Safety barrier of electrical equipment for environments with a potential explosion in underground coal mines

Abstract

Purpose. Electrical equipment for explosion-threatening environments in mines at risk of explosion communicates with the external environment through intrinsic safety barriers that limit the values of currents to values below the methane ignition, limit that exceeds the allowable concentration in the atmosphere. This avoids work accidents due to under-ground explosions, avoiding the risk of explosion through electric equipment. Methods. Experimental research has been based on the geomechanical characterization of the coal and surrounding rocks in the Jiu Valley Basin and measurements obtained in situ was researched by statistic methods. Three methods of studying barriers based on the use of the MATLAB program were used. The first method is based on MATLAB programming, the second involves the barrier study using the Simulink model and the third method is based on the use of the SimPowerSystems software package. In all three cases studied, the variation of the voltage at the output of the barrier and current through the barrier are analyzed considering two operating modes, the aperiodic and the oscillating regimes. Findings. The paper is a study of the intrinsic security barriers, based on which a correct dimensioning can be made. Originality. The originality of the paper consists in the analysis of the barriers with intrinsic safety, using the simulation with the MATLAB-Simulink program packages. Practical implications. All the methods addressed lead to obtaining the diagrams of variation of the voltage at the exit of the barrier and of the current through the barrier in two possible regimes: the aperiodic regime and the oscillating regime.

Мета. Визначення раціональних параметрів бар’єру безпеки електричного обладнання в умовах вибухонебезпечних середовищ вугільних шахт на основі застосування комплексу методів математичного моделювання для запобігати виробничих аварій, пов’язаних з підземними вибухами. Методика. Експериментальне дослідження засноване на геомеханічній характеристиці вугілля та оточуючих його порід у басейні долини Джиу, а також на даних, отриманих за допомогою натурних вимірювань і оброблених статистичними методами. Були використані три методи вивчення бар’єрів безпеки. Перший заснований на застосуванні програми MATLAB, другий – використовує Simulink моделювання, третій – базується на програмному пакеті SimPowerSystems. У всіх трьох випадках, зміна напруги на вході бар’єру та струм всередині бар’єру розглянуті з точки зору двох робочих режимів – аперіодичного й коливального. Результати. Визначена та експериментально підтверджена статистична кореляція між властивостями гірських порід і викидами вугілля й метану. Отримано діаграми зміни напруги на вході бар’єру та струм всередині бар’єру в аперіодичному режимі. Виявлено ситуації, в яких напруга і струм через бар’єр коливаються, і яких слід уникати на практиці експлуатації електричного обладнання. Встановлено, що коливання напруги і струму, приводячи до перенапруження поблизу значення напруги живлення, може бути небезпечним для іскробезпечного характеру бар’єру. Визначено, що рівномірно розподілені реактивні елементи можуть генерувати явища електричного резонансу, які можуть сприяти перенапруженню або перевантаженню по струму і можуть привести до втрати іскробезпеки захисного бар’єру. Наукова новизна. Вперше визначення розмірів бар’єрів безпеки вирішується комплексно із використанням трьох методів математичного моделювання, а результати характеризуються високою точністю. Практична значимість. Отримано діаграми зміни напруги на вході бар’єру та струм всередині бар’єру з точки зору двох робочих режимів – аперіодичного і коливального, що дозволяє визначити параметри бар’єру безпеки.

Цель. Определение рациональных параметров барьера безопасности электрического оборудования в условиях взрывоопасных сред угольных шахт на основе применения комплекса методов математического моделирования для предотвращения производственных аварий, связанных с подземными взрывами. Методика. Экспериментальное исследование было основано на геомеханической характеристике угля и окружающих его пород в бассейне долины Джиу, а также на данных, полученных при помощи натурных измерений и обработанных статистическими методами. Были использованы три метода изучения барьеров безопасности. Первый основан на применении программы MATLAB, второй – использует Simulink моделирование, третий – базируется на программном пакете SimPowerSystems. Во всех трех случаях изменение напряжения на входе барьера и ток внутри барьера рассмотрены с точки зрения двух рабочих режимов – апериодического и колебательного. Результаты. Определена и экспериментально подтверждена статистическая корреляция между свойствами горных пород и выбросами угля и метана. Получены диаграммы изменения напряжения на входе барьера и ток внутри барьера в апериодическом режиме. Выявлены ситуации, в которых напряжение и ток через барьер колеблются, и которых следует избегать на практике эксплуатации электрического оборудования. Установлено, что колебания напряжения и тока, приводя к перенапряжению вблизи значения напряжения питания, может быть опасным для искробезопасного характера барьера. Определено, что равномерно распределенные реактивные элементы могут генерировать явления электрического резонанса, которые могут способствовать перенапряжению или перегрузке по току и могут привести к потере искробезопасности защитного барьера. Научная новизна. Впервые определение размеров барьеров безопасности решается комплексно с использованием трех методов математического моделирования, а результаты характеризуются высокой точностью. Практическая значимость. Получены диаграммы изменения напряжения на входе барьера и ток внутри барьера с точки зрения двух рабочих режимов – апериодического и колебательного, что позволяет определить параметры барьера безопасности.