Разработка методики расчета и средств обеспечения искробезопасности силовых исполнительных устройств для систем управления проветриванием шахт, опасных по газу

В В Е Д Е Н И Е В" Основных направлениях эконошческого и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.", принятых ХХУ1 съездом КПСС, ставится задача дальнейшего развития добычи угля I Интенсификация добычи угля и увеличение глубины разработок приводят к росту газовыделения в горных выработках. В связи с этим для обеспечения безопасных условий труда и ослабления влияния газового фактора на производительность добычных комплексов возникает необходимость дальнейшего совершенствования проветривания шахт. Одним из основных направлений совершенствования проветривания угольных шахт является переход на непрерывное распределение воздуха с помощью автоматизированных систем управления. Автоматизация проветривания, кроме повышения безопасности труда, позволит осуществить экономию электроэнергии. Так, исследования, проведенные в институте КШШ1, показали, что по ПО «Карагандауголь» потенциальная экономия электроэнергии при автоматизации проветривания составит 172,618 млн. кВт ч в год, а в денежном выражении II05 тыс. руб. в год. Экономия электроэнергии достигается за счет уменьшения избыточного количества воздуха в шахте путем оперативного управления распределением его между технологическими участками. Необходимыми элементами систеьш распределения воздуха между технологическими участками являются регуляторы расхода воздуха (РЕВ), устанавливаемые на вентиляционных штреках. Для приведения их в действие с центрального пульта управления требуются силовые исполнительные устройства с усилием до 1500 Н, ходом до 0,1 м и временем срабатывания порядка I мин. 2, 3 Подобные силовые исполнительные устройства необходимы для приведения в действие воздухораспределительных устройств/У1В)в системах автоматического разгазирования тупиковых выработок, газоотсасывающих установок{для открывания вентиляционных и стволовых дверей и противопожарных ляд необходимы еще более мощные приводы. Для питания силовых исполнительных устройств целесообразно использовать электрическую энергию, т.к. по сравнению с пневмоэнергией электрическая аппаратура и линии связи имеют меньшую стоимость, габариты, отличаются простотой, их системы управления обладают большими функциональными возможностями. Кроме этого в угольной промышленности принят в качестве генерального направления общий переход с пневматической энергии на электрическую. Поскольку перечисленные механизмы (РЕВ, УЕВ, вентиляционные двери и др.) должны сохранять работоспособность при любом содержании метана в рудничной атмосфере, то силовые исполнительные устройства, в свою очередь, должны иметь уровень взрывозащиты «Рудничный особовзрывобезопасный» (РО), т.к. электрооборудовалие с таким уровнем согласно «Правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах» допускается к работе при любом содержании метана в рудничной атмосфере 4 Уровень взрывозащиты РО может быть обеспечен 5 а) искробезопасным исполнением всей электрической системы (это возможно, когда во всех ее элементах токи и напряжения не выходят за искробезопасные пределы 6 б) искробезопасным исполнением всех внешних (кабельных) линий систеьш и заключением в специальные взрывонепроницаемые оболочки отдельных частей системы, токи и напряжения в которых выходят за искробезопаснне пределы. Взрывозащита кабельных линий может быть осуществлена путем применения опережающего отключения (§ 389 «Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах» 4 но оно связано с использованием дорогих экранированных кабелей, сложной и громоздкой аппаратуры, поэтому его применение в системах небольшой мощности нерационально, В качестве исполнительного механизма в приводах с искробезопасной линией питания целесообразно использовать электромагнит, или электродвигатель постоянного тока, так как современные методы повышения искробезопасной мощности источников питания обеспечивают существенно большую величину мощности на постоянном токе, чем на переменном 7−9 В механизмах с импульсным характером работы, реализующих мощность, выходящую за пределы искробезопасной, могут быть использованы приводы с искробезопасной линией питания, имеющие промежуточный накопитель энергии. Такими механизмами являются вентиляционные двери, противопожарные ляды, для которых необходимы приводы с мощностью 0,5−1 кВт. Таким образом, разработка методик расчета и средств обеспечения искробезопасности силовых исполнительных устройств для систем управления проветриванием шахт является актуальной задачей. Работа выполнена в лаборатории систем электроснабжения угольных предприятий И1Д им. А. А. Скочинского в рамках тематического плана института и отраслевого плана Минуглепрома СССР, в которых автор является ответственным исполнителем с 1967 г. 1967 г., тема 40, этап 36 «Разработка искробезопасного исполнительного устройства с повышенным усилием срабатывания» .1968 г., тема 34 гос. регистрации 68 007 954), этап 36 «Разработка экспериментального образца искробезопасного электромагнитного исполнительного устройства с повышенным усилием срабатывания». 1969 г., тема 43 гос. регистрации 69 035 079), этап 5 «Создание источников питания и электроприводов для згпразления элементами горных машин и комплексов, в шахтах, опасных по внезапным выбросам угля и газа». 1970 г., тема 45 гос. регистрации 70 009 416), этап За «Разработка теории, способов и средств искробезопасного применения электричества во взрывоопасной атмосфере». I97I-I975 гг., тема 0120 (J гос. регистрации 72 039 909), этапы 2а и 0I20020I00 «Создать искробезопасный привод дистанционного управления вентиляционным окном» — этап 12 002 0300(a) «Испытать опытные образцы и разработать рабочие проекты на опытнопромышленные образцы искробезопасных приводов дистанционного управления вентиляционным окном и стрелочным переводом» — этап 12 002 0000(1) «Создать мощные искробезопасные приводы и основы проектирования цепей управления шщными тиристорами. I976-I980 гг., тема 0II6 {В гос. регистрации 76 049 496) — I98I-I983 гг., тема 0II4800000 гос. регистрации 8I084I46), работа 0II6I7000- 0II4807000 „Создать и внедрить силовые исполнительные устройства (приводы) многоцелевого назначения исполнения РО для систем автоматического регулирования и управления“. I982-I983 гг., тема 150 942 000 гос. регистрации 1 826 042 832) „Разработать электропривод задатчика разрежения в исполнении РО“. I982-I983 гг., тема 0I5096I000 (Л гос. регистрации 81 068 643) „Разработать искробезопасный импульсный электромагнитный привод“. В диссертации защищаются следующие научные положения. 1. Зависимости энергии разрядов размыкания от параметров источников питания и силовых исполнительных устройств, отличающиеся тем, что они учитывают нелинейность нагрузочной характеристики источника питания. 2. Впервые установлены зависимости эквивалентных индуктивноотей от параметров микроэдектродвигателей при перемежающемся коротком замыкании на линии питания. Это позволит производить оценку иокробезопасности цепей микроэдектродвигателей постоянного тока в данном коммутационном режиме по характеристикам искробезопасности, 3. Впервые предложен принцип построения искробезопасных э ш к тромагнитов на практически любые значения усилий и ходов срабатывания. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием теории сложных индуктивных цепей, методов математической статистики, близостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (15−18). Практические результаты работы: доказана возможность создания силовых исполнительных устройств с уровнем взрывозащиты РО для систем управления проветриванием шахт, опасных по газуразработана методика расчета искробезопасных электромагнитов разработана методика расчета электроприводов с накопителем энергии в виде герметичных аккумуляторов, питаемых по искробезопаоной линииразработаны рекомендации по обеспечению уровня взрывозащиты РО цепей электроприводов постоянного тока. Результаты работы использованы ВНИИВЭ при разработке ГОСТ 22 782.0−81 „Электрооборудование взрывозащищенное. Общие технические требования и метода испытаний“, ГОСТ 22 782.6−81 „Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты „взрывонепроницаемая оболочка“ — КНИУИ, И1Д им. А. А. Скочинского и заводом „Красный металлист“ при разработке средств обеспечения искробезопасности и создании силовых исполнительных устройств типа 11ЭИ-4 и СИУ-1 с уровнем взрывозащиты РО для подсистемы диспетчерского контроля и управления проветриванием „АТМОС“. Десять силовых исполнительных устройств типа ПЭИ-4 использованы на шахте им. 50-летия Октябрьской революции ПО „Карагандауголь“ с 1976 по 1979 г., а с 1983 г. заводом „Красный металлист“ (г.Конотоп) освоено производство СИУ-1, предназначенных для применения в подсистеме „АТМОС“ на шахтах ПО „Карагандауголь“. Основное содержание работы и отдельные ее положения были доложены на I конференции молодых ученых ИГД им. А. А. Скочинского (г. Москва, 1966 г.), научных семинарах отделения электрификации (1967;1983 гг“), заседаниях секции НТО ГИ по подземному электрооборудованию, приводу и средствам рудничного освещения при И Щ им. А. А. Скочинского (I972-I983 гг.). По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ и получено I авторское свидетельство. Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору В. И. Серову, кандидатам технических наук А. Т. Ерыгину и А. Л. Западинскому за научно-методические рекомендации и консультации по теме диссертации. II I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Исследования, создавшие предпосылки для разработки мощных силовых исполнительных устройств с искробезопасной линией питания До недавнего времени понятие искробезопасности ассоциировалось с представлением о крайне ограниченной мощности этих систем и невозможностью передачи по искрбезопасным линиям мощности, позволяющей привести в действие исполнительные устройства с большими усилиями и ходами срабатывания. В искробезопасной исполнении изготавливались только электромагниты на усилия до 300 Н и хода до 5*10″ м, а также реле с усилиями до десятков ньютонов 10−12 Силовые электроприводы с уровнем взрывозащиты РО в СССР и за рубежом не применялись. В то же время в I940-I970 гг. проведены исследования воспламеняющей способности электрических разрядов в искробезопасных индуктивных цепях (какими являются цепи силовых исполнительных устройств электромагнитов и микроэлектродвигателей), в результате которых были созданы предпосылки повышения мощности искробезопасных цепей и источников питания. Проанализируем работы, направленные на повышение мощности индуктивных цепей. При этом опустим анализ работ, касающихся других вопросов теории искробезопасности (теории воспламенения взргвчатых газовых сред от электрического разряда, выбора критерия его воспламеняющей способности, определения связи между параметрами цепи и восплаьюняющей способностью коммутационных разрядов, разработки методов испытания электрических цепей на искробезопасность и т. д.), выполненных Д. Морганом, В. С. Кравченко, П. Ф. Ковалевым, В. И. Серовым, Б. А. Петренко, А. Т. Ерыгиннм, Э. Г. Коганом, В. П. Виноградовым и др. Одной из первых работ по увеличению мощности индуктивных искробезопасных цепей является работа Уиллера, в которой для снижения воспламеняющей способности цепи предложено снабдить электромагнит (индуктивный элемент) шахтного сигнального звонка короткозамкнутой обмоткой /13, 14 Кравченко B.C. сформулировал универсальный критерий оценки воспламеняющей способности электрических цепей, показывающий пути повышения мощности искробезопасных систем 15−21 Сущность этого критерия состоит в том, что воспламеняющая способность разряда в индуктивной цепи определяется величиной энергии, выделяемой в разряд от источника питания и магнитного поля индуктивного элемента пасности цепи имеет вид т. е. условие искробезоА= где Л <1−1 min минимальная энергия воспламенения взрывчатой среды от электрического разряда- /I энергия коммутационного разрядаЕ ЭДС источникаI ток цепи- 1_ статическая индуктивность цепиУ» время разряда. Выражение (I.I) позволяет определить максимально-допустимую искробезопасную мощность индуктивной цепи гтох 1 L л- 6(АтпJ. 1Г) Lr 12 Как следует из (1.2), существуют два пути повышения мощности индуктивной цепи: снижение энергии, поступающей в разряд из индуктивности Z, уменьшение энергии, поступающей в разряд из источника питания, за счет сокращения длительности разряда. Снижение энергии, поступающей в разряд из индуктивности цепи, может осуществляться шунтированием индуктивных элементов диодами, омическими сопротивлениями, стабилитронами, конденсаторами, применением индуктивных элементов с короткозамкнутыми витками и т. д. Для сокращения длительности коммутационного разряда разрабатывают специальные источники с искусственным сокращением его длительности. В. И. Серов установил, что при шунтировании индуктивности энергии выделяемая из ее магнитного поля в разряд, определяется не ее статической величиной L, а эквивалентной L 9кВ и вывел расчетные формулы для определения эквивалентных индуктивностей цепей при использовании различных средств гашения магнитной энергии 23−27 Вопросам расчетной оценки индуктивных цепей с искрогасящими шунтами посвящены также работы Б. А. Петренко, Б. М. Фурманова, А. И. Султановича, В. А. Рувинского, А. Т. Ерыгина и др. Сокращение длительности электрического разряда с целью повышения мощности искробезопасной цепи может быть достигнуто путем применения быстродействующего коглмутационного элемента,.

6. Результаты работы использовались:

— при разработке ГОСТ 22 782.0−81 «Электрооборудование взрыво-защищенное, Общие технические требования и методы испытаний», ГОСТ 22 782.6−81 «Электрооборудование взрывозащищаемое с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» ;

— при выборе защитных средств по обеспечению искробезопасности и разработке электроприводов с уровнем взрывозащиты РО (ПЭИ-4, СИУ-1, ЭИ, ПЭИ-3), которые развивают усилие до 5000 Н при ходе до 0,1 м. Разработка средств обеспечения искробезопасности и создание силовых исполнительных устройств позволяет осуществлять электрическими средствами управление рядом механизмов (регуляторами расхода воздуха РРВ, распределительным устройствами систем разгазирования тупиковых выработок УРВ, вентиляционными дверями и т. д. в системах проветривания в шахтах, опасных по газу, при любых взрывоопасных концентрациях метана в рудничной атмосфере.

Расчетный экономический эффект от внедрения силовых исполнительных устройств на шахтах Минутлепрома составит 1022 руб. на I комплект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи — установлены зависимости воспламеняющей способности коммутационных разрядов от параметров силовых исполнительных устройств (электромагнитов и микроэлектродвигателей) для разработки методик расчета и средств обеспечения их искробезопасности, что позволит повысить безопасность применения электрической энергии во взрывоопасной атмосфере угольных шахт.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Воспламеняющая способность разрядов размыкания цепи, состоящей из источника питания с любой нагрузочной характеристикой и индуктивного элемента с диодным шунтом, не зависит от активного сопротивления индуктивного элемента (следовательно, от его эквивалентной индуктивности) при падении напряжения на активном сопротивлении меньшем напряжения зажигания дугового разряда.

При падении напряжения на активном сопротивлении индуктивного элемента большем напряжения зажигания дугового разряда воспламеняющая способность разрядов размыкания с увеличением активного сопротивления индуктивного элемента снижается.

2. Установлено, что искробезопасность цепи не нарушается при подключении индуктивного элемента с диодным шунтом к источнику питания (с любой нагрузочной характеристикой), искробезопасному в режиме короткого замыкания.

3. Показано, что путем увеличения статической индуктивности электромагнита возможно теоретически неограниченно увеличивать его усилие при потреблении им искробезопасной мощности.

4. Установлено, что наиболее опасным коммутационным режимом (с точки зрения воспламенения взрывоопасной рудничной атмосферы) в цепях с микроэлектродвигателями постоянного тока является перемежающееся короткое замыкание на линии питания. Получены аналитические зависимости эквивалентных индуктивностей от параметров цепей микроэлектродвигателей постоянного тока при перемежающемся коротком замыкании на линии питания, с использованием которых может производиться оценка на искробезопасность данных цепей по характеристикам искробезопасности.

5. Разработана методика расчета электроприводов с накопителем энергии в виде герметичных аккумуляторов, использование которой позволяет выбрать электропривод минимальных габаритов и эксплуатировать накопитель в режиме непрерывного подзаряда.