Обеспечение искробезопасности элементов и систем рудничного электрооборудования

8.2.1. Влияние кабельных линий связи на искробезопасность электрических цепей

Большинство шахтных искробезопасных систем имеет кабельные линии связи, длина которых колеблется от нескольких десятков метров до десяти километров. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что параметры кабеля оказывают существенное влияние на искробезопасность цепи. При этом в зависимости от напряжения и тока источника питания, способов обеспечения искробезопасности как источников питания, так и реактивных нагрузок влияние кабеля проявляется различным образом. В одних случаях подключение кабеля не нарушает искробезопасность цепи и не требует изменения параметров искробезопасных источников питания. В других случаях такое подключение вызы­вает необходимость существенного уменьшения напряжения и тока коммутируемой цепи, а также изменения параметров средств искрозащиты.

В ряде работ при оценке влияния кабеля на искробезопасность цепей последний рассматривался как сосредоточенная индуктивность или емкость или сочетание этих элементов. Экспериментальные исследования показали, что часто такой подход является правомочным. Воспламеняю­щие значения токов и напряжений при замене реального кабеля на сосре­доточенную индуктивность или емкость отличаются на несколько десят­ков процентов. Однако распространить полученные выводы на все мно­гообразие сочетаний и параметров источников, нагрузок и кабеля не представляется возможным, так как на воспламенение газовой смеси одновременно воздействует целый ряд факторов, часто оказывающих противоположное действие.

К основным параметрам кабеля, определяющим искробезопасность цепи, относятся: сопротивление единицы длины кабеля, индуктив­ность единицы длины кабеля, емкость единицы длины кабеля, длина кабеля. Емкость кабеля в зависимости от вида и параметров источника питания и нагрузки оказывает как отрицательное, так и поло­жительное влияние на искробезопасность.

Рассмотрим влияние индуктивности, емкости и сопротивления кабе­ля на искробезопасность цепи. Кабель как линию с распределенными па­раметрами можно характеризовать волновым сопротивлением и скорос­тью распределения электромагнитной волны. Волновое сопротивление кабеля определяет величину тока в цепи при изменении на нем напряже­ния. Поскольку во время коммутации цепи напряжение на отдельных участках изменяется, от волнового сопротивления кабеля зависит вход­ной ток устройства искрозащиты в источниках питания, отключающихся при коммутации цепи.

Скорость распространения электромагнитной волны также оказывает большое влияние на искробезопасность цепи с устройствами, сокращаю­щими длительность разряда. В данном случае величина скорости имеет вид:

(8.1)

а время прохождения сигнала

(8.2)

где I_к - длина кабеля; L₀ - индуктивность единицы длины кабеля; С₀ — емкость единицы длины кабеля. При коммутации цепи в конце ка­беля длиною I_к сигнал о возникновении разряда поступит на вход искро­защиты только через время t. После отключения источника разряд пре­кратится также через время t. Таким образом, электрическая цепь раз­ряда будет обесточена через время 2t.

При увеличении длины кабеля энергия, выделившаяся за это время, может быть достаточной для воспламенения газовой смеси. В этом слу­чае повышения искробезопасной мощности цепи за счет отключения ис­точника питания при ее коммутации не достигается. Многообразие одно­временно действующих факторов, их неоднозначное влияние на харак­теристику электрических разрядов, а следовательно, и на искробезопас­ность цепи затрудняют решение вопросов обеспечения и оценки искро­безопасности электрических цепей, содержащих кабельные линии связи. Рассмотрим влияние параметров кабеля на эффективность работы искрогасящих шунтов, величину выделяемой в разряде энергии, а также на искробезопасность систем, отключающихся при коммутации цепи.

При оценке влияния кабеля на эффективность искрогасящих шунтов кабель был представлен в виде сосредоточенной индуктивности. При наличии емкостного шунта и отсутствии кабеля ток в разряде умень­шается до нуля, так как напряжения на источнике питания и шунтирую­щем конденсаторе равны и направлены встречно. При наличии кабеля между источником и нагрузкой ток в разряде сохраняется за счет индук­тивности кабеля. При этом напряжение на емкости уменьшается. Если энергии индуктивности кабеля достаточно, чтобы поддержать ток разря­да в течение времени, за которое напряжение на емкости уменьшится до U₀, то электрический разряд сохранится. Для уменьшения тока разряда до нуля необходимо, чтобы емкость шунта превышала значение, опреде­ляемое выражением:

(8.3)

где а - скорость нарастания напряжения на контактах, В/с; Е — напря­жение источника; R — сопротивление нагрузки; U₀ — напряжение зажи­гания дуги. При Е = 24 В; I = 0,5 А; U₀ = 10 В; а = 0,3x10⁶ В/с и индук­тивности кабеля 10^-4; 10^-3; 10^-2 Гн значения емкости составляют 0,2; 0,6 и 0,8 мкФ соответственно.

Время уменьшения тока от номинального значения до нуля при этом соответственно равно 7,6*10^-6; 55,3*10^-6 и 250*10^-6 с. Учитывая, что длительность разряда при размыкании такой цепи без емкостного шунта ограничена напряжением питания и составляет примерно 50*10^-6 с, ин­дуктивность кабеля, равная более чем 10^-3 Гн, делает неэффективным применение емкости в искрогасящих шунтах. При этом следует отме­тить, что энергия, запасенная в индуктивности и емкости кабеля не мо­жет оказать влияния на искробезопасность цепи. Далее приведены значе­ния энергии, запасенной в емкости и индуктивности кабеля длиной 500 м (L = 0,5 мГн, C = 0,1 мкФ) при мощности цепи 10 Вт и напряже­ниях от 10 до 200 В.

 

Зависимости параметров кабеля от нагрузок приведены в сводных таблицах, приведенных ниже

Таблица 8.1

Напряжение цепи, В
Ток в кабеле, А		0,5	0,33	0,25	0,2	0,1	0,05
Энергия емкости, мДж	0,005	0,02	0,045	0,08	0,125	0,5	2,0
Энергия индуктивности, мДж	0,25	0,0625	0,03	0,0132	0,01	0,0025	0,0006

 

Таблица 8.2

Наблюдаемые величины	Длина кабеля Iк, км
0.25	0.5
Время запаздывания (мкс) управляющего сигнала при токах. А:
0,3	1,75	3,5	6,5
0,6	1,75	3,5	6,5	-	-
Количество электричест­ва (нКл), поступающего на вход искрозащиты за 4 мкс, при токах. А:
0,3
0,6				-	-
Количество электричества (нКл), посту­пающего на вход искро­защиты за 10 мкс, при токах, А:
0,3
0,6				-	-

 

Таблица 8.3

Ток нагрузки, А	Длинна кабеля IK, км
0,25	0,5	1,0	3,0	5,0
Энергия, выделяемая в разряде W, мкДж при длительности TP,мкс
W	TP	W	TP	W	TP	W	TP	W	TP
0,3	10,4	3,9	20,3	7,6	41,3	15,2	117,5	43,5	115,4	51,8
0,6		4,2	41,7	7,6	82,2	15,2		43,5	263,1	69,1
1,0	48,5	7,5	87,8	14,2	131,2	15,9	302,8	43,5	361,2	69,1

 

При увеличении длины кабеля более 1 км происходит существенное уменьшение величины управляющего сигнала. Определим величину выделяемой в разряде энергии и длительность разряда при ус­ловии, что обеспечивается включение искрозащиты при поступлении уп­равляющего сигнала. При этом определяется полная энергия, выделяе­мая в разряде как источником питания, так и самим кабелем. Значения выделяемой энергии W и длительности разряда T_P в зависимости от дли­ны кабеля при различных токах нагрузки приведены в табл. 8.3.

Анализ полученных результатов позволил установить следующее. Длина кабеля оказывает существенное влияние на работу устройств искрозащиты отключающих источник питания. Сравнение энергии и длительности разряда в системах, содержащих и не содержащих такие устройства, показывает, что при длинах кабеля до 1 км энергетические характеристики разрядов в цепи, содержащей источник с управляемыми устройствами искрозащиты, значительно ниже характеристик разрядом в цепи без таких устройств. При длинах кабеля порядка 2—3 км влияние управляемой искрозащиты на энергию разряда сказывается незначительно. При длинах кабеля более 3 км характеристики разрядов для обоих случаев совпадают, а следовательно, повышения искробезопасной мощности не происходит. С увеличением чувствительности искрозащиты дет некоторое увеличение искробезопасной мощности за счет того, что при меньшем сигнале происходит ее срабатывание.

Существенное влияние длины кабеля на искробезопасность цепи не позволяет обеспечить передачу повышенной искробезопасной мощности через длинные линии связи. Повышение искробезопасной мощности в этом случае можно обеспечить, если блоки искрозащиты устанавливать по всей длине кабеля через определенные интервалы длины. Количество таких блоков зависит от длины кабеля, его параметров и тока, протекаю­щего в цепи. Так, например, если искробезопасность цепи с током 0,5 А обеспечивается при длине кабеля 750 м, а общая длина кабеля составля­ет 3000 м, то через каждые 750 м нужно устанавливать блоки искроза­щиты.

Рис. 8.1. Схема секционного блока искрозащиты для систем с кабелем

 

Если в цепи протекает ток в 1 А, а искробезопасность при этом токе обеспечивается при длине кабеля не более 500 м, то необходимо уста­новить уже 5 блоков искрозащиты. Если нагрузка распределена вдоль линии, т.е. по мере удаления от источника ток в кабеле уменьшается, то блоки искрозащиты устанавливаются через неравные промежутки длины кабеля.

На рис. 8.1 приведена схема секционного блока искрозащиты, обеспечивающего отключение кабеля при коммутации цепи и исключающего возможность питания нагрузки при обрыве и заземлении одной из жил кабеля. При нормальной работе транзистор VT1 закрыт, а транзисторы VT2 и VT3 открыты. При коммутации цепи зарядный ток фильтра Zоткрывает транзистор VT1, который шунтирует база-эмиттерный пере­ход транзистора VT2, вследствие чего последний запирается и обеспечи­вает искробезопасность цепи.

При обрыве одной из жил кабеля до и после блока искрозащиты и заземления этой жилы со стороны источника и нагрузки отключается ба­зовая цепь транзистора VT3 или VT2, вследствие чего один из них запи­рается и отключает нагрузку.

С помощью таких блоков искрозащиты, как показали испытания, в нагрузку передается, независимо от длины кабеля, вся мощность источника питания, за исключением потерь в линии связи.

 

8.2. Обеспечение искробезопасности систем автоматизации и управления горными машинами, систем сигнализации и громкоговорящей связи

8.2.1. Системы автоматизации и управления горными машинами

Поскольку существенное увеличение искробезопасной мощности достигается за счет отключения источника питания при коммутации цепи, в искробезопасных системах автоматизации, как правило, применяются источники питания различных типов, как отключающиеся при коммута­ции (ИП-24, ИП-27, ИП-36), так и не допускающие перерывов в питании (С 1, С 2).

Искробезопасные системы автоматизации (АРУС, МИУС, М—87А, УМА, К-103 и др.) содержат искробезопасные источники питания обоих типов, а также десятки электромагнитных реле и сотни элек­трогидропереключателей. Искробезопасность электромагнитных элемен­тов в большинстве случаев обеспечивается с помощью диодно-емкостных шунтов. Длина кабеля в системах автоматизации горных машин, как правило не превышает 500 м. В искробезопасных системах управления горными машинами широко применяется переменный ток. В качестве источников питания переменного тока используют феррорезонансные стабилизаторы и трансформаторы. Увеличение объектов управления и повышение на­дежности их работы требуют повышения искробезопасной мощности источников питания до десятков ватт, что может быть обеспечено и на постоянном токе с помощью отключения источников энергии при коммутации цепи. На переменном токе выделение сигнала, возникающего при коммутации цепи, проводят с помощью фильтров верхних частей, контролирующих наличие высокочастотных составляющих напряжения. На переменном токе повышение искробезопасной мощности также осложняется тем, что наряду с отключением источника питания необходи­мо проводить отключение и нагрузки. На рис. 8.2 приведена принципиальная схема питания системы управления десятью объектами. Система питания — от феррорезонансного стабилизатора С1, Т\/1. Искробезопасность стабилизаторов в режиме на­грузки обеспечивается с помощью блока искрозащиты, состоящего из двух фильтров верхних частот (ФВЧ), входы которых подключены к шинам питания, а выходы - к управляющим переходам тиристоров VS1, VS2, закорачивающих источник в момент коммутации.

Рис. 8.2. Принципиальная схема системы управления горными машинами

 

Сигналы, снимае­мые с резисторов R5, R6, подаются через диоды VD1, VD2 также на вход тиристоров VS1, VS2. При протекании в цепи нагрузки номинального рабочего тока величина этих сигналов недостаточна для включения ти­ристоров. В случаях закорачивания стабилизатора ток короткого замы­кания, протекающий через резисторы R5, R6, обеспечивает сигналы на управляющих входах тиристоров, включающие эти тиристоры. Таким образом обеспечивается искробезопасность источника питания в режиме короткого замыкания.

Искробезопасность нагрузки (первичной обмотки трансформатора ТV) создается блоком искрозащиты, состоящим из двух ФВЧ (С8, С9, R7 и С11, С12,R9), выходы которых подключены к управляющим входам тиристоров VS3, VS4, а входы - к шинам питания. Две последовательные RС-цепочки R8 - C10 и R10- C13 обеспечивают поддержание напря­жения (стабилизацию) на нагрузке до срабатывания блока искрозащиты на источнике.

При коммутации в линии связи на разрядном промежутке практи­чески мгновенно возникает минимальное напряжение зажигания дуги U₀. Это напряжение обеспечивается перенапряжениями, возникающими на вторичной обмотке трансформатора TV1 и на первичной обмотке трансформатора TV2. Соотношение между этими перенапряжениями за­висит от соотношения между емкостями блоков искрозащиты источника и нагрузки. Задержка фронта возникновения перенапряжения на первич­ной обмотке трансформатора TV2 обеспечивается, как упоминалось выше, двумя последовательными. RС-цепочками, включенными последо­вательно с управляющими переходами тиристоров VS3, VS4 и парал­лельно обмотке, а также тем, что суммарная (проходная) емкость ФВЧ нагрузки больше аналогичной емкости ФВЧ источника.

Увеличение напряжения на выходе источника питания с крутым фронтом Нарастания, т.е. на входе фильтров верхних частот С2... С4, R1, R2 и С5... С7, R3, R4, приводит к появлению на их выходах управляющих сигналов для тиристоров VS1 и VS2. Тиристор VS1 или VS2 срабатывает и закорачивает вторичную обмотку источника питания.

Закорачивание вторичной обмотки трансформатора TV1 приводит к возникновению э.д.с. самоиндукции обратной полярности на первич­ной обмотке промежуточного трансформатора TV2, которая является входным сигналом для фильтров верхних частот С8, С9, R7 и С11, С12, R9 вследствие чего на выходе фильтров появляется сигнал, которым включается тиристор VS3 или VS4. Один из тиристоров включается и закорачивает первичную обмотку промежуточного трансформатора TV2, отсекая источник энергии (обмотку) от разрядного проме­жутка.

Повышение искробезопасной мощности вторичных цепей трансформатора TV2 обеспечивается тем, что при коммутации любой из вторич­ных цепей срабатывает блок искрозащиты первичной обмотки. В момент коммутации на вторичной обмотке трансформатора TV2 возникает пере­напряжение, которое трансформируется в первичную обмотку этого трансформатора, что аналогично возникновению э.д.с. самоиндукции на этой обмотке. Возникновение э.д.с. самоиндукции на первичной об­мотке трансформатора TV2 приводит к срабатыванию блока искроза­щиты, шунтирующего первичную обмотку. Таким образом, при комму­тации вторичной цепи трансформатора TV2 происходит изоляция первич­ной обмотки от источника питания и шунтирование запасенной в ней электромагнитной энергии, а благодаря этому повышение искробезопас­ной мощности вторичных.

Разработанная искробезопасная система переменного тока используется в пульте оператора а механизированного угледобывающего комп­лекса ЦПУ (ТУ 12.48. 052—78), серийно выпускаемом Макеевским заво­дом шахтной автоматики. ЦПУ применяется в шахтах, опасных по газу или пыли, в лавах, разрабатывающих пласты пологого и наклонного падения, оборудованных механизированными комплексами, и преду­сматривает возможность совместной работы с пускателями, магнитной; станцией СУВ-350, аппаратурой контроля работы конвейера КДК, аппа­ратурой контроля гидросистемы АКГ, аппаратурой автоматизации комбайна САУК, аппаратурой связи. Пульт оператора предназначен для дистанционного управления десятью коммутационными аппаратами включающими двигатели механизмов комплекса, а также для индикации контроля их работы.

В комплект аппаратуры входят: пульт оператора (ПО), источник питания (ИП), клеммная коробка, концевые блоки Б1, Б2 и кабельные перемычки.