Лабораторная работа №6

ИЗУЧЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ

Цель работы: усвоить уровни и виды взрывозащиты в той или

иной горной выработке применяемого рудничного электрооборудования. Изучить условные обозначения электрооборудования. Исследовать специальные виды взрывозащиты.

Показать возможные схемы измерения защитного слоя песка и высоты оплавления и зависимость высоты взрывозащитного слоя от тока трехфазного короткого замыкания.

Изучить специальные виды взрывозащиты рудничного оборудования.

Методические указания

Изучить условные обозначения электрооборудования.

Исследовать специальные виды взрывозащиты.

Изобразить схемы измерения защитного слоя песка и высоты оплавления и зависимость высоты взрывозащитного слоя от тока трехфазного короткого замыкания без экрана и при наличии экрана.

Изучить дополнительные специальные виды взрывозащиты.

 

Порядок выполнения

Изучить виды рудничного электрооборудования и области их использования

6.2.1. Рассмотреть уровни и виды взрывозащиты в зависимости от области применения электрооборудования в горных выработках

В зависимости от степени опасности той или иной горной выработки в отношении взрыва метано-воздушной среды применяемое в ней электрооборудование по уровню защиты подразделяется на:

1) рудничное нормальное электрооборудование (PH) — не имеющее средств взрывозащиты;

2) рудничное электрооборудование повышенной надежности против

взрыва (РП) — в котором предусмотрены средства и меры, затрудняющие возникновение опасного искрения, дугообразования и нагрева, а также обеспечения взрывозащиты только в режиме нормальной работы электрооборудования;

3) рудничное взрывобезопасное электрооборудование (РВ) — в котором

предусмотрены меры защиты от взрыва окружающей взрывоопасной атмосферы при появлении опасного искрения, дугообразования и нагрева как в режиме нормальной работы электрооборудования, так и при его вероятных повреждениях;

4) рудничное электрооборудование, взрывобезопасное при любых повреждениях (РО), — в котором предусмотрены меры защиты от действия

электрических искр или дуг как при нормальной работе, так и при неограниченном числе повреждений любых элементов.

Уровень взрывозащиты электрооборудования обозначается на его корпусе прямоугольником, внутри которого указываются буквы соответственно: PH, РП, РВ и РО. Так как тот или иной уровень взрывозащиты может быть достигнут различными способами или видами взрывозащиты, то ПИВРЭ предусматривают следующие виды взрывозащиты, указываемые на корпусе электрооборудования в виде соответствующих букв внутри кружка:

1) взрывонепроницаемая (взрывобезопасная) оболочка — В

В зависимости от величины номинального напряжения и наибольшего

возможного тока короткого замыкания таким оболочкам присваиваются следующие обозначения:

Для рудничных взрывобезопасных светильников независимо от величины U и I_КЗ принимается обозначение — 1В

2) повышенная надежность против взрыва — П

3) искробезопасность — И

4) кварцевое заполнение — К

5) автоматическое отключение (опережающее отключение) — А

6) специальное исполнение — С.

6.2.2. Электрооборудование во взрывобезопасном исполнении

Электрооборудование во взрывобезопасном исполнении предназначено

для применения в шахтах, опасных по газу или пыли, в передвижных установках, а также в местах, где появление метана в опасной концентрации является реальным.

Взрывобезопасное исполнение достигается путем заключения электрооборудования в массивную оболочку, обладающую взрывоустойчивостью и взрывонепроницаемостью.

Под взрывоустойчивосmью понимается способность оболочки без повреждений и остаточных деформаций выдеряшвать максимальное давление, возникающее при взрыве наиболее опасной концентрации горючей смеси и при образовании мощной электрической дуги внутри оболочки.

Под взрывонепроницаемостью понимается такое сопряжение о т дельных деталей, при котором продукты воспламенения внутри оболочки, а также электрические искры, дуги и пламя, проходя через зазоры в сопряжениях, охлаждаются настолько, что, выходя наружу, не способны вызвать воспламенения взрывчатой атмосферы шахты.

Идеальной явилась бы герметическая оболочка, исключающая возможность проникновения внутрь взрывоопасной шахтной атмосферы,

однако, учитывая условия эксплуатации в шахтах, следует признать это неосуществимым как вследствие неизбежной диффузии рудничного газа, особенно в периоды охлаждения нагретого электрооборудования (явление «дыхания»), так и при необходимых осмотрах и ремонтах, связанных со вскрытием оболочек.

Опыты показали, что при оптимальной концентрации метана (9—10%) максимальное давление взрыва внутри герметически закрытой оболочки достигало 7,4 к гс/см².

Максимальное давление возникает в оболочках сферической формы, если воспламенение происходит в центре. В оболочках более сложной формы, особенно при наличии полостей, соединенных перегородками с узкими щелями, давление при взрыве может значительно превысить нормальное. Это объясняется тем, что давление при взрыве внутри оболочки почти пропорционально начальному давлению до взрыва. Поэтому при возникновении взрыва какой-либо полости волна давления вызывает вихревое (турбулентное) перемешивание и уплотнение еще не взорвавшихся газов в соседней полости, в результате чего в ней создается повышенное давление, которому обычная взрывоустойчивая оболочка не может противостоять.

Для устранения этой опасности при конструировании рудничного электрооборудования там, где разделение отдельных полостей перегородкой неизбежно, в последней применяют достаточно большие отверстия. Поскольку взрывоустойчивая оболочка не является герметичной, наличие щелей (зазоров) в месте прилегания к оболочке крышек и других частей является неизбежным.

При длине щели 25— 50 мм может быть достигнута максимальная безопасная ширина щели.

Многочисленные опыты в СССР и за рубежом показали, что существует критическая величина безопасной щели, т. е. та предельная ширина щели, при которой еще обеспечивается взрывонепроницаемость оболочки. При длине мест прилегания (фланцев) не менее 25 мм критическая величина безопасной щели составляет 1,2 мм. Для обеспечения надежности защиты эту величину при конструировании принимают в несколько раз меньшей.

Соприкасающиеся поверхности отдельных частей должны быть гладко обработаны для того, чтобы зазор в месте соприкосновения остался минимальным.

Поэтому, согласно требованиям ПИВРЭ, в случае применения уплотняющих прокладок последние должны быть выполнены из прочного влагостойкого и теплостойкого материала и устроены так, чтобы при взрыве они не выталкивались. Случайное отсутствие прокладок не должно нарушать вызрывонепроницаемости оболочки.

Все взрывонепроницаемые оболочки снабжаются специальными болтами с потайными головками, которые не должны выступать над поверхностью оболочки. Такие болты отвинчиваются лишь патронным ключом особой формы.

На болтовые и винтовые соединения во взрывонепроницаемых оболочках следует обращать особое внимание. Болты не должны проходить насквозь через всю оболочку, а должны наглухо завинчиваться в особые приливы. Это требование вызывается теми соображениями, что в случае применения сквозных болтов некоторые из них могут при работе машины оказаться незавинченными или быть потерянными и таким образом дадут пламени взрыва возможность проникнуть наружу через эти отверстия.

Электрические аппараты должны иметь блокировку, препятствующую

открыванию крышки при наличии напряжения на голых токоведущих частях, которые станут доступны после снятия крышки. При снятой крышке должно быть исключено включение аппарата.

Уплотнение вводов кабелей должно выдерживать давление при взрыве.

Испытания в камере оболочек на взрывобезопасность производятся при наличии избыточного давления в оболочке и взрывной камере, равного 0,5кг с /см². Испытуемая оболочка заполняется метано-воздушной смесью, содержащей 9—10% метана. Такой же смесью заполняется и взрывная камера.

Испытания электрооборудования РВ на заводе производятся гидравлическим способом при давлении от 3 до 6 кг с /см² в зависимости

от объема оболочки.

Детальные требования к исполнению взрывозащиты РВ в отношении конструктивного исполнения (соединения частей оболочек, перегородки, вводные устройства, валы и подшипники, крепежные детали и др.) приведены в ПИВРЭ [6] и ГОСТах [15, 16].

 

6.2.3. Специальные виды взрывозащиты

1. З а п о л н е н и е ж и д к о й д у г о г ас я щ е й с р е д о й

Этот вид заполнения, получивший до настоящего времени наибольшее

распространение, может быть разделен на две принципиально отличные друг от друга группы: а) заполнение маслом и б) заполнение жидкой негорючей смесью.

а) Заполнение маслом. Масло, как жидкий диэлектрик, получило наибольшее распространение при заполнении корпусов трансформаторов,

масляных выключателей, контроллеров, выпрямителей, реостатов и других видов электрооборудования благодаря относительной дешевизне, значительной теплопроводности и хорошему отводу тепла, выделяемому при нагреве токоведущих частей.

Основное условие надежности электрооборудования с масляным заполнением — поддержание уровня масла на такой высоте, чтобы исключалась всякая возможность проникновения искр и пламени наружу. Взрывозащитный уровень масла над нормально искрящими частями согласно ПИВРЭ должен быть не менее 25 мм и, по крайней мере, на 10 мм выше всех нормально искрящих элементов, присоединительных зажимов и неизолированных токоведущих частей.

Для наблюдения за уровнем масла предусматривается указатель, предохраняемый от механических повреждений. Во избежание доступа посторонних лиц спуск масла может производиться лишь при помощи специальных инструментов.

Главнейшими недостатками масляного заполнения являются: большие размеры и вес электрооборудования, горючесть масла, взрывоопасность продуктов его разложения (водород, ацетилен и др.) и недостаточная стабильность.

В связи с этим ПБ запрещают применять в подземных выработках при напряжении до 1000В коммутационные и пусковые аппараты и трансформаторы, содержащие масло или другую горючую жидкость.

б) Заполнение жидкой негорючей смесью. Повышенная опасность масла в отношении пожаров и взрывов, особенно в условиях эксплуатации в шахтах, вызвала необходимость замены масла негорючей дугогасящей жидкостью.

К электроизолирующим жидкостям для взрывоопасной среды предъявляются следующие основные требования: хорошие диэлектрические

свойства, негорючесть, взрывобезопасность, высокая термостойкость.

Этим требованиям в известной степени удовлетворяет разработанная

в СССР синтетическая негорючая жидкость совтол, широко применяемая для пропитки статических конденсаторов.

Несмотря на абсолютную негорючесть, пожаро- и взрывобезопасность,

совтол не получил практического применения в шахтных масляных выключателях в связи со следующими недостатками: высокой стоимостью (почти в 10 раз дороже трансформаторного масла); необходимостью заливки под вакуумом, что создает особые затруднения на шахтах в случае ревизии или ремонта выключателя; необходимостью применения специального газопоглотителя для предотвращения проникновения в атмосферу вредных газов — продуктов разложения, выделяющихся при аварии трансформатора, и вредных продуктов испарения, выделяющихся при нормальной его эксплуатации.

2. З а п о л н е н и е с ы п у ч е й д у г о г а с я щ е й с р е д о й

В качестве дугогасящей среды для заполнения рудничного электрооборудования используются сыпучие диэлектрики. Достоинством сыпучих диэлектриков (кварцевый песок) являются: дешевизна, негорючесть, отсутствие продуктов разложения в виде дыма, газов и пр.

Исследования МакНИИ показали, что взрывобезопаспость электрооборудования с кварцевым заполнителем может быть обеспечена, если:

1) в качестве заполнителя применяется промытый, очищенный, гидрофобизированный и уплотненный кварцевый песок определенного гранулометрического и химического состава;

2) защитный слой песка Н примерно в два раза больше высоты оплавления песка h электрической дугой (рис. 6.1);

 

а — при отсутствии защитного экрана;

б — при наличии защитного экрана

Рис. 6. 1. Схемы измерения защитного слоя песка и высоты оплавления:

 

На рис. 6. 2. показана зависимость толщины взрывозащитного слоя песка от тока трехфазного металлического короткого замыкания для неэкранированного и экранированного слоя.

Рис. 6.2. Зависимость высоты взрывозащитного слоя

от тока трехфазного короткого замыкания:

1— без экрана; 2— при наличии экрана

 

3) применяются специальные защитные заземленные экраны в местах возможного образования аварийного дугового разряда в песке, благодаря чему достигается уменьшение защитного слоя песка, а следовательно, уменьшение веса и габаритов оболочки электрооборудования, улучшается теплоотдача, повышается надежность защиты от утечек и устраняется опасность прожога электрической дугой оболочки электрооборудования.

 

3. З а п о л н е н и е т в е р д о й д у г о г а с я щ е й с р е д о й

Этот вид заполнения является наиболее старым способом защиты и в то же время наиболее надежным, хотя и имеющим сравнительно ограниченную область применения.

Наибольшее распространение этот способ получил при заполнении кабельных муфт компаундной массой, которая после заливки в разогретом состоянии затвердевает, обеспечивая полное преграждение доступа влаги к изоляции, а токоведущих частей — к контакту с газоопасной средой. Заполнение компаундной массой также применяется для трансформаторов небольшой мощности и многих аппаратов, не содержащих подвижных частей и не нуждающихся в доступе к внутреннему объему оболочки.

В последнее время в связи с широким внедрением средств автоматики,

к которым предъявляются требования высокой надежности и безотказности в работе, эта цель весьма успешно достигается заливкой отдельных элементов и блоков эпоксидной смолой.

 

4. З а п о л н е н и е и н е р т н о й г а з о в о й с р е д о й

Одним из наиболее эффективных способов обеспечения взрывобезопасности рудничного электрооборудования является заполнение

корпусов инертными газами под избыточным давлением (0,2—0,5 кг с /см²) (азот, углекислота и др.), имеющим следующие достоинства: а) повышенная по сравнению с воздухом теплопроводностью азота, допускающая более высокий нагрев и лучшее использование трансформатора; б) менее интенсивное старение изоляции вследствие отсутствия кислорода в заполняющей среде; в) отсутствие отсыревания изоляции, находящейся в сухой атмосфере азота.

Для обеспечения взрывобезопасности рудничного электрооборудования, заполненного инертной газовой средой, требуется выполнение: а) полная герметичность электрооборудования; б) сохранение постоянного давления путем подсоединения баллона высокого давления через специальный редуктор; в) наличие блокировки (манометрическое реле), автоматически отключающей газонаполненное электрооборудование в случае падения давления ниже установленной величины; г) наличие устройства контролирующего состав газовой смеси и автоматически отключающего электрооборудование при попадании внутрь последнего кислорода или метана.

Трудности обеспечения указанных требований в шахтных условиях до настоящего времени ограничивают использование этого способа взрывозащиты.

 

6.2.4.Специальные конструктивно-технологические взрывозащиты

1. Пластинчатая (пакетная) защита

Необходимость в достаточно интенсивном проветривании возникает при применении пусковых и регулировочных сопротивлений, реостатов, масляных выключателей, а также в случае применения контактных электротермометров и других устройств, перестающих выполнять свое назначение в случае заключения их в закрытую оболочку.

Для указанных и аналогичных случаев возникает необходимость в применении достаточно больших отверстий в оболочке, при помощи которых возможно обеспечить хорошее сообщение между внутренней полостью оболочки и внешней средой. Для этой цели применяется пластинчатая пакетная защита, выполняемая в виде пакетов из пластин, вставляемых в отверстия (окна) закрытых оболочек электрооборудования.

Для обеспечения взрывобезопасности расстояния (щели) между пластинами не должны превышать 0,5 мм. Пластины удерживаются на указанном расстоянии с помощью специальных прокладок или утолщения пластин в местах крепления. Пламя взрыва или горящие газы, проходя через эти щели, охлаждаются металлическими пластинами, а выходя наружу и быстро расширяясь еще более охлаждаются.

Чтобы обеспечить лучшее охлаждение, пластины изготовляются достаточной ширины (не менее 50 мм) и толщины (не менее 0,5 мм). Французские правила предписывают наименьшую ширину пластины 50 мм и толщину 2 мм при максимальном расстоянии между ними 0,5 мм.

Пластины выполняются из прочного материала не подверженного коррозии. Пластинчатые пакеты должны быть защищены от внешних повреждений. Снятие пакетов для очистки пластин от грязи и пыли должно быть возможно лишь при использовании специального инструмента.

Согласно немецким правилам для обеспечения эффективного снижения давления внутри оболочки и уменьшения нагрева пластин площадь отверстий должна быть не менее 60 мм² на 1 л свободного объема оболочки.

Пластинчатая защита обычно используется в качестве основного способа обеспечения взрывобезопасности аккумуляторных батарей для рудничных электровозов. Использование при этом катализаторов для окисления водорода (см. 6.4.4) и приборов для контроля за концентрацией водорода, а также ряда конструктивных и эксплуатационных мероприятий обеспечивают взрывозащиту такого батарейного ящика.

2. Защита путем продувания под избыточным давлением

Сущность этого вида защиты заключается в том, что все части электрооборудования, находящиеся под напряжением, а также магнитопроводы содержатся в атмосфере чистого воздуха или инертного газа под избыточным давлением, исключающим возможность проникновения внутрь плотно закрытых оболочек взрывоопасных газов, паров или пыли с воздухом. Продувание чистым воздухом нормального состава или инертным газом может осуществляться с замкнутым или разомкнутым циклом вентиляции.

Обеспечение взрывобезопасности при данном виде защиты может быть достигнуто при обязательном выполнении следующих требований:

а) отдельные части оболочки электрооборудования должны соединяться плотно, чтобы обеспечить минимальное просачивание воздуха. Воздух, поступающий для продувки электрооборудования, должен очищаться от пыли. Содержание инертной пыли в воздухе допускается не более 0,2 мг/м³;

б) должна быть предусмотрена блокировка, при которой пуск электрооборудования в работу возможен лишь после того, как через оболочку продуто количество воздуха, превышающее по крайней мере в 5 раз внутренний объем оболочки; вентилирующий поток воздуха должен быть направлен таким образом, чтобы скопившаяся до начала работы взрывоопасная смесь не оставалась во впадинах и углах корпуса электрооборудования;

в) должна быть предусмотрена блокировка, допускающая подачу напряжения только после продувки электрооборудования количеством воздуха или инертного газа объемом не менее пятикратного объема оболочки и воздухопроводов и отключающая или подающая

сигнал в случае падения избыточного давления, принятого

по расчету более чем на 50%, но не ниже 10 мм вод. ст.;

г) избыточное давление воздуха внутри продуваемого электрооборудования должно быть не менее 10 мм вод. ст.,

д) в случае невозможности продувки воздухом всех частей электрооборудования, нормально неискрящие части их (например, зажимы вводных коробок) могут быть заключены во взрывобезопасную оболочку.

В угольных шахтах известен целый ряд попыток применения инжекторов и других устройств для обдувания токоприемников рудничных контактных электровозов сжатым воздухом, сырым водяным паром и др. с целью недопущения метано-воздушной смеси к возникающей дуге между контактным проводом и токоприемником [12].

Использование защиты на принципе избыточного давления в оболочках электрооборудования заслуживает внимания как один из возможных путей обеспечения безопасного применения электрической энергии в шахтах, особо опасных по газу или пыли.

Детальные требования к электрооборудованию, продуваемому под избыточным давлением, приведены в ПИВРЭ.

 

3.Использование эффекта беспламенного горения

Одним из интересных и перспективных видов защиты является защита, основанная на использовании эффекта беспламенного горения (окисления), например в присутствии катализатора, газов, проникающих внутрь оболочки.

Горючие газы при соприкосновении с катализаторами (платиной, палладием, вольфрамом и другими благородными металлами и их полями) подвергаются двойному воздействию последних: 1) как собственно катализаторов, в частности ускоряющих сгорание газов и понижающих температуру их воспламенения, и 2) как абсорбирующих веществ, поглощающих своей поверхностью молекулы газов или продуктов их диссоциации.

Применяя соответствующий катализатор (например, хлористый палладий) в виде нити накаливания, подогретой до температуры, значительно ниже температуры воспламенения метано-воздушной или водородо-воздушной смеси, можно добиться медленного сгорания проникнувших внутрь оболочки горючих газов.

 

4. Использование бесконтактной связи приемника с источником тока

Стремление к отказу от громоздких и дорогих взрывобезопасных оболочек, требуемых для искрящих элементов электрооборудования, вызвало использование в рудничных условиях различных способов осуществления бесконтактной связи приемников с источником тока, исключающей появление опасной искры.

В настоящее время индуктивный принцип широко применяется в шахтах для рельсовых датчиков, концевых выключателей, индуктивных светильников и др. Особенно перспективно использование всамых разнообразных случаях магнитных усилителей, представляющих некоторое видоизменение индуктивного принципа и значительно расширяющих область его применения для бесконтактной связи между различными электрическими цепями.

Примером бесконтактной связи в шахтных условиях может служить также высокочастотная электровозная откатка.

 

5.Защита путем опережающего контроля и отключения

Для таких видов рудничного электрооборудования, как светильники,

кабели, средства электрического взрывания и т.п., обеспечение взрывобезопасности или искробезопасности обычными способами не представляется возможным.

Идея опережающего контроля и отключения основана на применении устройств, обеспечивающих автоматическое снятие напряжения до момента возникновения опасности открытого искрообразования или соприкосновения метано-воздушной атмосферы с искрящими или накаленными частями электрооборудования. К устройствам опережающего отключения предъявляются требования быстроты срабатывания и надежности действия.

Метод опережающего отключения в настоящее время наибольшее применение получил в электрических средствах взрывания и, в частности, во взрывных машинках и в приборах взрывания от электросети. Сущность этого метода заключается в том, что после посылки необходимого взрывного импульса в цепь электродетонаторов источник тока автоматически отключается от электровзрывной сети, что исключает опасность искрообразования в последней при повреждении или коротком замыкании электровзрывных проводов в результате воздействия взрывной волны пли осколков взрываемой горной массы.

В гибких кабелях автоматическое отключение тока производится при повреждении защитной оболочки кабеля в момент соединения токоведущей жилы с заземленным экраном или в момент соединения двух концентрических защитных экранов из медной сетки или полупроводящей резины. При этом срабатывает быстродействующее устройство.

Принцип опережающего контроля в настоящее время используется

в устройствах автоматического повторного включения, для опережающего контроля изоляции сети, непрерывности заземления и т. п.

Содержание отчета

• Тема и цель работы.

• Номер варианта и задание на выполнение лабораторной работы

• Указать возможные варианты специальных взрывозащит и область их применения

 

Выводы