本质安全电路的功率判别式.pdf

第3 3 卷第3 期 2 0 0 4 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 9N o ．3 M a y2 0 0 4 文肇编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 3 0 2 9 2 0 3 本质安全电路的功率判别式 孟庆海1 ，牟龙华1 ，王崇林1 ，丁勇军2 1 ．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 2 ．山东兖州充矿集团兴隆庄煤矿，山东兖州2 7 2 1 0 2 摘要；基于本质安全电路的放电电流线性衰减模型，得到最大放电功率 P ～ 与放电能量 矸0 成正比，与电路时阍常数o 成反比的结论．建立了电路本质安全性能的功率判别式，解释了小火 花能够引爆气体而大火花却不能够引爆气体的现象，这是对常用的能量判别式的补充．指出在国 家标准G B 3 8 3 6 ．4 - 2 0 0 0 中给出的最小点燃能量 Ⅳ一 下，电路本质安全性能的能量判别式公式 将不成立，而功率判剐式照样成立． 关键词本质安全} 低能电弧} 最小建弧电压；判别式 中围分类号T D6 8 5文献标识码A E l e c t r i cP o w e rC r i t e r i o no fI n t r i n s i cS a f eC i r c u i t s M E N GQ i n g h a i l 。M UL o n g h u a l W A N GC h o n g l i n ’．D I N GY o n g j u n 2 1 ．S c h o o lo fI n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 。C h i n a ； 2 ．Y a n z h o uM i n i n gG r o u p ，X i n g l o n g z h u a n gC o a lM i n e Y a n z h o u ，S h a n d o n g2 7 2 1 0 2 ，C h i n a A b s t r a e t B a s e do nl i n e a re u r r e n ta t t e n u a t i o nm o d e lo fi n t r i n s i cs a f ec i r c u i t s ，hi sc o n c l u d e dt h a t m a x i m u ma r cp o w e r P r Ⅲ i si np r o p o r t i o nt Oa r ee n e r g y W g a n di ni n v e r s ep r o p o r t i o nt oc i r c u i t t i m ec o n s t a n t r ．T h ee l e c t r i ep o w e re r i t e r i o no fi n t r i n s i es a f ec i r c u i t si sf o u n d e d ．T h e p h e n o m e n o nt h a ts m a l l e rs p a r kc a nc a u s eg a si g n i t i o nw h i l eb i g g e rs p a r kc a nn o tc a u s eg a si g n i t i o n i se x p l a n e du s i n gt h ec r i t e r i o n ．T h ee l e c t r i cp o w e rc r i t e r i o ni sas u p p l e m e n tt Ot 1 1 a to fe l e c t r i ce n e r g y e r i t e r i n n ．I ti si n d i c a t e dt h a tt h ee l e c t r i ce n e r g yc r i t e r i o ni si n v a h d ． K e yw o r d s i n t r i n s i cs a f e t y ；l o w e n e r g y r C ；m i n i m u ma r c i n gv o k a g e ；c r i t e r i o n 应用于爆炸性危险环境的本质安全电路的电 弧放电属于低能电弧放电 I 类甲烷气体的最小点 燃能量仅为0 ．2 8m J m ，相关的放电问题具有特 殊性，尤其是能量和功率问题．研究电路的本质安 全性能判别方法，对设计与检测本质安全电路都有 较大意义．到目前为止，国内外学者只建立了电路 本质安全性能的能量判别方法，它以最小点燃能量 为判别标准．但是试验却发现，有时候很小的火花 却可能造成爆炸性气体的引爆} 相反较大的火花却 不一定造成气体的引爆o ] ．能量判别方法显然无法 解释该现象．实际上，只有电弧功率和电弧能量都 达到一定值才会引爆，如果功率达不到，即使放电 时间较长也不一定造成引爆．显然，研究和建立电 路本质安全性能的功率方法是对能量判别方法的 一个重要补充． 为描述本质安全电路的低能电弧放电特性，人 们已建立了几种数学模型，比如放电电流线性衰减 模型口] 、放电电流抛物线模型、静态伏安特性模型 和动态伏安特性模型“] ．放电电流线性模型最简 单，能定性分析问题．本文就基于此模型分析电路 的本质安全性能功率判别方法． 收稿日期；2 0 0 3 1 0 一1 2 基金项目t 国家自然科学基金项目 5 0 0 7 7 0 2 2 作者筒介，盂庆海 1 9 7 1 一 ，男，河北省寨皇岛市人，中国矿业大学副教授．工学博士 博士后 ，从事本质安全电路的理论及检测技术方 面的研究． 万方数据 第3 期盂庆海等本质安全电路的功率判别式 1 放电电流线性衰减模型 如果单纯模拟能量传递过程，可认为电感性本 质安全电路的放电电流按线性规律衰减．这样既不 会改变问题的性质，又会使各种表达式有最简洁的 形式，因而是最基本的数学描述． 1 ．1 电弧电流 分析图1 所示的简单电感性本质安全电路的 实际放电规律，认为放电电流经放电时间T 从稳 态值衰减到零．该模型以放电时间了T 为参数，放电 时间可通过引入最小建弧电压而确定出．其数学表 达式为⋯ r，] 如 ，J 1 一寺J ， 1 L■■ 式中，为简单电感电路的稳定电流，A ；T 为放电 时间，s ． 图1 简单电感电路 F 辔．，As i m p l ef n d w t i “ c 沁u f t 1 ．2 电弧电压 将式 1 代人回路电压方程，可得到电弧电压 蜥一事l L t 去J I ， 2 蜥2 了瓦， L z ’ 式中E 为电路的电源电压，v } L 为电路的电感， H l 尺为电路的限流电阻，0 ．由式 2 可见，放电瞬 间电弧电压不为零． 1 ．3 放电时间 为简单分析起见，可假设断开瞬间立即成弧， 电弧电压由零突然升至最小起弧电压％一 I E C 火花试验装置上两电极为镉盘和钨丝，金属镉和钨 的最小建弧电压分别为1 1v 和1 5v [ 5 ] ．对本质安 全电路，由于受各种随机因素的影响，实测最小建 弧电压在一定范围内随机变化，但变化不是很大， 统计结果为1 6V n Ⅲ。 1 6V ，即有‰ o ；券 ‰～，再由式 2 得，这样便得到放电时间 丁一是 邕． ㈤ ‘R n ⋯。y 一。’ ⋯ 由式 3 可见，放电时间与电感和初始电流的 乘积成正比． 1 ．4 电弧能量 根据式 1 ， 2 和 3 ，可以通过积分得到放电 能量 Ⅳ，一∥1 ．．2 E 1 6 T - L 1 2 1 忐j ’ 4 式中； E I T ／6 为电源供给的能量； 1 ／2 L 1 2 为电 感储存的能量． 1 ．5 电弧功率 舻蚶。一譬 ，一寺 【t 钋 ㈣ 由式 5 可知，当f ‰。一【7 “ - 黄J ／2 时，电弧功 率有最大值 P 一一E 4 I V L E E V d ．] z ． 6 2 功率判别公式的推导和建立 2 ．1 最大放电功率与电弧能量之间的关系 ‰一警 学 2 ⋯4 ＼E 』 鲁 牛】2 西2 W I E 豢3 危V 一4 ＼ EJL 十一。 -半2型忘硫W2 E 8 Va 警’ 7 ＼E 』。“。工／R ”f ⋯7 式中a 兰{ 堡学 2 茸3 ￡V 为比例系数，仅 与电源电压相关I r L ／R ，电路时间常数，s ． 从式 7 可以看出，最大放电功率与放电能量 成正比，与电路时间常数成反比，与代表电源电压 变化的系数a 成正比．a 随电源电压E 的变化关系 如图2 所示． 20 0 l0 0 04 08 01 2 0 1 6 0 2 0 0 图2 比例系数与电源电压的关系 F i g ．2 R l a t i o n s h i pb e t w e e nr a t i od a n ds o u r c ev o l t a g e 从图2 可以看出，电源电压E 增加，a 减少．这 也说明，如果放电能量一定，如果电源电压增加，则 最大放电功率将减小． 2 ．2 电路本质安全性能的功率判别公式 根据最小点燃能量，电路开断造成气体引爆的 临界条件为 W ，一m W 。 8 式中Ⅳ一为最小点燃能量，甲烷为0 ．2 8m J } 嘶为 考虑测量最小点燃能量而考虑的系数o ] ，a t 一2 ．6 5 ～3 ． 万方数据 中国矿业大学学报 第3 3 卷 电路本质安全性能的能量判别公式为 W f 0 ．1 9 8W 一 “1 T T ， 旦} ，电路非本安．反过来证明功率判别公式正确。 可是，能量损耗系数嘞和最小点燃能量w m m 的研究结果是不断变化的．例如I 类气体的最小点 燃能量，在G B 3 8 3 6 ．3 - 8 3 中为0 ．2 8m J ，而新的国 家标准G B 3 8 3 6 ．4 - 2 0 0 0 中却为4 2 5p J ”] ． 此时如果采用能量判别，则W 。一0 ．8 6 2m J ．T J ， 0 ．3 8 5w 一警，得出标定电路为非本安电路 的结论，说明功率判别公式照样成立． 试验分析可以说明两个问题1 能量判别和功 率判别都可以判断电路的本质安全性能，但是功率 判别比能量判别更准确} 2 有关能量判别和功率判 别涉及到的两个重要参数，最小点燃能量和能量损 耗系数是随着国内外的试验研究发展而变化的，因 此能量判别公式和功率判别公式是应该进行修正 的． 3 结论 基于电感性本质安全电路的放电电流线性衰 减模型。通过理论分析和公式推导，得到最大放电 功率与电路参数的关系，进而建立了功率判别式． 从理论上讲，功率判别与能量判别是一致的，两者 都可以判断电路本质安全性能．但是对新标准提供 的最小点燃能量这一参数，能量判别将失效，而功 率判别则无此问题．当然这并不能否定能量判别， 两种判别式之间的关系虽然从式 1 0 可以清楚看 出，但两者之间的物理关系需要进一步研究． 参考文献 [ 1 ] 标准起草小组．G B 3 8 3 6 ．4 - ～8 3 爆炸性环境用电气设 备本质安全电路和设备“i “ I S 3 ．北京国家标准总 局出版社，1 9 8 3 ． 章强海．安全火花原理及应用[ M ] ．北京煤炭工业出 版社，1 9 8 4 ． 柯拉夫钦克BC ．安全火花电路[ M ] ．张炳军译．北 京煤炭工业出版社，1 9 8 1 ． 盂庆海．本质安全电路低能电弧放电特性及参数[ J ] ． 电工技术学报．2 0 0 2 3 2 8 、3 0 ． 张冠生．电器学[ M ] ．北京，机械工业出版社，1 9 8 2 ． 柯拉夫钦克BC ．电器放电和磨檫火花的防爆性 [ M ] ．扬洪顺译．北京煤炭工业出版社，1 9 9 0 ． 标准起草小组．G B 3 8 3 6 ．4 - 2 0 0 0 爆炸性环境用电气设 备本质安全电路和设备⋯iI S ] ．北京国家标准总 局出版社．2 0 0 1 ． 责任编辑陈其泰 万方数据