IEC 火花试验装置灵敏度分析

张 勇

（安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013）

GB 3836.4—2010 标准对火花试验装置的灵敏度进行了规定[1]。火花试验装置的灵敏度必须满足要求，否则会影响到电路本质安全性能的检测结果。火花试验装置的灵敏度会受到环境因素（如温度、湿度、压力、气体流速等）、钨丝电极（端部开裂、整体变形）、镉盘电极（表盘划痕、表面温度）、电机转速等因素的影响，对此，学者们进行了许多研究[2-9]，这些研究或者基于钨丝电极与镉盘电极的交汇/分离轨迹分析，或者基于钨丝电极数量的合理使用，或者基于镉盘电极的微观现象，均从不同角度阐述了火花试验装置灵敏度的不同及其影响；但却没有考虑钨丝电极与镉盘电极分离过程中的细节问题，如钨丝从通槽分离后并没有闭合于镉盘然后从镉盘边缘分离，而是从凹槽直接分离情况；更没有考虑钨丝电极与镉盘电极的分离角度问题，实际上，通过交汇/分离轨迹分析，在各个分离火花中，分离角度数值更分散、数值差距更大。因此，有必要对上述2 个问题进行深入分析，并对因此造成的火花试验装置灵敏度不同进行相应分析。

1 火花试验装置交汇/分离轨迹分析

1.1 IEC 火花试验装置结构

IEC 火花试验装置如图1，基本原理是钨丝通过极握带动与镉盘交汇产生火花，装置承受爆炸压力至少为1.5 MPa[1]。电极用于产生规定的闭合火花和开路火花。电极之一是带有2 道凹槽的镉盘；另一电极布置4 根钨丝。极握使钨丝在镉盘上滑动。钨丝以80 r/min 的速度旋转，镉盘以19.2 r/min 的转速相对转动，齿轮比为50∶12，钨丝与镉盘的总体旋转周期为18.75 s。

图1 IEC 火花试验装置Fig.1 IEC spark test device

1.2 钨丝和镉盘凹槽的交汇/分离轨迹求解

钨丝与镉盘凹槽边缘的交汇轨迹求解几何图形如图2。

图2 钨丝镉盘凹槽交汇图Fig.2 Intersection of tungsten wire cadmium disc groove

为计算方便，以镉盘中心为坐标原点。W1～W4表示4 根钨丝，线段AB、CD 表示镉盘1 个通槽对应的2 条边缘线，线段EF、GH 表示镉盘另1 个通槽对应的2 条边缘线。

钨丝与镉盘的分离分为2 种情况：①与镉盘边缘分离；②与镉盘通槽边缘分离。为不失一般性，以钨丝W1与通槽边缘线CD 分离为例来求解。

钨丝W1的运动轨迹为：

根据三角公式化简得：

式中：R1为钨丝半径，24.84 mm；R2为镉盘半径，15 mm；ω1为钨丝旋转角速度，8π/3 rad/s；ω2为镉盘旋转角速度，16π/25 rad/s；α 为钨丝起始角度，π/4-arctan（16/19），其余3 根依次顺时针相差π/2；β为镉盘凹槽边缘GH 的垂直平分线与镉盘圆心所在直线夹角，AB、CD 对应为π，CD、EF 对应为0；d 为镉盘圆心到凹槽边缘CD 的距离，AB、GH 对应为8.5 mm，CD、EF 对应为6.5 mm；t 为交汇/分离时刻。

根据式（4）得到交汇/分离时刻t。然后代入式（1）就得到了相应的交汇/分离坐标。

钨丝W1具体打火类型和次数如图3。不同钨丝和不同凹槽边缘线可同理求出。

图3 钨丝W1 的交汇次数直方图Fig.3 Histogram of the number of intersections of tungsten wire W1

从图3 可以看出，对钨丝W1而言，按交汇类型区分，包括凹槽开路33 次、边缘开路23 次、凹槽闭合34 次、边缘闭合22 次、“凹入”3 次、“凹出”2 次。

这里定义一下特殊情况：即钨丝不从镉盘边缘进入而是从凹槽进入，此种情况为方便定义为“凹入”；同样的钨丝从镉盘凹槽划出，此种情况定义为“凹出”。

完整地统计分析，4 根钨丝电极与镉盘电极在1个周期内一共产生开路/闭合火花各224 次，其中包括“凹入”12 次、“凹出”8 次。

这就得出结论：如果考虑实际分离情况，从镉盘外边缘分离的次数将减少8 次。即1 个检测周期内从镉盘边缘的分离次数是224 次，而不是232 次。

2 钨丝凹槽交汇/分离角度分析

2.1 分离角度计算

同理，不失一般性，以钨丝W1与凹槽边缘CD分离来进行计算，其余情况同理。此时钨丝W1运动圆弧所在切线与线段CD 的分离角度计算方法如下：

W1所在圆切线的斜率K1：

将式（5）和（式6）代入式（7）即可得到分离角度。其他凹槽分离角度及边缘分离角度可用类似方法求出。

其中钨丝W1经过镉盘边缘与离开镉盘边缘的角度可以方便求出，角度均固定为81°。

同理可以求出W2～W4分别与AB、CD、EF、GH之间的分离角度。

2.2 分离角度分析

钨丝分离角度直方图如图4。图4 为4 根钨丝在1 个周期（0～18.75 s）内所有与镉盘上凹槽的分离角度统计与每根钨丝的总体交汇情况。

图4 钨丝分离角度直方图Fig.4 Tungsten wire separation angle histogram

可以看出，钨丝W1与镉盘凹槽和边缘分离角度范围为9°～86°。从分离角度分布看，集中于80°～90°范围可以近似认为为垂直分离，但其仅占约50%，约16%分离角度在30°以下。

2.3 分离角度对试验装置灵敏度的影响

钨丝电极从镉盘电极分离过程示意图如图5。假定钨丝从镉盘通槽边线分离，假定钨丝运动方向与镉盘通槽边线夹角为α，假定钨丝半径为R=0.1 mm，分离速度为v=25 cm/s，圆形表示钨丝，加粗线表示镉盘通槽边缘线。

图5 钨丝电极从镉盘电极分离过程示意图Fig.5 Schematic diagram of the separation process of tungsten wire electrode from cadmium disk electrode

以钨丝开始分离时刻为0 时刻，并以此时钨丝与镉盘通槽边缘线交点为坐标原点。横坐标为边缘线法线方向，纵坐标为边缘线向上方向。任意t 时刻，圆心坐标为（－R+vtsinα，－vtcosα）。 可以求出钨丝电极从镉盘电极表面开始向通槽边缘分离时截面积S 随时间t 变化规律：

根据开关电器电弧理论，将钨丝电极和镉盘电极看作2 个触头，分离速度与分离角度均会影响到电火花性能，进而影响到电路的本质安全性能。显然，分离角度的不同，造成钨丝分离的灵敏度变化是很大的。

同基本垂直分离相比，随着分离角度α 的变小，会造成如下影响：

1）分离过程用时变长。分离过渡用时（从开始分离到完全分离的时间），按9°分离的用时是按86°分离用时的6.38 倍。

2）液态金属桥存在时间变长。分离过程中，会因截面积的减小、电流密度剧增而形成液态金属桥，液态金属桥存在时间变长，因此更容易起弧。

3）垂直方向等效分离速度降低。文献［10］指出，在电阻性负载电路和电感性负载电路中，触点分离初速度的值越大，液态金属桥存在时间和电弧燃弧时间越短，液态金属桥和电弧能量减少越多。因此钨丝与镉盘分离角度越小，电弧越容易维持。

综上，钨丝与镉盘非垂直分离的那些情况，火花试验装置的灵敏度是较高的，这也保证了火花试验装置的灵敏度，进而能够保证电路的本质安全性能检测。

3 结 语

基于IEC 火花试验装置的结构及运动规律，得到钨丝电极与镉盘电极的交汇/分离轨迹，同时得到钨丝与镉盘的分离角度，对IEC 火花试验装置的灵敏度进行了分析。得出了IEC 火花试验装置1 个旋转周期内所有的交汇类型及时间，同时考虑了“凹入”与“凹出”2 种特殊情况，考虑实际分离情况，从镉盘外边缘分离的次数将减少8 次，即1 个检测周期内从镉盘边缘的分离次数是224 次，而不是232次；钨丝与镉盘的最大分离角度为89°，最小分离角度为9°，从分离角度分布看，只有约50%集中于80°～90°范围，约16%分离角度在30°以下；对于钨丝与镉盘非垂直分离的那些情况，火花试验装置的灵敏度是较高的，这也保证了火花试验装置的灵敏度，进而能够保证电路的本质安全性能检测。