郭曉榮，劉曉蓮，吳瑞德，閆娟娟，段瑞坤

絕緣電阻故障對(duì)電火工品發(fā)火性能的影響

郭曉榮1，劉曉蓮2，吳瑞德1，閆娟娟1，段瑞坤1

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061；2.兵器工業(yè)安全技術(shù)研究所，北京，100053）

火工品在安裝后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絕緣電阻下降的故障，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的發(fā)火性能產(chǎn)生影響，本文針對(duì)產(chǎn)品殼體與電源共地和不共地兩種情況進(jìn)行了分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明絕緣電阻故障導(dǎo)致產(chǎn)品不發(fā)火的可能性較小，只有產(chǎn)品內(nèi)部的旁路電阻位于殼體和未接地的一極插針之間、小于一定的阻值、在通電條件下不會(huì)被熔斷這3種情況同時(shí)存在時(shí)，才有可能導(dǎo)致單發(fā)產(chǎn)品出現(xiàn)不發(fā)火。

電火工品；絕緣電阻；發(fā)火性能；接地；旁路電阻；熔斷

火工品是武器系統(tǒng)不可缺少的一部分[1]，其發(fā)火可靠性直接決定著武器系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)。絕緣電阻是電火工品的主要性能指標(biāo)之一，在設(shè)計(jì)不合理、工藝保證措施不到位及操作過(guò)程管控不嚴(yán)格的情況下，會(huì)出現(xiàn)絕緣電阻下降甚至導(dǎo)通的故障[2-3]。絕緣電阻故障一般由金屬多余物、受潮、結(jié)構(gòu)破壞等引起[4]，故障原因比較容易定位，但實(shí)際操作過(guò)程不易把控，因而導(dǎo)致該故障經(jīng)常出現(xiàn)。在該故障模式存在的情況下，除直接影響了產(chǎn)品的絕緣性能，也可能進(jìn)一步影響產(chǎn)品的發(fā)火性能[5-6]，且大多數(shù)絕緣電阻故障檢測(cè)時(shí)產(chǎn)品已裝彈完成或臨時(shí)無(wú)其他替代產(chǎn)品，這就需要對(duì)產(chǎn)品在該故障模式下的發(fā)火性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步指導(dǎo)產(chǎn)品的后續(xù)使用。

本文針對(duì)產(chǎn)品殼體與電源共地和不共地兩種情況進(jìn)行分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，為存在該故障模式的產(chǎn)品使用提供參考依據(jù)。

1 理論分析

為分析絕緣電阻故障對(duì)產(chǎn)品發(fā)火性能的影響，主要從以下兩種情況進(jìn)行分析：（1）產(chǎn)品殼體與電源不共地；（2）產(chǎn)品殼體與電源共地。

1.1 產(chǎn)品殼體與電源不共地情況下的發(fā)火性能分析

一般來(lái)說(shuō)，電火工品的發(fā)火電流為5～10A。在進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)時(shí)，發(fā)火電源的一極接地，產(chǎn)品通過(guò)輸出端螺紋與工裝夾具連接，但夾具本身不接地，發(fā)火線路如圖1所示。從產(chǎn)品發(fā)火試驗(yàn)線路可以看出，由于產(chǎn)品殼體不接地，即使存在旁路電阻也不會(huì)造成發(fā)火電路的分流，因而不會(huì)影響產(chǎn)品的發(fā)火性能。

1.2 產(chǎn)品殼體與電源共地情況下的發(fā)火性能分析

在產(chǎn)品殼體與電源共地情況下，仍存在2種可能情況：如果旁路電阻位于殼體和電源負(fù)極（接地一極）之間，如圖2（a）所示，旁路電阻兩端的電位相同，旁路電阻被短路掉，因而對(duì)產(chǎn)品的發(fā)火線路不產(chǎn)生影響；如果旁路電阻位于殼體和電源正極（未接地一極）之間，如圖2（b）所示，則相當(dāng)于對(duì)電橋電阻并聯(lián)了1個(gè)旁路電阻，使施加于產(chǎn)品的發(fā)火電流分流，有可能影響產(chǎn)品發(fā)火性能。

圖2 殼體與電源共地情況發(fā)火線路圖

如果產(chǎn)品內(nèi)的旁路電阻位置如圖2（b）所示，則相應(yīng)的等效電路如圖3所示。該產(chǎn)品發(fā)火單元的最小全發(fā)火電流I為2.42A，產(chǎn)品規(guī)定的發(fā)火條件為5～10A，如果產(chǎn)品實(shí)際輸入的電流為下限5A，電橋電阻為1Ω，根據(jù)I=5×旁路/（1+旁路）估算，當(dāng)旁路電阻的阻值大于0.94Ω時(shí)，電橋上通過(guò)的電流仍大于最小全發(fā)火電流，因而產(chǎn)品仍然能夠發(fā)火；當(dāng)旁路電阻的阻值小于0.94Ω時(shí)，由于旁路電阻的分流作用可能導(dǎo)致不發(fā)火。

圖 3 旁路電阻位于正極時(shí)的等效電路圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確定絕緣電阻故障對(duì)產(chǎn)品發(fā)火性能的影響，結(jié)合理論分析結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 驗(yàn)證旁路電阻對(duì)發(fā)火性能的影響

為驗(yàn)證旁路電阻對(duì)產(chǎn)品發(fā)火性能的影響，按圖3設(shè)計(jì)發(fā)火線路。在產(chǎn)品的插針和電極塞殼體間采用錫焊的方法焊接橋絲（橋絲材料6J20，直徑30～50μm）來(lái)模擬旁路電阻，如圖4所示。樣品共5發(fā)，實(shí)際測(cè)得的旁路電阻分別為0.80Ω、0.70Ω、0.66Ω、0.60Ω、0.40Ω。試驗(yàn)時(shí)不考慮限流電阻的影響，發(fā)火線路通入5A/50ms的恒流脈沖，電源負(fù)極與產(chǎn)品的殼體相接，5發(fā)產(chǎn)品全部發(fā)火，發(fā)火后測(cè)試旁路電阻和橋路電阻均為開(kāi)路，開(kāi)路情況如圖5所示。

圖4 旁路電阻焊接模擬圖

圖5 發(fā)火后旁路電阻開(kāi)路情況

試驗(yàn)中5發(fā)產(chǎn)品的旁路電阻均小于0.94Ω，理論上旁路電阻的分流會(huì)導(dǎo)致通過(guò)電橋的電流小于最小全發(fā)火電流，從而造成產(chǎn)品不發(fā)火。但實(shí)際上由于電橋電阻和旁路電阻的并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)通過(guò)電橋上的電流減小時(shí)，則通過(guò)旁路電阻上的電流增大，旁路電阻在電流作用下迅速熔斷后形成開(kāi)路，分流作用消失，而通過(guò)電橋的電流又變?yōu)檎５陌l(fā)火電流，因而產(chǎn)品仍可正常發(fā)火。旁路電阻的熔斷時(shí)間可以根據(jù)Rosenthol簡(jiǎn)化公式進(jìn)行估算：

=2/C（1）

式（1）中：為旁路電阻的熔斷溫度，約1 430℃；C為旁路電阻的熱容，0.4～0.8Ω的旁路電阻相應(yīng)的熱容約在1.5×10-6～5.7×10-6J/℃范圍內(nèi)；將以上近似數(shù)據(jù)代入公式（1）估算：

=0.4～3ms。

因此，旁路電阻的理論熔斷時(shí)間約在0.4～3.0ms范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于產(chǎn)品的通電時(shí)間，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的發(fā)火性能產(chǎn)生影響。

2.2 彈上實(shí)際使用情況下旁路電阻對(duì)發(fā)火性能的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證旁路電阻對(duì)產(chǎn)品發(fā)火性能的影響，根據(jù)產(chǎn)品在彈上的實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)了如圖6所示的發(fā)火線路。該線路采用和彈上電路相同的28.5V恒壓電源，串聯(lián)3.3Ω的限流電阻1。在產(chǎn)品一根插針和電極塞殼體間焊接橋絲（橋絲材料6J20）以模擬旁路電阻3（如圖4），以限流電阻1兩端的電壓變化檢測(cè)電橋及旁路電阻熔斷時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 彈上產(chǎn)品發(fā)火線路圖

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，以橋絲模擬旁路電阻進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)，旁路電阻除1發(fā)未熔斷外，其余均熔斷，產(chǎn)品均正常發(fā)火。

2.3 旁路電阻不能熔斷時(shí)對(duì)發(fā)火性能的影響

如果旁路電阻不能熔斷，則旁路電阻的分流作用一直存在。采用熱容較大的模擬電阻作為旁路電阻，進(jìn)行旁路電阻不熔斷情況下的發(fā)火性能試驗(yàn)，發(fā)火線路如圖6所示。相應(yīng)的：

根據(jù)圖6線路按式（2）估算，當(dāng)模擬旁路電阻3值小于0.44Ω時(shí)，產(chǎn)品可能出現(xiàn)不發(fā)火的情況，考慮到實(shí)際試驗(yàn)線路中存在無(wú)法忽略的接觸電阻和線路電阻，實(shí)際出現(xiàn)不發(fā)火時(shí)的旁路電阻可能與估算值有所出入，試驗(yàn)時(shí)使用的模擬旁路電阻分別為1.00Ω、0.80Ω、0.60Ω、0.50Ω、0.21Ω等5種規(guī)格。

表1 旁路電阻及電橋熔斷情況

Tab.1 Bypass resistance and bridge fusing phenomenon

按模擬旁路電阻3阻值由大到小的順序，進(jìn)行了5組、每組各3發(fā)的發(fā)火試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如表2所示。

表2 模擬旁路電阻的發(fā)火試驗(yàn)

Tab.2 Firing test for analog bypass resistance

注：“√”表示發(fā)火；“×”表示未發(fā)火。

由表2發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果可知，在旁路電阻不熔斷的情況下，隨著旁路電阻阻值的降低，旁路分去的電流增加，致使通過(guò)電橋的有效電流值變小，當(dāng)小于某一值（最小全發(fā)火電流AFR）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)不發(fā)火的故障。

3 結(jié)論

基于火工品在安裝后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絕緣電阻下降的故障現(xiàn)象，進(jìn)而影響產(chǎn)品的發(fā)火性能，本文對(duì)產(chǎn)品殼體與電源共地和不共地兩種情況進(jìn)行分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）產(chǎn)品殼體與電源不共地情況下存在絕緣電阻故障時(shí)不會(huì)影響產(chǎn)品的發(fā)火性能。

（2）產(chǎn)品殼體與電源負(fù)極（接地一極）共地情況下存在絕緣電阻故障時(shí)，不會(huì)影響產(chǎn)品的發(fā)火性能。

（3）產(chǎn)品殼體與電源正極（非接地一極）共地情況下存在絕緣電阻故障時(shí)，可能會(huì)影響產(chǎn)品的發(fā)火性能。

（4）產(chǎn)品內(nèi)部因存在異物使插針和殼體搭接從而導(dǎo)致絕緣電阻下降的故障發(fā)生時(shí)，只有以下幾種條件同時(shí)存在才可能影響產(chǎn)品的發(fā)火性能：（a）產(chǎn)品內(nèi)部的旁路電阻位于殼體和未接地的一極插針之間；（b）產(chǎn)品的旁路電阻必須小于一定的阻值；（c）旁路電阻在通電情況下不會(huì)被熔斷。

因此，由于絕緣電阻故障導(dǎo)致產(chǎn)品不發(fā)火的可能性較小。

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Influence of Insulation Resistance Fault on Firing Property of Electric Explosive Device

GUO Xiao-rong1, LIU Xiao-lian2, WU Rui-de1, YAN Juan-juan1, DUAN Rui-kun1

(1.Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’ an, 710061；2.Safety Technology Research Institute of Ordnance Industry, Beijing, 100053)

The fault of insulation resistance decline often occurs for electric explosive device after installation, which will affect the ignition performance of the products. In this paper, the effects of insulation resistance decline on the firing property of product were analyzed and tested, under two conditions that the shell of product shares the ground with the power or does not. It is concluded that the non-fire possibility of products is small on account of insulation resistance failure, only three conditions exist at the same time, which are the bypass resistor inside of the product located between the shell and an off ground pole pin, and smaller than a certain value, as well as not be fused under current condition, it is likely to lead to non-fire of products.

Electric explosive device；Insulation resistance；Firing property；Ground connection；Bypass resistor；Fusing

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.003

1003-1480（2019）03-0010-04

2019-04-12

郭曉榮（1987 -），女，工程師，主要從事火工品研制。