dr inż. KAZIMIERZ MIŚKIEWICZ dr inż. ANTONI WOJACZEK Politechnika Śląska, Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Iskrobezpieczeństwo systemu łączności radiowej z kablem promieniującym W artykule zwrócono uwagę na systemy łączności wykorzystujące specjalnie instalowane tory przewodowe (wraz ze wzmacniaczami aktywnymi) dla propagacji kierunkowej fal elektromagnetycznych w wyrobiskach. Omówiono problem iskrobezpieczeństwa systemu radiokomunikacyjnego, wykorzystującego przewód promieniujący. Przedstawiono sposób podejścia do tego zagadnienia dla przykładowej struktury takiego systemu eksploatowanego w kopalni metanowej. O iskrobezpieczeństwie całego systemu decydują przede wszystkim parametry zasilacza iskrobezpiecznego zastosowanego dla zasilania wzmacniaczy liniowych systemu telekomunikacyjnego. 1. WSTĘP Istnieje szereg ruchomych stanowisk pracy, np. operatorzy lokomotyw elektrycznych, pojazdów kołowych, kolejek (podwieszanych, czy spągowych), naczynia wyciągowe w trakcie prac wykonywanych w szybach itp., gdzie konieczne usługi telekomunikacyjne realizują systemy radiokomunikacyjne. Środowisko techniczne podziemnych zakładów górniczych stwarza specyficzne warunki dla systemów radiokomunikacyjnych [11]: Niewielka przewodność górotworu wywołuje duże tłumienie fali elektromagnetycznej, co praktycznie uniemożliwia (z wyjątkiem bardzo specyficznych przypadków) wykorzystanie systemów radiokomunikacyjnych z propagacją fal elektromagnetycznych przez górotwór. W wyrobiskach należy budować złożoną infrastrukturę dla propagacji kierunkowej fal elektromagnetycznych. Czasami wykorzystuje się do tego celu istniejące elementy wyposażenia wyrobisk górniczych, np. przewód jezdny trakcji elektrycznej, czy liny nośne urządzeń wyciągowych. Urządzenia pracują w środowisku technicznym podziemnej kopalni; są więc narażone na działanie czynników chemicznych, mechanicznych i elektrycznych występujących w wyrobiskach. Obudowa sprzętu powinna więc zapewniać stopień ochrony nie niższy niż IP54. Zagrożenia wybuchowe występujące w podziemnych zakładach górniczych (metan, pył węglowy) powodują konieczność stosowania urządzeń budowy przeciwwybuchowej (iskrobezpiecznej). Nadajniki systemów radiokomunikacyjnych w skrajnych warunkach mogą także odpalić zapalniki elektryczne. Zasilanie lokalne elementów systemu radiokomunikacyjnego i problem ładowania baterii w zasilaczach iskrobezpiecznych z podtrzymaniem bateryjnym (częste wyłączania zasilania ze względów technologicznych lub z powodów bezpieczeństwa, przy wzroście stężenia metanu powyżej wartości dopuszczalnej). 2. SYSTEMY RADIOKOMUNIKACYJNE WY- KORZYSTUJĄCE KABLE PROMIENIUJĄCE Centralnym elementem systemu radiokomunikacyjnego z kablem cieknącym jest stacja bazowa BS. Do stacji bazowej, umieszczonej często na powierzchni, podłącza się jeden lub kilka przewodów promieniujących. Dla kompensacji tłumienia sygnału w przewodzie cieknącym, co kilkaset metrów stoso-
Nr 1(467) STYCZEŃ 2010 37 Rys. 1. Schemat blokowy systemu radiokomunikacji z kablem cieknącym o strukturze drzewa [4] wany jest wzmacniacz antenowy W. W przypadku rozgałęzienia kabla promieniującego stosuje się rozgałęźniki R zapewniające dopasowanie falowe. Na końcach przewodu promieniującego instaluje się terminatory lub anteny. Istniejące w kopalniach instalacje łączności bezprzewodowej, wykorzystujące kable cieknące, mają strukturę drzewiastą, przedstawioną na rys. 1. Wzmacniacze wymagają zasilania. Napięcie stałe 12 V z zasilacza wprowadza się do przewodu cieknącego poprzez sprzęgacze mocy. Zasilacze mają podtrzymanie bateryjne, a informacja o pracy bateryjnej jest przesyłana do dyspozytora. 3. ISKROBEZPIECZEŃSTWO SYSTEMU ŁĄCZNOŚCI RADIOWEJ 3.1. Iskrobezpieczeństwo urządzeń wchodzących w skład systemu Problem iskrobezpieczeństwa systemów telekomunikacyjnych instalowanych w kopalniach, wykorzystujących dostępne na naszym rynku urządzenia kilku producentów, budzi w ostatnich latach pewne emocje. Niektórzy producenci w trosce o zachowanie swojego monopolu w danej kopalni i uwzględniając ewentualną dalszą rozbudowę (w oparciu już tylko o swoje urządzenia ), tanio sprzedanego w pierwszym etapie budowy danego systemu telekomunikacyjnego, określają w dokumentacjach technicznych swoich urządzeń czy systemów, iż mogą one współpracować tylko z urządzeniami wyprodukowanymi przez tego samego producenta. Tego rodzaju zapisy nie zawsze są zgodne z prawem UE i odpowiednimi obowiązującymi normami (np. PN-EN 50394-1). Trudno powiedzieć czy jest to w pełni uczciwa postawa producentów w stosunku do użytkowników. W związku z tymi wątpliwościami na żądanie grupy TC 31 CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) Komisja UE wydała w tym zakresie odpowiednią interpretację. Została ona zawarta we wprowadzeniu do normy [5]. Zwraca się uwagę, iż jeżeli system iskrobezpieczny zbudowany jest z kilku wyrobów zaprojektowanych tak, aby użytkownik mógł je zestawić (np. urządzenie abonenckie, linia telekomunikacyjna, zespół separacji iskrobezpiecznej, urządzenie stacyjne, wzmacniacz torowy, rozgałęźnik, zestaw rozdzielczy itp.) to należy poddać procedurze oceny zgodności każdy pojedynczy wyrób, który może być wprowadzony do obrotu oddzielnie. Wynikowy system powinien być traktowany jako instalacja i sam nie musi być przedmiotem procedur i wymagań dyrektywy 94/9/WE (ATEX). Podobne stanowisko zajął w tej sprawie WUG w Katowicach w swoim opracowaniu przybliżającym nam dyrektywę 94/9/EC [12]. W opracowaniu tym czytamy, iż powszechną sytuacją jest, że elementy, które zostały certyfikowane są umieszczane na rynku przez kilka podmiotów. Łączenie takiego sprzętu i instalacja u użytkownika nie jest uważana (wg dy-
38 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA rektywy ATEX) jako produkcja. Rezultatem takiej operacji jest instalacja i jest ona poza obszarem dyrektywy 94/9/EC. Instalator musi zapewnić, że początkowo zgodne elementy pozostaną wciąż zgodne, jeżeli zostaną one oddane do użytkowania. Dyrektywa nie reguluje procesu instalacji. Instalacja takiego sprzętu podlega generalnie wymogom prawnym Krajów Członkowskich. System zawsze jest instalowany na odpowiedzialność użytkownika. 3.2. Iskrobezpieczeństwo systemu radiokomunikacyjnego z kablem cieknącym Iskrobezpieczeństwo systemu radiokomunikacji z kablem cieknącym można ocenić dwojako: Na podstawie badań całego systemu w laboratorium notyfikowanym. W certyfikacie badania typu WE systemu określone są możliwe konfiguracje (np. liczba wzmacniaczy, rozgałęźników itp.) sekcji kabla promieniującego (o danych parametrach) zasilanych z wyszczególnionych typów zasilaczy iskrobezpiecznych. Wg norm [5, 8], oceniając system składający się z elementów spełniających wymagania normy PN-EN 60079-11, co jest potwierdzone certyfikatami badania typu WE dla każdego elementu systemu. Przykładem systemowych certyfikatów badań typu WE są certyfikaty dla systemów FLEXCOM (KDB 04ATEX304X) i MULTICOM (KDB 06ATEX350X). W certyfikacie dla systemu MUL- TICOM podano między innymi, że przy zastosowaniu zasilacza TX6648 lub TX6649 można w jednej sekcji zastosować 1 rozgałęźnik, 1 rozgałęźnik video, 1 tłumik oraz 1 wzmacniacz. W wymienionych certyfikatach nie ma ograniczeń co do długości przewodów promieniujących (typu FLFC3529). Z punktu widzenia iskrobezpieczeństwa system łączności radiowej z kablem promieniującym można potraktować jako system składający się elementów takich jak: stacja bazowa z wyjściem (wyjściami) dla kabla promieniującego wyposażonym w barierę iskrobezpieczną, wzmacniacze, rozgałęźniki, terminatory, sprzęgacze mocy, zasilacze. Wszystkie elementy są połączone pomiędzy sobą kablem promieniującym. Radiotelefony ruchome nie są połączone z resztą systemu i muszą być iskrobezpieczne (o poziomie ochrony ia). Ze względu na ocenę iskrobezpieczeństwa system należy podzielić na sekcje, z których każda jest zasilana z jednego wzmacniacza. Poszczególne sekcje są rozdzielone między sobą kondensatorami w sprzęgaczach mocy, a sekcje sąsiadujące ze stacją bazową są do niej przyłączone poprzez barierę iskrobezpieczną (zawierającą kondensator sprzęgający). Ponieważ poszczególne sekcje są sprzężone między sobą (a także z nieiskrobezpieczną stacją bazową) kondensatorami spełniającymi wymagania wg [6], iskrobezpieczeństwo każdej sekcji może być rozpatrywane oddzielnie. W każdej sekcji występuje zasilacz traktowany jako urządzenie towarzyszące oraz jedno lub kilka urządzeń iskrobezpiecznych, takich jak: sprzęgacze, wzmacniacze, rozgałęźniki, terminatory. Wg literatury [9] oraz norm dotyczących iskrobezpieczeństwa [5, 6, 7, 8] ocena iskrobezpieczeństwa systemu iskrobezpiecznego może przebiegać następująco: 1. Wszystkie elementy składowe muszą być iskrobezpieczne, co jest potwierdzone deklaracją zgodności i certyfikatami badań typu WE wykonanymi przez laboratoria notyfikowane. 2. Wszystkie elementy muszą mieć określone graniczne parametry iskrobezpieczeństwa. Dla wyjścia zasilacza jest to: maksymalne napięcie wyjściowe Uo, maksymalny prąd wyjściowy Io, maksymalna moc wyjściowa Po, maksymalna pojemność zewnętrzna Co, maksymalna indukcyjność zewnętrzna Lo, a także stosunek zewnętrznych indukcyjności do rezystancji Lo/Ro. Dla pozostałych elementów będą to: maksymalne napięcie wejściowe Ui, maksymalny prąd wejściowy Ii, maksymalna moc wejściowa Pi, maksymalna pojemność wewnętrzna Ci, maksymalna indukcyjność wewnętrzna Li. 3. Dla przewodu promieniującego znane są podane przez producenta wartości parametrów jednostkowych Lk, Ck, Rk. 4. Dla każdego urządzenia iskrobezpiecznego muszą być spełnione warunki dotyczące napięć i prądów: U I o o U I i i (1) 5. Maksymalna pojemność zewnętrzna zasilacza musi być nie mniejsza od sumy pojemności kabli i urządzeń iskrobezpiecznych. 6. Maksymalna indukcyjność zewnętrzna zasilacza musi być nie mniejsza od sumy indukcyjności kabli i urządzeń iskrobezpiecznych. 3.3. Analiza iskrobezpieczeństwa systemu radiokomunikacyjnego MCA-1000 Przeprowadzono analizę warunków iskrobezpieczeństwa systemu MCA-1000. Do analizy zastosowano: parametry wybranych zasilaczy iskrobezpiecznych pokazane w tabeli 1.
Nr 1(467) STYCZEŃ 2010 39 parametry graniczne wzmacniacza, rozgałęźnika, terminatora, i sprzęgacza systemu MCA-1000 pokazane w tabeli 2. parametry kabla cieknącego SLYWV-75-10: Ck=51,2 nf/km Lk=300 mh/km, Rk=8,6 W/km, Lk/Rk=34,9 mh/w. Warto zauważyć, że dla zasilacza firmy TROLEX nie podano wartości Lo, natomiast dla zasilacza firmy ELTEL podano możliwość dołączenia do zacisków wyjściowych kabla o przekroju nie większym niż 1,5 mm 2 o dowolnej długości. Dla wszystkich urządzeń iskrobezpiecznych spełnione są warunki dotyczące napięcia i prądu. Tabela 1 Przykłady parametrów granicznych zasilaczy iskrobezpiecznych Producent SOMAR Trolex typ ZGP- 12/0,8 TX6649 Elektrometal ZIG- 12/07/08 ELTEL EZI- 12MIDI Traz- Tel ZBI-1 Uo, V 13,5 12,35 12,5 14,1 12,1 Io, A 1,75 1,8 1,79 0,6 1,9 Po, W 11,4 10,45 10,75 Co, mf 10 32 10 16 100 Lo, mh 45-50 190 400 Lo/Ro, mh/w 45 44,63 43,4 * Tabela 2 Graniczne parametry iskrobezpieczeństwa elementów systemu MCA 1000 W R T S typ Vmlad-IS VBU1-IS VTB-IS VPC-IS Ui, V Ui=20 Ui=30 Ui=30 Ui=30 Ii, A Ii=2 Ii=2 Ii=2 Ci, nf Ci=300 Ci=400 Ci=20 Ci=12 Li, mh Li=3 Li=15 Li=1,8 Biorąc pod uwagę typową sekcję systemu MCA- 1000 zawierającą 4 wzmacniacze Vmlad-IS, sprzęgacz mocy VPC-IS, terminator VTB-IS oraz 5 odcinków kabla cieknącego po 350 m (razem 1750 m) uzyskamy sumę pojemności kabla i urządzeń iskrobezpiecznych: Ci= 4 300+ 12+ 20+ 1,750 51,2 = = 1322 nf < Co= 10000 nf (2) Spełnienie warunku pojemności dla zasilaczy z tabeli 1 i typowej długości kabli cieknących nie stanowi problemu. W przypadku systemu zawierającego zasilacz ZGP-12/0,8 (Lo=45 mf), sprzęgacz mocy (Li=1,8 mf) odcinek kabla cieknącego i wzmacniacz (Li=3 mf) spełnienie warunku indukcyjności jest możliwe, jeżeli długość kabla jest nie większa niż: l Lo- Li - - IS - LiVPC IS = m (3) Lk Vmlad 133 Taki sposób oceny spowoduje, że przy typowych długościach przewodu cieknącego (350 m) żaden system nie spełni warunku indukcyjności. Istnieją przesłanki do innego sposobu uwzględniania indukcyjności kabla cieknącego: w normie PN-EN 60079-14 istnieje zapis Jeżeli urządzenie iskrobezpieczne nie zawiera indukcyjności, a urządzenie towarzyszące jest oznakowane wartością Lo/Ro, to jeżeli wartość Lk/Rk dla kabla jest mniejsza od Lo/Ro to nie jest konieczne spełnienie warunku dla Lo, podobne podejście można znaleźć w pracy McMillana [1], w certyfikatach badania typu WE dla systemów FLEXCOM i MULTICOM nie uwzględniono długości kabla cieknącego, natomiast dopuszczalne konfiguracje zostały określone przez podanie liczby i rodzaju urządzeń iskrobezpiecznych, które można zastosować w sekcji zasilanej z jednego zasilacza iskrobezpiecznego. Należy zauważyć, że indukcyjności Li elementów systemu MCA-1000 są rzędu kilku mh (tabela 2) z wyjątkiem rozgałęźnika potrójnego (15 mh) i są znacznie mniejsze od indukcyjności typowego odcinka kabla promieniującego (350 m odpowiada indukcyjności około 105 mh). Przydatna byłaby komputerowa metoda oceny iskrobezpieczeństwa wykorzystująca identyfikację parametrów zasilacza iskrobezpiecznego o nieliniowej charakterystyce [9]. 3.4. Iskrobezpieczeństwo instalacji systemu MCA-1000 w kopalni Pniówek Kopalnia Pniówek posiada bardzo rozbudowaną strukturę systemu radiokomunikacji użytkowaną w szybach i na kilku poziomach eksploatacyjnych. Aktualnie kopalnia eksploatuje około 20 km sieci kabla promieniującego, z czego na poziomie 830 ponad 10 km. W systemie MCA 1000 w KWK PNIÓWEK zastosowano kilkadziesiąt zasilaczy iskrobezpiecznych z podtrzymaniem akumulatorowym. W większości są to zasilacze typu ZGP-12-0,8 firmy SOMAR. Stosowane są jeszcze zasilacze firmy TROLEX.
40 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 2. Przykładowa struktura i parametry elektryczne fragmentu sieci transmisyjnej określone dla oceny iskrobezpieczeństwa systemu MCA 1000 od strony zasilacza iskrobezpiecznego (Z1) KWK PNIÓWEK zwróciła się więc do Katedry Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej o ocenę iskrobezpieczeństwa instalacji systemu MCA-1000 w kopalni. Zastosowano sposób oceny podany w punkcie 3.2 z modyfikacją dotyczącą sprawdzania indukcyjności. Zaproponowano sprawdzenie dwóch warunków: indukcyjność zewnętrzna zasilacza musi być nie mniejsza od sumy indukcyjności wewnętrznych urządzeń iskrobezpiecznych, tzn.: L L (4) i o dla każdej pętli od zasilacza do poszczególnych urządzeń iskrobezpiecznych stosunek indukcyjności pętli (wraz z indukcyjnościami wewnętrznymi urządzeń) do rezystancji pętli nie może być większy od wartości Lo/Ro zasilacza, tzn.: i Lo (5) L R R i Przyjęty sposób oceny iskrobezpieczeństwa systemu MCA-1000 został zaakceptowany przez jednostkę notyfikowaną OBAC Gliwice. Przykład schematu blokowego jednej z sekcji kabla cieknącego z zaznaczeniem parametrów iskrobezpieczeństwa pokazano na rys. 2. Zasilacz Z1 jest przyłączony do systemu teletransmisyjnego poprzez sprzęgacz mocy S1 (zasilania), który stanowi element rozdzielający odcinki sieci zasilane z różnych zasilaczy. Zasilacz Z1 zasila 3 wzmacniacze liniowe (W1, W2, W3). W linii transmisyjnej zainstalowano rozgałęźnik R1, dla rozprowadzenia sygnału w wyrobiskach przyległych (rozgałęźnych) i ewentualnej dalszej rozbudowy systemu komunikacji radiowej na danym poziomie. o Tabela 3 Wyniki oceny iskrobezpieczeństwa sekcji kabla promieniującego z rys. 2 urządzenie /kabel C nf L μh R W SL μh SR W L/R S1 12 1,8 S1 - W1 5,1 30 0,86 W1 300 3 35 0,86 40,5 W1 - W2 17,9 105 3,1 W2 300 3 143 3,96 36,1 W2 - R1 5,6 33 0,94 R1 400 15 191 4,9 38,9 R1 - T1 5,1 30 0,86 T1 20 221 5,76 38,3 R1 - W3 5,1 30 0,86 W3 300 3 224 5,76 38,9 W3 - S2 17,9 105 3,1 S2 12 329 8,86 37,1 suma Ci Li 1401 25,8 Wyniki obliczeń Li Ci, dla sekcji Ri Li, z rys. 2 pokazano w tabeli 3. Otrzymane wartości są mniejsze od odpowiednich parametrów wyjściowych zasilacza ZGP-12/0,8, co oznacza spełnienie warunków iskrobezpieczeństwa. 4. SPADKI NAPIĘĆ W SYSTEMIE TELEKO- MUNIKACYJNYM Z KABLEM PROMIENIU- JĄCYM Prawidłowa praca systemu komunikacji radiowej wykorzystującej kabel cieknący jest również uzależniona od prawidłowego zasilania wzmacniaczy. Prąd stały płynący w kablu cieknącym wywołuje spadki
Nr 1(467) STYCZEŃ 2010 41 Rys. 3. Przykład schematu zastępczego do obliczania spadków napięć w sekcji przewodu cieknącego napięć, co obniża wartość napięcia zasilającego poszczególne wzmacniacze. Przy analizie warunków zasilania zakłada się, że: napięcie wyjściowe zasilacza Uz ma wartość znamionową, spadki napięcia na rezystancjach wewnętrznych wzmacniaczy i rozgałęźników są pomijalne, prąd pobierany przez wzmacniacz ma wartość znamionową i nie zależy od wartości napięcia zasilającego. Na rys. 3 pokazano przykład schematu zastępczego do obliczania spadków napięć w sekcji przewodu promieniującego zasilającego 4 wzmacniacze. Napięcie U4 zasilające wzmacniacz W4 jest równe ( 4 l1+ 3* l2+ 2 l3 l4) U4 = Uz- Iw Rk + (6) Wstawiając do zależności (6) parametry systemu MCA-1000 (Iw=0,14 A dla wzmacniacza z diagnostyką, Uz=12 V), przyjmując odległości między wzmacniaczami 350 m otrzymamy napięcie zasilające wzmacniacz W4 równe U4=7,8 V, co jest wartością mniejszą od wymaganej wartości minimalnej 8 V. 5. PODSUMOWANIE Instalacja w kopalniach systemu łączności radiowej z wykorzystaniem przewodu promieniującego powinna być wykonana na podstawie projektu. Projekt powinien uwzględnić: kompensację tłumienia sygnału przez wzmacniacze, zapewnienie minimalnej wartości napięcia zasilania wzmacniaczy, spełnienie warunków iskrobezpieczeństwa (np. wg metody podanej w punkcie 3.4), możliwość ewentualnej dalszej rozbudowy systemu. Projekt powinien być opracowany przez osoby mające określoną wiedzę w tym zakresie i odpowiednie uprawnienia do wykonywania tych czynności. Literatura 1. McMillan A.: Electrical Installations In Hazardous Areas. Butterworth-Heinemann, 2002. 2. DTR Dokumentacja Techniczno-Ruchowa systemu komunikacji radiowej typu MCA 1000. Dok. nr P/T/6764/x, Tranz-Tel, Kobiór, 2006. 3. Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Nowe rozwiązania systemów radiokomunikacyjnych dla kopalń podziemnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskie. Seria Górnictwo Zeszyt 274, Gliwice 2006. 4. Miśkiewicz K., Wojaczek A.: Ocena iskrobezpieczeństwa systemu radiokomunikacji typu MCA 1000. Załącznik do projektu zabudowy systemu MCA 1000 w KWK PNIÓWEK. Prace Katedry Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Politechniki Śląskiej (RG-1). Gliwice 2008. 5. PN-EN 50394-1 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Grupa I Systemy iskrobezpieczne. Część 1: Konstrukcja i badania. 6. PN-EN 60079-11 Atmosfery wybuchowe Część 11. Urządzenia przeciwwybuchowe iskrobezpieczne. 7. PN-EN 60079-14 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem Część 14 Instalacje elektryczne w obszarach ryzyka innych niż zakłady górnicze. 8. PN-EN 60079-25 Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów Część 25: Systemy iskrobezpieczne 9. Walpole M., E.: Intrinically Safe (IS) Active Power Supplies. Proceedings of Queensland University of Technology. Brisbane, March 2003. 10. Wiszniowski P.: Zastosowania nowych technologii łączności bezprzewodowej w przemyśle wydobywczym. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2008, nr 5 11. Wojaczek A., Miśkiewicz K.: Wybrane problemy radiokomunikacji w podziemiach kopalń. Materiały KKRRiT, Warszawa 2009. 12. Wytyczne ATEX (wydanie drugie). Wytyczne zastosowania dyrektywy Rady 94/9/EC z dnia 23 marca 1994 odnośnie przybliżenia praw Krajów Członkowskich dotyczących urządzeń i systemów stosowanych w potencjalnie wybuchowym otoczeniu. WUG Katowice, 2004. Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Frączek