史曉亮，徐景德，賴芳芳

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院研究生處,北京東燕郊 101601)

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瓦斯爆炸電火源點火特征的實驗研究

史曉亮1，徐景德2，賴芳芳1

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601;2.華北科技學(xué)院研究生處,北京東燕郊 101601)

本文以華北科技學(xué)院瓦斯爆炸實驗室為平臺，自行研制了一套點火器系統(tǒng)，對瓦斯爆炸點火特征進(jìn)行了研究。用示波器法測定了在不同充電電壓和電極間隙下的點火能量，分析了充電電壓和電極間隙對點火能量的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：充電電壓越大，點火能量越高；電極間隙有一個最佳值，在最佳間隙下的點火能量最低，超過最佳間隙，點火能量會隨著電極間隙的增大而增大。

瓦斯爆炸；點火能量；示波器法；電極間隙；充電電壓

0 引言

煤礦開采電氣化程度的提高使得電火源在煤礦工作場所出現(xiàn)幾率迅速上升。近幾年來，電火源引發(fā)瓦斯(煤塵)爆炸事故次數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，國內(nèi)多起特大瓦斯爆炸事故的火源都是電火源，例如鄭州煤業(yè)集團(tuán)大平煤礦“11.13”特大瓦斯爆炸事故、阜新煤業(yè)集團(tuán)孫家灣海州立井“2.12”瓦斯爆炸事故的火源都是電火源。

瓦斯爆炸的理論最小點火能0.28 mJ，其確定過程和實驗條件是：在壓力為101.3 kPa和溫度為20℃條件下，圓截面管道是直徑70 mm的全約束(采用固壁端)空間下測定的。本文實驗是在長度為40 m、200 mm*200 mm方截面管道中半約束空間(末端采用破膜方式)情況下，調(diào)節(jié)放電電路中電荷電量及電容的大小以及電極之間的距離和電極的形狀，測得可燃?xì)怏w與空氣混合物剛能點燃時的能量。但是，實驗測試的大量結(jié)果顯示，點火能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這一數(shù)值，本文用實驗方法研究了瓦斯爆炸電火源點火特征。

1 點火原理及點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 點火原理

實驗用點火系統(tǒng)原理是采用電容充放電，并形成等離子體或高壓放電火花。具體工作流程如圖1，高壓直流電源給電容器C充電，待充到一定值后由控制觸發(fā)電路給出控制信號，觸發(fā)主放電開關(guān)G使電路導(dǎo)通，這時候電容器儲存的電能就通過放電電極F放電，產(chǎn)生高壓放電火花點燃混合氣體。

圖1 點火系統(tǒng)工作原理圖

1.2 點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2為點火器面板。

表1為點火系統(tǒng)內(nèi)置的測試元件及其相應(yīng)的功能。

圖2 點火器面板

表1 點火系統(tǒng)內(nèi)置測試元件

1.3 點火測試系統(tǒng)

點火測試在華北科技學(xué)院瓦斯爆炸實驗室平臺上進(jìn)行(圖3)。在尺寸200 mm*200 mm，長35 m的方管內(nèi)充入1個大氣壓的甲烷—空氣混合氣，其甲烷濃度位9.5%，此濃度為甲烷在空氣中化學(xué)反應(yīng)的當(dāng)量比情況下，即甲烷與空氣進(jìn)行完全反應(yīng)情況下甲烷的占比，進(jìn)行的爆炸點火試驗。測試點火能時，將電壓探頭和電流探頭一頭連接到示波器上，一頭連接到電極上，待高壓電源給電容器充完電后，按下點火器(圖2)上的觸發(fā)控制開關(guān)，完成一次測試。此時，示波器中相應(yīng)顯示了電壓和電流的波形圖。

圖3 爆炸激波管總體布置簡圖

2 電火花能量測定

2.1 電容儲存能量

電容儲存能量相當(dāng)于電容充電總能量，可用計算通式如下：

(1)

電容器的電容為0.225 μF，探針間隙為5 mm，電容充電電壓為1～4 kV時的電容儲存能量如表2所示。

表2 不同點火電壓下的電容儲存能量

名 稱不同點火電壓下的點火能量/mJ1kV2kV3kV4kV電容儲存能量112 545010101800

2.2 實際點火能量

實際點火能量是指電容放電過程中供給電極產(chǎn)生電火花點火的能量。

高壓電火花的放電能量由于其電壓和電流都是短時間內(nèi)的脈沖信號，并不能用簡單的一個公式來計算。這里我們用高性能的示波器通過分壓探頭和分流探頭，直接測出電極兩端的電壓和電流波形，通過功率曲線對時間積分求得放電火花的能量。即：

(2)

圖4為一次試驗中測得的電壓、電流波形。圖a是示波器捕獲的電流和電壓圖，圖b表示用Origin軟件處理后的電流和電壓數(shù)據(jù)。

圖4 (a)第一次實驗從示波器中捕獲的電壓電流圖

現(xiàn)在對點火能量進(jìn)行計算，由于點火瞬間電流和電壓變化情況極快，所以在10-7秒的情況下進(jìn)行積分，將式(2)變形為如下的公式，再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行能量計算：

(3)

其中n=2500(有2500個采樣點)，△t=10-7，在excel中進(jìn)行計算，根據(jù)得到的各點電壓電流值解算出最終的放電能量E等于25.13 mJ。

圖4 (b)第一次實驗Origin處理的電壓電流圖

3 電火源點火影響因素分析

按照上述方法，分別對電極間隙為1 mm、2 mm和5 mm時，不同充電電壓下的火花放電能量進(jìn)行了計算，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 不同電壓和電極間隙的電火花放電能量

電極間隙/mm不同電壓下的火花放電能量/mJ1kV2kV3kV4kV11 27(無)4 9211 3420 6721 18(無)4 7610 5619 0151 58(無)6 34(無)14 0825 35

*無說明回路中沒有形成擊穿電流，不能使甲烷—空氣混氣發(fā)生爆炸。

從上述數(shù)據(jù)可以看出瓦斯爆炸的在方截面200 mm*200 mm的情況下的實際點火能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.28 mJ的，它受實驗工況和電極參數(shù)、放電條件、充電電壓等的影響。

3.1 充電電壓的影響

充電電壓對點火能量的影響是很直接的。如圖5所示，充電電壓越高，點火能量越高，且充電電壓過低的話是不能點燃可燃混氣的。充電電壓太低的話，是不能在回路中形成擊穿電流的，因為它在放電的瞬間供給電極的能量還不足以將其擊穿。當(dāng)然了，充放電電容、點火延遲時間、電極的曲率半徑等參數(shù)也要選取適當(dāng)，如若電容量太低，只通過改變電壓來提高點火能量，即使能量很高也不會點火。

圖5 充電電壓對點火能量的影響

3.2 電極間隙的影響

電極間隙對點火能量的影響如圖6所示。電極間隙有一個最佳值，并不是越小越好。在最佳間隙處點火能量最低。當(dāng)電極間隙超過這一最佳值時，隨著電極間隙的增大放電點火能量也在增大，且間隙較大的話比較難形成點火。因為間隙增大了，電極間空氣介質(zhì)的擊穿阻力也就增大了，這時候即使被擊穿了，因為能量不集中，能量密度低，也需要提高較多的能量才能點燃可燃物。因此，在相同條件下點燃可燃?xì)怏w的點火能量就比較高了。瓦斯爆炸中點火源的方式有多種，之所以采用這種自制的電容式充電放電的方式來測試點火能量，是因為可以利用220 V低壓來控制5000 V高壓進(jìn)行放電，過程相對安全，并且蓄電放電的方式相對于之后的數(shù)據(jù)采集比較獨立，不會影響到瓦斯爆炸過程中火焰，壓力的采集。

圖6 電極間隙對點火能量的影響

4 結(jié)論

(1) 瓦斯爆炸的最低點火能是0.28 mJ，這個數(shù)值是對所有火源來說的。而實驗研究針對的是電火源，其點火能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這一數(shù)值的。

(2) 電容器儲存的能量和實際點火能量是兩個不同的概念，實際用于點火的能量只占電容儲存能量很小一部分的比例，且所占的比例與儲能電器元件的尺寸，電路參數(shù)、氣體濃度等有著密切的關(guān)系。

(3) 從實驗結(jié)果來看，電火源的放電形式(電極的形狀、間隙)和充電電壓對點火能的測定有重要的影響。因此，控制好井下各電源對瓦斯爆炸事故的控制、預(yù)防和防爆、抑爆方面有至關(guān)重要的作用。

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Experimental Study on Ignition Characteristics of Gas Explosion Electric Fire Source

SHI Xiao-liang1，XU Jing-de2，LAI Fang-fang1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,101601，China；2.GraduateSchool，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601，China)

Based on the explosion lab platform in North China Institute of Science and Technology,the ignition characteristics of gas explosion was researched through a set of self-developed ignition system .The ignition energy at different charging voltage and electrode gap was determined using oscilloscope,and the effects of charging voltage and electrode gap on ignition energy was analyzed. Experiment result showed the higher the charging voltage,the higher the ignition energy; and there was an optimum value for the electrode gap,the ignition energy was the lowest at the optimum gap,when the gap was over the optimum value,the ignition energy will increase with the increase of the electrode gap.

gas explosion；ignition energy；oscilloscope；charging voltage；electrode gap

2016-01-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015069)

史曉亮(1989-)，男，山西長治人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦井瓦斯、火災(zāi)與粉塵安全防治技術(shù)。E-mail：270262961@qq.com

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1672-7169(2016)02-0020-05