных переносных приборов при их разработке и существенно улучшить эксплуатационные и технико-экономические показатели.

Во второй главе изучена воспламеняющая способность электрических разрядов в электрических цепях с химическими источниками тока и реактивными нагрузками. Представлена расчётная оценка определения искробезопасных токов в зависимости от напряжения химического источника тока и его индуктивности, принцип которой заключается в определении энергии и длительности электрического разряда на каждой из возможных скоростей размыкания контактов и последующего сравнения полученных энергий со значениями воспламеняющих энергий при одинаковых длительностях разрядов и скоростях размыкания контактов. Данный метод расчета искробезопасности электрических цепей разработан в ИПКОН РАН и приведен в действующем стандарте ГОСТ Р 51330.10-99.

Для практической реализации этого принципа расчетной оценки искробезопасности электрических цепей необходимо определять параметры электрического разряда при разных скоростях размыкания цепи, используя модель электрического разряда, построенную на основе экспериментальных статических вольтамперных характеристик электрического разряда.

Приведенная методика расчетной оценки искробезопасности электрической цепи позволяет определить минимальный воспламеняющий ток и наиболее опасную скорость размыкания контактов, характерную для оцениваемой электрической цепи.

Используя методику расчетной оценки искробезопасности электрических цепей, определялись значения минимальных воспламеняющих токов в омических и индуктивных цепях. На рисунке 1 приведены характеристики искробезопасности, соответствующие активизированному составу взрывоопасных испытательных электрических цепей и полученные путем уменьшения в 1,5 раза значений минимальных воспламеняющих токов, полученных для метановоздушной смеси с помощью расчетов по данному методу.

Экспериментальное определение воспламеняющих токов в омических и простых индуктивных цепях осуществлялось с помощью взрывной камеры с искрообразующим механизмом МЭК.

Для ряда воспламеняющих токов электрической цепи с помощью экспериментов определились вероятности воспламенения взрывоопасной смеси. По этим данным строилась зависимость Р = f(Iв). Прямая линия Р = f(Iв) продолжалась до пересечения с осью абсцисс при значении вероятности Р=10-3. Ток, соответствующий точке пересечения, принимался в качестве воспламеняющего. Результаты выполненных исследований и приведения значений воспламеняющих токов к стандартной вероятности приведены в таблице 1.

Анализ результатов экспериментальных исследований, приведенных в таблице 1, показывает, что полученные расчетом и с помощью эксперимента значения искробезопасных токов в изученном диапазоне практически полностью совпадают. Это подтверждает справедливость основ, на которых базируется метод расчета, а также тот факт, что нагрев контактов искрообразующего механизма в результате протекания по ним больших токов (до 10 А) не влияет на процесс воспламенения. При токах порядка 16,8 А имеет место слабое влияние контактного перегрева на уровень воспламеняющих токов.

1 – 10-6 Гн; 2 – 10-5 Гн; 3 – 10-4 Гн; 4 – 10-3 Гн; 5 – 10-2 Гн; 6 – 10-1 Гн. Рисунок 1 – Искробезопасный ток для ме-тановоздушной смеси в зависимости от э.д.с. источниа питания и индуктивности цепи.

Таблица 1 – Значения минимальных воспламеняющих токов омических и индуктивных цепей в зависимости от э.д.с. и индуктивности

Омическая цепь
Е,В		160		120	96	48	24	20	16	12,2	10,6	10,19
I, A		0,028		0,050	0,071	0,205	0,900	1,900	4,100	10,40	15,20	16,70
Индуктивные цепи
L,Гн			10-1	10-1	10-1	10-1	10-1	10-1	10-1	10-2	10-2	10-2
Е, В			160	120	96	48	24	12	4,8	72	48	24
I, A			0,028	0,041	0,049	0,057	0,060	0,060	0,060	0,101	0,142	0,170
L, Гн			10-2	10-2	10-3	10-3	10-3	10-3	10-3	10-4	10-4	10-4
	Е, В		12	4,8	32	24	20	12	4,8	20	12	4,8
	I, A		0,190	0,200	0,400	0,510	0,610	0,715	0,800	1,71	2,60	3,0
	L, Гн		10-5	10-5	10-5	6·10-6	6·10-6	6·10-6	-	-	-	-
	Е, В		12	10	4,8	12	9,6	4,8	-	-	-	-
	I, A		8,10	10,0	12,2	12,3	14,1	16,8	-	-	-	-

В результате выполненных исследований в диапазоне размыкаемых токов до 16,8 А установлено, что для оценки искробезопасности химических источников тока с индуктивными нагрузками может быть использован как расчетный метод, так и характеристики искробезопасности Iв = f (L, E) (рисунок 2), полученные на основании экспериментальных исследований.

Рисунок 2 – Зависимости минимального во-спламеняющего тока от э.д.с. источника пи-тания и индуктивности цепи для водоро-докислородной смеси (85% Н2 + 15% О2).

В результате экспериментальных исследований по определению минимального напряжения зажигания дуги установлено, что минимальное напряжение зажигания дуги не зависит от параметров электрической цепи, вида коммутации электрической цепи (разрыв проволочки или размыкание контактов) и диаметра контактов, а зависит только от материала контактов (таблица 2).

Таблица 2 – Минимальные напряжения дуги для ряда материалов контактов и параметров электрической цепи.

Материал контактов	Параметры размыкаемой электрической цепи		Минимальное напряжение зажигания дуги, В
	Е, В	I. A
Сталь – сталь	30 30 30 30 30	7,5 4,5 2,0 1,0 0,5	12 12 12 12 12
Медь – медь	30 30	7,5 2,0	13,5 13,5
Припой – припой	30	2,5	11,0
Сталь оцинкованная – сталь оцинкованная; Кадмий – вольфрам	30 30 30	7,5 4,0 2,5	8,0 8,0 8,0

В настоящее время оценка емкостных нагрузок в искробезопасном электрооборудовании в соответствии с ГОСТ Р 51330.10-99 осуществляется по характеристикам искробезопасности Uв = f(С, R1, R2), которые построены для размыкаемых токов не выше 2,0 А и напряжений источников питания не менее 10 В. В данной работе с помощью экспериментов во взрывной камере диапазон этих характеристик расширен на большие токи и меньшие напряжения источников питания, что позволяет охватить расчетной оценкой искробезопасности переносные приборы и электрооборудование с автономными источниками питания.

Экспериментальные исследования воспламеняющей способности электрических разрядов, возникающих при коммутации емкостных электрических цепей шахтных переносных приборов и электрооборудования, проводились в водородокислородной смеси с содержанием водорода 85% с использованием электролитического питающего устройства ПУЭ и искрообразующего устройства механизма МЭК, которое устанавливалось во взрывной камере БВК-3. Для установления необходимых значений ограничительных сопротивлений R1 в цепи емкости и R2 источника питания (рисунок 3) использовались магазины сопротивлений Р 58. Величина емкости устанавливалась магазином емкостей Р 544.

Воспламеняющие напряжения для каждой электрической цепи определялись получением от трёх до пяти значений вероятностей воспламенения взрывоопасной смеси.

Рисунок 3 – Электрическая схема иссле-дования емкостных электрических цепей.

По полученным данным строилась зависимость вероятности воспламенения взрывоопасной смеси от напряжения источника питания Р=f(Uв) и путем интерполяции и экстраполяции определялись значения воспламеняющих напряжений при стандартном значении вероятности воспламенения взрывоопасной смеси Р = 10-3. Воспламеняющие напряжения определялись при изменении емкости цепи от 10-4 мкФ до 1000 мкФ, разрядного сопротивления R1 от 1000 Ом до 0 и зарядного сопротивления R2 при значениях 10 Ом, 5 Ом, 2 Ома и 0,5 Ом. Последнее значение R2, равное 0,5 Ом, соответствовало току источника питания 20 А.

Результаты выполненных исследований и приведения значений воспламеняющих напряжений к стандартной вероятности приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Значения минимального воспламеняющего напряжения от сопротивления химического источника тока и параметров емкостной цепи.

С, мкФ	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4
R1, Ом	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000
R2, Ом	10	10	10	5	5	5	2	2	2	0,5
Uв,В	20	20	20	16	16	16	14	14	14	10
С, мкФ	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1
R1, Ом	1000	1000	100	100	100	100	100	100	100	100
R2, Ом	0,5	0,5	10	10	10	5	5	5	2	2
Uв,В	10	10	20	20	20	16	16	16	14	14
С, мкФ	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000
R1, Ом	100	100	100	100	10	10	10	10	10	10
R2, Ом	2	0,5	0,5	0,5	10	10	10	5	5	5
Uв,В	14	10	10	10	20	20	19	16	16	15
С, мкФ	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000	10-4
R1, Ом	10	10	10	10	10	10	0	0	0	0
R2, Ом	2	2	2	0,5	0,5	0,5	10	10	10	5
Uв,В	14	14	13	10	10	9,5	20	21	9,5	16
С, мкФ	1	1000	10-4	1	1000	10-4	1	1000	-	-
R1, Ом	0	0	0	0	0	0	0	0	-	-
R2, Ом	5	5	2	2	2	0,5	0,5	0,5	-	-
Uв,В	16	9	14	14	9	10	10	9	-	-

По полученным результатам экспериментальных исследований, приведенным в таблице 3, построены характеристики искробезопасности Uв=f(С,R1,R2), позволяющие выполнять оценку искробезопасности химических источников тока с емкостными нагрузками до 20 А размыкаемых токов.

На рисунке 4 приведена характеристика искробезопасности Uв=f(С,R1,R2) при R1=0 Ом.

Рисунок 4 - Минимальное воспламеняющее напряжение в активизированной водородо-кислородной смеси для емкостных цепей рудничного электрооборудования при R1=0 Ом.

В третьей главе разработан электроизмерительный метод оценки искробезопасности химических источников тока. Химический источник тока без ограничительного сопротивления в режиме короткого замыкания может быть как омической, так и индуктивной цепью. Если напряжение химического источника тока меньше минимального напряжения зажигания дуги, то такую цепь следует рассматривать как индуктивную. Воспламеняющая способность разрядов размыкания определяется по трем основным параметрам: по э.д.с. источника питания Е, по току короткого замыкания Iкз и по индуктивности цепи источника питания L.

Так как непосредственно испытать химический источник тока подключая его к взрывной камере невозможно, то при электроизмерительной оценке измеряются все три параметра источника тока: Е, Iкз, и L. Для омических цепей также определяются все три параметра (Iкз, L, E) химического источника тока и окончательный ответ о характере цепи даётся с помощью характеристик искробезопасности Iв=f(L,E).

Таким образом, во всех случаях, когда химический источник тока представляет собой индуктивную или омическую цепь для оценки его искробезопасности необходимо с помощью электрических измерений определить три его параметра: максимальный ток короткого замыкания Iкз, индуктивность цепи L и его э.д.с. Е.

Э.д.с. и ток короткого замыкания химического источника тока измеряется с помощью вольтметра и амперметра соответственно. В данной работе разработан прибор для определения индуктивности химических источников тока, принцип работы которого основан на изучении переходных процессов при коммутации электрической цепи химического источника тока.

Электрическая цепь, состоящая из источника тока с э.д.с. Е, индуктивного элемента L и омического сопротивления R, замыкается и размыкается безразрядным коммутатором БК. Параллельно безразрядному коммутатору включена измерительная емкость С (рисунок 5).

Рисунок 5 – Электрическая схема модели химического источника тока, подключенная к измерительной емко-сти и безразрядному коммутатору.

При безразрядном размыкании электрической цепи (химический источник тока в режиме короткого замыкания) контактами БК переходный процесс в электрической цепи описывается уравнением

(1)

Для колебательного режима решение уравнения (1) относительно максимального напряжения на емкости представляет собой выражение

(2)

Для апериодического режима решение уравнения (1) относительно максимального напряжения на емкости представляет собой выражение

(3)

Используя полученные расчетные выражения (2) и (3), можно определить максимальную энергию заряженной емкости как 0,5С·UСmax2.

Для электрической цепи с заданными параметрами (Е и L) подбирался размыкаемый ток и значение измерительной емкости. Затем определялся режим, в котором находится заданная электрическая цепь и по расчетным формулам (2) и (3) определялось максимальное напряжение на измерительной емкости и максимальная энергия заряженной емкости. Для ряда электрических цепей был выполнен расчет и.

Результаты расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Параметры переходного процесса при размыкании простой индуктивной цепи с измерительной емкостью на выходе.

Параметры цепи	С, мкФ	UСmax, В		, мДж	,мДж
Е=4 В, L = 0,1 Гн, I = 0,1 А, R = 40 Ом, b = 200	10-6	32,7415	8,1854	0,5360	0,500	1,0720
	10-5	11,5613	2,8903	0,6683	0,500	1,3366
	10-4	5,5339	1,3835	1,5312	0,500	3,0624
	2·10-4	4,8846	1,2212	2,3860	0,500	4,7719
	2·10-6	23,5764	5,8941	0,5558	0,500	1,1117
	4·10-6	17,1524	4,2881	0,5884	0,500	1,1768
Е=4 В, L=10-3 Гн, I = 1,0 А, R = 4 Ом, b = 2000	10-6	32,7415	8,1854	0,5360	0,500	1,0720
	10-5	11,5613	2,8903	0,6683	0,500	1,3366
	2·10-5	8,8422	2,2105	0,7818	0,500	1,5637
	4·10-5	7,0244	1,7561	0,9868	0,500	1,9737
	6·10-5	6,2636	1,5659	1,1769	0,500	2,3538
	10-4	5,5339	1,3835	1,5312	0,500	3,0624
	2·10-4	4,8846	1,2212	2,3860	0,500	4,7719
	2·10-6	23,5764	5,8941	0,5558	0,500	1,1117
	4·10-6	17,1524	4,2881	0,5884	0,500	1,1768
Е=4,5 В, L=10-3 Гн, I =1,5 А, R = 3 Ом, b = 1500	10-6	48,6236	10,8052	1,1821	1,125	1,0508
	10-5	16,5924	3,6872	1,3765	1,125	1,2236
	10-4	7,1556	1,5901	2,5601	1,125	2,2757

По результатам расчетов была построена зависимость от (рисунок 6).

Химический источник тока замыкается и размыкается коммутатором без разряда. Параллельно данному коммутатору включена измерительная емкость С (рисунок 6). Зная значение емкости и измерив максимальное значение напряжения на ней при переходном процессе, определяется химического источника тока.

Основной сложностью при реализации данного электроизмерительного метода является обеспечение размыкания электрической цепи без разряда. Если параллельно коммутатору и измерительной емкости включить стабилитрон, напряжение стабилизации которого больше э.д.с. химического источника тока, но меньше минимального напряжения зажигания дуги, то будет обеспечиваться размыкание цепи без разряда. Для измерения 0,5LI2 химического источника тока подбирается значение измерительной емкости С, при которой максимальное напряжение UСmax на ней при переходном процессе будет больше э.д.с. химического источника тока, но меньше напряжения стабилизации стабилитрона. Далее определяется энергия заряженной емкости .

Рисунок 6 – График определения индуктивности химических источников тока

Затем по значению из графика (рисунок 6) определяется отношение.

Разделив химического источника тока на отношение и, замерив ток короткого замыкания I химического источника тока и по установленному значению , определяется индуктивность химического источника тока.

На рисунке 7 приведено предлагаемое устройство, состоящее из испытуемого химического источника тока 1 с э.д.с. Е 2, внутренним омическим сопротивлением R 3, индуктивностью L 4 и c током короткого замыкания I, безразрядного прерывателя 5, состоящего из выключателя 6 со стабилитронным шунтом 7, магазина измерительных конденсаторов 8, переключателя 9 и осциллографа 10.

Рисунок 7 – Устройство для измерения индуктивности химических источников то-ка.

Для измерения индуктивности химического источника тока испытуемый химический источник тока 1 подключался к описываемому устройству, после измерения его тока I и напряжения E (режимы короткого замыкания и холостого хода). После замыкания испытуемого химического источника тока безразрядным прерывателем 5 производилось размыкание ее безразрядным прерывателем 5 и, осциллографом 10, измерялось напряжение на измерительном конденсаторе 8. Если замеренное напряжение на измерительном конденсаторе равно напряжению стабилизации стабилитрона, то емкость конденсатора увеличивалась до величины, при которой замеренное импульсным вольтметром напряжение Ucmax было меньше напряжения стабилизации стабилитрона.

Индуктивность химического источника тока определяется из выражения

, (4)

где С – установленное значение емкости измерительного конденсатора;

Ucmax - замеренное напряжение на измерительном конденсаторе;

I - ток короткого замыкания химического источника тока;

Е – напряжение холостого хода химического источника тока;

m =, параметр, определенный из графика (рисунок 6) по отношению.

В результате выполненных исследований был разработан и научно обоснован новый способ и прибор измерения индуктивности химического источника тока.

В четвертой главе разработаны методы оценки искробезопасности шахтных переносных приборов и электрооборудования.

Оценка искробезопасности химических источников тока в режиме короткого замыкания осуществлялась с помощью характеристик искробезопасности Iв=f(L,E) (рисунок 2), по которым можно осуществлять оценку искробезопасности автономных источников питания в режиме их короткого замыкания. Установив параметры химического источника тока, определяющие его воспламеняющую способность: ток короткого замыкания, э.д.с. и индуктивность (I,E,L), по характеристикам искробезопасности Iв = f(E) при L=const, проводится сечение при значении E=э.д.с. химического источника тока и по этому сечению строится зависимость Iв = f(L). На полученную зависимость наносятся координаты химического источника тока (I, L). Если нанесенная точка лежит ниже зависимости Iв = f(L), то химический источник тока искробезопасен. Если выше – опасен. Такую оценку можно осуществлять без разделения химического источника тока на омическую и индуктивную цепь и в процессе оценки на искробезопасность химического источника тока определяется характер цепи.

Для оценки индуктивной электрической цепи на искробезопасность, необходимо убедиться с помощью характеристик искробезопасности Iв = f(L,E) (рисунок 2), что подключение ее к источнику питания не нарушает его искробезопасность. Универсальным способом оценки является сопоставление параметров индуктивной нагрузки (индуктивность оцениваемой электрической цепи и ток в ней) с отрезком характеристики искробезопасности Iв = f(L) при Е=const (рисунок 8). Если координаты оцениваемой цепи располагаются ниже отрезка характеристики искробезопасности Iв = f(L) при Е = const, то данная электрическая цепь будет искробезопасной. Если координаты оцениваемой цепи располагаются выше отрезка характеристики искробезопасности Iв = f(L) при Е = const, то данная электрическая цепь будет искроопасной.

Линия связи (соединительные провода) в шахтных переносных приборах и электрооборудовании является индуктивной нагрузкой. Для одних источников питания наибольшая энергия выделяется в разряде при подключении линии связи в точке согласования (часть соединительного шнура как нагрузка согласуется источник питания, при Rогр = Rи), для других - до согласования. В этом случае универсальным способом оценки будет сопоставление зависимости индуктивности оцениваемой электрической цепи от размыкаемого в ней тока во всем диапазоне длины линии связи с отрезком характеристики искробезопасности Iв = f(L) при Е = const (рисунок 8) в этом же диапазоне изменения индуктивности и размыкаемого тока.

1- характеристика искробезопасности Iв = f(L) при значении э.д.с. источника питания Е=4 В;

2- оценка искробезопасности линии связи с постоянной времени: L/R=225 мкс;

3- оценка искробезопасности линии связи с постоянной времени L/R=150 мкс;

4- оценка искробезопасности линии связи с постоянной времени L/R=75мкс.

Рисунок 8 – Зависимости Iв = f(L) искробезопасного тока для взрывоопасных сред I категории взрывоопасности от индуктивности цепи и э.д.с. источника питания при подключении линии связи с различной постоянной времени.

Линия связи считается искробезопасной, если во всем диапазоне изменения ее индуктивности и размыкаемого тока она расположена ниже характеристики искробезопасности.

Таким образом с помощью характеристик искробезопасности Iв = f(L) и Iв=f(L,E) можно провести оценку на искробезопасность индуктивной цепи с известными параметрами.

Оценка искробезопасности шахтных переносных приборов и электрооборудования с емкостными нагрузками осуществляется с помощью разработанных в данной работе характеристик искробезопасности Uв=f(С,R1,R2), которые позволяют выполнять оценку искробезопасности химических источников тока с емкостными нагрузками до 20 А размыкаемых токов.

В пятой главе разработаны способы обеспечения искробезопасности шахтных переносных приборов и электрооборудования.

Для обеспечения искробезопасности химических источников тока в режиме короткого замыкания для мощных переносных приборов, у которых ток короткого замыкания химического источника питания превышает 20 А разработан новый способ обеспечения их искробезопасности, основанный на исключении из испытаний режима короткого замыкания химического источника питания.

Сущность нового способа поясняется на рисунком 9. Представленное на рисунке 9а электрооборудование включает в себя источник питания 1, стабилитрон 2. линию связи (соединительный шнур, провода) 3, индуктивную нагрузку 4 и емкостная нагрузка 5. Источник питания 1 характеризуется напряжением Е, индуктивностью Lи и внутренним сопротивлением Rи. Cтабилитрон 2 характеризуется напряжением стабилизации больше напряжения химического источника питания, но меньше минимального напряжения зажигания дуги, которое зависит только от материалов контактов и для материала контактов искрообразующего механизма МЭК, используемого для экспериментальной оценки искробезопасности электрических цепей, равно 8 В. Линия связи (соединительный шнур, провода) 3 характеризуется индуктивностью Lшр и омическим сопротивлением Rщр, индуктивная нагрузка 4 - индуктивностью Lн и омическим сопротивлением Rн, а емкостная нагрузка 5 определяется суммарной емкостью всех конденсаторов прибора.

Шунтируя выход источника питания 1 стабилитроном 2 с напряжением стабилизации больше напряжения химического источника питания, но меньше минимального напряжения зажигания дуги, исключают испытательный режим (короткое замыкание источника питания). Затем определяют безопасное значение постоянной времени соединительного шнура 3 при наиболее опасном испытательном режиме, когда частью соединительного шнура как нагрузкой согласуется источник питания (при Rогр = Rи). Для этих целей измеряют ток короткого замыкания источника питания Iкз, затем последовательно с источником питания подключают ограничительное сопротивление Rогр, обеспечивающее снижение тока короткого замыкания вдвое до 0,5 Iкз, и по характеристикам искробезопасности Iв= f(L,Е), для тока 0,5 Iкз и напряжения источника питания определяют безопасное значение индуктивности Lб и безопасное значение постоянной времени соединительного шнура (рисунок 9 б):

(5)

Затем определяют безопасное значение постоянной времени индуктивной нагрузки 4, для чего к источнику питания 1 подключают индуктивную нагрузку 4, определяют ток в цепи Iн, по характеристикам искробезопасности Iв = f(L, E) для тока Iн и э.д.с. источника питания определяют безопасное значение индуктивности нагрузки Lн и безопасное значение постоянной времени индуктивной нагрузки (рисунок 9в):

(6)

1- источник питания; 2- стабилитрон; 3- линия связи; 4- индуктивная нагрузка; 5- ёмкостная нагрузка. Рисунок 9 – Испытательные режимы при оценке искробезопасности переносного прибора.

Определенное безопасное значение постоянной времени индуктивной нагрузки будет справедливо для омических сопротивлений нагрузки, равных Rн и более. Суммарную безопасную емкость конденсаторов 5 переносного прибора определяют по характеристикам искробезопасности Uв=f(С,R1,R2) для суммарного значения омического сопротивления источника питания Rи и омического соединительного шнура Rщр и э.д.с. источника питания Е (рисунок 9г).

Для индуктивных нагрузок с постоянной времени, превышающей предельно допустимую, установленную по характеристикам искробезопасности, невозможно обойтись без использования шунтирующих искрозащитных элементов индуктивных нагрузок. Для этих целей целесообразно применять искрогасящие шунты, обеспечивающие оптимальное шунтирование.

Если при необходимых параметрах индуктивной нагрузки, определяемых ее функциональным назначением, при оценке ее по характеристикам искробезопасности Iв=f(L,E) (рисунок 2) не обеспечивается ее искробезопасность, то следует применять искрогасящие шунты.

Обеспечение искробезопасности емкостных нагрузок в шахтных переносных приборах и электрооборудовании может быть осуществлено двумя способами:

1. Выбором параметров емкостных нагрузок по характеристикам искробезопасности Uв=f(С,R1,R2) без использования искрогасящих элементов, т.е. при R1=0;

2. Выбором параметров емкостных нагрузок по характеристикам искробезопасности Uв=f(С,R1,R2) с использованием искрогасящих элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании результатов исследования воспламеняющей способности электрических разрядов, возникающих при коммутации электрических цепей рудничных переносных приборов и электрооборудования, разработаны новые методы их оценки и обеспечения искробезопасности, позволяющие разработчикам искробезопасной аппаратуры создавать переносные приборы и электрооборудование с более высокими технико-экономическими показателями.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Впервые изучена воспламеняющая способность электрических разрядов применительно к рудничной атмосфере в новой области параметров электрических цепей, характеризующихся малыми значениями э.д.с. источников питания и индуктивностями электрических цепей и большими значениями размыкаемых токов. Установлено, что нагрев контактов искрообразующего механизма взрывной камеры, в результате протекания по ним больших токов (до 10 А), не влияет на процесс воспламенения взрывоопасной смеси (не снижает уровень воспламеняющей энергии электрического разряда).

2. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены зависимости минимального воспламеняющего тока от э.д.с. и индуктивности химического источника тока для испытательной активизированной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности, позволяющие оценивать на искробезопасность химические источники тока в режиме короткого замыкания до 16,8 А и совместно с линией связи и индуктивными нагрузками рудничных переносных приборов и электрооборудования.

3. На основании экспериментальных исследований установлены зависимости минимального воспламеняющего напряжения химического источника тока от значения его размыкаемого тока и параметров емкостной цепи для испытательной активизированной взрывоопасной смеси I категории взрывоопасности, позволяющие оценивать на искробезопасность химические источники тока совместно с емкостными нагрузками рудничных переносных приборов и электрооборудования;

4. Определены минимальные значения напряжения зажигания дугового электрического разряда для ряда материалов контактов, используемых при обеспечении искробезопасности переносных приборов и электрооборудования. Установлено, что минимальное напряжение зажигания дугового электрического разряда не зависит от параметров электрической цепи и условий её коммутации и определятся только материалом контактов.

5. На основании теоретических исследований установлена закономерность, связывающая между собой параметры химического источника тока, емкость конденсатора, включенного параллельно его выходу и максимальное напряжение на конденсаторе, возникающее при колебательном режиме размыкания данной электрической цепи. Установленная закономерность является научным базисом для разработки прибора измерения индуктивности химических источников тока.

6. Разработан и изготовлен макет прибора для измерения индуктивности химических источников тока. Работоспособность прибора подтверждена при измерении эталонных катушек индуктивности. Защищён приоритет этого нового технического решения (подана заявка на предполагаемое изобретение «Устройство для измерения индуктивности химических источников тока», заявка на получение патента РФ от 17.09.2008г. №2008137228).

7. Разработан способ обеспечения искробезопасности переносных приборов и электрооборудования. Разработанный на уровне изобретения способ защищён патентом РФ RU 2336417 C1.

8. Разработана методика оценки и обеспечения искробезопасности рудничных переносных приборов и электрооборудования с более высокими технико-экономическими показателями.

Основные результаты работы использованы при анализе причин аварийности горно-шахтного оборудования и составлении статистических сборников о состоянии охраны труда и промышленной безопасности на предприятиях угольной промышленности Федеральным агентством по энергетике. Разработанная методика используется в сертификационном центре взрывозащищенного и рудничного электрооборудования МОС «Сертиум».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Толчёнкин Р.Ю. Разработка метода оценки искробезопасности химических источников тока в рудничных переносных приборах / Р.Ю. Толчёнкин // ГИАБ. - М.: МГГУ, 2006. - № 11. - С. 319-321.

2 Толчёнкин Р.Ю. и др. Обеспечение безопасности линии связи в шахтных переносных приборах / Толчёнкин Р.Ю., Ерыгин А.Т. // ГИАБ. - М.: МГГУ, 2007. - № 12. - С. 342-346.

3 Толчёнкин Р.Ю. Новый способ оценки искробезопасности химических источников тока / Толчёнкин Р.Ю. // Уголь. - М.: Руда и металлы, 2008. - №9. - С. 56-57.

4 Толчёнкин Р.Ю. и др. Способ обеспечения искробезопасности переносных приборов / Толчёнкин Р.Ю., Ерыгин А.Т. // Изобретения и полезные модели. - М.: РОСПАТЕНТ, 2008. - №29. - С. 11-12.

Лицензия ЛР №21037. Подписано в печать с оригинала-макета 24.04.2009 г. Формат 60х84 1/16. Бумага «Mega Copy Office». Печать офсетная. Набор компьютерный. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №166. Издание ИПКОН РАН 111020 г. Москва, Крюковский тупик, д.4