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本質安全型電氣設備電路的火花放電

時間:2018-7-27 16:15:01點擊:

  介: 本安型電路無論是在正常工作狀態下,還是在規定的故障狀態下,所產生的電火花和熱效應都不能點燃規定的爆炸性混合物。這里所指的電火花是廣義的,它包括電路中兩個電極間的放電火花,也包括電...
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本安型電路無論是在正常工作狀態下,還是在規定的故障狀態下,所產生的電火花和熱效應都不能點燃規定的爆炸性混合物。這里所指的電火花是廣義的,它包括電路中兩個電極間的放電火花,也包括電路切換時產生的電弧,以下統稱電路的放電火花。
電路的放電火花,是電氣設備在實際運行中由于開關觸點的開閉和電路絕緣損壞形成短路而產生的。而電路絕緣損壞形成短路所產生的電火花相當于開關觸點閉合時所產生的電火花。所以在研究本安電路的電火花時,只需研究開關觸點開閉時的放電火花就行了。放電火花的能量大小是研究本安型電路的核心。放電火花是電源能量和電路中儲能元件的儲存能量向通斷的電極間隙放電的現象(釋放能量),是電路的電子流和電極間氣體電離的離子流形成的導電帶。放電火花含有熔融的金屬粒子和蒸氣(即液態金屬橋),在極高的電流密度作用下產生高溫和大量的熱能。當這種能量超過了周圍爆炸性混合物的最小點燃能量時就會引起爆炸。通常認為電路放電有三種形式:火花放電、弧光放電和輝光放電。火花放電的特點是低電壓大電流放電,如本安電路中的電容放電、化學電源放電均屬于火花放電。弧光放電為高壓擊穿時產生的放電,它可以產生持續電弧,電流密度大、能量集中、點燃周圍環境中爆炸性混合物的能力強,電感電路能產生弧光放電。輝光放電是在高電壓小電流的條件下發生的,通常認為電壓在200~300V以上才能發生輝光放電。輝光放電的特點是能量不集中,散失大,點燃周圉環境中爆炸性混合物的能力差。 不同性質的電路(電阻性、電感性、電容性)及電路的開關狀態(接通、斷開、通斷速度)。將對電火花的形成和特點產生不同的影響。 1. 電阻電路的火花放電 電阻電路沒有儲能元件,是最簡單最基本的電路。電阻電路通斷時所產生的電火花的能量來源于電源,放電過程比較簡單。電阻電路的火花放電電路如圖1所示。當電路斷開時,電極間接觸面急劇減小,接觸部位間的電流密度又急劇增加,可高達103~104A/mm2,而電極間電壓逐漸增大。在電壓和電流的作用下,電極迅速熔化形成金屬橋。而后產生的金屬蒸氣破壞了金屬熔橋,電極間電阻變大,電極間電壓隨之上升,當電壓高于起弧電壓時就會產生電弧放電。當電路的電感大于0.2μH時就會產生起弧電壓。通過以上分析可以看出,電阻電路的火花放電是在一定的電流和電壓作用下才能發生的。只有在火花放電功率相當大的情況下,放出適當大小的能量,才有可能點燃爆炸性混合物。如果火花功率相當小,即使火花放電時間長,也是不會點燃爆炸性混合物的。同其他性質的電路相比,電阻電路的放電火花的能量是比較小的。 開關通斷速度對電火花能量的大小也有影響。研究表明:火花放電能量與電源電壓、電路電流、火花放電持續時間三因素乘積成正比。因此,開斷電氣參數一定的電路(電源電壓和電路電流一定),其火花放電的能量卻是不一定的,而是隨著火花放電持續時間和放電波形而變化的,持續時間越長,火花放電能量就越大。所以,對于電阻電路的斷開時產生的火花,慢速度斷開比快速斷開更危險。電阻電路閉合時火花放電與斷開時火花放電在現象和效果上是一樣的。 圖1  電阻電路火花放電電路 2.電感、電路的火花放電 電感電路是由電感和電阻組成的電路,其火花放電電路如圖2所示。電路中的電感元件是儲能元件,它可以把電路的能量以磁能的形式儲存起來,當電路發生通斷變化時,又能釋放能量。電感電路的火花放電過程較為復雜,其火花放電功率和能量分為兩個部分:一部分來自電源,一部分來自電感元件,并且電感元件中的磁場能量是主要的,而來自電源能量是次要的。當電感電路斷開時,除具有電阻電路的放電過程外,最主要是電感元件磁場儲能(LI2)的放電過程。這時,電路的電極迅速離開,電極間電阻突然增大,電流急劇下降,電流變化率很大,在電極間隙處產生了很高的反電動勢,電感的儲能在放電間隙處發生放電。放電間隙既有來自電源能量放電,又有來自電感元件的儲能放電,放電強度大大提高,同時延長了放電時間。電感電路斷開時的電火花無論在時間上還是空間上都是比較集中的,而且越是集中的火花,就越容易點燃爆炸性混合物。對于電感量較大的電感電路,火花小而集中,容易點燃爆炸性混合物;而對于電感小的電感電路,其放電火花大而分散,不易點燃爆炸性混合物。因此,電源電壓相同的電阻電路和電感電路,其點燃電流是不同的,電感電路的點燃電流要比電阻電路的點燃電流小得多。因此在設計本安型電感電路時,應特別注意電感儲能放電對放電火花的影響。電感電路閉合時,由于電流不發生突變,不易產生強烈的火花放電。因此這里不作研究,由于電感電路的火花放電是在電路斷開時產生的,因此電感火花也稱為斷開火花。 圖2  電感電路火花放電電路 3.電容電路的火花放電 電容電路是由電容和電阻組成的電路。電容電路的火花放電是在開關觸點閉合時產生的,而在觸點斷開時,電容電路的電容不會發生火花放電,所以電容電路火花放電也稱為閉合火花。電容電路的電容火花放電電路如圖3所示。 圖3  電容電路的電容直接火花放電電路 在電容電路中電容是儲能元件,它把電源的能量以電能的形式儲存起來(儲能為CU2 c)。當電路閉合時,既有電阻電路放電,又有電容儲能放電。在這一瞬間,電容放電電流很大,放電又非常迅速,持續時間很短,火花放電功率和能量都很大,且能量高度集中。因此,電容電路的放電火花點燃爆炸性混合物的能力更強,危險就更大。 電容電路的火花放電有兩種:一種是電容電路的電容直接火花放電,如圖3所示;另一種是電容電路的電容經串聯電阻火花放電,如圖4所示。電路中電容C經串聯電阻R0放電,電極間的放電電流I等于電容放電電流Ic與電源電流IB之和,即:I= IB+Ic。電極間放電功率P也等于電源放電功率PB與電容放電功率Pc之和,即P=PB+Pc。同樣,兩極間的火花放電能量A,也等于電源放電能量AB與電容放電能量Ac之和,即A=AB+Ac。由于電容C儲能經過串聯電阻R0放電,一部分能量在電阻R0上消耗了,因此電容放電能量就小于CU2 c(電容儲能)。同時,電源的火花放電與電容也有關,因為電容電壓也影響電源的放電。由此可見,由于串聯電阻R0的作用,電容C的放電受到限制,同時也限制了電源的放電,從而大大地限制了電容電路的火花放電的能量,降低了火花放電點燃爆炸性混合物的可能性,提高了電容電路的本質安全性能。 圖4  電容電路的電容串聯電阻火花放電電路 通過對上述三種本安電路的研究,我們知道電路的火花放電具有一定的能量,當這種能量達到一定數量級時將會引燃爆炸性混合物。使爆炸性氣體混合物點燃的最小能量就是電火花的最小點燃能量。最小點燃能量是研究本質安全防爆性能的基本概念,最小點燃能量的數值是爆炸性混合物級別的標志。最小點燃能量是在特定的試驗條件下(最易點燃的放電方式,最易點燃的爆炸性混合物的濃度),通過專門的試驗裝置測定時,其數據有較高的準確性。是設計和評價本安電路的重要依據。 我們已經知道放電火花能量的大小與電源電壓、電路電流、火花持續放電時間三因素乘積成正比,那么點燃爆炸性混合物的最小電流和電壓的測定也是非常重要的。最小點燃電流和最小點燃電壓是防爆檢驗單位在規定試驗條件下,通過大量的火花試驗而確定的點燃爆炸性混合物的最小電流和電壓,并繪制了最小點燃電流和電壓曲線。最小點燃電流和電壓曲線是設計、使用和檢驗本安電路的重要依據。 為了保證本安電路的防爆性能,在設計、檢驗和使用本安電路時,要使電路有足夠的安全裕度系數,這就是本安電路的安全系數。對于不同的電路,安全系數的計算也不同。對電阻電路、電感電路,其安全系數(K) 的計算公式: K=最小點燃電流/設計最大允許電流; 對電容電路:K=最小點燃電壓/設計最大允許電壓。 本安電路放電火花點燃能力的大小是受電路的電壓、電流、電感、電容等電氣參數直接影響的,同時也受到一些非電氣參數的影響,如爆炸性混合物的濃度、成分、溫度、溫度;流動速度,以及電極觸頭的材質、形狀、分合速度等諸多因素的影響。不同成分的爆炸性混合物,其火花點燃能力是不同的。即使是同種成分的爆炸性混合物,由于濃度的不同,其最小點燃能量也是不同的。爆炸性混合物的溫度越高,所需能量越小,越易點燃;濕度越大,越不易點燃;爆炸性混合物的流動速度越大,越易點燃。至于電路的電壓、電流、電感、電容對放電火花點燃能力的影響在前面的各種本安電路中已作過研究,這里不再復述。

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