IEC安全火花试验装置点燃因素研究_刘树林.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .刘树林，于昌隆 安全火花试验装置点燃因素研究 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）通信作者：刘树林，男，四川成都人，教授，博士生导师，：安全火花试验装置点燃因素研究刘树林，于昌隆（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安）摘 要：为研究 火花试验装置的影响因素，建立 火花试验装置放电间隙电压、电流数学模型，得到有效点燃能量表达式。在此基础上，利用 软件建立 火花试验装置中钨丝与镉盘放电间隙模型，采用 编程模块模拟钨丝向镉盘运动过程，并设置计算出的放电间隙有效点燃能量及其相关参数，仿真模拟有效点燃能量、点火半径、电极材质 个因素对电火花引燃甲烷 空气混合气体的影响。结果表明：点火半径不变的情况下，钨电极在运动至电火花之前，温度有短暂上升并保持不变，当与火花接触后会瞬间吸收大量热量，通过仿真计算电火花能量在钨电极上的损耗占有很大比重；得到不同电容值对应的最小点火半径，最小点火半径随着电容值的增大逐渐减小，并拟合出最小点火半径与有效点燃能量之间的函数关系式。关键词：安全火花试验装置；电容电路；短路放电；爆炸特性；数值模拟；点火中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，：，；，：；引 言随着煤矿信息化、智能化、集成化的发展，现有本安电源越来越难以满足煤矿井下监测、报警等设备的供电需求，为提高本安电源的输出功率同时保证本安性能不变，需要对电路进行检测。应 用 （）安全火花试验装置进行爆炸性试验是检验电路本质安全性能的有效方法，但试验结果受各种因素的影响。因此，利用 安全火花试验装置得到电容电路短路放电特性，并建立相应的数学模型，计算出电火花点燃有效能量，除了与电火花能量有关，还与点火半径、试验电极材质密切相关。为探究不同因素对电容短路放电点燃甲烷空气混合气体的影响，迫切需要对电火花能量、点火半径和电极材质进行研究。胡家龙等利用 软件建立二维轴对称计算域，设置非预混燃烧、辐射、生成模型，研究甲烷在不同氧浓度、压力下的火焰温度、形态和生成 特性。等研究电容放电过程中电火花、导线、开关、等离子体的能量消耗，得出电容放电过程中的能量分布和电火花的动态过程及特征参数。刘庆明等比较电容不同放电过程中 种放电能量计算方法，研究电容残余能量和电路损耗能量的损耗率及其变化规律。王珂利用 软件建立小火焰伴流燃烧器模型，设置 步甲烷燃烧简化反应机理，研究甲烷在不同过量空气系数下的燃烧温度、燃烧速率、主要污染物生成情况。孙昊等采用针 板反应器，研究甲烷气体在纳秒脉冲火花放电下的放电特性、产物特性、发射光谱特性、主要粒子光谱发展过程和转化效率。陈明仙等研究在不同点火位置情况下，甲烷泄爆产生的内部超压、火焰演化和固有频率等特征对甲烷泄爆容器结构响应的影响机制。李畅等建立甲烷 空气混合气体电火花点火的数学模型，研究环境温度、最小点火能、着火延迟时间、火焰传播速度、点火能量对电火花点燃混合气体的影响。等基于 火花试验装置建立电火花放电数学模型并研究电火花的热效应。李洪波等基于简化的化学反应动力学机理，研究甲烷 空气混合气体中电火花温度、半径和点火源位置对爆炸压力和温度的影响，并计算出临界点火温度和临界点火半径。马秋菊等建立甲烷空气混合气体电火花点火的数学模型，通过数值模拟预测电火花点火的临界温度及最小点火能量。高志崇根据燃烧产生的发光现象，研究燃烧反应的火焰温度，并提出烃燃烧反应的机理。蒋利桥等在试验条件下研究微尺度圆管内甲烷空气火焰熄灭极限特点，并拟合出淬熄速度与圆管直径的关系式。赵黛青等以数值模拟的方法研究微尺度圆管内甲烷扩散火焰结构和熄灭尺度。李艳霞等以数值模拟的方法，研究微尺度下矩形截面通道的几何尺寸对甲烷 空气混合气体燃烧和传热。上述文献主要研究不同燃烧模型下的甲烷燃烧特性、生成产物，但并未研究电容短路放电时，有效点燃能量、点火半径、电极材质对点燃甲烷空气混合气体的影响。为研究不同因素对电容电路短路电火花点燃甲烷 空气混合气体的影响，依据试验电路图计算释放到火花间隙中的电火花能量；利用 软件数值模拟有效点燃能量、点火半径、电极材料 个因素对电火花引爆甲烷 空气混合气体的影响。为提高本安电源输出功率奠定理论基础。安全火花试验装置模型 模型建立简单电容电路短路放电原理和安全火花试验装置如图 所示，其中，为电源电压，；为充电电阻，；为被测试的电容，；为电容短路放电时两端电压，；为电容短路放电时放电电流，；为放电回路中的电阻，；为安全火花试验装置，电容两端分别连接钨丝和镉盘电极；为安全火花试验装置放电电压，；为安全火花试验装置放电电流，。安全火花试验装置放电间隙结构如图 所示。电容短路放电过程可分为火花产生阶段、火花维持阶段、电极闭合火花熄 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘树林，等：安全火花试验装置点燃因素研究灭 个阶段。电容短路放电的 个阶段中，火花产生阶段是点燃甲烷 空气混合气体的主要能量来源，因此将主要研究火花产生阶段的能量变化。图 简单电容电路短路放电试验 图 安全火花试验装置放电间隙结构 如图 所示，钨丝下伸到镉盘 处，当钨丝运动到与镉盘间距小于 时，电容短路放电产生电火花引爆腔室内甲烷 空气混合气体，为简化模型的复杂程度，采用二维坐标系建立钨丝镉盘放电间隙模型，如图 所示。图 钨丝镉盘放电间隙模型 通过图 可得电容短路放电回路方程 （）式中为安全火花试验装置两电极间电压；为电容两端电压，为回路电阻 两端电压。又因为 ，式（）可变为 （）式中为电容短路放电时放电电流，；为安全火花试验装置放电电流，。根据对大量电容性电路闭合火花放电波形的分析，发现火花放电电压在击穿后呈指数规律下降，因此，可以作如下假设 （）（）式中 为放电维持电压值，；，为未知系数；为电容短路放电持续时间，。联立式（）（）（）求解，可得（）|（）则式（）（）可写为 （）（）（）电容在火花产生阶段释放出的能量即为点燃甲烷 空气混合气体的能量，但电容短路放电释放出的能量除了用于点燃甲烷 空气混合气体，还有一部分消耗于电路和电极上，。因而电容短路放电用于点燃的有效能量可用下式表示 （）式中 为电容短路放电用于点燃的有效能量，；为电容短路放电总能量，；为电路中消耗的能量，。其中，表达式分别为（）()（）()（）（）（）()（）（）式中 为电容在火花产生阶段放电时间，。由式（）（）（）（）可得电容有效点燃能量。模型简化为简化甲烷燃烧模型作出如下假设。）忽略间隙中电场和磁场对模型的影响。）间隙中的混合气体是理想气体。）反应过程中导热系数、定压比热容、活化能及指前因子等参数不随反应的进行而改变。）忽略等离子体对燃烧的影响。）电火花的放电功率恒定。）在能量守恒方程中忽略黏性耗散。控制方程状态方程 （）式中 为密度，；为 普 适 气 体 常 数，（）；为温度，；为 组分的质量分数；为 组分的相对分子质量，。质量守恒方程（）（）式中 为时间，；为计算节点到火花中心的距离，；为速度，。动量守恒方程（）（）（）（）式（）中 （）（）（）（）式中 为压力，；为黏度，。能量守恒方程（）（）（）式中 为定压比热容，（）；为热传导系数，（）；为指前因子，；为表观活化能，；为燃烧反应放热，；为电火花半径，；为电火花能量，；为电火花放电时间，；为燃料质量分数。组分守恒方程（）（）（）式中 为有效扩散系数，；为 组分燃烧 燃料消耗 生成对应组分的质量，。初始条件和边界条件 软件内置电火花设置模块，可设置电火花在计算区域内的位置、火花半径、持续时间、放电能量。假设电火花产生的初始恒定高温区域由火花半径确定，而大于火花半径的区域认为气体温度为室温。（），（点火中心处的温度梯度为零）|（点火边界处热流相等）式中 为点火半径内的初始温度，；为初始时刻气体的温度，即室温，；，为边界两侧气体的定容比热容，（）。在图 所示的二维计算域中，个边界认为是外边界，其中钨丝、镉盘为固体边界、其余部分为气体边界，边界初始温度设置为 ，甲烷浓度为 ，初始温度为 ，压力为常压。整个计算域的网格尺寸设置为 ，由于电容短路放电时间是微秒量级，设置时间步长为 ，总的时间步由式（）计算得到。在 软件中，求解模式为组分输运方式，为了较准确模拟放电过程中钨丝运动至镉盘的动态过程，采用 编程定义钨丝运动轨迹、动网格实现模型的动态变化。采用 算法只需求解一次动量方程，即可对压力方程及速度修正方程进行迭代循环从而达到收敛，减少迭代次数。西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘树林，等：安全火花试验装置点燃因素研究 结果和讨论为研究最危险的情况，放电回路电阻取值为零欧姆，则电路总电阻等于电路内阻和火花试验装置内阻之和，安全火花装置试验电路参数：选取电容值 ，依据类电容短路最小点燃电压曲线，电容初始充电电压 ，根据多次试验结果电路内阻取平均值为 ，维持电压取平均值为 。代入式（），可得一次放电时间为 ，同理，根据式（）、式（）、式（）可得 ，试验结果与仿真计算结果基本一致，如图 所示。图 试验结果与仿真计算结果 用 软件求解电火花点燃甲烷空气混合气体的过程，得到计算域内温度随时间的变化情况，混合气体发生爆炸时温度会急剧上升，因此用温度变化判断混合气体是否发生爆炸。如图 的点火云图和图 所示的温度时间曲线，在第 时，温度突然急剧上升，则认为发生爆炸；如图 的点火云图和图 所示的温度时间曲线，整个放电过程中温度虽然一直在升高，但没有产生温度的突然跃升，则认为没有发生爆炸。图 电火花点燃甲烷 空气混合气体云图 图 电火花点燃甲烷 空气混合气体温度变化 图 电火花未点燃甲烷 空气混合气体云图 为探究钨丝电极的运动对电火花点燃甲烷空气混合气体的影响程度，监测钨丝电极运动过程中温度的变化，由此推断钨丝电极在整个放电过程中吸收的能量。如图 和图 所示，根据图 的监测结果可计算出钨丝电极消耗的能量占放电总能量的 。图 电火花未点燃甲烷 空气混合气体温度变化 图 钨电极移动对点火的影响云图 图 钨电极温度变化 为探究电火花半径对点燃甲烷 空气混合气体的影响，对不同电容值设置不同半径的电火花，并用 软件进行仿真，可得到最小点火半径，当火花半径大于最小点火半径时，混合气体被引爆，当火花半径小于最小点火半径时，混合气体无法被引爆。由此得到不同电容值对应的最小点火半径，如图 所示。随着电容值的增大最小点火半径逐渐变小，这是因为电容值增大后，其短路放电火花释放出的能量也相应增大，点火过程中能量损失的影响相对越来越小，导致最小点火半径不断变小，如图 所示。利用 软件可得拟合表达式。（）式中 为最小点火半径，；为有效点燃能量，。图 钨电极能量变化 图 最小点火半径拟合 图 电容放电有效点燃能量变化 结 论）建立电容短路时放电间隙的电压、电流数学模型，得到有效点燃能量的表达式。）点火半径不变的情况下，钨电极运动至电 西 安科技大学学报 年第 卷第 期刘树林，等：安全火花试验装置点燃因素研究火花之前，温度有短暂上升之后保持不变，在与火花接触后会瞬间吸收大量的能量，又通过仿真计算可得出钨电极上损耗的能量，在电火花能量中占有很大比重。）得到不同电容值对应的最小点火半径，且点火半径随着电容值的增大逐渐减小，并拟合出最小点火半径与有效点燃能量之间的函数关系式。参考文献（）：胡家龙，任航，聂晓康，等 氧浓度、压力对甲烷 空气层流扩散燃烧特性影响的数值模拟研究 东北电力大学学报，（）：，（）：，（）：刘庆明，汪建平，李磊，等 电火花放电能量及其损耗的计算 高电压技术，（）：，（）：王珂 过量空气系数对甲烷燃烧特性的影响 工业加热，（）：，（）：孙昊，张帅，韩伟，等 纳秒脉冲火花放电高效转化甲烷的实验研究 电工技术学报，（）：，（）：陈明仙，郭进，罗飞云，等 点火位置对甲烷 空气预混泄爆容器结构响应影响研究 西安科技大学学报，（）：，（）：李畅，马泽鹏，苑艺笑，等 甲烷 空气混合物的火花着火敏感性分析 安全与环境学报，（）：，（）：，（），：李洪波，崔淦，李自力，等 基于简化机理的