УДК 621.3.011.1 Подойников Анатолий Олегович магистрант группы АУ-М-1-09 Научный руководитель:

УДК 621.3.011.1
Подойников Анатолий Олегович
магистрант группы АУ-М-1-09
Научный руководитель: Давыдов Виктор Викторович
доц., к.т.н.
Московский государственный горный университет
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСКРОБЕЗОПАСНОСТИ ЛИНИИ
СВЯЗИ
IS POWER SUPPLY WITH CABLE COMMUNICATION LINE OF VARIOUS LENGTH IS ANALYZED
В шахтах и на предприятиях с взрывоопасной атмосферой применение электрооборудования возможно только во взрывозащищенном исполнении [1]. Наиболее прогрессивным видом взрывозащиты является искробезопасное исполнение: оно обеспечивает полную безопасность использования электроэнергии и может применяться непосредственно во взрывоопасной атмосфере предприятий. Основным параметром, ограничивающим применение искробезопасных систем, является малая допустимая величина их искробезопасной мощности [2]. Традиционно для обеспечения
искробезопасности источников питания применяются различные статические схемы защиты: линейные и нелинейные ограничительные элементы резисторы, стабилитроны и др. (рис. 1). Они снижают мощность, поступающую в электрическую цепь в номинальном режиме, до допустимого искробезопасного уровня за счёт статической характеристики ограничителя. Такая цепь при аварийной коммутации благодаря незначительной номинальной мощности не способна воспламенить взрывчатую смесь.
Рис. 1. Схемы ограничения энергии разряда:
1 – линейное ограничительное сопротивление; 2 – стабилитронная
защита; 3 – последовательный ключ; 4 – схема искрозащитного ограничителя мощности (преобразователь напряжения ПН).
Зависимость коэффициента использования допустимой искробезопасной мощности от выходной характеристики источника питания приведена
на рис. 2.
Рис. 2. Выходная характеристика источника питания.
В особенности сложной является система передачи энергии по линии
связи. Это связано с потерями в линии и индуктивным характером параметров кабеля. Для индуктивных цепей важной задачей становится оценка
и оптимизация параметров системы дистанционного питания.
В настоящее время оценка производится по характеристикам искробезопасности: зависимости воспламеняющего тока от значения индуктивности при различных напряжениях в электрической цепи. По характеристикам искробезопасности (рис.3) для индуктивных цепей можно оценить
их безопасность при различных конкретных значениях индуктивности.
Линия связи представляет собой непрерывно изменяющийся по параметрам компонент цепи, и оценить его опасность можно только по сравнительным параметрам воспламеняющей способности при различных длинах
кабеля. При такой оценке невозможно точно учесть все факторы, определяющие опасность: длину, напряжение питания, индуктивность, удельное
сопротивление и рационально выбрать эти параметры при питании аппаратуры: Р = f(U,l,R,L)
P – мощность, Вт.
U – напряжение, В.
l – длина, км.
R – удельное сопротивление линии связи, Ом/км.
L – индуктивность, Гн.
Рис. 3. Характеристика для индуктивных цепей.
Примем, что в качестве искрозащиты применяем ограничитель на базе
высокочастотного преобразователя мощности (рис. 1, 4). Схема запирает
преобразователь и ограничивает ток ниже безопасного значения. Параметры ограничителя практически не влияют на потери в цепи: измерительное
сопротивление составляет доли Ома.
Рассмотрим вариант выбора максимальной мощности искробезопасной цепи, содержащей источник питания Е, с искрозащитой, линию связи
и нагрузку.
Задачу автоматизации процесса оценки начнём с формализации параметров цепи и с выбора значений индуктивности и напряжения, обеспечивающих максимальные мощности, передаваемые по линии связи.
Схема искробезопасного электропитания с линией связи длиной до 5
км, в виде кабельной линии (рис. 4).
Рис. 4. Схема искробезопасной цепи с линией связи.
Обозначения на рисунке 4:
Е – ЭДС источника питания;
TpFua – разделительный искрозащитный трансформатор;
ОПТ – ограничитель тока;
Rлс – общее погонное сопротивление линии связи;
Rнагр – сопротивление нагрузки.
P – мощность на нагрузке.
Расчётное значение индуктивности цепи L = 0,5∙10-3 Гн/км, напряжение линии связи U = 27 B.
Значения зависимости индуктивности от длины кабеля мы берем из
графиков на рис. 3 (рис. 5).
Рис. 5.Зависимость индуктивности от длины кабеля для напряжения
27В.
Рис. 6. Зависимости минимального воспламеняющего тока от индуктивности цепи и напряжения источника для метано-воздушной смеси
(группа I).
Блок-схема модели автоматической оценки искробезопасности линии
связи представлена на рис. 7.
Начало
Вводим L, U, l и R
Из данных (*) выбирается Iv
I = l∙Iv/1,5
l=0
Нет
P = U∙I - R∙I2∙l
l=l+1
l==l+1?
Да
Вывод значений P в
таблицу и на график
Конец
Условные обозначения:
L – индуктивность;
U – напряжение;
l – длина линии связи;
R – погонное сопротивление линии связи;
Iv – минимальный воспламеняющий ток полученный из данных(*);
I – рабочий безопасный ток.
Рис. 7. Блок-схема модели автоматической оценки искробезопасности
линии связи
В зависимости от напряжения минимальный воспламеняющий ток
Iмин.воспл из графика на рисунке 6, при индуктивности равной L = 0,5∙10-3
Гн. Iмин.воспл = 1,7 А. Рабочий безопасный ток Iбезоп = 1,13 А.
При погонных сопротивлениях кабеля равных 1-70 Oм/км наибольшую мощность имеет цепь с минимальными потерями, то есть с погонным
сопротивлением равным Rпог=1Ом/км.
Искрозащитный ограничитель мощности (рис. 1, 4), при превышение
тока выше 1,13 А запирает преобразователь и обеспечивает искробезопасность всей цепи.
Мощность на нагрузке снижается за счет увеличения индуктивности с
увеличением длины линии (рис.5).
Мощность на нагрузке вычисляется по формуле Pн = U∙I - Rпог∙I2∙L.
Рабочая мощность, при заданных параметрах U = 27 В, Iраб = 0,52 А и
Rпог=1Ом/км равна Рб = 14,1 Вт. Зависимость рабочей мощности на
нагрузке от длины линии связи (табл. 1).
Таблица 1.
Длина линии связи, км
Pн, Вт
0
14,1
1
13,8
2
13,5
3
13,3
4
13
5
12,8
Значения искробезопасной мощности на выходе линии связи от ее
длины напряжения источника питания, полученные в работе [3], при погонном сопротивление равном 37 Ом/км (табл. 2).
Таблица 2.
Е, В
L, Гн
20
32
10-4
10-3
Значения искробезопасной мощности на выходе линии
связи от ее длины (км) и напряжения источника питания.
0
1
2
4
6
40
8,51
4,76
2,53
1,72
12,8
8,75
6,65
4,49
3,39
Данные приведенные в работе [3] отличаются от данных представленных в настоящей работе: при длине кабеля более 1 км допустимая мощность выше примерно в 2 раза, а при 5 км примерно в 3 раза, это объясняется тем, что в работе [3] в качестве искрозащитного элемента используется линейное ограничительное сопротивление (рис.1), а в рассматриваемом
нами варианте схема искрозащитного ограничителя мощности (рис.1, 4), а
также в расчетах используется индуктивность, определяемая по характеристикам искробезопасности. Значение мощности до 1 км приводиться без
учета суммарной индуктивности всей длины кабеля.
Построение такой системы искробезопасного электропитания позволяет повысить искробезопасную мощность в нагрузке более чем в 3 раза,
при длинных линиях связи.
Такая схема электроснабжения эффективна для питания систем шахтной автоматики и связи.
Рис.8. Графики мощностей Pн, мощности Pн20, Pн32, при напряжение
20 и 32В соответственно.
По результатам выполненных исследований могут быть сделаны следующие выводы.
1. Разработан метод автоматической оценки искробезопасности цепей с линиями связи.
2. На основании моделирования оптимизированы параметры источника питания, линии связи и нагрузки.
3. Проведённый анализ цепи с линией связи позволяет выбрать параметры элементов системы искробезопасного питания повышенной мощности.
Литература
1. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное.
Часть 11 Искробезопасная электрическая цепь. Введ. От 01.01.00. – М.,
2000.
2. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03. Серия 05.
Выпуск11. Коллектив авторов., ФГУП НТЦ ПО безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2004.
3. Ерыгин А.Т., Яковлев В.П. Обеспечение искробезопасности рудничного электрооборудования с длинными линиями связи // ГИАБ, Неделя
горняка-2009. – М., 2009.
Аннотация
В работе проанализирована система искробезопасного питания от источника питания к нагрузке по кабельной линии связи различной длины.
Установлены условия передачи максимальной мощности в нагрузку.
IS power supply with cable communication line of various length is analyzed and conditions of the maximal power in load are established.
Ключевые слова
искробезопасная линия связи, автоматический расчёт параметров цепи с линией, передача максимальной энергии по искробезопасным цепям
intrinsically safe line of communication, automatic calculation of the circuit parameters with the line, the maximum transfer of energy to intrinsically
safe circuits