Nguyờn tắc cơ bản của phương phỏp an toàn tia lửa là: hạn chế tỡnh trạng sự cố, đặt tỡnh trạng sự cố dưới mức bỡnh thường và biết trước được cỏc sự cố cú thể xảy ra. Tức là, tia lửa, hồ quang hoặc nhiệt độ bề mặt của mạch điện lắp đặt trong vựng cú nguy cơ chỏy nổ được giới hạn tới mức khụng đủ để làm bốc lửa hỗn hợp khớ nổ tại khu vực đú. Cỏc thiết bị điện lắp đặt trong vựng cú nguy cơ chỏy nổ, cũng như là cỏc kết nối về điện giữa cỏc thiết bị với nhau, phải được thiết kế để giảm thiểu điện ỏp hở mạch và dũng điện ngắn mạch đến mức tối thiểu để nú khụng gõy ra sự bốc chỏy cho hỗn hợp khớ nổ, bằng cỏch: làm hở mạch hoặc ngắn mạch hoặc
tiếp đất, hoặc bằng cỏch nung núng cỏc thành phần trong mạch điện (để giảm năng lượng phỏt ra ngoài).
Hỡnh 1.5. Nguyờn lý cơ bản của mạch an toàn tia lửa hoạt động theo nguyờn tắc hạn chế
khả năng gõy chỏy nổ bằng cỏch hạn chế năng lượng điện và nhiệt độ bề mặt. Mạch bao gồm thành phần cơ bản: nguồn điện, điện trở, điện cảm và điện dung.
Với mạch thuần trở, là mạch được coi chỉ cú thành phần trở khỏng, cỏc thành phần phản khỏng (cảm khỏng và dung khỏng) khụng cú hoặc nhỏ khụng đỏng kể (hỡnh 1.6).
Hỡnh 1.6. Mạch thuần trở
Năng lượng điện phỏt ra từ mạch này phụ thuộc vào nguồn điện V và dũng điện Isc bị giới hạn bởi điện trở R. Khú cú thể xỏc định tương quan giữa năng lượng bốc lửa tối thiểu với mạch phỏt ra tia lửa. Cỏc phộp thử đó được thực hiện và cho thấy rằng khả năng bốc lửa hỗn hợp khớ nổ của tia lửa phụ thuộc điện ỏp hở mạch (Voc=V) và dũng ngắn mạch (Isc=V/R). Đường đặc tớnh bốc lửa của mạch thuần trở xem ở hỡnh 1.7.
Đồ thị ở hỡnh 1.7 thể hiện đường đặc tớnh bốc lửa cú quan hệ với nhúm hỗn hợp khớ nổ đó được phõn loại theo tiờu chuẩn. Đường đặc tớnh cho thấy với điện ỏp hở mạch thấp hơn, thỡ cụng suất nguồn được sử dụng an toàn sẽ lớn hơn. Đặc điểm này cho thấy cỏc thiết bị cú điện ỏp cấp nguồn từ 20-30V được sử dụng hiệu quả nhất trong cỏc thiết bị an toàn tia lửa.
Vựng nguy hiểm
Năng lượng bốc lửa (mJ) Nồng độ khớ Vựng bốc lửa
Hỡnh 1.7. a) Đường đặc tớnh bốc lửa tối thiểu theo nhúm khớ cho thiết bịđiện dựng trong khai thỏc mỏ (nhúm I). b) Đường đặc tớnh giới hạn nổ cao và giới hạn nổ thấp của từng
loại khớ
Năng lượng đỏnh lửa tối thiểu (MIE) là khỏc nhau cho từng loại nhiờn liệu, nú thể hiện ở tỉ lệ của nhiờn liệu cú trong khụng khớ, mà với tỉ lệ đú hỗn hợp của nhiờn liệu với khụng khớ rất rễ bị bốc lửa. Nếu năng lượng đỏnh lửa thấp hơn mức MIE, thỡ nú khụng thể làm bốc nửa ở bất kỳ nồng độ hỗn hợp nào. Nồng độ hỗn hợp khớ chỏy nổ giảm dần cho đến một giỏ trị ngưỡng mà tại đú năng lượng bốc lửa khụng thể làm bốc lửa hỗn hợp do nồng độ quỏ thấp, gọi là giới hạn nổ dưới của hỗn hợp khớ, kớ hiệu là LEL (Low Explosive Limit). Nồng độ hỗn hợp khớ chỏy nổ tăng dần cho đến một giỏ trị ngưỡng mà tại đú năng lượng bốc lửa khụng thể làm bốc lửa hỗn hợp (do quỏ ớt ụ-xy), gọi là giới hạn nổ cao của hỗn hợp khớ, ký hiệu là UEL (Upper Explosive Limit).
Bảng 1.4. Giới hạn nổ thấp và giới hạn nổ cao của một số chất khớ Chất chỏy Giới hạn nổ thấp (%) Giới hạn nổ cao(%) Acetylence 2,3 100(tự gión nở) Ethylene 2,4 32,6 Methane 4,4 17 Propane 1,7 10,8 Hydrogen 4,0 77,0
Căn cứ theo năng lượng bốc lửa tối thiểu, khớ chỏy được chia thành cỏc nhúm, và theo đú thiết bị điện an toàn được chia thành hai nhúm: Nhúm I là cỏc thiết bị điện sử dụng trong vựng mỏ cú khớ chỏy nổ, và Nhúm II là cỏc thiết bị sử dụng trong cỏc vựng khỏc cú mụi trường cú nguy hiểm chỏy nổ. Cỏc nhúm khớ chỏy nổ và thiết bị điện trong cỏc nhúm I và II lại tiếp tục được phõn nhúm nhỏ hơn thành cỏc phõn nhúm A, B , C ,… Chi tiết phõn loại cú thể xem trong tiờu chuẩn quốc tế IEC (dành cho thiết bị an toàn tia lửa). Cỏc thiết bị an toàn tia lửa dựng trong mỏ hầm lũ thường là cấp bảo vệ Ex iaI, Ex ibI và Ex icI, trong đú cấp Ex iaI là cao nhất và cú thể sử dụng trong khu vực cú nguy cơ cao nhất.
Bảng 1.5. Cấp bảo vệ an toàn tia lửa Cấp bảo vệ Mụ tả Vớ dụ Ex ia Mạch khụng cú khả năng gõy bốc lửa trong điều kiện hoạt động bỡnh thường và khi một sự cố xảy ra hoặc hai sự cố xảy ra Sử dụng 3 đi-ốt zener để bảo vệ quỏ ỏp, nếu cú sự cố làm 2 đi-ốt zener hỏng thỡ đi-ốt zener thứ 3 vẫn hoạt động bỡnh thường Ex ib Mạch khụng cú khả năng gõy bốc lửa trong điều kiện hoạt động bỡnh thường hoặc khi một sự cố xảy ra Sử dụng đi-ốt zener để bảo vệ quỏ ỏp, nếu cú sự cố làm 1 đi-ốt zener hỏng thỡ đi-ốt zener thứ 2 vẫn hoạt động bỡnh thường Ex ic Mạch khụng cú khả năng gõy bốc lửa trong điều kiện hoạt động bỡnh thường
Một số lợi thế của phương phỏp an toàn tia lửa mà cỏc phương phỏp khỏc khụng cú:
+ An toàn tia lửa là phương phỏp sử dụng được ở hầu hết vựng nguy hiểm (vựng nguy hiểm nhất).
+ Bảo trỡ và căn chỉnh thiết bị dưới hiện trường cú thể thực hiện ngay cả khi khu vực sản xuất đang hoạt động và thậm chớ ngay cả khi mạch thiết bị đang hoạt động. Mạch này cú điện ỏp thấp nờn an toàn cho con người.
+ Khụng cần phải cú biện phỏp bảo vệ đặc biệt cho dõy điện ở hiện trường, cú thể sử dụng dõy cỏp điện của thiết bị thụng thường.
Trong cỏc ứng dụng an toàn tia lửa, cú ba thành phần chớnh phải được xem xột: (1) Thiết bị an toàn tia lửa; (2) Hàng rào an toàn tia lửa (mạch cỏch ly an toàn): là phần kết nối giữa vựng an toàn và vựng cú nguy cơ chỏy nổ; (3) Dõy nối liờn kết.
- Thiết bị an toàn tia lửa
Cỏc thiết bị an toàn tia lửa như bộ chuyển đổi, đầu đo khớ, đo giú, đo nhiệt độ,.., và bất kỳ một thiết bị nào “lưu giữ năng lượng” đều phải được cấp chứng chỉ thiết bị an toàn tia lửa sử dụng trong mụi trường cú nguy cơ chỏy nổ.
- Hàng rào an toàn tia lửa (thiết bị an toàn tia lửa tổ hợp)
Điểm phõn giới giữa thiết bị dưới hiện trường với thiết bị trong phũng điều khiển gọi là “Rào chắn an toàn tia lửa”, hàng rào này cú tỏc dụng bảo vệ cỏc mạch điện trong vựng cú khớ nổ bằng cỏch giới hạn điện ỏp và dũng điện làm việc, cũng như điện ỏp và dũng điện sự cố của thiết bị ở mức an toàn (an toàn tia lửa) khi đi qua nú. Cú hai kiểu cỏch ly an toàn là “Cỏch ly an toàn bằng đi-ốt zener” và “Cỏch ly điện”. Hai kiểu cỏch ly này khỏc nhau về cỏch giới hạn năng lượng gõy nguy hiểm từ cỏc thiết bị trong phũng điều khiển đến vựng cú nguy cơ chỏy nổ.
Rào chắn an toàn là thiết bị kết nối cỏc thiết bị giữa vựng an toàn và vựng nguy hiểm với nhau (chỏy nổ), mục đớch là giới hạn năng lượng nguy hiểm từ vựng an toàn đi vào vựng nguy hiểm đến mức tối thiểu khụng thể làm bốc lửa được hỗn hợp khớ chỏy nổ. Năng lượng điện vượt quỏ trong cỏc mạch điện khi cú sự cố ở vựng an toàn cú thể được ngăn chặn bằng cỏch sau:
+ Đưa năng lượng vượt quỏ về đất (tiếp địa)
+ Chặn đứng năng lượng sự cố bằng cỏc phần tử cỏch ly
Như vậy, khi xảy ra sự cố, mức điện ỏp và dũng điện trong vựng nguy hiểm được hạn chế tới mức an toàn.
- Rào chắn an toàn tia lửa dựng zener:
Từ lõu, rào chắn an toàn bằng zener đó được sử dụng rộng rói làm thiết bị an toàn trung gian đỏp ứng nhu cầu lớn sử dụng thiết bị điện trong vựng cú nguy cơ chỏy nổ cao. Khi làm việc bỡnh thường, rào chắn cho phộp truyền tớn hiệu điện theo cả hai hướng và khụng cản trở chỳng. Khi xảy ra sự cố tăng điện ỏp (độ lớn tối đa
250V) ở phớa vựng an toàn tới, thỡ dẫn đến xuất hiện một dũng lớn chảy qua cầu chỡ, qua đi-ốt zener và xuống đất. Cầu chỡ này cú tốc độ chảy rất nhanh để đảm bảo an toàn khi sự cố đi-ốt zener xảy ra (đi-ốt zener bị đứt sẽ dần đến nguy cơ năng lượng điện nguy hiểm vượt qua được hàng rào vào vựng cú khớ nổ), cầu chỡ khi bị chảy nú sẽ cỏch ly về điện giữa vựng nguy hiểm (trong lũ) và vựng an toàn (mặt bằng).
Hỡnh 1.8. Hàng rào an toàn dựng đi-ốt zener
Khi xảy ra sự cố, điện ỏp hở mạch (Voc) ở phớa cầu đấu nối xuống vựng nguy hiểm của rào chắn an toàn, được ghim bằng điện ỏp ghim của đi-ốt zener, và dũng ngắn mạch tại cầu đấu này được giới hạn bởi điện trở giới hạn Rlim. Giỏ trị của điện ỏp hở mạch Uoc và dũng ngắn mạch Isc sẽ quyết định cảm khỏng và dung khỏng tối đa cho phộp của cỏc thiết bị (kể cả cảm khỏng và dung khỏng của đường dõy) trong vựng nguy hiểm được phộp nối vào rào chắn an toàn, điều này để đảm bảo năng lượng của Uoc và Isc khụng thể làm bốc lửa được hỗn hợp khớ chỏy nổ trong vựng nguy hiểm.
Tuy nhiờn, cần lưu ý, hiệu quả bảo vệ của rào chắn an toàn phụ thuộc vào việc kết nối tiếp địa cú tốt khụng. Vỡ theo nguyờn lý bảo vệ này, năng lượng của điện ỏp và dũng điện được hạn chế bằng cỏch trả năng lượng thừa về đất của vựng an toàn thụng qua đường tiếp địa riờng. Điện trở tiếp đất của rào chắn an toàn phải đảm bảo nhỏ hơn 1Ω. Vựng an toàn Dũng điện chảy thẳng tới tiếp địa khi cú sự cố Vựng nguy hiểm chỏy nổ Cầu chỡ Điện trở giới hạn
Hỡnh 1.9. Kết nối thiết bị giữa vựng an toàn và vựng nguy hiểm thụng qua rào chắn antoàn tia lửa dựng đi-ốt zener.
Rào chắn an toàn tia lửa sử dụng đi-ốt zener đơn giản, hiệu quả và rẻ tiền. Tuy nhiờn, nú cũng cú một số hạn chế mà khi sử dụng chỳng cho thiết bị an toàn tia lửa cần phải được xem xột kỹ:
+ Phải đảm bảo tiếp địa tốt
+ Cỏc thiết bị cấp trường phải được cỏch ly với đất
+ Điện ỏp rơi trờn rào chắn cú thể gõy ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị + Việc kết nối khụng đỳng hoặc cú điện ỏp dõng cao sẽ làm đứt cầu chỡ
+ Khả năng loại trừ nhiễu kộm, nhiều thiết bị cú kết nối với nhau sẽ gõy ra nhiễu điện ỏp cho nhau, cú cả nhiễu từ hướng tiếp địa tới.
- Rào chắn an toàn tia lửa dựng cỏc phần tử cỏch ly điện:
Những vấn đề cản trở khi dựng Rào chắn an toàn tia lửa bằng đi-ốt zener (chuyển hướng năng lượng) cú thể được khắc phục nếu sử dụng Rào chắn an toàn tia lửa cỏch ly. Sự khỏc nhau cơ bản so với dựng zener, đú là nguyờn lý này tạo ra sự cỏch ly về điện giữa vựng an toàn và vựng nguy hiểm bằng cỏch sử dụng cỏc phần tử cỏch ly như biến ỏp, rơ-le, ghộp quang (opto coupler). Tất nhiờn cỏc thiết bị theo dạng này cũng phải tuõn theo tiờu chuẩn an toàn quy định và phải được cấp chứng chỉ.
Nếu được thiết kế đỳng, thỡ “Rào chắn an toàn tia lửa dựng phần tử cỏch ly” sẽ đảm bảo điện ỏp đầu ra phớa nối tới vựng nguy hiểm luụn ở mức giới hạn an toàn cho dự điện ỏp đầu vào rất cao. Hàng rào cỏch ly kiểu này cho phộp mạch thiết bị
Vựng an toàn Vựng nguy hiểm chỏy nổ Rào chắn an toàn Lưới điện Nền đất Điện trởtiếp đất < 1Ω TB trong vựng an tũan
khụng cần phải tiếp địa an toàn dành riờng, và việc tiếp địa cho mạch để dựng cầu chỡ bảo vệ là khụng cần thiết nữa.
Những lợi thế chớnh của phương phỏp cỏch ly:
+ Việc kết nối tiếp địa rành riờng đảm bảo chắc chắn khụng cần thiết, và cỏc thiết bị cấp trường cú thể nối tiếp địa trực tiếp xuống đất.
+ Cỏc thiết bị cấp trường hoạt động ở cấp điện ỏp tối đa, vỡ khụng cú điện ỏp rơi trung gian (khụng kể rơi trờn dõy).
+ Mạch tớn hiệu và mạch bảo vệ an toàn cú thể tớch hợp vào cựng một thiết bị. + Lắp đặt đơn giản, đưa thiết bị vào hoạt động mà khụng cần mạch tiết địa. + Khả năng loại trừ nhiễu điện ỏp tốt.
- Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp:
Trong cỏc hệ thống an toàn tia lửa hiện nay, thường sử dụng cả hai phương phỏp trờn để tận dụng lợi thế của cả hai phương phỏp, do đú đơn giản húa việc lắp đặt thiết bị và tăng cường an toàn.
Hỡnh 1.10. Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp
* Cỏc thụng số an toàn của thiết bị an toàn tia lửa khi kết nối với nhau cần đảm bảo theo nguyờn tắc sau (chỉ ỏp dụng với hệ thống đơn nguồn hoặc nhiều nguồn nhưng tuyến tớnh):
Vựng an toàn Vựng nguy hiểm chỏy nổ Giới hạn năng lựơng dựng zener Bộ khuyếch đại Phần tử cỏch ly điện Mạch bảo vệ dựng zener và cầu chỡ Tớn hiệu ra Phần tửcỏch lyđiện Nguồn điện Biến ỏp nguồn Tớn hiệu vào Lưới điện
; ; ; ;
i o i o i o o i o i
U ≤U I ≤I P ≤P C ≥C +Ccáp L ≥L +Lcáp trong đú:
Ui : Điện ỏp vào cực đại Uo: Điện ỏp ra cực đại Ii : Dũng điện vào cực đại Io : Dũng điện ra cực đại Pi: Cụng suất vào cực đại Po: Cụng suất ra cực đại
Co: Điện dung ngoài cực đại (điện dung cho phộp)
Ci: Điện dung trong cực đại (tổng điện dung tương đương của thiết bị ) Ccỏp: Điện dung đường dõy
Lo: Điện cảm ngoài cực đại (điện cảm cho phộp)
Li: Điện cảm trong cực đại (tổng điện cảm tương đương của thiết bị ) Lcỏp: Điện cảm đường dõy
CHƯƠNG 2: CÁC YấU CẦU VỀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊĐO PHềNG CHỐNG CHÁY NỔ
Mục tiờu của đề tài là thiết kế thiết bị đo khớ dựng trong hầm mỏ ứng dụng cụng nghệ FPAA, do dú đề tài sẽ đi sõu về thiết kế đầu đo đỏp ứng tiờu chuẩn thiết bị sử dụng trong ngành khai thỏc mỏ sử dụng cụng nghệ FPAA. Ngoài những tớnh năng sử dụng của một thiết bị đo thụng thường, thỡ đề tài cũng sẽ đưa vào những tớnh năng mang tớnh đặc thự của ngành mỏ, phự hợp với điều kiện sử dụng của ngành này. Thiết bị đo được thiết kế để hoạt động độc lập cũng như cú khả năng tớch hợp vào hệ thống, như vậy thiết bị sẽ cú những ngoại vi như màn chỉ thị, phớm bấm, ắc-quy, thẻ nhớ và cỏc khả năng giao tiếp truyền thụng số và tương tự. Sơ đồ khối chức năng của thiết bị được thể hiện trờn hỡnh 2.1.
Hỡnh 2.1. Sơđồ khối thiết bị