本安电源电容性电路放电特性研究

摘要:本质安全电路理论及检测是与电气放电密切相关的，由于开关电源输出端存在较大的电容。它对电源的本质安全输出有较大影响，因此有必要对电容性电路的放电特性进行进一步研究。 关键词:电气放电；放电特性；伏安特性 本质安全电路理论及检测是与电气放电密切相关的，正是被认为可能发生短路、开路或接地等危险点，在火花试验装置电极上开断、闭合时放电产生的能量若超过气体引爆能量就会造成气体混合物的爆炸。所以应首先研究电气放电，分析放电形式及其规律。由于开关电源输出端存在较大的电容，它对电源的本质安全输出有较大影响，因此有必要对电容性电路的放电特性进行进一步研究。而且随着工作频率的提高，开关电源采用的电感越来越小，通常都小于1mH（本质安全理论认为电感量小于lmh的电路可看作电阻性电路）．而开关电源输出端滤波电容对电源本质安全输出影响大。从负载端看，开关电源属于电容性电路。因此，要研究开关电源本质安全性能．首先需要弄清楚电容的放电过程，分析其放电的规律。 一、电气放电形式本质安全 电路理论及检测是与电气放电密切相关的。正是被认为可能发生短路、开路或接地等危险点在火花试验装置电极上开断、闭合时，放电产生的能量若超过气体引爆能量就会造成气体混合物的爆炸。所以应首先研究电气放电，分析放电形式及其规律。根据气体放电理论，电路在切换时的基本放电形式有三种：火花放电，电弧放电，辉光放电，以及由三种放电形式组成的混合放电。 火花放电，一般是在接通和断开带电容的本质安全电路时，由于击穿放电间隙而产生的。火花放电的过程可分为三个主要阶段：第一阶段火花形成阶段，以施加外电压瞬间起至间隙被击穿止，此时火花带的电流小而加在放电间隙上的电压较稳定，持续时间短约为10秒，火花形成阶段的最后形成一个导通带，第二阶段开始，此时电容上的全部电荷将沿着所形成的火花带流通，并使之加热到10000～20000℃间隙上的电压迅速降到一个极小的数值，而电流却可达到极大值1O2～104安。自到此阶段终了时，电容一直在放电．而放电间隙的电阻从最大初始值降到一个很小的终了值。第三阶段f哀减阶段）火花带被破坏，这是山于高温火花带的热辐射被周围气体层所吸收，使火花带展宽而造成的。这三个过程约在1O-6～10-8秒的极短时间内完成。 火花放电所释放的能量主要由两部分组成，在放电电子束中散失的能量和电极表面传导的能量。正是后者的大小决定着放电能否引燃爆炸性气体混合物，十分明显，电极表面传导的能量小而在放电电子束中散失的能量大的火花容易点燃。 电弧放电，是本质安全理论中经常研究的一种放电形式。在切换小电流、低电压的本质安全电路时．由于液态金属桥的断开形成电弧放电。液态金属桥的形成情况是这样的：在触点断开瞬间，接触压力急剧地降低，电极接触面减少，过渡电阻值增大。当电极上电流、电压达到与接触点熔化相应的数值时，在电极间便形成液态金属滴。在电极继续拉开的过程中，液态金属滴被拉长为连接两电极的电桥。随着桥上电压的增加，金属沸腾，并使桥爆炸般地断开。熔点低的金属容易形成液桥，熔点低的金属沸腾温度也低，使桥断开的电流也比难熔金属要小。火花试验装置中采用了熔点相当低的镉，很容易成弧。 辉光放电，在电压很高而电流较小时，可以产生辉光放电。辉光放电的特点是它的阴极电压降比电弧放电要高，可达100～400伏。所以放电能量基本上散失在电极上，而不是作为引燃爆炸危险混合物的能量出现。另外，辉光放电在实际的安全电路非常少见，所以一般不考虑这种情况。 通过对三种放电的分析可以看出，在本质安全电路中，火花放电、电弧放电引爆可燃性混合物所需能量比辉光放电所需能量小得多。因此，在本质安全电路中火花放电、电弧放电是主要的放电形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素。 二、电容性放电特性 电容具有两端电压不能突变的特点，与电感性、电阻性电路不同。 电容性电路的火花放电是在电极接点闭合时产生的，而在接点断开时，不会发生火花放电。 1．电容性电路放电过程分析 电容是储能元件，可以把电源的能量以电场能的形式储存起来。当电路闭合时，既有电源向电极间隙放电，又存在电容储存电能放电，主要以火花和电弧的形式放电。由于充电电阻R0很大，可不考虑电源对电容放电的影响。电容放电闭合瞬间，放电电流极大，而且放电极为迅速（放电时问常数i=RC很小），能量高度集中，危险性大。屯容性电路放电过程可以人为分为三个阶段日：第一阶段即火花放电阶段，该阶段初始电极接点处于断开状态，当电极闭合（t=t0），接点间电压击穿放电间隙产生火花，沿着发光通道的气体被击穿变成良导体，电流快速上升，极间电压从开路电压迅速下降，极间呈现明显的负阻抗特性。 此时可听到空气爆裂声，这是因为放电通道中温度急速上升．通道中压力增大向外扩张引起的。在放电电流达到最大值后电流开始减小，放电电压按一定规律下降，当下降到放电维持电压时，开始了第二阶段，即放电维持阶段，这～阶段放电通道扩展到位形平衡，内部压力被自生磁场约束力平衡，电极间电压几乎不变，其大小与电极材料有关（如钨为15V，镉为11V，一般称为放电维持电压），这一阶段的持续时间决定于电极的闭合速度。第三阶段是极间放电结束、电极彻底闭合阶段，电极受外力作用而闭合，极间电压由放电维持电压下降到零，由于电容中残存的能量释放，电流出现峰值，但电极已闭合，能量主要由电路中电阻吸收。 2．电容性电路火花放电功率和能量 电火花引爆可燃性气体混合物，除了放电能量这一参数外，特别要考虑放电瞬时功率。放电既要有适当大小的能量，又要有适当大小的功率，才会点燃气体混合物。严格地说，只有在放电功率相当大的情况下放出适当大小的能量，才会引爆可燃性气体混合物。如果放电的火花功率相当小。虽然放电时闻很长，也是很难点燃的。本文考察了火花放电的能量和功率波形．根据火花放电电流和电压，得到的火花放电能量和功率曲线。 火花放电功率波形与放电电流波形比较近似。在放电间隙被击穿后，几乎在放电电流上升至最大值的同时。放电瞬时功率也达到最大。电容电路放电过程中。放电维持阶段和放电结束阶段释放的能量很小，放电的第一阶段一火花放电是引燃可燃性危险混合物主要能量。 也可以看出，电容性电路的闭合放电具有电压变化快、持续时间短、电流变化大，放电能量集中的特点。因此，这种放电比较容易引爆混合性气体。 3．电容性电路火花放电伏安特性 为了分析直流本安电容性电路的放电特性，我们首先来分析其伏安特性。通过试验测得各种电路参数下的大量火花放电电压、电流波形，然后根据电压、电流的数据绘出相应的火花放电伏安特性曲线．发现这些伏安特性曲线具有相同的特点：在对应火花放电的电流上升至峰值的过程中，由于此时放电间隙击穿，电流急速增大，电压下降，电路呈现明显负阻抗状态；火花电流从峰值降低为零，电压降低为放电维持电压的过程，呈现普通电阻的伏安特性。 并且这两个过程均可近似看作直线。在电流上升阶段．随着火花电流的增加，火花电压减小；在电流下降阶段，随着火花电流的减小，火花电压也逐渐降低。 由火花放电电压、电流波形可得到火花放电阶段火花放电间隙电阻，火花放电阶段火花放电间隙电阻象一个凹形曲线，放电时电阻在放电间隙刚击穿和火花带被破坏的哀减阶段比较大，在火花放电形成导通带阶段电阻值小，且比较恒定。当火花电流升到最大峰值时，火花放电电阻下降到最小值，经试验测得，这个值很小，一般只有零点几欧姆。 参考文献: [1]贾祥芝．煤矿直流稳压电源的现状和发展趋势『J1，煤矿设计，1998（9）：34—36． [2]张燕美，李维坚．本质安全电路设计[M]．北京：煤炭工业出版社，1992． [3]B．C闸拉夫钦克著，张丙军译．安全火花电路[M]．北京：煤炭工业出版社，1981