本質(zhì)安全電路放電形式的研究

王振龍+楊世康+吳冬妮

摘 要：文章研究了危險(xiǎn)氣體環(huán)境下工作的本質(zhì)安全電路的放電形式和放電規(guī)律，闡述和分析了電氣放電理論和本質(zhì)安全電路中的三種放電形式，并對(duì)它們的發(fā)生原理和產(chǎn)生過程進(jìn)行了描述和分析。結(jié)合本質(zhì)安全一般電路形式，分析了三種簡(jiǎn)單電路的放電原理。結(jié)果表明，火花放電和弧光放電是引燃的主要形式，輝光放電一般不會(huì)引起爆炸。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全電路；火花放電；電弧放電；輝光放電

中圖分類號(hào)：TD685 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）30-0167-02

在爆炸性氣體環(huán)境中工作的電氣設(shè)備，當(dāng)設(shè)備的工作形式發(fā)生改變（電路切換）時(shí)，觸點(diǎn)閉合、分離的瞬間會(huì)將放電間隙的氣體介質(zhì)擊穿，因而會(huì)有放電現(xiàn)象的產(chǎn)生[1-3]。為了研究的方便，一般將電路分為電阻性電路、電容性電路和電感性電路，通過研究這三種簡(jiǎn)單形式的電路，發(fā)現(xiàn)放電的規(guī)律，總結(jié)放電的理論，從而為研究更為復(fù)雜的電路奠定理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)。發(fā)生在本質(zhì)安全電路中的放電為低能放電，區(qū)別與高電壓、大電流的大功率放電。

1 本質(zhì)安全電路放電形式

通常，發(fā)生在本質(zhì)安全電路中的放電形式有三種，分別為火花放電、弧光放電和輝光放電。

1.1 火花放電

火花放電，是指本質(zhì)安全電路在正常工作過程中，或者發(fā)生故障狀態(tài)下，使電容電路的工作狀態(tài)發(fā)生了改變，在接通或者斷開的瞬間，產(chǎn)生間隙的同時(shí)伴隨著擊穿現(xiàn)象而產(chǎn)生的。一般認(rèn)為，火花放電是由于放電間隙的電子在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生的一系列雪崩過程中形成的[4]。根據(jù)對(duì)簡(jiǎn)單電容電路放電過程的實(shí)驗(yàn)觀察，可將火花放電做以下描述：當(dāng)斷開的觸點(diǎn)間電壓達(dá)到最小建弧電壓的條件下，觸點(diǎn)斷開的瞬間，觸點(diǎn)間產(chǎn)生的間隙被擊穿，此時(shí)的放電電流較小，并且放電間隙上的電壓也較穩(wěn)定；隨著放電間隙距離的拉開，放電進(jìn)入維持階段，此時(shí)間隙上產(chǎn)生極高的溫度，放電電流急劇增大而達(dá)到最大值，放電間隙電壓迅速下降到極小值，此時(shí)的放電間隙電阻也呈很小的阻值；當(dāng)放電間隙的熱量輻射到周圍空氣中，火花帶呈發(fā)散狀態(tài)，火花間隙的阻值迅速增大，溫度迅速下降，使得火花帶減弱，放電過程結(jié)束。

放電分析：從火花放電引燃爆炸性氣體的觀點(diǎn)來看，火花在維持階段形成高溫?zé)嵩?，是火花能量向爆炸性氣體釋放熱量的主要階段。放電過程中，火花能量的釋放主要通過兩個(gè)途徑：一部分能量隨著放電電子束傳導(dǎo)至危險(xiǎn)氣體中，另一部分熱量傳導(dǎo)到觸點(diǎn)電極的表面。傳導(dǎo)到電極表面的能量越大則散失到危險(xiǎn)氣體中的能量就越小，那么放電就越不容易引起點(diǎn)燃，顯然，傳導(dǎo)到電極表面的能量決定了火花的點(diǎn)燃能力。而傳導(dǎo)到電極表面的能量和電極的分離速度直接相關(guān)。電感-電容的復(fù)合電路如圖1所示，由于電路參數(shù)的不同，其過度過程也可以產(chǎn)生火花放電。圖1中，E和RS和為電源參數(shù)；C和L為電路中電容元件、電感元件以及分布電容、分布電感的集中等效參數(shù)；BK為放電間隙；ig、ug為電弧電壓和電弧電流。

1.2 電弧放電

電弧放電是本質(zhì)安全放電理論重點(diǎn)研究的一種放電形式。由于對(duì)元件參數(shù)的限制，使得本質(zhì)安全電路成為一種低功率電路，發(fā)生在本質(zhì)安全電路中的電弧放電一般表現(xiàn)為較低程度上的能量放電，與大功率電路放電的情形區(qū)別很大。

由于本質(zhì)安全電路的電弧放電在能量級(jí)別是很低的一種放電過程，所以，一般認(rèn)為本質(zhì)安全電路中的電弧放電是由某種形式的不穩(wěn)定放電的不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的[5-6]。在多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)化是以躍變形式完成，并形成短路狀態(tài)，是經(jīng)過一系列極短的階段，且在每段時(shí)間內(nèi)放電都來不及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 放電電路分析

2.1 簡(jiǎn)單電阻性電路的情況

簡(jiǎn)單的電阻性電路中不包含電感和電容這類存儲(chǔ)能量的電子元件，電路工作狀態(tài)切換過程產(chǎn)生的火花放電的能量來自于電源。當(dāng)電路發(fā)生斷路時(shí)，由于外力作用等因素而形成接觸偶觸點(diǎn)。隨著觸點(diǎn)電極接觸面的迅速減小，電極間的電阻和電極間電壓同時(shí)增大，接觸部位的電流密度急劇增加。在電流、電壓作用下，電極間迅速積聚起大量的熱量，形成非常高的溫度，電極間的連接金屬熔化形成液體金屬滴。隨著電極的迅速拉開，液體金屬橋發(fā)生斷裂而產(chǎn)生金屬蒸汽，電極間電阻迅速增大，電壓迅速上升，當(dāng)電壓高于起弧電壓時(shí)就產(chǎn)生電弧放電。由于放電的能量主要來自于供電電源，所以電阻性電路火花釋放的能量比電容性電路和電感性電路要弱很多。同樣道理，當(dāng)電阻性電路的觸點(diǎn)閉合時(shí)也會(huì)發(fā)生火花放電，從而點(diǎn)燃可燃性氣體混合物。需要說明的是，純電阻電路在實(shí)際電路中很難做到，在工作狀態(tài)發(fā)生改變過程中，即使電源電壓比建弧電壓低的情況下，由于電路當(dāng)中的電感器件的作用，仍然會(huì)使電壓升至起弧電壓，在電路接通的瞬間產(chǎn)生電弧。

2.2 簡(jiǎn)單電感性電路的情況

觀察簡(jiǎn)單電感性電路可以看到，電感元件作為電路中的存儲(chǔ)能量元件，在電路正常工作時(shí)可把電路的部分能量以磁能形式儲(chǔ)存起來，當(dāng)電路發(fā)生斷路等故障時(shí)，由于電感中的電流不能突然變化，在觸點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生很高的反電勢(shì)。釋放到放電間隙的能量以電感的磁能為主，電源的能量也會(huì)傳導(dǎo)到放電間隙。因此，電感電路的斷路火花有更大的危險(xiǎn)性，是我們主要研究的一種放電形式。

在電路觸點(diǎn)閉合時(shí)，由于電感性電路的物理特性，電路中的電流不會(huì)突變，電流從零開始逐漸上升，所以放電間隙中的能量在時(shí)間和空間上都不是非常集中，所以不易產(chǎn)生強(qiáng)烈火花放電。因此，電感性電路的斷路火花不作為考慮的重點(diǎn)。

2.3 簡(jiǎn)單電容性電路情況

電容也是存儲(chǔ)能量元件，而電容兩端的電壓不能突然變化。在電路正常工作時(shí)，電容元件把電源的能量以電能的形式儲(chǔ)存起來。當(dāng)電容電路開斷瞬間，由于電容元件的物理特性使得電極間不存在電位差，電路中沒有電流產(chǎn)生，所以不會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。而當(dāng)電路閉合時(shí)，電源和電容都會(huì)向放電間隙釋放能量。因此，電容電路閉合時(shí)，放電瞬間的放電電流極大，而且電容向放電間隙釋放的能量極為迅速，能量高度集中，因此電容性電路閉合時(shí)火花點(diǎn)燃能力更強(qiáng)，危險(xiǎn)性更大。endprint

3 輝光放電

輝光放電一般發(fā)生在電壓很高同時(shí)放電電流很小的情況下。例如在電壓為200伏左右而電流小于0.2A的電路中，可以產(chǎn)生輝光放電。在輝光放電中，放電間隙的電場(chǎng)主要決定于空間電荷的大小及其分布情況，特點(diǎn)是它的陰極勢(shì)降要比弧光放電時(shí)高。輝光放電的放電能量基本上散失于陰極，占電極能量損失的大部分，不是作為引燃爆炸危險(xiǎn)氣體混合物的能量出現(xiàn)。由于輝光放電很少參與引燃有爆炸危險(xiǎn)的氣體混合物，而且在實(shí)際的安全火花電路中這種放電又非常少見，一般不做考慮。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代煤礦井下大量應(yīng)用通信和監(jiān)控設(shè)備，這些設(shè)備在正常工作和故障狀態(tài)下不可避免地要產(chǎn)生放電火花并引起電子器件表面的發(fā)熱，而火花和熱效應(yīng)是點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體的有效方式?？萍脊ぷ髡弑仨氁試?yán)格的科學(xué)態(tài)度從事這項(xiàng)工作，要在試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上研究電路火花放電的原理，認(rèn)識(shí)電火花在可燃爆炸性氣體混合物中的點(diǎn)燃特性，更要認(rèn)清影響電火花點(diǎn)燃特性的各種因素。重點(diǎn)探討和研究各種電路火花放電過渡過程的計(jì)算方法和放電參數(shù)，如何消除電路的危險(xiǎn)火花使其達(dá)到本質(zhì)安全的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[2]孫繼平.煤礦監(jiān)控系統(tǒng)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[3]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（11）：1925-1929.

[4]B.C.柯拉夫欽克.安全火花電路[M].張丙軍，譯.北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.

[5]王玉婷， 劉樹林， 馬一博. 簡(jiǎn)單電容電路最小點(diǎn)燃電壓曲線的數(shù)值化研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（增1）：345-350.

[6]R.K.Eckhof. Minimum ignition energy（MIE）-a basic ignition sensitivity parameter in design of Intrinsic safe electrical apparatus for explosive dust clouds[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries 2002（15）：305-310.endprint