爆炸性环境电感分断电弧引燃微观机理及本安评价方法研究

The published Inductor-Disconnected Discharge(IDD) arc theory and evaluating methods of non-explosive intrinsically safe performance didn’t consider the arc physical properties in the explosive hazardous environments.The design, manufacture and application of intrinsically safe inductive circuits were constrained.In this topic, many explosive experiments on the different inductive circuits are done,by using the safety spark test apparatus.The current-voltage characteristics and the change regularity of discharge energy are deeply studied for the IDD.And the impacts of the circuit parameters, electrode separation speed and electrode materials on IDD arc characteristics are analyzed.A mathematical model of the inter-electrode electronic transport with the methane-air mixtures is established.The impacts of the parameters on arc ignition are discussed,such as arc temperature,space charge and electron energy.Then,the relationship between these parameters and the arc discharge’ heat is deduced.The inner mechanism of the IDD arc ignition are to be revealed.Based on the physical properties of discharge arc ,an resistance model of the inter-electrode arc discharge is established.The relational expression between the arc discharge voltage and current of the IDD discharge are deduced.The maximal discharge energy, power and duration time etc. are calculated.According to the maximum discharge energy,an equivalent circuit model simulating the IDD is established,and the non-explosive intrinsic safety criterion is obtained.The experiment results validate that the proposed model and theoretical analysis are valid and feasible.The obtained research achievements will provide some theoretical and experimental bases for the design of intrinsically safe inductive circuits in the explosive hazardous environments.

现有爆炸性环境电感分断放电电弧理论和非爆炸本安评价方法未考虑电弧内部物理特性，制约着本安型电感电路设计、制造及在危险环境的应用。本课题拟运用安全火花试验装置对不同电感性电路进行大量爆炸性试验，深入研究电感分断放电电流-电压特性和放电能量的变化规律，并分析电路参数、电极分离速度及电极材料对放电特性的影响；建立具有甲烷混合气体介质的极间电子输运数学模型，探讨电弧温度、空间电荷及电子能量等参数对电弧引燃的影响，并确定该参数与电弧释放热量之间的关系，揭示电感分断电弧引燃的内在机理；基于放电电弧物理特性，建立极间电弧电阻模型，推导出其电弧放电电压和电流的关系表达式，计算最大放电能量、功率和放电持续时间等参数。以最大放电能量为依据，建立模拟爆炸性环境电感分断的等效电路模型，得出非爆炸性本安判据，实验验证模型及理论分析的正确性和可行性。研究成果可为爆炸危险环境本安型电感电路设计提供理论基础和实验依据。

应用于煤矿等危险环境的电气电子设备必须通过本安认证，现有评估本安性能的方法包括爆炸性试验和非爆炸本安评价。爆炸性试验存在研发周期长、成本高等不足；而现有非爆炸性本安评价及电感分断放电理论未涉及电弧内部物理特性，制约着本安型设备的设计、制造及应用。因此，研究电感分断放电机理和本安性能评价方法具有重要理论意义和实用价值。.应用IEC安全火花试验装置对电感电路分断放电进行试验，得出电路参数和电极分断速度对放电特性的影响。发现试验电极分断过程中形成了液态桥，致使阴极成为热场致发射源。推导出电子发射电流密度的表达式，数值模拟得出阴极表面温度随放电时间呈非线性增长规律。.研究了CH4-N2和CH4-空气混合气体在微米级间隙下的放电过程，分析了电场强度对气体放电的影响规律，指出电子密度等重要参量的空间分布，揭示甲烷混合气体的放电机理，这为进一步探究甲烷-空气放电的引燃机理奠定了理论基础。.依据电感分断电弧放电电压和电流波形，建立极间电弧电阻模型，得出了模拟其分断放电特性的数学模型，构建出可模拟爆炸性环境电感电路分断电弧放电的等效电路模型。实验结果表明所建立的模型能较准确地反映电感分断放电特性。.考虑电路分断最危险工况时的最大放电功率，为了保证本安评价的可靠性，提出了本安判据，该判据可解释“大火花”可能无法引燃爆炸性气体，而某些“小火花”却可能引燃的现象。对于复杂电路的本安性能评价，提出了基于多核核函数支持向量机的本安性能评价方法，可简化评价的复杂度。.基于此，构建了能够模拟安全火花试验装置的仿真评价研究平台，通过回调函数提取电路的关键参数，求取最大放电功率、等效电感或等效电容，与最小引燃功率、临界电感或临界电容进行比较，从而判定电路的本安性能。通过所建立的本安评价系统，可缩短本安开关变换器的研制周期，节约研发成本。.通过改进开关变换器的拓扑结构和电路参数设计，可提高开关变换器的本安性能，有助于促进本安电源在煤矿等危险环境的推广应用。