IEC火花試驗裝置檢驗局限性的探討

付淑玲

(煤炭科學研究總院撫順分院,遼寧撫順113001)

摘　要:目前,國際電工委員會推薦的“IEC本安電路火花試驗裝置”隻對電壓、電流和電感的上限值進行了限定,經過長期實際運行表明,隨著電容性電路的電容增大,試驗裝置的靈敏度大大降低了。文章對阻容性電路的充放電時間及IEC火花試驗裝置的打火間隔進行了理論03manbetx 和計算,指出了火花試驗裝置檢驗容性電路的局限性,並首次提出了在不影響IEC火花試驗裝置性能指標的前提下,解決試驗裝置檢驗電容性電路局限性的新方法。

關鍵詞:IEC;火花試驗裝置;檢驗;電容性電路;打火間隔;局限性

中圖分類號:TD685　　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2006) 02-0025-03

1　火花試驗裝置工作原理簡介

目前,爆炸危險場所最廣泛應用的防爆電氣設備為隔爆型和本質安全型。本質安全型電氣設備的防爆性能就是通過火花試驗裝置來考核的。該裝置是國際電工委員會推薦采用的IEC本安電路火花試驗裝置。該火花試驗裝置主體是容積至少為 250cm 3、承受爆炸壓力至少為1.5 MPa的容器,容器內布置一組電極,電極用於在規定的爆炸性試驗混合物內產生閉合火花和開路火花,接觸電極之一是由帶有兩道槽的旋轉的隔電極盤組成;另一接觸電極是由固定在極握上的4根鎢絲組成。旋轉的極握使鎢絲在開槽的隔盤上滑動。如圖1所示。

1-被試電路連接處;2-透明阻爆容器;3-極握;4-鎢針;5-通槽隔盤;6-齒輪

圖1　IEC火花試驗裝置電極接點結構

其中一個電極是由4根自由長度為 11 mm 、直徑為 0.2 mm 的鎢針均勻地固定在 38 mm × 38 mm 的鎢針固定盤的四角上組成,它以80 r/min的速度旋轉。另一個電極由直徑為 30 mm 、並與園心對稱開有2道深 2 mm 、寬 2 mm 的通槽隔盤組成,兩通槽之間的距離為 13 mm ,它以19.2 r/min的轉速相對鎢針固定盤反向轉動,隔盤和鎢針固定盤兩軸之間水平距離為 1mm ,兩者通過齒輪帶動組成一打火機構。

2　檢驗電容性電路局限性03manbetx

IEC標準明確指出,IEC火花試驗裝置用於試驗本安電路有下列局限性:

(1)試驗電流不大於 3 A 。

(2)對於電阻性和電容性電路的開路電壓不大於300 V。

(3)對於電感性電路電感不大於1 H。

　　在上述局限性中,IEC標準並沒有規定電容性電路的最大電容值,而對電容性電路的本安火花試驗又無單獨的試驗裝置。若對電容性電路進行試驗,需在上述裝置的基礎上考慮充放電時間常數的影響,可采取減少鎢針根數的方法來延長試驗電路打火間隔,一般僅保留1根針或2根針進行試驗。

長期應用表明,我國目前有相當數量的被檢電路即使應用1根針,由於其電路時間常數過大,嚴重影響了電容性電路試驗的靈敏度。若要保證采用IEC火花試驗裝置考核電容性電路試驗的靈敏度,關鍵是接點開路時間應保證隔盤和鎢針兩電極接點從“短路-開路”時刻起,到被試驗點兩端電壓充電至“開路-短路”時刻止,達到正常工作電壓。因此,確定考核電容性電路,特別是存在較大電容的電路,考核試驗靈敏度首先要計算電路充電時間常數,其次計算打火最小間隔時間。

2.1　接點打火間隔03manbetx 火花試驗裝置的打火間隔是不均勻的,有隨機性,打火位置也有隨機性,有時在隔盤的邊緣,有時在隔盤上 2 mm 通槽的邊緣。因此計算打火次數時,僅按鎢針在隔盤的邊緣和隔盤上的 2 mm 通槽兩處打火位置考慮。

2.1.1　 火花打火間隔

鎢針和隔盤的運動軌跡如圖1所示。

圖中　r———鎢針的軌跡半徑 24.84 mm ;

　b———兩軸間距 31 mm ;

　rl———隔盤的軌跡半徑 15 mm 。

鎢針的運動軌跡:x2+y2=r12(1)

隔盤的運動軌跡:(x-b)2+y2=r12(2)

(1)、(2)聯立解得:x=(r2-r12+b2)/2b

鎢針運動的弧長:

LAB=2r·arccos{〔(r2-r12+b2)/2b〕/ r}

鎢針在隔盤上劃過的時間:

TAB=arccos{〔r2-r12+b2)/2b〕/r}/ (πn)

=118.9 ms

n———鎢針轉速。

因此,鎢針與隔盤邊緣打火間隔如表1所示。

表1　鎢針與隔盤邊緣打火間隔時間

名稱打火間隔公式時間/ms

1根針1/n-TAB631.1

2根針1/(2n)-TAB256.1

4根針1/(4n)-TAB68.6

　　從上述計算可以看出,每個鎢針之間的打火間隔總是大於鎢針在隔盤上劃過的時間,由此可見,每次打火隻有1根鎢針和隔盤接觸。

2.1.2　 火花最小打火間隔鎢針和隔盤相交時火花打火間隔的最短打火位置為 2 mm 通槽寬度處。鎢針經 2 mm 通槽時所對應的弧長LAB可以近似為 2 mm ,經計算,在隔盤上 2 mm 通槽處的火花打火間隔:T 2mm ≈10.2 ms顯而易見,與鎢針和隔盤邊緣的打火間隔時間相比可以證明,火花試驗裝置的火花最小間隔時間即為隔盤上 2 mm 通槽處的打火時間。

2.2　IEC火花試驗裝置電容試驗的上限值鎢針和隔盤的重合接觸時間即為短路放電時間,對電容性電路來說,影響試驗靈敏度的是短路放電瞬間產生的火花強度,而短路恢複時無論電容性電路放電殘餘電壓有否,均低於短路放電瞬間產生的火花強度,因此可不考慮電容放電對靈敏度的影響。顯而易見,電容充電時間的大小將直接影響火花試驗裝置的靈敏度。電容充電的最不利情況是鎢針經過通槽處,即Tmin≈T 2 mm 。因此,電容充電試驗的上限值Cc按下式計算:

　　　　　Cc=T 2 mm

R〔ln(1-ucu0)〕-1(3)

式中　u0———電容性電路被試驗兩點間的額定電

壓,V;

　uc———電容性電路被試驗兩點間的放電電

壓,V;

　R———電容性電路等效回路電阻,Ω。在T 2mm 時間內,Cc與(uc/u0)在不同充電電阻下的關係如圖2所示。

根據IEC推薦的電容性電路最小電壓曲線(串加40Ω電阻,且u0=25 V時)允許最大電容值為200μF。由圖2可見,在該裝置上試驗時,在通槽處圖2　Cc與(uc/uo)在不同充電電阻下的關係的充電時間隻能使它充電到0%。另外,對於電源短路保護的試驗來說,10.2 ms的時間也顯得偏短。目前,大多數電源電子保護除在快速保護上下功夫外,還注意保護動作後的慢恢複特性,以達到本安防爆目的。因此,隻要短路恢複時間大於10.2 ms, 2mm 通槽處的打火就是無效的。

3　解決局限性的措施

由(3)式不難看出,IEC火花試驗裝置能適用的電容上限值與充電時間成正比,與電路中串聯電阻成反比。所以該裝置對阻容性電路來說,串加電阻越大,靈敏度越低。因此,要保證對電容性電路試驗的靈敏度,就要延長對電容的充電時間及保證電子保護的可靠恢複時間。提高試驗裝置對阻容性電路試驗靈敏度的方法有3種:或降低電機的轉速、或加寬隔盤上通槽的寬度、或取消隔盤上的通槽。

降低電機的轉速可以提高試驗裝置對阻容性電路試驗靈敏度,但降低轉速就降低了兩電極的打火速度,直接影響了IEC火花試驗裝置的物理參數。加寬隔盤上通槽的寬度可有效提高試驗裝置對阻容性電路試驗靈敏度。其方法很多,如隻在隔盤中心對稱軸上仿照IEC推薦的參數加工一條適當寬度的通槽,如圖3所示

。此方案的缺點是:由於隔盤上槽的結構和數量的變化而不易重新計算和確定火花試驗的轉數,此外,對於具有延時啟動的電子保護電路,難於確定保護恢複時間。

取消隔盤上的通槽能可靠保證試驗的靈敏度,並簡單可行。對照圖1可知,試驗時即使使用4根針,其電容充電時間(68.6 ms)也大於在IEC推薦的隔盤上試驗最小時間的6倍以上。利用公式(3)不難計算出采用設計的無通槽隔盤時,允許的最大電容值Cc與uc/u0在不同充電電阻下的關係(如圖4、圖5所示)。通過03manbetx 可知,此方案既不改變IEC火花試驗裝置的打火機理,又能保證延長電容充電時間,能保證對電容性電路試驗的靈敏度。

4　結　論

本文通過對IEC火花試驗裝置進行阻容性電路試驗的分析,指出了該裝置檢驗容性電路的局限性的原因,提出了能可靠保證試驗容性電路的新方法。首次提出並設計了不影響IEC火花試驗裝置物理參數和性能指標的試驗電容性電路的無通槽型隔盤。此方法簡單、可靠,與在IEC推薦的隔盤上試驗相比,易於根據延時啟動的電子保護電路恢複時間確定使用鎢針根數,而且對阻容性電路試驗時,適用的電容上限值範圍提高了6倍以上。從而解決了IEC火花試驗裝置檢驗容性電路的局限性。

　　作者簡介:付淑玲(1961-),女,1983年畢業於黑龍江科技學院電氣自動化專業,高級工程師,現任國家煤礦安全產品質量監督檢驗中心防爆室副主任,一直從事本質安全電路檢驗工作。