面向氣體防爆試驗的寬幅度電點火系統(tǒng)設計

王金鳳 徐景德

摘 要：為了滿足可燃性氣體防爆試驗需求，根據電火花放電原理，通過點火實驗，測量、計算實際點火能量，標定相關參數關系，設計寬幅度電容儲能式電點火系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括充電電路、放電電路、控制電路和安全保護電路四部分。針對儲能電容器、放電控制電路與放電開關以及安全保護電路進行選型分析，并通過理論計算和模擬實驗來確定技術參數，最終構建寬幅度電點火系統(tǒng)，實現點火能量10-1-104mJ數量級，并且點火能量連續(xù)可調。

關鍵詞：寬幅點火;電極間隙;瓦斯爆炸;能量控制

Abstract： in order to meet the requirements of flammable gas explosion-proof test， according to the principle of electric spark discharge， through the ignition experiment， the actual ignition energy is measured and calculated， and the relationship of relevant parameters is calibrated， and the wide range capacitor energy storage electric ignition system is designed. The system mainly includes four parts： charging circuit， discharging circuit， control circuit and safety protection circuit. This paper analyzes the selection of energy storage capacitor， discharge control circuit， discharge switch and safety protection circuit， and determines the technical parameters through theoretical calculation and simulation experiment. Finally， a wide range electric ignition system is constructed， and the ignition energy is from10-1-104mJ， and the ignition energy is continuously adjustable.

Key words： wide range ignition;electrode gap;gas explosion;energy control

引言

可燃性氣體防爆技術及裝備研發(fā)因防爆的技術復雜性一直是工業(yè)安全中的技術難題。以甲烷為代表的各類可燃性氣體在為人類社會帶來福祉的同時，也存在燃燒爆炸的危險，工業(yè)防火防爆技術中很大一部分項目研究就是針對這類氣體防爆技術而開展的。

在工業(yè)環(huán)境中，絕大部分可燃性氣體燃燒爆炸事故都發(fā)生在受限空間，為了研究氣體燃燒爆炸事故防治發(fā)生演化機理，設計了多類型、多尺度的爆炸模擬試驗。引爆火源是這類試驗裝置中必不可少的組成部分。很多實驗室采用汽車或者家用點火器代替火源，這類火源的優(yōu)點是性能穩(wěn)定、操作方便，但對于實驗室試驗需求而言，一是其放電能量固定，不能調節(jié)，而氣體防爆試驗要求火源能量級別幅度寬，放電能流密度從mW/m2—kW/m2級別，需適應于強弱爆炸不同試驗需求;二是火源能流密度變化大，穩(wěn)定性差，不能適應氣體點火特性的研究;三是這類火源釋放能量不穩(wěn)定，精度不夠，不適應與研究點火相關課題研究[1-2]。

為滿足可燃性氣體燃燒爆炸試驗的需求，本文設計了一套點火系統(tǒng)，實現以下三個方面的基本要求：一是火源能量能夠精確測定，為定量分析引爆火源和氣體燃燒爆炸參數的關系提供計算和分析的基礎數據;二是火源能量幅度寬，根據試驗需要，火源釋放能量從10-1-104mJ連續(xù)可調，可適應于不同工況的試驗研究;三是火源能量調節(jié)安全、可控、方便。

1電點火源結構及原理

在各類火源中，由于電流、電壓測量的方便，電點火源最為普遍。按點火能量的儲存方式來分，點火源一般有電感式和電容式兩類，電感式點火源由于其功率小，很少用于爆炸燃燒引爆火源，目前普遍采用電容放電式點火源。

1.1 電點火源結構

電容放電式點火系統(tǒng)（capacitor discharge ignition，縮寫作 CDI），采用了電容器充電儲存所需的電量，并在需要的時候瞬間放出電流經過點火線圈，使其產生高壓電觸發(fā)火花塞點火。根據CDI所接的電源不同，分為AC-CDI和DC-CDI兩類[3-4]。

通過對比分析上述點火源的特點，針對點火源的用途，本設計選用AC-CDI點火系統(tǒng)。 技術線路如圖1所示。

1.2 點火原理

裝置采用220V交流供電，電源經升壓變壓器調壓，二極管整流，向高壓儲能電容器組充電，充到所需電壓之后，手動觸發(fā)點火開關，電容兩端高電壓擊穿電極，產生電火花。電點火系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2系統(tǒng)設計

儲能電容器的主要作用是通過緩慢充電來聚集能量，儲存能量可用通式進行計算。由表達式可看出，通過設計電容器的電容 C 與充電電壓U 即可得到電火花點火能量。

關于放電開關的選擇，電能量放電電路采用普通空氣開關控制即可;但大能量放電電路的放電過程中，普通開關燒蝕嚴重，極易損壞，穩(wěn)定性和安全性得不到保障，擬采用 3 電極氣隙開關[5-6]。在控制電路和安全保護電路的設計上，要重點考慮大能量點火的需求。

2.1 儲能單元選擇

本設計中，以電容器作為儲能單元，通過緩慢充電來存儲電能。儲存能量可用通式來計算。在設計上，一方面可以通過增大電容C或提高充電電壓U來實現大能量電火花點火;另一方面，充電電壓值和電容值也是決定點火性能的兩項最重要的電路參數，電容值也不是越大越好，還要綜合充電時間等指標。需要選擇合適的儲能電容和確定與其匹配的充電電壓。

2.2 放電控制電路和放電開關的選擇

電點火系統(tǒng)中普通開關在大能量放電電路的放電時，往往被燒蝕嚴重，穩(wěn)定性和安全性得不到保障，所以要選擇合適的放電開關并配合放電控制電路來實現點火控制。

3系統(tǒng)測試分析

通過理論分析和模擬仿真完成系統(tǒng)設計之后，利用華北科技學院工業(yè)爆炸實驗平臺進行了點火試驗。

針對5%、9%、15%甲烷濃度，設置不同電極間隙和充電電壓進行點火實驗，利用示波法測試、計算電火花實際點火能量;通過10-1-104mJ能量檔位近百余次點火實驗，分析計算各次點火實驗火花有效能量及能量轉換效率，最終標定每個檔位實際點火能量的最大值和最小值以及電容、電壓與能量之間的函數關系式等;同時通過實驗進一步檢驗點火系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并針對實驗中出現的問題對電點火系統(tǒng)進行改進和完善。

在實驗條件下影響點火能量的因素主要是電極間隙和電容器的充電電壓。為了減少測試誤差，實驗時需要保持參數設定的一致性和盡可能一樣的溫度、濕度和空氣壓強條件。同時，為了確保點火系統(tǒng)的穩(wěn)定性，得到在不同的電極間隙和充電電壓下點火能量的變化情況，需要對每次點火試驗進行重復實驗。本論文在同樣的條件下分別做三次實驗取其平均值。

本文以電容器的電容為0.225μF，電極間隙為5 mm，電容充電電壓為4 KV時的點火能量測定和計算為例進行具體說明。

試驗使用示波器的電壓探頭的衰減比是100：1，電流探頭的衰減比是10：1。利用示波法進行三次實驗所測得的電壓、電流如圖3（a）、（b）、（c）所示。

波形圖中，通道1表示電流，垂直刻度為500 mA/格，通道2表示電壓，垂直刻度為50 V/格，主時基水平刻度系數為25μs/格，直流耦合，帶寬限制100Mz處于關閉狀態(tài)，將電流通道設置為觸發(fā)通道，觸發(fā)電平為40 mA，電流探頭衰減系數為1X，反相處于關閉狀態(tài)。由圖可以清晰的看到點火時火花電流和電壓的變化趨勢，只有產生火花電流的時候才有能量的釋放，可以看到火花電流的持續(xù)時間大約為50μs，然后就逐漸衰減到零，而電容器兩端電壓衰減的時間要長一些[7]。

從圖3中看到三次點火捕獲的電壓電流圖的形狀基本是一致的，但是其大小是否一致需要通過定量的計算來確定。

首先對第一次點火能量進行計算，其理論上是通過功率曲線對時間積分求得火花能量，即：

在此將其變形為如下的公式，再根據得到的數據進行能量計算：

式2中n=2500（有2500個采樣點），△t=10-7，在excel中進行計算，根據得到的各點電壓電流值解算出最終的放電能量E等于25.13mJ。

再對第二次和第三次點火能量進行同樣的計算，分別得到最終的火花放電能量為25.34mJ和25.59 mJ。

由上可知此點火系統(tǒng)在充電電壓為4KV，電極間隙為5 mm時，每次單次火花放電的放電能量相差不大，故可認為此系統(tǒng)在基本設置參數相同和實驗條件相似的情況下每次的放電能量基本穩(wěn)定。在同條件下實驗三次，將測得的能量取平均值。得到：

通過設計和測試，最終得到充電電壓與電極間隙對點火能量的影響：充電電壓越大，點火能量越高。電極間隙有一個最佳值，在最佳間隙下的點火能量最低，超過最佳間隙，點火能量會隨著電極間隙的增大而增大[8]。

4結論

系統(tǒng)通過測試，分析計算了各次點火實驗火花有效能量及能量轉換效率，最終標定每個檔位實際點火能量的最大值和最小值以及電容、電壓與能量之間的函數關系式等，實現了單臺小型設備的寬幅能量、電壓調節(jié);同時，通過實驗進一步檢驗點火系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并針對實驗中出現的問題對電點火系統(tǒng)進行改進和完善;通過電路的結構優(yōu)化、器件選型、過壓、過流等保護措施提高了裝置的安全性。

系統(tǒng)的成功設計為可燃性氣體防爆試驗提供了一套可靠電點火系統(tǒng);對大能量電點火系統(tǒng)的設計、電火花放電特性的研究具有很好的學術研究意義和應用價值。

參考文獻：

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[8]賴芳芳， 電火源引爆瓦斯的規(guī)律和特征研究[D].華北科技學院，2015.

作者簡介：

王金鳳（1978-）女，滿族，河北遵化人，碩士，講師，主要研究方向：自動控制技術、電磁檢測技術。

徐景德（1965-）男，漢族，安徽淮南人，博士，教授，主要研究方向：礦井瓦斯災害防治、安全生產監(jiān)管與應急管理。

基金項目：2020年度廊坊市科技計劃項目“面向氣體防爆試驗的寬幅度電點火系統(tǒng)設計與實驗研究”（編號 2020011018）

（華北科技學院，北京 東燕郊 065201）