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本质安全型电气设备电路的火花放电

时间:2018-7-27 16:15:01点击:

  介: 本安型电路无论是在正常工作状态下,还是在规定的故障状态下,所产生的电火花和热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物。这里所指的电火花是广义的,它包括电路中两个电极间的放电火花,也包括电...
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本安型电路无论是在正常工作状态下,还是在规定的故障状态下,所产生的电火花和热效应都不能点燃规定的爆炸性混合物。这里所指的电火花是广义的,它包括电路中两个电极间的放电火花,也包括电路切换时产生的电弧,以下统称电路的放电火花。
电路的放电火花,是电气设备在实际运行中由于开关触点的开闭和电路绝缘损坏形成短路而产生的。而电路绝缘损坏形成短路所产生的电火花相当于开关触点闭合时所产生的电火花。所以在研究本安电路的电火花时,只需研究开关触点开闭时的放电火花就行了。放电火花的能量大小是研究本安型电路的核心。放电火花是电源能量和电路中储能元件的储存能量向通断的电极间隙放电的现象(释放能量),是电路的电子流和电极间气体电离的离子流形成的导电带。放电火花含有熔融的金属粒子和蒸气(即液态金属桥),在极高的电流密度作用下产生高温和大量的热能。当这种能量超过了周围爆炸性混合物的最小点燃能量时就会引起爆炸。通常认为电路放电有三种形式:火花放电、弧光放电和辉光放电。火花放电的特点是低电压大电流放电,如本安电路中的电容放电、化学电源放电均属于火花放电。弧光放电为高压击穿时产生的放电,它可以产生持续电弧,电流密度大、能量集中、点燃周围环境中爆炸性混合物的能力强,电感电路能产生弧光放电。辉光放电是在高电压小电流的条件下发生的,通常认为电压在200~300V以上才能发生辉光放电。辉光放电的特点是能量不集中,散失大,点燃周圉环境中爆炸性混合物的能力差。 不同性质的电路(电阻性、电感性、电容性)及电路的开关状态(接通、断开、通断速度)。将对电火花的形成和特点产生不同的影响。 1. 电阻电路的火花放电 电阻电路没有储能元件,是最简单最基本的电路。电阻电路通断时所产生的电火花的能量来源于电源,放电过程比较简单。电阻电路的火花放电电路如图1所示。当电路断开时,电极间接触面急剧减小,接触部位间的电流密度又急剧增加,可高达103~104A/mm2,而电极间电压逐渐增大。在电压和电流的作用下,电极迅速熔化形成金属桥。而后产生的金属蒸气破坏了金属熔桥,电极间电阻变大,电极间电压随之上升,当电压高于起弧电压时就会产生电弧放电。当电路的电感大于0.2μH时就会产生起弧电压。通过以上分析可以看出,电阻电路的火花放电是在一定的电流和电压作用下才能发生的。只有在火花放电功率相当大的情况下,放出适当大小的能量,才有可能点燃爆炸性混合物。如果火花功率相当小,即使火花放电时间长,也是不会点燃爆炸性混合物的。同其他性质的电路相比,电阻电路的放电火花的能量是比较小的。 开关通断速度对电火花能量的大小也有影响。研究表明:火花放电能量与电源电压、电路电流、火花放电持续时间三因素乘积成正比。因此,开断电气参数一定的电路(电源电压和电路电流一定),其火花放电的能量却是不一定的,而是随着火花放电持续时间和放电波形而变化的,持续时间越长,火花放电能量就越大。所以,对于电阻电路的断开时产生的火花,慢速度断开比快速断开更危险。电阻电路闭合时火花放电与断开时火花放电在现象和效果上是一样的。 图1  电阻电路火花放电电路 2.电感、电路的火花放电 电感电路是由电感和电阻组成的电路,其火花放电电路如图2所示。电路中的电感元件是储能元件,它可以把电路的能量以磁能的形式储存起来,当电路发生通断变化时,又能释放能量。电感电路的火花放电过程较为复杂,其火花放电功率和能量分为两个部分:一部分来自电源,一部分来自电感元件,并且电感元件中的磁场能量是主要的,而来自电源能量是次要的。当电感电路断开时,除具有电阻电路的放电过程外,最主要是电感元件磁场储能(LI2)的放电过程。这时,电路的电极迅速离开,电极间电阻突然增大,电流急剧下降,电流变化率很大,在电极间隙处产生了很高的反电动势,电感的储能在放电间隙处发生放电。放电间隙既有来自电源能量放电,又有来自电感元件的储能放电,放电强度大大提高,同时延长了放电时间。电感电路断开时的电火花无论在时间上还是空间上都是比较集中的,而且越是集中的火花,就越容易点燃爆炸性混合物。对于电感量较大的电感电路,火花小而集中,容易点燃爆炸性混合物;而对于电感小的电感电路,其放电火花大而分散,不易点燃爆炸性混合物。因此,电源电压相同的电阻电路和电感电路,其点燃电流是不同的,电感电路的点燃电流要比电阻电路的点燃电流小得多。因此在设计本安型电感电路时,应特别注意电感储能放电对放电火花的影响。电感电路闭合时,由于电流不发生突变,不易产生强烈的火花放电。因此这里不作研究,由于电感电路的火花放电是在电路断开时产生的,因此电感火花也称为断开火花。 图2  电感电路火花放电电路 3.电容电路的火花放电 电容电路是由电容和电阻组成的电路。电容电路的火花放电是在开关触点闭合时产生的,而在触点断开时,电容电路的电容不会发生火花放电,所以电容电路火花放电也称为闭合火花。电容电路的电容火花放电电路如图3所示。 图3  电容电路的电容直接火花放电电路 在电容电路中电容是储能元件,它把电源的能量以电能的形式储存起来(储能为CU2 c)。当电路闭合时,既有电阻电路放电,又有电容储能放电。在这一瞬间,电容放电电流很大,放电又非常迅速,持续时间很短,火花放电功率和能量都很大,且能量高度集中。因此,电容电路的放电火花点燃爆炸性混合物的能力更强,危险就更大。 电容电路的火花放电有两种:一种是电容电路的电容直接火花放电,如图3所示;另一种是电容电路的电容经串联电阻火花放电,如图4所示。电路中电容C经串联电阻R0放电,电极间的放电电流I等于电容放电电流Ic与电源电流IB之和,即:I= IB+Ic。电极间放电功率P也等于电源放电功率PB与电容放电功率Pc之和,即P=PB+Pc。同样,两极间的火花放电能量A,也等于电源放电能量AB与电容放电能量Ac之和,即A=AB+Ac。由于电容C储能经过串联电阻R0放电,一部分能量在电阻R0上消耗了,因此电容放电能量就小于CU2 c(电容储能)。同时,电源的火花放电与电容也有关,因为电容电压也影响电源的放电。由此可见,由于串联电阻R0的作用,电容C的放电受到限制,同时也限制了电源的放电,从而大大地限制了电容电路的火花放电的能量,降低了火花放电点燃爆炸性混合物的可能性,提高了电容电路的本质安全性能。 图4  电容电路的电容串联电阻火花放电电路 通过对上述三种本安电路的研究,我们知道电路的火花放电具有一定的能量,当这种能量达到一定数量级时将会引燃爆炸性混合物。使爆炸性气体混合物点燃的最小能量就是电火花的最小点燃能量。最小点燃能量是研究本质安全防爆性能的基本概念,最小点燃能量的数值是爆炸性混合物级别的标志。最小点燃能量是在特定的试验条件下(最易点燃的放电方式,最易点燃的爆炸性混合物的浓度),通过专门的试验装置测定时,其数据有较高的准确性。是设计和评价本安电路的重要依据。 我们已经知道放电火花能量的大小与电源电压、电路电流、火花持续放电时间三因素乘积成正比,那么点燃爆炸性混合物的最小电流和电压的测定也是非常重要的。最小点燃电流和最小点燃电压是防爆检验单位在规定试验条件下,通过大量的火花试验而确定的点燃爆炸性混合物的最小电流和电压,并绘制了最小点燃电流和电压曲线。最小点燃电流和电压曲线是设计、使用和检验本安电路的重要依据。 为了保证本安电路的防爆性能,在设计、检验和使用本安电路时,要使电路有足够的安全裕度系数,这就是本安电路的安全系数。对于不同的电路,安全系数的计算也不同。对电阻电路、电感电路,其安全系数(K) 的计算公式: K=最小点燃电流/设计最大允许电流; 对电容电路:K=最小点燃电压/设计最大允许电压。 本安电路放电火花点燃能力的大小是受电路的电压、电流、电感、电容等电气参数直接影响的,同时也受到一些非电气参数的影响,如爆炸性混合物的浓度、成分、温度、温度;流动速度,以及电极触头的材质、形状、分合速度等诸多因素的影响。不同成分的爆炸性混合物,其火花点燃能力是不同的。即使是同种成分的爆炸性混合物,由于浓度的不同,其最小点燃能量也是不同的。爆炸性混合物的温度越高,所需能量越小,越易点燃;湿度越大,越不易点燃;爆炸性混合物的流动速度越大,越易点燃。至于电路的电压、电流、电感、电容对放电火花点燃能力的影响在前面的各种本安电路中已作过研究,这里不再复述。

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