王金鳳 徐景德

摘 要：為了滿足可燃性氣體防爆試驗(yàn)需求，根據(jù)電火花放電原理，通過(guò)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，測(cè)量、計(jì)算實(shí)際點(diǎn)火能量，標(biāo)定相關(guān)參數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)寬幅度電容儲(chǔ)能式電點(diǎn)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(hù)電路四部分。針對(duì)儲(chǔ)能電容器、放電控制電路與放電開(kāi)關(guān)以及安全保護(hù)電路進(jìn)行選型分析，并通過(guò)理論計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定技術(shù)參數(shù)，最終構(gòu)建寬幅度電點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量10-1-104mJ數(shù)量級(jí)，并且點(diǎn)火能量連續(xù)可調(diào)。

關(guān)鍵詞：寬幅點(diǎn)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(shù)及裝備研發(fā)因防爆的技術(shù)復(fù)雜性一直是工業(yè)安全中的技術(shù)難題。以甲烷為代表的各類可燃性氣體在為人類社會(huì)帶來(lái)福祉的同時(shí)，也存在燃燒爆炸的危險(xiǎn)，工業(yè)防火防爆技術(shù)中很大一部分項(xiàng)目研究就是針對(duì)這類氣體防爆技術(shù)而開(kāi)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(jī)理，設(shè)計(jì)了多類型、多尺度的爆炸模擬試驗(yàn)。引爆火源是這類試驗(yàn)裝置中必不可少的組成部分。很多實(shí)驗(yàn)室采用汽車(chē)或者家用點(diǎn)火器代替火源，這類火源的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、操作方便，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)需求而言，一是其放電能量固定，不能調(diào)節(jié)，而氣體防爆試驗(yàn)要求火源能量級(jí)別幅度寬，放電能流密度從mW/m2—kW/m2級(jí)別，需適應(yīng)于強(qiáng)弱爆炸不同試驗(yàn)需求;二是火源能流密度變化大，穩(wěn)定性差，不能適應(yīng)氣體點(diǎn)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(yīng)與研究點(diǎn)火相關(guān)課題研究[1-2]。

為滿足可燃性氣體燃燒爆炸試驗(yàn)的需求，本文設(shè)計(jì)了一套點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面的基本要求：一是火源能量能夠精確測(cè)定，為定量分析引爆火源和氣體燃燒爆炸參數(shù)的關(guān)系提供計(jì)算和分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);二是火源能量幅度寬，根據(jù)試驗(yàn)需要，火源釋放能量從10-1-104mJ連續(xù)可調(diào)，可適應(yīng)于不同工況的試驗(yàn)研究;三是火源能量調(diào)節(jié)安全、可控、方便。

1電點(diǎn)火源結(jié)構(gòu)及原理

在各類火源中，由于電流、電壓測(cè)量的方便，電點(diǎn)火源最為普遍。按點(diǎn)火能量的儲(chǔ)存方式來(lái)分，點(diǎn)火源一般有電感式和電容式兩類，電感式點(diǎn)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(diǎn)火源。

1.1 電點(diǎn)火源結(jié)構(gòu)

電容放電式點(diǎn)火系統(tǒng)（capacitor discharge ignition，縮寫(xiě)作 CDI），采用了電容器充電儲(chǔ)存所需的電量，并在需要的時(shí)候瞬間放出電流經(jīng)過(guò)點(diǎn)火線圈，使其產(chǎn)生高壓電觸發(fā)火花塞點(diǎn)火。根據(jù)CDI所接的電源不同，分為AC-CDI和DC-CDI兩類[3-4]。

通過(guò)對(duì)比分析上述點(diǎn)火源的特點(diǎn)，針對(duì)點(diǎn)火源的用途，本設(shè)計(jì)選用AC-CDI點(diǎn)火系統(tǒng)。 技術(shù)線路如圖1所示。

1.2 點(diǎn)火原理

裝置采用220V交流供電，電源經(jīng)升壓變壓器調(diào)壓，二極管整流，向高壓儲(chǔ)能電容器組充電，充到所需電壓之后，手動(dòng)觸發(fā)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，電容兩端高電壓擊穿電極，產(chǎn)生電火花。電點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電容器的主要作用是通過(guò)緩慢充電來(lái)聚集能量，儲(chǔ)存能量可用通式進(jìn)行計(jì)算。由表達(dá)式可看出，通過(guò)設(shè)計(jì)電容器的電容 C 與充電電壓U 即可得到電火花點(diǎn)火能量。

關(guān)于放電開(kāi)關(guān)的選擇，電能量放電電路采用普通空氣開(kāi)關(guān)控制即可;但大能量放電電路的放電過(guò)程中，普通開(kāi)關(guān)燒蝕嚴(yán)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(kāi)關(guān)[5-6]。在控制電路和安全保護(hù)電路的設(shè)計(jì)上，要重點(diǎn)考慮大能量點(diǎn)火的需求。

2.1 儲(chǔ)能單元選擇

本設(shè)計(jì)中，以電容器作為儲(chǔ)能單元，通過(guò)緩慢充電來(lái)存儲(chǔ)電能。儲(chǔ)存能量可用通式來(lái)計(jì)算。在設(shè)計(jì)上，一方面可以通過(guò)增大電容C或提高充電電壓U來(lái)實(shí)現(xiàn)大能量電火花點(diǎn)火;另一方面，充電電壓值和電容值也是決定點(diǎn)火性能的兩項(xiàng)最重要的電路參數(shù)，電容值也不是越大越好，還要綜合充電時(shí)間等指標(biāo)。需要選擇合適的儲(chǔ)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(kāi)關(guān)的選擇

電點(diǎn)火系統(tǒng)中普通開(kāi)關(guān)在大能量放電電路的放電時(shí)，往往被燒蝕嚴(yán)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(kāi)關(guān)并配合放電控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制。

3系統(tǒng)測(cè)試分析

通過(guò)理論分析和模擬仿真完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，利用華北科技學(xué)院工業(yè)爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)。

針對(duì)5%、9%、15%甲烷濃度，設(shè)置不同電極間隙和充電電壓進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，利用示波法測(cè)試、計(jì)算電火花實(shí)際點(diǎn)火能量;通過(guò)10-1-104mJ能量檔位近百余次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，分析計(jì)算各次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)火花有效能量及能量轉(zhuǎn)換效率，最終標(biāo)定每個(gè)檔位實(shí)際點(diǎn)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(shù)關(guān)系式等;同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)點(diǎn)火系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)電點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

在實(shí)驗(yàn)條件下影響點(diǎn)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(cè)試誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要保持參數(shù)設(shè)定的一致性和盡可能一樣的溫度、濕度和空氣壓強(qiáng)條件。同時(shí)，為了確保點(diǎn)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(diǎn)火能量的變化情況，需要對(duì)每次點(diǎn)火試驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。本論文在同樣的條件下分別做三次實(shí)驗(yàn)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(shí)的點(diǎn)火能量測(cè)定和計(jì)算為例進(jìn)行具體說(shuō)明。

試驗(yàn)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(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(shí)基水平刻度系數(shù)為25μs/格，直流耦合，帶寬限制100Mz處于關(guān)閉狀態(tài)，將電流通道設(shè)置為觸發(fā)通道，觸發(fā)電平為40 mA，電流探頭衰減系數(shù)為1X，反相處于關(guān)閉狀態(tài)。由圖可以清晰的看到點(diǎn)火時(shí)火花電流和電壓的變化趨勢(shì)，只有產(chǎn)生火花電流的時(shí)候才有能量的釋放，可以看到火花電流的持續(xù)時(shí)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(shí)間要長(zhǎng)一些[7]。

從圖3中看到三次點(diǎn)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(guò)定量的計(jì)算來(lái)確定。

首先對(duì)第一次點(diǎn)火能量進(jìn)行計(jì)算，其理論上是通過(guò)功率曲線對(duì)時(shí)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(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行能量計(jì)算：

式2中n=2500（有2500個(gè)采樣點(diǎn)），△t=10-7，在excel中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)得到的各點(diǎn)電壓電流值解算出最終的放電能量E等于25.13mJ。

再對(duì)第二次和第三次點(diǎn)火能量進(jìn)行同樣的計(jì)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(diǎn)火系統(tǒng)在充電電壓為4KV，電極間隙為5 mm時(shí)，每次單次火花放電的放電能量相差不大，故可認(rèn)為此系統(tǒng)在基本設(shè)置參數(shù)相同和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)三次，將測(cè)得的能量取平均值。得到：

通過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試，最終得到充電電壓與電極間隙對(duì)點(diǎn)火能量的影響：充電電壓越大，點(diǎn)火能量越高。電極間隙有一個(gè)最佳值，在最佳間隙下的點(diǎn)火能量最低，超過(guò)最佳間隙，點(diǎn)火能量會(huì)隨著電極間隙的增大而增大[8]。

4結(jié)論

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試，分析計(jì)算了各次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)火花有效能量及能量轉(zhuǎn)換效率，最終標(biāo)定每個(gè)檔位實(shí)際點(diǎn)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(shù)關(guān)系式等，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)小型設(shè)備的寬幅能量、電壓調(diào)節(jié);同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)點(diǎn)火系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)電點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善;通過(guò)電路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、器件選型、過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)措施提高了裝置的安全性。

系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)為可燃性氣體防爆試驗(yàn)提供了一套可靠電點(diǎn)火系統(tǒng);對(duì)大能量電點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電火花放電特性的研究具有很好的學(xué)術(shù)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)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(dòng)控制技術(shù)、電磁檢測(cè)技術(shù)。

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(zāi)害防治、安全生產(chǎn)監(jiān)管與應(yīng)急管理。

基金項(xiàng)目：2020年度廊坊市科技計(jì)劃項(xiàng)目“面向氣體防爆試驗(yàn)的寬幅度電點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”（編號(hào) 2020011018）

（華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201）