IEC火花试验装置的电容短路放电特性数学仿真分析.pdf

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1、第33卷第2期电工电能新技术Vo1．33．NO．22014年2月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyFeb．2O14IEC火花试验装置的电容短路放电特性数学仿真分析钟久明，刘树林，崔强(1．西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054；2．海南师范大学物理与电子工程学院，海南海口571158)摘要：分析了基于IEC安全火花试验装置的简单电容电路短路放电特性，将其放电过程分为一次放电、电压维持及二次放电三个阶段。建立了基于场致发射的放电数学模型，得出了放电电流和电压的时域表达式。运用实验方法建立了放电时间与

2、电容及其初始电压间的函数关系。以放电结束时刻的电压和电流为约束条件，给出了模型中待定参数的确定方法。进行了实例验证并设计了软件评价器，结果表明理论分析及所提出模型的正确性和非爆炸评价的可行性。关键词：IEC安全火花试验装置；电容电路；短路放电；数学仿真中图分类号：TM85文献标识码：A文章编号：1003—3076(2014)02-0029-06路进行开闭环实验表明，其放电电压和电流曲线与1引言实验结果存在较大的偏差，可见所得出的函数关系目前运用IEC火花试验装置的爆炸性试验是并不能全面地反映容性电路短路放电的电压和电流电路本质安全(简称本安)性能最直接的检测方法，特性。文献[

3、15]针对简单电容电路，提出了一些短但该方法操作复杂、需时较长⋯，且只能在少数几路放电特性的指数函数模型，但所提模型无法得到家防爆检验机构进行。该方法不能随时指导本安产放电时间、放电功率与放电能量等关键参数的定量品的设计和制造，延长了产品研制周期、增加了成描述，不能全面反映容性电路短路放电伏安特性。本、制约了产品的推广应用。因此迫切需要建立本作者在大量实验的基础上获得了电容短路放电安防爆电路的非爆炸评价系统，进行相关的研究具的典型伏安特性曲线，发现了维持电压、维持时间等有重要的理论意义与实用价值’。重要放电特征参量，但是现有文献报道尚不能解释电路本安性能评价主要考虑电感开路或

4、电容短这一现象，也没有建立相应数学模型，更没有得出引路时的故障能量，因此建立基于安全火花试验装置，燃能力与相关因素的关系表达式，从而制约了非爆能描述电感电路分断与电容电路短路放电特性的数炸性本安判据的获取。学模型，是构建非爆炸本安评价系统的基础。本文基于IEC标准的安全火花试验装置，对电目前对电感分断放电研究较多，也建立了一些容电路进行大量短路放电实验研究，用示波器采集较实用的电弧放电数学模型；而对电容短路放典型放电电流、电压波形，基于场致发射的原理建立电的研究主要集中在最小点燃电压、电路本安参数了电容电路短路放电的数学模型，为本安电路非爆的选取等’、点燃能量的测量、容性电路

5、短路放炸评价系统的建立奠定了理论基础。电的引燃特性以及电容放电对开关型本质安全2电容短路放电特性电源影响及其参数设计等”。对其放电数学模型的研究还比较少。文献简单电容电路短路放电原理如图1所示。其中，[14]提出了容性电路输出短路火花放电的电压、电为电源电压，为充电电阻，R为放电回路的总流和功率函数。但是，运用火花试验装置对电容电电阻，c为被试电容，G为安全火花试验装置，电容收稿日期：2013-01—14基金项目：国家自然科学基金资助项目(50977077；51277149)作者简介：钟久明(1975一)，男，江西籍，讲师，博士研究生，研究方向为安全火花电路及气体放电；刘树林

6、(1964一)，男，四川籍，教授，博士，研究方向为本质安全开关电路理论。30电工电能新技术第33卷界击穿间距时，气体被再次击穿，称为二次击穿，其放电电流及电压的变化规律类似一次放电。可见，在一定输入电压下，电容短路放电过程中出现维持电压和维持时间等特征参量。下面将根据实验获得的典型放电电压、电流波形，运用曲线拟合的方法建立放电数学模型并对其放电伏安特性进行图1简单电容电路短路放电试验电路分析。Fig．1Schemecircuitofsimplecapacitivecircuitshort—circuitdischargeexperiment3电容短路的气体放电数学模型气体放电

7、从总体上包括电极上和气体中两类基两端分别连接钨丝和镉盘电极，两电极以约25cm／s本过程。从气体放电引燃爆炸性气体的角度出发，的速率短路⋯。“。和i。分别为放电电压和电流。关注的是电极上的行为。下面将以阴极电流和极间典型放电电流和电压曲线如图2所示，根据图2，电电压为参量，建立IEC标准火花试验电容短路放电容电路短路放电过程可分一次放电、电压维持及二的数学模型。次放电三个阶段。3．1放电电流的数学模型由图2可知，电容短路放电引燃爆炸性气体的能量主要来源于一次放电和二次放电。下面首先针对一次放电的伏安特性