Дополнительные сведения по конструированию и оценке искробезопасности - Искробезопасная электрическая цепь i - ГОСТ Р 51330.10-99

ПРИЛОЖЕНИЕ А.1

(справочное)

Дополнительные сведения по конструированию и оценке искробезопасности электрооборудования

А1.1 Блок искрозащиты на стабилитронах
А1.1.1 Блок искрозащиты на стабилитронах (БИС) представляет собой узел законченной конструкции, удовлетворяющей требованиям настоящего стандарта. Он служит в качестве разделительного элемента между искробезопасными и искроопасными цепями. БИС состоит из шунтирующих стабилитронов и последовательно включенных резисторов или резисторов и предохранителей (рисунок А1.1). Все элементы БИС должны представлять собой единый неразборный блок, залитый компаундом, устойчивым в условиях эксплуатации.
А1.1.2 На переменном токе применяют схему БИС со встречновключенными стабилитронами (рисунок А1.1б).
А1.1.3 В частном случае в БИС может отсутствовать балластный резистор R2 (рисунок А1.1в).
A1.1.4 Мощность, рассеиваемую резистором R1, определяют исходя из режима с захороненными стабилитронами. Мощность, рассеиваемую резистором R2, определяют по формуле
,                                                         (А1.1)
где U - напряжение на стабилитроне VI, В.
A1.1.5 Цепь БИС, не содержащая предохранителя или резистора, должна заземляться.
А1.1.6 Допускается не заземлять цепь блока искрозащиты при условии, что пути утечки и электрические зазоры между связанными с ним искроопасными цепями и землей не ниже значений, указанных в таблице 4 настоящего стандарта.
A1.1.7 Искробезопасность электрических цепей с взрывозащитой уровней ib и ic обеспечивается БИС (рисунки A1.1a, A1.1б, A1.1в), имеющими гальваническую связь точек 1,2 с сетевыми трансформаторами общего назначения, удовлетворяющими условиям эксплуатации.

А1.1.8 Искробезопасность электрических цепей с уровнем взрывозащиты ia обеспечивается БИС (рисунки A1.1г, A1.1д), устанавливаемыми вне взрывоопасных помещений, имеющими связь точек 1,2 с сетевыми трансформаторами общего назначения, конструкция и электрические параметры которых удовлетворяют условиям эксплуатации.

А1.1.9 Устройство для присоединения БИС (по А1.1.8) к заземлению должно дублироваться и, совместно с заземляющим проводом, рассчитываться на 10-кратный номинальный ток предохранителей, установленных в БИС. Они должны выдерживать механические нагрузки, возможные в условиях эксплуатации.
A1.1.10 В БИС (рисунок А1.1д) напряжение срабатывания стабилитронов V1, V2 должно быть выше, чем стабилитронов V3, V4, а мощность, рассеиваемую резисторами R1, R2, рассчитывают по формуле
,                                                          (А1.2)
где DU2 - разность напряжений срабатывания стабилитронов V1, V2 u V3, V4, В;
R - сопротивление резисторов R1, R3, Ом.

а - схема блока с балластным резистором, б - схема блока с балластным резистором для переменного тока, в - схема блока без балластного резистора, г - схема блока переменного тока с балластными резисторами и заземленной средней точкой стабилитронов; д - схема блока для переменного тока с балластными резисторами, с дублированием стабилитронов и заземленной их средней точкой; 1-2 - к искроопасной цепи; 3-4 - к искробезопасной цепи,
V1, V2, V3, V4 - шунтирующие стабилитроны; F1, F2 - предохранители; R1, R3 - токоограничительные резисторы; R2, R4 - балластные резисторы

Рисунок А1.1. Принципиальные электрические схемы блоков искрозащиты на стабилитронах

A1.1.11 БИС по A1.1.7 и А1.1.8 должны быть рассчитаны на попадание в точки 1, 2 напряжения сети. Расчетная оценка искробезопасности выходных цепей БИС приведена в А1.2.
А1.2 Расчетная оценка искробезопасности выходных цепей блоков искрозащиты на стабилитронах (БИС)

Приведенная оценка искробезопасности применима для безреактивных и индуктивных цепей с блоками БИС.
А1.2.1 Условные обозначения, применяемые при расчетной оценке искробезопасности:
R1 - сопротивление ограничительного резистора, установленного до стабилитрона, Ом;
R2 - сопротивление балластного резистора, установленного после стабилитрона, Ом;
К = Е/Uст - кратность напряжений - отношение максимально возможной при аварийном состоянии электрооборудования ЭДС (Е), попадающей на вход блока защиты, к порогу его срабатывания (Uст). Для цепей выпрямленного тока Е равно амплитудному значению ЭДС источника тока;
В = R2/(R1 + R2) - кратность сопротивлений - отношение сопротивления балластного резистора к сумме сопротивлений ограничительного и балластного резистора;
L - индуктивность элементов искроопасной цепи, устанавливаемых до БИС, Гн;
Lэкв - индуктивность цепи без защиты - эквивалентной по воспламеняющей способности цепи БИС, Гн;
b = Lэкв/L - кратность индуктивностей - отношение индуктивностей эквивалентной и испытуемой цепей;
I - воспламеняющий ток для рассчитываемой цепи БИС, А;
I0, I0* - воспламеняющие токи безреактивной и индуктивной цепи без БИС с ЭДС источника, равной напряжению на разрядном промежутке цепи, зашунтированной стабилитроном (эквивалентная цепь), А;
К1 = I0/I - кратность токов - отношение воспламеняющего тока эквивалентной цепи (безреактивной цепи, ЭДС источника Е = Uст) к воспламеняющему току цепи с блоком защиты. Применение БИС наиболее эффективно при К≥2.
Для определения воспламеняющих токов на выходе БИС необходимо знать:
- значение максимально возможной ЭДС, попадающей на блок защиты;
- значение напряжения стабилизации (порога срабатывания) блока защиты;
- значения воспламеняющих токов эквивалентных цепей согласно характеристикам искробезопасности (приложение А);
- для схемы БИС (приведенной на рисунке А1.1a (с резисторами R1 и R2), дополнительно необходимо определить кратность сопротивлений;
- для индуктивных цепей - значение индуктивности элементов, установленных до БИС.
А1.2.2 Для блока искрозащиты без балластного резистора R2=0 (рисунок А1.1в) при безреактивном характере цепи расчет сопротивления R1 проводят следующим образом:
- определяют Е на входе БИС;
- выбирают напряжение срабатывания стабилитрона Uст;
- определяют кратность напряжений К;
- задают значение безразмерного коэффициента а = 1, вычисляют значение Ка;
- по рисунку А1.2 определяют кратность токов I0/I;
- по характеристикам искробезопасности, приведенным в приложении А (рисунок А.1), для напряжения, равного порогу стабилизации Uст, определяют значение тока L0;

Рисунок А1.2. Зависимость кратности токов от К и К×а

- сопротивление резистора R определяют по формуле
,                                                    (А1.3)
где К1 - коэффициент искробезопасности.
Полученное значение R1 проверяют по допустимой нагрузке стабилитрона
,                                                     (А1.4)
где  - допустимый ток через стабилитрон с учетом коэффициента нагрузки, А.
А1.2.2.1 Для определения воспламеняющего тока безреактивных цепей находят кратность напряжений К, соответствующую ей кратность токов по рисунку А1.2. Затем по характеристикам искробезопасности для безреактивных цепей (приложение А, рисунок A.1) при напряжении, равном порогу стабилизации, определяют значение тока I0. Зная последнее и кратность токов, рассчитывают искомый воспламеняющий ток для цепи с защитой. Поделив значение воспламеняющего тока на Кi, определяют искробезопасный ток.
А1.2.3 Расчет сопротивления резистора R1, при включении индуктивности в искроопасную цепь и R2 = 0 проводят в следующем порядке:
- определяют значения Е, Uст, К;
- задают три произвольных значения безразмерного коэффициента а;
- при помощи зависимостей кратностей индуктивностей и токов от значения коэффициента а (рисунок А1.3) для данного значения К находят соответствующую кратность эквивалентной и действительной индуктивности В, а по кривой I0/I0* = а на рисунке А1.3 для выбранных значений а определяют кратность токов
K0 = I0/I0*,                                                           (A 1.5)
- no характеристике искробезопасности для безреактивной цепи (приложение А, рисунок А.1) для значения Е = Uст находят значение тока I0;
- зная I0 и кратность токов, находят значение I0 для каждого из выбранных значений а по формуле
I0* = I0/ K2,                                                            (A 1.6)
- определяют значение эквивалентной индуктивности для каждого из выбранных значений а по формуле
Lэкв = BL,                                                             (A 1.7)
- используя характеристики искробезопасности для индуктивной цепи (приложение А, рисунки А.7-А.10), строят графики I0* = f(L); точка пересечения графика с зависимостью I =f(L) при Е = Uст равна току I0*;
- по кривой I0/I0* = а на рисунке А1.3 для найденных значений I0 и I0* определяют окончательное значение величины а.

Рисунок А1.3. Зависимость кратностей индуктивностей и токов от значения коэффициента а

Находят произведение К а и по рисунку А1.2 определяют кратность токов
К1=I0/I,                                                              (А1.8)
а следовательно и искомый воспламеняющий ток;
- сопротивление ограничительного резистора R, Ом, определяют по формуле
,                                              (А1.9)
где R,- активное сопротивление индуктивного элемента, Ом;
полученное значение R, Ом, проверяют по допустимой нагрузке стабилитрона
,                                                (А1.10)
А1.2.4 Расчет сопротивлений R1 и R2 независимо от значения индуктивности, включенной в искроопасной цепи, проводят в следующем порядке (при условии В ≥ 1/К):
- определяют Е, Uст, К;
- по характеристикам искробезопасности определяют искробезопасный ток I0 при Е = Uст;
- определяется сопротивление R2, Ом, по формуле
,                                                  (А1.11)
Максимум выделяемой на нагрузке мощности обеспечивается при
,                                                  (А1.12)
А1.2.4.1 При включении индуктивных элементов после БИС, рассчитанного приведенным выше способом, значения воспламеняющих токов определяют по характеристикам искробезопасности для соответствующих напряжения и индуктивности.
А1.2.5 Искробезопасный ток безреактивной цепи при заданных (выбранных) значениях R1 и R2 при выполнении условия В ≤ 1/К рассчитывают в следующем порядке:
- определяют значения В и К;
- определяют значение вспомогательного параметра
Х=(К-1)/К(1-В);                                                     (А1.13)
- по значению Х (рисунок А1.4 определяют кратности токов I0/I (зависимость 1) и напряжений Up/Е (зависимость 2);
- по значению Е и кратности напряжений определяют Up;
- по характеристикам искробезопасности (приложение А, рисунок А.1) определяют ток эквивалентной цепи I0 при Е == Up;
- по кратности токов и значению I0 определяют воспламеняющий ток I в цепи БИС, деление которого на коэффициент искробезопасности К дает искробезопасный ток.
А1.2.5.1 Для цепи, рассчитанной таким образом, при включении индуктивных элементов в искроопасную цепь, искробезопасный ток уменьшается на 30% от рассчитанного независимо от величины индуктивности.
А1.3 Активизация испытательных взрывоопасных смесей повышением давления
В качестве испытательных могут использоваться водородно-кислородные смеси, состав которых устанавливается в соответствии с таблицей А1.3.1. При этом в случае использования искрообразующего механизма I типа давление смеси во взрывной камере устанавливают 0,22 МПа, а для искрообразующих механизмов II и III типов - 0,3 МПа. Параметры контрольных цепей выбирают в соответствии с 10.3 и приложением Б.

Рисунок А1.4. Зависимости кратности токов (1) и напряжений (2) от параметра Х=(К-1)/К(1-В)

Таблица А1.3.1

А1.4 Методика определения минимального воспламеняющего тока (напряжения, энергии, мощности)
А1.4.1 Определение минимального воспламеняющего тока (напряжения, энергии, мощности) проводят с помощью установок для проведения контрольных испытаний электрических цепей на искробезопасность, указанных в приложении Б по подобным методикам. Ниже, в качестве примера, приведены методики определения минимального воспламеняющего тока и минимального воспламеняющего напряжения.

1 Определение минимального воспламеняющего тока
1.1 В исследуемой цепи постоянного или переменного тока при заданном постоянном напряжении (для омической цепи) или постоянном напряжении и индуктивности (для индуктивной цепи) определяют ток, вызывающий воспламенение смеси с вероятностью (2¸5)×10-1 (1-я точка); 10-2¸10-1 (2-я точка) и 10-3¸10-2 (3-я точка).
1.2 По полученным трем экспериментальным точкам в прямоугольной системе координат с равным логарифмическим масштабом по оси абсцисс и ординат строят зависимость Р = f(I). По оси ординат откладывают полученную вероятность воспламенения, а по оси абсцисс - соответствующий ей ток. В случае, когда по трем точкам построение прямой линии затруднено, в промежутке между имеющимися находят еще несколько точек (одну, две) тем же способом.
1.3 Прямую линию зависимости Р = f(I) продолжают до пересечений с осью абсцисс при вероятности 10-3. Ток, соответствующий точке пересечения, принимают в качестве минимального воспламеняющего.
1.4 Для расчета вероятности воспламенения в каждой экспериментальной точке должно быть получено не менее 16-20 воспламенений смеси. Вероятность воспламенения определяют по формуле

Р = т/п,                                                             (А1.14)
где т - количество воспламенений смеси;
п - общее количество произведенных искрений.
2 Определение минимального воспламеняющего напряжения
2.1 В исследуемой цепи постоянного или переменного тока при заданном постоянном значении емкости и постоянном сопротивлении разрядного резистора устанавливают такие напряжения, которые вызывают воспламенение смеси с вероятностями (2¸5)×10-1; 10-2¸10-3 и 10-3¸10-2, аналогично тому, как это указано в 1.1-1.3 настоящего приложения.
2.2 По полученным данным строят зависимость Р = f(V) аналогично 1.2 настоящего приложения. Но при этом по оси абсцисс откладывают напряжения.
2.3 Точку пересечения полученной прямой линии с осью абсцисс при вероятности 10-3 принимают за минимальное воспламеняющее напряжение. Расчет вероятностей проводят аналогично 1.4 настоящего приложения.
2.4 При определении воспламеняющих напряжений без отключения емкости от источника заряда, ток в зарядной цепи должен быть не более 2 мА. При определении минимального воспламеняющего напряжения с отключением емкости от источника заряда необходимо следить за тем, чтобы, подключение заряженной емкости происходило в момент разомкнутого состояния контактов искрообразующего механизма.
2.5 Графики получаемых зависимостей Р = f(I) или Р = f(U), а также электрические схемы, используемые для их получения, показаны на рисунке А1.5.
Угол наклона прямой Р = f(I) или Р = f(U) к оси абсцисс вычисляют по формуле
,                                   (А.1.15)
где Р2, Р1 - полученные вероятности воспламенения;
I2, I1 - соответствующие им воспламеняющие токи (напряжения, энергии, мощности), А.

1 - омическая цепь; 2 - индуктивная цепь; 3 - емкостная цепь без отключения емкости;
4 - емкостная цепь с отключением емкости; R - резистор для регулировки тока в цепи;
R - резистор для заряда емкости; R - разрядный резистор; ИМ - искрообразующий механизм;
I - воспламеняющий ток; U - воспламеняющее напряжение

Рисунок А1.5. Зависимости вероятности воспламенения от значения воспламеняющего тока или напряжения. Электрические схемы контрольных цепей

А1.5 Построение характеристик искробезопасности
А1.5.1 Характеристики искробезопасности строят, как правило, в прямоугольной системе координат с логарифмическим масштабом. Методики построения характеристик искробезопасности для различных воспламеняющих параметров (тока, напряжения, мощности и энергии) Электрических цепей и электрических разрядов подобны. Экспериментальные точки (воспламеняющие параметры) определяют, например, для цепей с индуктивностью: 1, 10, 100 мкГ; 1, 10, 100 мГн; 1, 10 Гн и т.д. или с емкостью 100, 1000, 10000, 100000 пФ; 1, 10, 100 мкФ и т.д.; с разрядными резисторами: 1, 10, 100, 1000 Ом и т.д. Однако при необходимости экспериментальные точки выбирают в соответствии с требованиями решаемой задачи. Значения напряжения принимают исходя из удобств их дальнейшего использования. Обычно это 7,5; 15; 24; 30; 45; 70; 120 В.
А1.5.2 На рисунках А.7-А.10, А.20-А.22 и А1.6-A1.15 приведены зависимости минимальных воспламеняющих токов и напряжений для всех представительных взрывоопасных смесей оптимального состава, полученные с помощью унифицированного искрообразующего механизма (см. приложение Б).
Характеристики приведены к вероятности воспламенения Р = 10-3.
Для определения по характеристикам искробезопасного значения тока (или другого воспламеняющего параметра) необходимо для заданных электрических параметров цепи определить минимальный воспламеняющий ток (воспламеняющий параметр) для заданной взрывоопасной смеси и затем разделить его на коэффициент искробезопасности, например 1,5.
При расчете цепей переменного тока необходимо принимать амплитудные значения тока и напряжения.
А1.6 Методика определения оптимального состава смеси, наиболее легко воспламеняемой электрическими разрядами (С0)
А1.6.1 Для определения используют указанную в приложении Б установку для проведения контрольных испытаний электрических цепей на искробезопасностъ.
Порядок определения С0 следующий.
Предварительно по реакции полного сгорания исследуемого вещества определяют стехиометрический состав смеси. Концентрацию газа или пара в воздухе, соответствующую стехнометрической (Сст), % объемные, вычисляют по формуле
Сст = 100 А / (А + 4,76 Б),                                             (А 1.16)
где А, Б - стехиометрические коэффициенты реакции горения:
А - число молекул горючего;
Б - число молекул кислорода, необходимого для полного сгорания горючего в воздухе.
А1.6.2 В контрольной цепи постоянного тока при напряжении 24 В и индуктивности 0,1 Гн устанавливают ток, который вызывает воспламенение смеси стехиометрического состава с вероятностью (3¸5)×10-2.

A1.6.3 Концентрация смеси изменяется в большую или меньшую сторону от Сст (шаг измерения 1-5 % объемных). При каждом новом значении концентрации определяют ток, вызывающий воспламенение с вероятностью (3¸5)×10-2. По полученным значениям строят зависимость IВ = f(C2), где - ток, вызывающий воспламенение с вероятностью (3¸5)×10-2; С2 - концентрация горючего в смеси. Количество точек (исследуемых концентраций) принимают таким, чтобы указанная зависимость имела явно выраженный минимум. Концентрацию, соответствующую наименьшему значению IВ, принимают в качестве оптимальной С0.

А1.6.4 Полученное значение оптимального состава смеси уточняют с помощью аналогичной А1.6.2 цепи с индуктивностью 0,01 Гн. Для нее находят ток, вызывающий воспламенение с вероятностью (3¸5)×10-2 смеси оптимального состава (С0), определенной по А1.6.3. Затем концентрацию смеси изменяют в большую или меньшую сторону от С0 и для каждого значения концентраций находят воспламеняющий ток при вероятности (3¸5)×10-2. Число точек должно быть не менее пяти. Дальнейшую обработку результатов проводят аналогично А1.4.1, подпункт 1.4. Шаг концентраций в области С0 должен быть, по возможности, минимальным.
А1.6.5 Значение С0 может дополнительно уточняться с помощью контрольной емкостной цепи. Для С0 находят напряжение (при емкости цепи С0 = 0,3-0,5 мкФ), вызывающее воспламенение с вероятностью (3¸5)×10-2. Дальнейший порядок исследования аналогичен А1.4.1, подпункт 1.4. По полученным значениям строят зависимость IВ = f(C).
А1.6.6 Вероятность воспламенения для каждой экспериментальной точки определяют как указано в А1.4.1, подпункт 1.4.
Число воспламенений для каждой экспериментальной точки должно быть не менее 16. Оптимальные концентрации некоторых газов или паров в газопаровоздушных смесях приведены в таблице А1.3.2.
A1.7 Выбор искробезопасных параметров и методика испытаний цепей переменного тока с частотой 10-150 кГц электрооборудования группы I
А1.7.1 Допустимые искробезопасные токи выбирают по графику зависимости воспламеняющего тока от частоты (рисунок А1.15).
А1.7.2 Для систем, в которых имеет место последовательный резонанс, или такой резонанс может возникнуть за счет емкости присоединяемых устройств, проводов или кабелей, допустимые искробезопасные токи при резонансе и емкости, большей резонансной, выбирают по графику (рисунок A1.15), а при емкости, меньшей резонансной - с учетом графика снижения воспламеняющего тока относительно воспламеняющего тока при резонансе от емкости (рисунок A1.16). Зависимости снижения воспламеняющего тока строят для постоянных индуктивностей и частот параллельно приведенной на графике зависимости.
A1.7.3 Испытания на искробезопасностъ ведут только в метановоздушной смеси с повышением тока в 1,5 раза.
Испытания с применением более легковоспламеняемой испытательной смеси допускаются при условии, если для данной частоты и параметров цепи известен коэффициент перехода к такой смеси.
А1.7.4 Испытания ведут на искрообразующем механизме III типа.
A1.7.5 Системы, в которых может иметь место повышение тока за счет резонанса, испытывают при резонансе и снижении емкости ниже резонансной.

Таблица А1.3.2

А1.8 Характеристики искробезопасности

Рисунок А1.6. Емкостные цепи для группы I и подгрупп IIА, IIB, IIС

группа I - метановоздушная смесь; подгруппа IIА - пентановоздушная смесь;
подгруппа IIB - этиленовоздушная смесь; подгруппа IIС - водородно-воздушная смесь
Рисунок А1.7 Зависимость минимального воспламеняющего напряжения от емкости цепи

R - сопротивление ограничительного резистора, кОм
Рисунок А1.8. Зависимость минимального воспламеняющего напряжения от емкости цепи и сопротивления ограничительного резистора для пентановоздушной смеси

R - сопротивление ограничительного резистора, кОм

Рисунок А1.9. Зависимость минимального воспламеняющего напряжения от емкости цепи и сопротивления ограничительного резистора для этиленовоздушной смеси

R - сопротивление ограничительного резистора, кОм
Рисунок А1.10. Зависимость минимального воспламеняющего напряжения от емкости цепи и сопротивления ограничительного резистора для водородно-воздушной смеси

L - индуктивность цепи, Гн, 1 - меньше 10-5; 2 - 10-4; 3 - 10-3; 4 - 10-2; 5 - 10-1
Рисунок А1.11. Зависимость минимального воспламеняющего тока от длительности электрического разряда и индуктивности, установленной до устройства сокращения длительности электрических разрядов (УСДР) для водородно-воздушной смеси

Рисунок А1.12. Зависимость минимального воспламеняющего тока (Е = 140 В) от длительности электрического разряда и индуктивности, установленной до УСДР для водородно-воздушной смеси

1-3 - индуктивность 10-4 Гн, ЭДС источника 30, 45, 72 В соответственно; 4-6- индуктивность 10-3 Гн, ЭДС источника 45, 72, 140 В соответственно, 7 - индуктивность 10-2 Гн, ЭДС источника 72 В
Рисунок А1.13. Зависимость минимального воспламеняющего тока от длительности электрического разряда и индуктивности, установленной после УСДР для водородно-воздушной смеси

Рисунок А1.14. Зависимость индуктивности, установленной после УСДР и соответствующей границе области их рационального использования, от ЭДС источника питания

Рисунок А1.15. Зависимость воспламеняющего тока от частоты, индуктивности и напряжения источника для метановоздушной смеси

1 - значение емкости, соответствующей резонансу

Рисунок А1.16. Зависимость снижения воспламеняющего тока (I) относительно воспламеняющего тока при резонансе (Iрез) от емкости при постоянных индуктивностях и частотах