基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电电极热-电耦合的数值研究

研究基于IEC安全火花试验装置的电感分断弧前金属液态桥的形成是研究低压、小电流感性电路分断电子产生机制及电弧形成机理的关键。考虑镉盘电极微观表面形貌,基于流体动力学模型,建立了真空环境下钨丝-镉盘电极热-电耦合的几何与数学模型。数值模拟了极间金属液桥的形成过程,得出了液桥的温度分布、固-液相变过程和电压特性;探究了电路串联电感、初始电流及电极初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值模拟计算结果表明,模型最高温度出现在接触区域中心,金属液桥形变受热膨胀力与马兰格尼效应共同作用;当接触区域温度均达到镉材料的沸点时,金属液桥完全断裂,此时电极两端电压与实验测量得到的最小建弧电压相符;电路电感大小对金属液桥形成基本无影响,而增大初始电流或减小电极初始接触压力会缩短电极熔化、金属液桥蒸发及完全断裂所需时间。这为进一步探究低压、小电流感性电路分断放电电弧形成及引燃机理提供了理论指导意义。

基于安全火花试验装置的电感分断电弧电阻建模研究

研究电感分断放电电弧电阻模型是建立电感电路非爆炸本安性能评价的基础.运用IEC安全火花试验装置对电感分断电弧放电特性进行试验研究,深入分析电弧电阻随放电时间的变化规律,并采用非线性回归的方法得出分断电弧放电时间与电感和初始电流之间的函数关系式.考虑安全火花试验装置钨丝和镉盘电极结构特点,建立了一种极间电弧放电区域的物理模型,并推断出二维泊松方程的边界条件.基于此,利用分离变量法求解泊松方程,推导出电弧电阻的数学表达式,得出了电感分断电弧放电电压和电流的关系表达式.仿真分析及实验结果证明了理论分析及所提出电弧电阻数学模型的准确性和可行性.

安全火花试验电极热场致发射模型和温度效应的数值模拟研究

研究安全火花试验装置的镉盘试验电极温度分布和热场致电子发射特性为研究感性电路分断放电特性和揭示其电弧放电机理奠定理论基础。根据量子理论,热场致电子发射电流密度主要取决于阴极表面温度和外加电场等因素。因此基于椭圆积分法,推导出阴极电子穿透率的数学表达式,得出热场致电子发射电流密度与温度及外加电场之间的关系表达式;综合考虑试验电极的微观表面形貌、发射电流密度、焦耳热和热传导效应,数值计算阴极微凸起的表面温度变化规律。实例模拟仿真结果表明:当镉盘阴极表面温度在熔点和沸点范围内时,热场致电子发射电流密度随外电场和阴极表面温度的增大而非线性增加;在不同外加电场下,阴极微凸起温度随放电时间呈非线性增长,且增长率越来越大;阴极微凸起顶端温度在极短时间(ns级)内上升到熔点,从而引起其顶端局部发生微爆炸电子发射。这为进一步研究感性电路分断放电的微观机理和本安非爆炸性评价奠定了理论基础。

电极分断速度对电感分断放电特性的影响分析与建模

工作于爆炸性环境的电气电子设备在发生断路故障时,电感元件产生的电弧可能引燃易燃易爆气体,严重危及煤矿井下等危险性工作环境的人身及设备安全。电极分断速度v作为非电气参数,与电感L、分断初始电流I0等电气参数一样会对电弧放电特性产生影响。在IEC安全火花试验规程中规定电极以恒定速度(25 cm/s)分离,而实际工况下故障点分断速度是随机的,因此即使符合IEC安全火花试验规程的本质安全电路在特定分断速度下也有可能引燃爆炸性气体。通过IEC安全火花试验装置对电感电路分断放电进行试验研究,发现电弧放电时间T L随电极分断速度v的增加近似呈指数规律减小,最终趋于稳定值,并随电感L和分断初始电流I0增加而增长;初始电弧电阻Rarc0随分断初始电流I 0增大而减小;电极分断速度v主要影响电弧电阻Rarc的增长速度,而电感L对电弧电阻Rarc的变化趋势没有明显影响。根据电弧功率的变化趋势,将其分为上升、稳定、衰减3个阶段。在上升阶段中,最大电弧功率Parcmax随分断初始电流I0增大而增大;稳定阶段中,电感L越大,电弧功率Parc的减小速度越慢;电极分断速度v的增大加快电弧功率从稳定阶段向衰减阶段的转化。基于函数回归分析和线性叠加定理建立电极分断速度v与电弧放电时间TL的关系表达式。考虑电极分断速度,提出了一种电弧等效电阻模型,通过莱文贝格-马夸特优化算法确定模型特征参数,推导出电弧电压、电流、功率及能量的关系表达式,仿真分析及试验结果证明了理论分析及所提出的电弧等效电阻模型的可行性及准确性;理论计算和试验表明电弧功率Parc和电弧能量Warc均随电极分断速度v的增大而减小,即电极分断速度v的增大有助于减小电路故障时的电弧能量。

爆炸性环境电感分断放电引燃能力及本安性能评价方法

应用于煤矿井下的电子电气设备必须通过本质安全评价,以确保其正常工作与发生规定故障时均不具备引燃爆炸性气体的能力。为了探究电感分断放电引燃能力的影响因素及其关系,通过IEC火花试验平台对简单电感电路进行分断放电试验,分析发现电弧电流极限值为分断初始电流,电弧电压极限值随电源电压与电感增大而增大;得到电弧电压极限值对应电弧电流变化率随电感变化的拟合关系式,发现其绝对值随电感增大近似呈幂函数关系减小;将简单电感电路等效为时变电压源的电阻电路模型分析发现电弧功率极限值随分断初始电流、电源电压与电感的增大而增大。基于试验数据和易燃易爆环境下的纯电阻电路与简单电感电路的临界引燃曲线,推导出以临界引燃功率与能量描述爆炸性环境电感分断放电引燃能力的数学表达式,发现电源电压、分断初始电流及电感的增大均使得分断放电的引燃能力增强;基于此,提出了爆炸性环境电感分断放电的本安性能评价方法,对其分析发现:仅当电感能量小于临界引燃电感能量,且电弧功率极限值小于临界引燃功率时,该简单电感电路不具有引燃能力,为本质安全电路。通过与现有本安性能评价方法以及基于IEC火花试验装置的爆炸性试验评价结果对比,证明了所提出引燃能力评价方法的可行性与可靠性,并可良好适用于电感较小等极端场合。

爆炸性环境电感分断建弧机理及影响因素

研究爆炸性环境电感分断放电建弧机理是解决本质安全型电感电路分断放电问题的有效手段,对推广应用本安型电气电子设备具有重要意义。基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电宏观试验研究,发现极间电压快速跳跃到熔化电压,随后很快上升到最小建弧电压。因此,考虑极间场增强因子作用,建立甲烷–空气混合气体电感分断建弧过程的电子漂移扩散模型和非电子组分重物质输运模型,获得该建弧过程中各粒子密度、极间电势、电子温度、空间电荷和活性自由基粒子随时间的演变规律,揭示电感分断建弧机理及阴极鞘层形成机制;探究极间距离和外加电压对电感分断建弧过程的影响规律。数值模拟结果表明:空间内正电荷密度增大,引起电场畸变形成阴极鞘层;建弧过程产生的激发态N、O分子和—CH、—CH和H 3种自由基可促进电弧形成;外加电压低于15 V,且极间距接近甲烷–空气混合气体平均自由程或电子碰撞电离之前,极间距减小则不能维持电弧放电。

Buck-Boost变换器内部分断放电引燃能力及评价方法

探究Buck-Boost变换器分断放电引燃能力及评价方法对促进本安电源在危险环境的推广应用具有重要的理论指导意义。分析Buck-Boost变换器的工作模态与不同开关状态的等效电路,得出其内部分断最危险工况;在此工况下探究其分断放电电压、电流及功率极限值,并结合纯电阻电路与简单电感电路临界点燃曲线,推导出通过临界引燃功率与能量描述Buck-Boost变换器内部分断放电引燃能力的数学表达式及评价方法,指出仅当电弧功率极限值与电感储能分别小于临界引燃功率与临界引燃电感储能时,该变换器为内部本质安全。通过爆炸性试验评价证明所提出的Buck-Boost变换器内部分断放电引燃能力评价方法的可行性与可靠性。