摘要:本質(zhì)安全電路理論及檢測是與電氣放電密切相關(guān)的，由于開關(guān)電源輸出端存在較大的電容。它對電源的本質(zhì)安全輸出有較大影響，因此有必要對電容性電路的放電特性進行進一步研究。 關(guān)鍵詞:電氣放電；放電特性；伏安特性 本質(zhì)安全電路理論及檢測是與電氣放電密切相關(guān)的，正是被認為可能發(fā)生短路、開路或接地等危險點，在火花試驗裝置電極上開斷、閉合時放電產(chǎn)生的能量若超過氣體引爆能量就會造成氣體混合物的爆炸。所以應(yīng)首先研究電氣放電，分析放電形式及其規(guī)律。由于開關(guān)電源輸出端存在較大的電容，它對電源的本質(zhì)安全輸出有較大影響，因此有必要對電容性電路的放電特性進行進一步研究。而且隨著工作頻率的提高，開關(guān)電源采用的電感越來越小，通常都小于1mH（本質(zhì)安全理論認為電感量小于lmh的電路可看作電阻性電路）．而開關(guān)電源輸出端濾波電容對電源本質(zhì)安全輸出影響大。從負載端看，開關(guān)電源屬于電容性電路。因此，要研究開關(guān)電源本質(zhì)安全性能．首先需要弄清楚電容的放電過程，分析其放電的規(guī)律。 一、電氣放電形式本質(zhì)安全 電路理論及檢測是與電氣放電密切相關(guān)的。正是被認為可能發(fā)生短路、開路或接地等危險點在火花試驗裝置電極上開斷、閉合時，放電產(chǎn)生的能量若超過氣體引爆能量就會造成氣體混合物的爆炸。所以應(yīng)首先研究電氣放電，分析放電形式及其規(guī)律。根據(jù)氣體放電理論，電路在切換時的基本放電形式有三種：火花放電，電弧放電，輝光放電，以及由三種放電形式組成的混合放電。 火花放電，一般是在接通和斷開帶電容的本質(zhì)安全電路時，由于擊穿放電間隙而產(chǎn)生的?；鸹ǚ烹姷倪^程可分為三個主要階段：第一階段火花形成階段，以施加外電壓瞬間起至間隙被擊穿止，此時火花帶的電流小而加在放電間隙上的電壓較穩(wěn)定，持續(xù)時間短約為10秒，火花形成階段的最后形成一個導(dǎo)通帶，第二階段開始，此時電容上的全部電荷將沿著所形成的火花帶流通，并使之加熱到10000～20000℃間隙上的電壓迅速降到一個極小的數(shù)值，而電流卻可達到極大值1O2～104安。自到此階段終了時，電容一直在放電．而放電間隙的電阻從最大初始值降到一個很小的終了值。第三階段f哀減階段）火花帶被破壞，這是山于高溫火花帶的熱輻射被周圍氣體層所吸收，使火花帶展寬而造成的。這三個過程約在1O-6～10-8秒的極短時間內(nèi)完成。 火花放電所釋放的能量主要由兩部分組成，在放電電子束中散失的能量和電極表面?zhèn)鲗?dǎo)的能量。正是后者的大小決定著放電能否引燃爆炸性氣體混合物，十分明顯，電極表面?zhèn)鲗?dǎo)的能量小而在放電電子束中散失的能量大的火花容易點燃。 電弧放電，是本質(zhì)安全理論中經(jīng)常研究的一種放電形式。在切換小電流、低電壓的本質(zhì)安全電路時．由于液態(tài)金屬橋的斷開形成電弧放電。液態(tài)金屬橋的形成情況是這樣的：在觸點斷開瞬間，接觸壓力急劇地降低，電極接觸面減少，過渡電阻值增大。當(dāng)電極上電流、電壓達到與接觸點熔化相應(yīng)的數(shù)值時，在電極間便形成液態(tài)金屬滴。在電極繼續(xù)拉開的過程中，液態(tài)金屬滴被拉長為連接兩電極的電橋。隨著橋上電壓的增加，金屬沸騰，并使橋爆炸般地斷開。熔點低的金屬容易形成液橋，熔點低的金屬沸騰溫度也低，使橋斷開的電流也比難熔金屬要小?；鸹ㄔ囼炑b置中采用了熔點相當(dāng)?shù)偷逆k，很容易成弧。 輝光放電，在電壓很高而電流較小時，可以產(chǎn)生輝光放電。輝光放電的特點是它的陰極電壓降比電弧放電要高，可達100～400伏。所以放電能量基本上散失在電極上，而不是作為引燃爆炸危險混合物的能量出現(xiàn)。另外，輝光放電在實際的安全電路非常少見，所以一般不考慮這種情況。 通過對三種放電的分析可以看出，在本質(zhì)安全電路中，火花放電、電弧放電引爆可燃性混合物所需能量比輝光放電所需能量小得多。因此，在本質(zhì)安全電路中火花放電、電弧放電是主要的放電形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素。 二、電容性放電特性 電容具有兩端電壓不能突變的特點，與電感性、電阻性電路不同。 電容性電路的火花放電是在電極接點閉合時產(chǎn)生的，而在接點斷開時，不會發(fā)生火花放電。 1．電容性電路放電過程分析 電容是儲能元件，可以把電源的能量以電場能的形式儲存起來。當(dāng)電路閉合時，既有電源向電極間隙放電，又存在電容儲存電能放電，主要以火花和電弧的形式放電。由于充電電阻R0很大，可不考慮電源對電容放電的影響。電容放電閉合瞬間，放電電流極大，而且放電極為迅速（放電時問常數(shù)i=RC很小），能量高度集中，危險性大。屯容性電路放電過程可以人為分為三個階段日：第一階段即火花放電階段，該階段初始電極接點處于斷開狀態(tài)，當(dāng)電極閉合（t=t0），接點間電壓擊穿放電間隙產(chǎn)生火花，沿著發(fā)光通道的氣體被擊穿變成良導(dǎo)體，電流快速上升，極間電壓從開路電壓迅速下降，極間呈現(xiàn)明顯的負阻抗特性。 此時可聽到空氣爆裂聲，這是因為放電通道中溫度急速上升．通道中壓力增大向外擴張引起的。在放電電流達到最大值后電流開始減小，放電電壓按一定規(guī)律下降，當(dāng)下降到放電維持電壓時，開始了第二階段，即放電維持階段，這～階段放電通道擴展到位形平衡，內(nèi)部壓力被自生磁場約束力平衡，電極間電壓幾乎不變，其大小與電極材料有關(guān)（如鎢為15V，鎘為11V，一般稱為放電維持電壓），這一階段的持續(xù)時間決定于電極的閉合速度。第三階段是極間放電結(jié)束、電極徹底閉合階段，電極受外力作用而閉合，極間電壓由放電維持電壓下降到零，由于電容中殘存的能量釋放，電流出現(xiàn)峰值，但電極已閉合，能量主要由電路中電阻吸收。 2．電容性電路火花放電功率和能量 電火花引爆可燃性氣體混合物，除了放電能量這一參數(shù)外，特別要考慮放電瞬時功率。放電既要有適當(dāng)大小的能量，又要有適當(dāng)大小的功率，才會點燃氣體混合物。嚴(yán)格地說，只有在放電功率相當(dāng)大的情況下放出適當(dāng)大小的能量，才會引爆可燃性氣體混合物。如果放電的火花功率相當(dāng)小。雖然放電時聞很長，也是很難點燃的。本文考察了火花放電的能量和功率波形．根據(jù)火花放電電流和電壓，得到的火花放電能量和功率曲線。 火花放電功率波形與放電電流波形比較近似。在放電間隙被擊穿后，幾乎在放電電流上升至最大值的同時。放電瞬時功率也達到最大。電容電路放電過程中。放電維持階段和放電結(jié)束階段釋放的能量很小，放電的第一階段一火花放電是引燃可燃性危險混合物主要能量。 也可以看出，電容性電路的閉合放電具有電壓變化快、持續(xù)時間短、電流變化大，放電能量集中的特點。因此，這種放電比較容易引爆混合性氣體。 3．電容性電路火花放電伏安特性 為了分析直流本安電容性電路的放電特性，我們首先來分析其伏安特性。通過試驗測得各種電路參數(shù)下的大量火花放電電壓、電流波形，然后根據(jù)電壓、電流的數(shù)據(jù)繪出相應(yīng)的火花放電伏安特性曲線．發(fā)現(xiàn)這些伏安特性曲線具有相同的特點：在對應(yīng)火花放電的電流上升至峰值的過程中，由于此時放電間隙擊穿，電流急速增大，電壓下降，電路呈現(xiàn)明顯負阻抗?fàn)顟B(tài)；火花電流從峰值降低為零，電壓降低為放電維持電壓的過程，呈現(xiàn)普通電阻的伏安特性。 并且這兩個過程均可近似看作直線。在電流上升階段．隨著火花電流的增加，火花電壓減?。辉陔娏飨陆惦A段，隨著火花電流的減小，火花電壓也逐漸降低。 由火花放電電壓、電流波形可得到火花放電階段火花放電間隙電阻，火花放電階段火花放電間隙電阻象一個凹形曲線，放電時電阻在放電間隙剛擊穿和火花帶被破壞的哀減階段比較大，在火花放電形成導(dǎo)通帶階段電阻值小，且比較恒定。當(dāng)火花電流升到最大峰值時，火花放電電阻下降到最小值，經(jīng)試驗測得，這個值很小，一般只有零點幾歐姆。 參考文獻: [1]賈祥芝．煤礦直流穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢『J1，煤礦設(shè)計，1998（9）：34—36． [2]張燕美，李維堅．本質(zhì)安全電路設(shè)計[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1992． [3]B．C閘拉夫欽克著，張丙軍譯．安全火花電路[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1981