本质安全电路放电形式的研究

王振龙+杨世康+吴冬妮

摘 要：文章研究了危险气体环境下工作的本质安全电路的放电形式和放电规律，阐述和分析了电气放电理论和本质安全电路中的三种放电形式，并对它们的发生原理和产生过程进行了描述和分析。结合本质安全一般电路形式，分析了三种简单电路的放电原理。结果表明，火花放电和弧光放电是引燃的主要形式，辉光放电一般不会引起爆炸。

关键词：本质安全电路；火花放电；电弧放电；辉光放电

中图分类号：TD685 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0167-02

在爆炸性气体环境中工作的电气设备，当设备的工作形式发生改变（电路切换）时，触点闭合、分离的瞬间会将放电间隙的气体介质击穿，因而会有放电现象的产生[1-3]。为了研究的方便，一般将电路分为电阻性电路、电容性电路和电感性电路，通过研究这三种简单形式的电路，发现放电的规律，总结放电的理论，从而为研究更为复杂的电路奠定理论和实践的基础。发生在本质安全电路中的放电为低能放电，区别与高电压、大电流的大功率放电。

1 本质安全电路放电形式

通常，发生在本质安全电路中的放电形式有三种，分别为火花放电、弧光放电和辉光放电。

1.1 火花放电

火花放电，是指本质安全电路在正常工作过程中，或者发生故障状态下，使电容电路的工作状态发生了改变，在接通或者断开的瞬间，产生间隙的同时伴随着击穿现象而产生的。一般认为，火花放电是由于放电间隙的电子在外加电场的作用下发生的一系列雪崩过程中形成的[4]。根据对简单电容电路放电过程的实验观察，可将火花放电做以下描述：当断开的触点间电压达到最小建弧电压的条件下，触点断开的瞬间，触点间产生的间隙被击穿，此时的放电电流较小，并且放电间隙上的电压也较稳定；随着放电间隙距离的拉开，放电进入维持阶段，此时间隙上产生极高的温度，放电电流急剧增大而达到最大值，放电间隙电压迅速下降到极小值，此时的放电间隙电阻也呈很小的阻值；当放电间隙的热量辐射到周围空气中，火花带呈发散状态，火花间隙的阻值迅速增大，温度迅速下降，使得火花带减弱，放电过程结束。

放电分析：从火花放电引燃爆炸性气体的观点来看，火花在维持阶段形成高温热源，是火花能量向爆炸性气体释放热量的主要阶段。放电过程中，火花能量的释放主要通过两个途径：一部分能量随着放电电子束传导至危险气体中，另一部分热量传导到触点电极的表面。传导到电极表面的能量越大则散失到危险气体中的能量就越小，那么放电就越不容易引起点燃，显然，传导到电极表面的能量决定了火花的点燃能力。而传导到电极表面的能量和电极的分离速度直接相关。电感-电容的复合电路如图1所示，由于电路参数的不同，其过度过程也可以产生火花放电。图1中，E和RS和为电源参数；C和L为电路中电容元件、电感元件以及分布电容、分布电感的集中等效参数；BK为放电间隙；ig、ug为电弧电压和电弧电流。

1.2 电弧放电

电弧放电是本质安全放电理论重点研究的一种放电形式。由于对元件参数的限制，使得本质安全电路成为一种低功率电路，发生在本质安全电路中的电弧放电一般表现为较低程度上的能量放电，与大功率电路放电的情形区别很大。

由于本质安全电路的电弧放电在能量级别是很低的一种放电过程，所以，一般认为本质安全电路中的电弧放电是由某种形式的不稳定放电的不断转化而产生的[5-6]。在多数情况下，转化是以跃变形式完成，并形成短路状态，是经过一系列极短的阶段，且在每段时间内放电都来不及达到稳定状态。

2 放电电路分析

2.1 简单电阻性电路的情况

简单的电阻性电路中不包含电感和电容这类存储能量的电子元件，电路工作状态切换过程产生的火花放电的能量来自于电源。当电路发生断路时，由于外力作用等因素而形成接触偶触点。随着触点电极接触面的迅速减小，电极间的电阻和电极间电压同时增大，接触部位的电流密度急剧增加。在电流、电压作用下，电极间迅速积聚起大量的热量，形成非常高的温度，电极间的连接金属熔化形成液体金属滴。随着电极的迅速拉开，液体金属桥发生断裂而产生金属蒸汽，电极间电阻迅速增大，电压迅速上升，当电压高于起弧电压时就产生电弧放电。由于放电的能量主要来自于供电电源，所以电阻性电路火花释放的能量比电容性电路和电感性电路要弱很多。同样道理，当电阻性电路的触点闭合时也会发生火花放电，从而点燃可燃性气体混合物。需要说明的是，纯电阻电路在实际电路中很难做到，在工作状态发生改变过程中，即使电源电压比建弧电压低的情况下，由于电路当中的电感器件的作用，仍然会使电压升至起弧电压，在电路接通的瞬间产生电弧。

2.2 简单电感性电路的情况

观察简单电感性电路可以看到，电感元件作为电路中的存储能量元件，在电路正常工作时可把电路的部分能量以磁能形式储存起来，当电路发生断路等故障时，由于电感中的电流不能突然变化，在触点间会产生很高的反电势。释放到放电间隙的能量以电感的磁能为主，电源的能量也会传导到放电间隙。因此，电感电路的断路火花有更大的危险性，是我们主要研究的一种放电形式。

在电路触点闭合时，由于电感性电路的物理特性，电路中的电流不会突变，电流从零开始逐渐上升，所以放电间隙中的能量在时间和空间上都不是非常集中，所以不易产生强烈火花放电。因此，电感性电路的断路火花不作为考虑的重点。

2.3 简单电容性电路情况

电容也是存储能量元件，而电容两端的电压不能突然变化。在电路正常工作时，电容元件把电源的能量以电能的形式储存起来。当电容电路开断瞬间，由于电容元件的物理特性使得电极间不存在电位差，电路中没有电流产生，所以不会產生放电现象。而当电路闭合时，电源和电容都会向放电间隙释放能量。因此，电容电路闭合时，放电瞬间的放电电流极大，而且电容向放电间隙释放的能量极为迅速，能量高度集中，因此电容性电路闭合时火花点燃能力更强，危险性更大。endprint

3 辉光放电

辉光放电一般发生在电压很高同时放电电流很小的情况下。例如在电压为200伏左右而电流小于0.2A的电路中，可以产生辉光放电。在辉光放电中，放电间隙的电场主要决定于空间电荷的大小及其分布情况，特点是它的阴极势降要比弧光放電时高。辉光放电的放电能量基本上散失于阴极，占电极能量损失的大部分，不是作为引燃爆炸危险气体混合物的能量出现。由于辉光放电很少参与引燃有爆炸危险的气体混合物，而且在实际的安全火花电路中这种放电又非常少见，一般不做考虑。

4 结束语

现代煤矿井下大量应用通信和监控设备，这些设备在正常工作和故障状态下不可避免地要产生放电火花并引起电子器件表面的发热，而火花和热效应是点燃危险气体的有效方式。科技工作者必须以严格的科学态度从事这项工作，要在试验和理论分析相结合的基础上研究电路火花放电的原理，认识电火花在可燃爆炸性气体混合物中的点燃特性，更要认清影响电火花点燃特性的各种因素。重点探讨和研究各种电路火花放电过渡过程的计算方法和放电参数，如何消除电路的危险火花使其达到本质安全的要求。

参考文献：

[1]孙继平.矿井安全监控系统[M].北京：煤炭工业出版社，2006.

[2]孙继平.煤矿监控系统手册[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010，35（11）：1925-1929.

[4]B.C.柯拉夫钦克.安全火花电路[M].张丙军，译.北京：煤炭工业出版社，1981.

[5]王玉婷， 刘树林， 马一博. 简单电容电路最小点燃电压曲线的数值化研究[J].电工技术学报，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