基于热引燃理论的火花试验装置电热效应本质安全性能研究_文玖龙.pdf

书书书专述收稿日期 2023 02 03作者简介文玖龙(1996)，男，研究生，主要研究方向为矿井下设备防爆性能以及电路本质安全性能研究。基于热引燃理论的火花试验装置电热效应本质安全性能研究文玖龙(北方工业大学电气与控制工程学院，北京100144)关键词 辐射热成像;火花放电热效应;摩擦热效应;温度场;热引燃理论 摘要 电路的本质安全性能在 IEC 火花试验装置上进行检测时会受到电路火花放电和装置热效应的双重影响，但装置的热效应对检测灵敏度的影响因温升较低而被忽略。研究的装置热效应包括火花放电致热以及钨丝电极在镉盘表面的摩擦热。基于热引燃理论，深入分析火花放电时间和距离对火花点燃能力的影响，提高本质安全性能判断的准确性，进而简化从火花放电微观机理来判断引燃气体混合物的方法。中图分类号TM135 文献标识码A 文章编号 1004 9118(2023)01 0001 09DOI:10 14023/j cnki dqfb 2023 01 001esearch on Intrinsic Safety Performance of IEC Spark Test DeviceElectrothermal Effect Based on Thermal Ignition TheoryWen Jiu-long(North China University of Technology，Beijing 100144)Key words:thermal radiation imaging;spark discharge heating effect;friction heating effect;temperature field;thermal ignition theoryAbstract:When the intrinsic safety performance of the circuit is tested on the IEC spark testdevice，it will be affected by the circuit spark discharge and the thermal effect of the device，but thethermal effect of device on sensitivity of detection is ignored because of the low temperature riseBased on the thermal ignition theory，the influence of spark discharge time and distance on spark ig-nition ability is analyzed to improve the intrinsic safety performance，and then simplified the methodof judging the gas mixture ignition from the microscopic mechanism of spark discharge0引言电路能否达到本质安全需要在 IEC 火花试验装置中进行爆炸性检测。GB/T 3836 42021 中对本质安全的定义为“在本标准规定的条件下，包括正常工作和规定的故障条件，产生的任何电火花及热效应均不能引爆爆炸性气体”。相关研究表明完整的火花放电物理模型涵盖流体力学、能量守恒和电磁学基本方程的时间和空间离散化1。这种模型需要复杂的计算能力和对材料特性的详细了解。由于在一些研究场景需要准静态方法，因此在研究静止直流电弧时提出了 Elen-baas Heller 方程2，简化物理模型更适于研究场景。此外，文献3 提出了假设轴向对称和热力1专述基于热引燃理论的火花试验装置电热效应本质安全性能研究学平衡，只考虑径向的热传导损失机制(不考虑辐射、对流和轴向传导)的火花放电模型。火花放电功率及能量计算已经进行了广泛的研究，但在 IEC 火花试验装置的热效应引爆爆炸性气体方面仍缺少足够的重视。能量判别式，功率判别式对电路本质安全评价存在诸多局限性。对此国内外专家学者对火花微观放电及其机理进行广泛探索及研究，文献4 通过简单金属电子发射物理模型对热 场致电子发射进行比值拟合分析，得到电子发射电流密度与温度及场强的关系。文献5 通过显微镜图像观察电极表面磨损以及金属晶须的存在，从 Abbott 曲线对粗糙表面进行了比较，分析火花放电过程的电气特性与机械特性关系。文献6 利用 Mach Zehnder 干涉法，以高时空分辨率观察火花核心的瞬态变化，并把实验结果与具有流体力学和电子发射的三维反应流模型的模拟结果比较，并与仿真生成的光学相位图进行定量比较。对于火花试验装置电极热效应与引燃爆炸性气体特性的影响有待进一步探讨。如果直接测量火花放电和气体引燃之间的机理，由于物理过程发生在不同的时间尺度(s，ms)和很小的物理维度(m)，导致这项工作在技术上有非常大的挑战性。从本安火花试验的要求出发，在已经对装置自身参数、等效电路参数7 以及爆炸介质等参数确定下，通过辐射热成像检测 IEC 火花试验装置钨丝与镉盘电极在相对运动过程中火花放电电极热的最高检测温度以及三维温度场模型，从而进一步探究火花试验装置的环境中放电能量，电极机械参数分别与火花放电以及摩擦热效应之间的影响8，并提供了关于镉盘温度场、火花放电温度、电极摩擦热效应等数据与公式，建立起放电能量，电极摩擦能量与热引燃理论的关系式，简化直接测量的实验难度。并基于热引燃理论，采用持续发热点热源温度场模型，对火花放电时间和距离对火花点燃能力的影响进行了深入分析，提高了可以用来判别火花能否成功引燃爆炸性气体混合物的放电时间临界值的精确性，使放电时间临界值建立的判据更具有适用性。1电极热效应分析为检测火花试验过程中存在的各类热源，本文选择通过热成像方式实验，其原理是仪器通过物体表面的红外线辐射强度(取决于物体温度)进行温度测量，当物体某处产生高温时便会迅速在其位置捕捉到高温点。因此对电感本质安全电路和装置无回路接入的单独运行两种情况进行实验测温，进而评估火花试验装置所处环境温度中潜在的发热源。利用热成像的温度测量结果来计算发热源的实际温度，由于红外线辐射的一个突出特性是其辐射能量大小与表面温度密切相关，此外还与物体的材料及其表面属性有关。在 Stefan Boltz-man 定律描述中物体的材料和辐射面属性确定时，可根据红外辐射实验得到物体的辐射能量计算出表面温度9:Trccm=Erst()14或 Trkvm=Erst()14 273 15(1)式中，Er为物体单位面积上的辐射能量;Trccm为物体辐射的绝对温度;st为 Stefan Bolt-zman 常数，st=5 67 108;为物体辐射单元的表面辐射率，它取决于物体材料与辐射面属性，为1 的常数。其中 Trccm为热力学温度，Trklm为摄氏温度。虽然通过红外测温方法获得了摩擦面的温度变化规律，但并非表面的实际温度。为了能获得表面的温度可利用傅里叶定律求得，依据傅里叶定律，单位时间内通过某一给定截面的热流量 与当地的温度变化率及截面面积 A 成正比，因此单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。傅里叶定律按热流密度形式表示为:q=A=dtdx，对 x 作 0 的积分得到:q=Trccm T0(2)式中 为介质热传导系数;T0为初始环境温度。根据摩擦面经非接触红外测温的最高温度为Trccm，由式(1)可求出摩擦面单位面积上所发出的辐射能，代入式(2)即可求出接触表面的最高温度 Tm。1 1感性试验电路及红外成像方法为了能检测到火花试验装置产生的热源，用辐射成像相机进行观察。两电极旋转时，钨丝在2电气防爆 2023 年 2 月第 1 期距离镉盘表面 10 mm 高度发生摩擦与凹槽位置的弹性接触，钨丝在凹槽或镉盘边缘弹出时弹性地反冲到它的伸直长度 11 mm 并断开接触，接触位置的弹开速度取决于两电极实际的重叠程度(即:在接触时钨丝弯曲程度)，测量模型计算后得到在约 200 s 内从 0 加速到 2 m/s 4 m/s 10。感性放电火花与电极摩擦热在这一接触变化阶段红外热成像效果尤为突出。根据电感电路的分断放电特性 11，对其开路而形成的火花放电进行实验，原理图如图 1 所示，摄像头拍摄到镉盘表面反射的红外辐射并显示出实时的红外光谱图，示波器记录下感性电路火花放电的伏安曲线。图1 中，E0为电源电压，L 和 分别为电感和电阻，与火花试验装置串联进行放电。图 1火花实验装置结构及热效应实验原理1 2电极热源温度检测实验(1)感性电路火花放电依据 GB/T 3836 42021 标准中类电感电路模型，搭建感性电路温度测试场景，试验电路回路电阻 =40、电感 L=95 mH、电源 E0=24 V、初始环境温度 300 K(26 8)。测试环境:距离 =0 20 m，发射率 1 00，环境湿度 H(%)=20 0，空气热传导系数=0 023 W/mk。感性火花放电装置热成像和镉盘上温度分布三维图如图 2 所示。从图中得到实验检测火花放电最高温度 T=311 75 K(38 6)，代入式(1)、式(2)计算出实际接触表面最高温度 tspa m=3 571 75 K。(2)电极摩擦标准 IEC 火花试验装置中钨丝与镉盘两电极以 0 25 m/s 的相对速度旋转。测试环境:距离=0 20 m，发射率 1 00，环境湿度 H(%)=20.0，空气热传导系数=0 023 W/mk。电梭摩擦装置热成像和镉盘上温度分布三维图如图 3 所示。(a)装置热成像及电弧温度场放大图(b)火花放电时刻镉盘温度场图 2装置热成像和镉盘上温度分布三维图(a)装置热成像图(b)钨丝摩擦时刻镉盘温度场图 3装置热成像和镉盘上温度分布三维图从图中得到实验检测火花放电最高温度 T=300 75 K(27 6)，代入式(1)、式(2)计算出实际接触表面最高温度 tfrc m=1 240 87 K。2火花放电能量对于镉盘的热效应分析2 1火花放电能量为分析实验中感性电路火花放电模型及能量3专述基于热引燃理论的火花试验装置电热效应本质安全性能研究大小，以图 1 的中电路原理测得火花装置放电时电弧电压、电流波形如图 4 所示。(a)实测电压、电流波形(b)仿真电压、电流波形图 4火花放电实验与仿真波形经过已有理论模型12 的仿真与实测电路波形对比，动态伏安特性模型同时拥有电弧电压、电流的表达式，并且理论波形与实测波形更加符合。因此基于动态伏安特性方法下的本质安全简单电感电路火花放电能量为:Wg=t0ugigdt=12LI2+EIT6(3)式中，ug为放电电压，ig为放电电流，L 为电感，E 为电源电压，I 为回路电流，t 为放电时间。2 2放电热效应及系数 m 分析用傅里叶变换的二维矢量法解钨丝打火花瞬时点热源的镉盘表面温度场13。设 IEC 火花试验装置中的镉盘为一有边界条件的导热体，且其体内有一点热源(火花放电)，在打火瞬间发出一股热量 Q，则任意时间 t，任意位置 A(x，y)的温升，可用二维直角坐标系中的动态导热微分方程进行求解:t=2x2+2y2(4)温度场的初始状况是处处温度相等，所以发热后场内温度分布必然对称于热源点。把坐标原点 O 置于热源点上，令 2=x2+y2，则等温面为同心圆面，越大越小，温升函数可记作(，t)。根据能量守恒定律:QC=042(，t)d(5)由此以矢量 表示 A 位置，即|=x2+y2。参考矢量的傅里叶变换中|K|=k2=2+2，且温度分布对原点对称，因此函数(，t)取决于的 的模，函数的 F 变换 F(K，t)亦取决于 K 的模，简化了微分方程的求解。对(10)式作 F 变换Ft=(2+2)F，改写为dFF=k2dt，再对式积分得到InF=k2t+改写F(K，t)=Aek2t，满足二维高斯分布，查表计算二维高斯分布的 F1变换，得到:(，t)=A(4t)