本質安全電路放電形式的研究

王振龍+楊世康+吳冬妮

摘 要：文章研究了危險氣體環境下工作的本質安全電路的放電形式和放電規律，闡述和分析了電氣放電理論和本質安全電路中的三種放電形式，并對它們的發生原理和產生過程進行了描述和分析。結合本質安全一般電路形式，分析了三種簡單電路的放電原理。結果表明，火花放電和弧光放電是引燃的主要形式，輝光放電一般不會引起爆炸。

關鍵詞：本質安全電路；火花放電；電弧放電；輝光放電

中圖分類號：TD685 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0167-02

在爆炸性氣體環境中工作的電氣設備，當設備的工作形式發生改變（電路切換）時，觸點閉合、分離的瞬間會將放電間隙的氣體介質擊穿，因而會有放電現象的產生[1-3]。為了研究的方便，一般將電路分為電阻性電路、電容性電路和電感性電路，通過研究這三種簡單形式的電路，發現放電的規律，總結放電的理論，從而為研究更為復雜的電路奠定理論和實踐的基礎。發生在本質安全電路中的放電為低能放電，區別與高電壓、大電流的大功率放電。

1 本質安全電路放電形式

通常，發生在本質安全電路中的放電形式有三種，分別為火花放電、弧光放電和輝光放電。

1.1 火花放電

火花放電，是指本質安全電路在正常工作過程中，或者發生故障狀態下，使電容電路的工作狀態發生了改變，在接通或者斷開的瞬間，產生間隙的同時伴隨著擊穿現象而產生的。一般認為，火花放電是由于放電間隙的電子在外加電場的作用下發生的一系列雪崩過程中形成的[4]。根據對簡單電容電路放電過程的實驗觀察，可將火花放電做以下描述：當斷開的觸點間電壓達到最小建弧電壓的條件下，觸點斷開的瞬間，觸點間產生的間隙被擊穿，此時的放電電流較小，并且放電間隙上的電壓也較穩定；隨著放電間隙距離的拉開，放電進入維持階段，此時間隙上產生極高的溫度，放電電流急劇增大而達到最大值，放電間隙電壓迅速下降到極小值，此時的放電間隙電阻也呈很小的阻值；當放電間隙的熱量輻射到周圍空氣中，火花帶呈發散狀態，火花間隙的阻值迅速增大，溫度迅速下降，使得火花帶減弱，放電過程結束。

放電分析：從火花放電引燃爆炸性氣體的觀點來看，火花在維持階段形成高溫熱源，是火花能量向爆炸性氣體釋放熱量的主要階段。放電過程中，火花能量的釋放主要通過兩個途徑：一部分能量隨著放電電子束傳導至危險氣體中，另一部分熱量傳導到觸點電極的表面。傳導到電極表面的能量越大則散失到危險氣體中的能量就越小，那么放電就越不容易引起點燃，顯然，傳導到電極表面的能量決定了火花的點燃能力。而傳導到電極表面的能量和電極的分離速度直接相關。電感-電容的復合電路如圖1所示，由于電路參數的不同，其過度過程也可以產生火花放電。圖1中，E和RS和為電源參數；C和L為電路中電容元件、電感元件以及分布電容、分布電感的集中等效參數；BK為放電間隙；ig、ug為電弧電壓和電弧電流。

1.2 電弧放電

電弧放電是本質安全放電理論重點研究的一種放電形式。由于對元件參數的限制，使得本質安全電路成為一種低功率電路，發生在本質安全電路中的電弧放電一般表現為較低程度上的能量放電，與大功率電路放電的情形區別很大。

由于本質安全電路的電弧放電在能量級別是很低的一種放電過程，所以，一般認為本質安全電路中的電弧放電是由某種形式的不穩定放電的不斷轉化而產生的[5-6]。在多數情況下，轉化是以躍變形式完成，并形成短路狀態，是經過一系列極短的階段，且在每段時間內放電都來不及達到穩定狀態。

2 放電電路分析

2.1 簡單電阻性電路的情況

簡單的電阻性電路中不包含電感和電容這類存儲能量的電子元件，電路工作狀態切換過程產生的火花放電的能量來自于電源。當電路發生斷路時，由于外力作用等因素而形成接觸偶觸點。隨著觸點電極接觸面的迅速減小，電極間的電阻和電極間電壓同時增大，接觸部位的電流密度急劇增加。在電流、電壓作用下，電極間迅速積聚起大量的熱量，形成非常高的溫度，電極間的連接金屬熔化形成液體金屬滴。隨著電極的迅速拉開，液體金屬橋發生斷裂而產生金屬蒸汽，電極間電阻迅速增大，電壓迅速上升，當電壓高于起弧電壓時就產生電弧放電。由于放電的能量主要來自于供電電源，所以電阻性電路火花釋放的能量比電容性電路和電感性電路要弱很多。同樣道理，當電阻性電路的觸點閉合時也會發生火花放電，從而點燃可燃性氣體混合物。需要說明的是，純電阻電路在實際電路中很難做到，在工作狀態發生改變過程中，即使電源電壓比建弧電壓低的情況下，由于電路當中的電感器件的作用，仍然會使電壓升至起弧電壓，在電路接通的瞬間產生電弧。

2.2 簡單電感性電路的情況

觀察簡單電感性電路可以看到，電感元件作為電路中的存儲能量元件，在電路正常工作時可把電路的部分能量以磁能形式儲存起來，當電路發生斷路等故障時，由于電感中的電流不能突然變化，在觸點間會產生很高的反電勢。釋放到放電間隙的能量以電感的磁能為主，電源的能量也會傳導到放電間隙。因此，電感電路的斷路火花有更大的危險性，是我們主要研究的一種放電形式。

在電路觸點閉合時，由于電感性電路的物理特性，電路中的電流不會突變，電流從零開始逐漸上升，所以放電間隙中的能量在時間和空間上都不是非常集中，所以不易產生強烈火花放電。因此，電感性電路的斷路火花不作為考慮的重點。

2.3 簡單電容性電路情況

電容也是存儲能量元件，而電容兩端的電壓不能突然變化。在電路正常工作時，電容元件把電源的能量以電能的形式儲存起來。當電容電路開斷瞬間，由于電容元件的物理特性使得電極間不存在電位差，電路中沒有電流產生，所以不會產生放電現象。而當電路閉合時，電源和電容都會向放電間隙釋放能量。因此，電容電路閉合時，放電瞬間的放電電流極大，而且電容向放電間隙釋放的能量極為迅速，能量高度集中，因此電容性電路閉合時火花點燃能力更強，危險性更大。endprint

3 輝光放電

輝光放電一般發生在電壓很高同時放電電流很小的情況下。例如在電壓為200伏左右而電流小于0.2A的電路中，可以產生輝光放電。在輝光放電中，放電間隙的電場主要決定于空間電荷的大小及其分布情況，特點是它的陰極勢降要比弧光放電時高。輝光放電的放電能量基本上散失于陰極，占電極能量損失的大部分，不是作為引燃爆炸危險氣體混合物的能量出現。由于輝光放電很少參與引燃有爆炸危險的氣體混合物，而且在實際的安全火花電路中這種放電又非常少見，一般不做考慮。

4 結束語

現代煤礦井下大量應用通信和監控設備，這些設備在正常工作和故障狀態下不可避免地要產生放電火花并引起電子器件表面的發熱，而火花和熱效應是點燃危險氣體的有效方式?？萍脊ぷ髡弑仨氁試栏竦目茖W態度從事這項工作，要在試驗和理論分析相結合的基礎上研究電路火花放電的原理，認識電火花在可燃爆炸性氣體混合物中的點燃特性，更要認清影響電火花點燃特性的各種因素。重點探討和研究各種電路火花放電過渡過程的計算方法和放電參數，如何消除電路的危險火花使其達到本質安全的要求。

參考文獻：

[1]孫繼平.礦井安全監控系統[M].北京：煤炭工業出版社，2006.

[2]孫繼平.煤礦監控系統手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[3]孫繼平.煤礦安全生產監控與通信技術[J].煤炭學報，2010，35（11）：1925-1929.

[4]B.C.柯拉夫欽克.安全火花電路[M].張丙軍，譯.北京：煤炭工業出版社，1981.

[5]王玉婷， 劉樹林， 馬一博. 簡單電容電路最小點燃電壓曲線的數值化研究[J].電工技術學報，2014，29（增1）：345-350.

[6]R.K.Eckhof. Minimum ignition energy（MIE）-a basic ignition sensitivity parameter in design of Intrinsic safe electrical apparatus for explosive dust clouds[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries 2002（15）：305-310.endprint