电气开关放电:点燃气体的重要源

电气开关放电，简称电气放电，作为爆炸性气体混合物的重要点燃源，主要是指电气装置中的开关元件在开与关时产生的放电。这种放电是在有源网络中发生的，是一种“有源”式放电，具有很大的能量。

有源网络的放电，不仅包括电气装置在正常工作状态下出现的放电，例如，开关元件在闭合或断开瞬间产生的电气火花（小功率时）、电弧（大功率时）、直流电动机在换向时电刷与换向器之间产生的火花，而且还有电气线路中因绝缘破坏出现漏电或短路所引起的放电火花或电弧。这一类的放电对于点燃爆炸性气体混合物具有极大的危险性。

1.电气放电的一般概念

根据燃烧与爆炸的热理论，电气放电点燃可燃性气体的过程是，在火花间隙处，电气放电把电气能量传递给可燃性气体的分子，使这些分子处于强烈激化和离子化状态。于是，燃烧过程——氧化放热反应开始，这一反应引起火花间隙处可燃性气体的温度激剧增高，使反应继续进行下去。

在球形的初始火焰核中，由于火焰核所产生的热量正比于火焰核的体积（半径的三次方），热辐射和热传导引起的热损失正比于火焰核的表面积（半径的二次方），因此，火焰核表面的温度就反映了火焰核产生的热量与它表面损失的热量之间的平衡状态。

火焰核表面具有足够高的温度，对于燃烧的自行蔓延是比较有利的；在点燃源停止作用以后，它就向周围可燃性气体分子释放出维持反应的必要的能量。为使燃烧自行蔓延开来，火焰核必须有一个相对恒定的温度和保证维持可燃性气体混合物所需这个恒定温度的某个临界半径。所以，尽管每次电气放电都能引起周围爆炸性气体混合物点燃，但是，火花放电后所产生的火焰核并不一定都能发展下去。只有在火焰核具有某个临界体积，热损失得到补偿，保持了必要的高温时，燃烧才能自行蔓延开来。火焰核形成的时间正比于化学反应进行的时间。

最小点燃能量可以计算求得，它是直径d=0.08a/u₁的临界火焰核燃烧时所必需的能量（E，J），即

式中 a——热扩散率（m²/s）；

u₁——火焰传播的法向速度（m/s）。

某些可燃性气体-空气混合物的燃烧特性和最小点燃能量如表1.6所示。

表1.6 某些可燃性气体-空气混合物的燃烧特性

①引自GB 20936.1—2007《可燃性气体探测用电气设备 第1部分 通用要求和试验方法》；（）内的数据引自其他参考文献。

在有关燃烧与爆炸的理论著作中所描述的临界火焰核，人们用实验证明，它是存在的。

大量的试验研究指出，如果电气放电的初始能量足以形成临界火焰核的话，那么，放电火花就可以点燃爆炸性气体混合物。就甲烷在空气中的含量为8.5%的混合物来说，火焰核的临界直径为0.1cm，形成时间为140μs。有关著作指出，电极的熄焰作用对点燃能量的数值有着本质的影响。如果电极间的距离小于临界火焰核的直径的话，则点燃所需的能量应该大得多。

电气放电的持续时间及其对点燃特性的影响，是决定点燃过程的又一个因素。

在所进行的最小点燃能量的测定实验中，放电持续时间（放电能量传递给混合物的时间）约为1ms。有关研究指出，在电极没有热损失的情况下，放电持续时间在30ms以内变化，对点燃所需的能量并没有多大的影响。

在体积为临界值的可燃性气体燃烧过程中，热的传导和扩散应该被看作是一个放热时间和放热功率有限的热源。要形成最小的火焰核，点燃源必须具有一定的热功率。因此，随着热功率的增加、放热时间的缩短，形成临界火焰核阶段所需的能量将减小，在极限条件下最小。在这种情况下，火焰的临界体积由于热量向周围空间扩散得相当缓慢而处于准绝热状态。这种状态在相当宽的能量传递时间范围内都能观察到。所以，在电路接通与断开时，当没有熄焰因素存在时，具有不同的持续时间和功率的点燃源，在点燃性能方面可能是等效的，具有同样性质的能量。

2.火花放电的点燃特性

火花放电是指电感放电和电容放电，主要产生在电感性电路和电容性电路中（在电阻性电路中的放电称为“接触式放电”），是一种电感器或电容器中所储能量的释放放电。

在电感性电路中，电感元件是火花放电的主要渊源，它能以磁场的形式储存能量，并在电路分布电容的电场形成之后，把这些能量发射到放电火花中。根据电路参数和触头断开速度，火花放电可能是一次性击穿，也可能是多次性击穿。已经进行的火花放电点燃特性的研究指出，在电感性电路中，多次性击穿的火花放电是最危险的。

在电容性电路中，由于电路参数和开关条件的不同，可能产生火花放电或弧光放电及触头局部过热。触头局部过热会使触头材料熔化、汽化和飞溅（接触式放电）。所述的放电现象，常常是在电容器充足电、电极间隙击穿的瞬间触头相互接近或直接接触而产生的；同样，在电容器上电压达到火花间隙击穿值的瞬间，触头发生分断或处于静止分断状态也会产生。

火花放电是一种离子流。由于离子碰撞分子，结果产生了新的粒子，因而离子流中发生了离子化作用。

火花放电分三个阶段：

第一阶段，即放电形成阶段。在放电间隙上施加一个足以使放电间隙击穿的电压，放电通道形成。这一阶段的特点是放电电流小，放电间隙上的电压比较稳定。

第二阶段，即低阻放电通道形成阶段。在这一阶段，形成电容放电。此时，放电通道流过的电流很大，放电通道出现的温度很高。这一阶段具有雪崩特性，总的持续时间在几分之一微秒到几微秒之间。

第三阶段，即火花通道破坏阶段。在第二阶段即电容放电之后，放电通道的电阻回升，电极间的电气强度恢复。

在大气压力条件下，产生火花放电的最小电压，当电极距离为6～7μm时，是300V；当电极距离为3～4μm时，是150V。

但是，在技术上评价产生火花放电的最小电压时，往往认为，最小电压等于300V。最小电压与电极间距离的关系可按下式来描述：

U=300+K₀d （1.4）

式中 U——施加在电极之间的电压（V）；

K₀——常数，K₀=5000V/mm；

d——电极间距离（mm）。

3.开关放电的点燃特性

开关放电是指开关器件在“开”与“关”时发生的放电。实际的开关式放电，无论放电的持续时间，还是电极上能量损失的数量，都不同于电容的瞬时放电和近似理想条件的断路放电。

然而，放电能量仍起主要作用。点燃能量的数值与电路参数（电压、电流、电感、电容）、爆炸性气体混合物成分、开关条件（断开的速度、触头的材质和形状）、压力和温度等因素有关。(www.xing528.com)

电路参数和放电参数之间的关系具有重要的意义，因为放电的初始形状取决于放电的形式和放电间隙处能量的分布。电路中开关式放电发生在运动的触头间，当触头闭合或分开一定距离时就停止。这种放电，甚至在保持额定断路条件下，也不可能具有再现性。火焰核发展过程的不稳定性和电路散热条件的不稳定性，是这种放电出现不稳定的主要原因。

点燃的不稳定性表现在，在接近点燃极限处，每次点燃后能够重复发生爆炸的电路参数和没有发生爆炸的电路参数之间没有一个明显的界限。此时，电路参数的变化范围相当宽。

所研究的不稳定性是由于孕育火焰核的区域内存在着触头所造成的，这就增加了火焰核过渡到火焰面的过渡过程的或然性。在这种条件下，发生了不同程度的散热，这对激励和维持燃烧反应的活化中心起到了抑制作用，也就是从根本上改变了火焰核的形成条件。

在实际评价电路的安全火花性能时，人们采用一种统计方法。电气放电点燃爆炸性气体混合物的或然性定律是这种统计方法的基础。对于形成火花的不同条件来说，点燃或然率是用发生爆炸的次数与形成火花的总次数之比来表征的，是被断路的电流的幂函数，可以表示为

P=AIⁿ （1.5）

对于电容性电路来说，式（1.5）表示为

P=BU^m （1.6）

式中 A，B，n，m——由试验确定的常数。

在对数坐标中，或然率关系是一条直线。利用这种关系，人们可以把试验所得的数据（电流、电压、能量等）折合成等或然率点燃条件，然后绘制出电路的安全火花曲线，在电路的原始参数改变时就能定量地求出预期的点燃或然率的变化量。使用统计方法来评价电路的安全火花性能很方便，人们用试验装置试验电路时就用这种方法。

对于电阻性电路、电感性电路和电容性电路来说，电路参数与点燃或然率的关系为

式中 P₁，P₂——点燃或然率；

I₁，I₂——断路电流；

U₁，U₂——电容器上的充电电压；

β——或然率特性曲线倾斜角的平均值，等于87°30′。

在确定电路的点燃参数（或然率为10-8，相当于2倍安全系数）时，人们根据有限的试验次数就可以使用这种给定的关系曲线。

为了确定电阻性电路或电感性电路中的点燃电流值，或者，电容性电路中的点燃电压值，用试验方法找出一种参数值的点燃或然率，就可以按式（1.7）计算出或然率为10-8时的未知参数。

【例1.3】 现对一个电阻性电路进行开关放电点燃试验。试验的断路电流为100mA，断路次数为400次，点燃次数为4次。计算在安全系数取1.5倍时断路电流应该为多少？

在计算时，人们应该使用式（1.7）。在安全系数取1.5倍时，人们可以从图1.2中查到此时的点燃或然率约为1×10^-5.9。在400次点燃试验中发生4次点燃，则试验点燃或然率为1×10^-2。由式（1.7）可知，cot87°30′≈0.044。

将这些数据代入式（1.7）中计算即可得到在安全系数取1.5倍时的断路电流为

I₂/100=（10^-5.9/10^-2）^0.044mA

I₂=（10^-5.9/10^-2）^0.044×100mA≈86mA

这里应该指出的是，本例的计算仅仅是一种理论计算。而在实际的试验时，人们应该考虑很多因素的影响，例如环境条件、放电电极的材质和形状、电源电压等。但是，这种计算对实际试验仍有一定的启示作用。

根据已得到的有一定误差的规律（或然率特性曲线倾斜角是定值，曲线中或然率低的一端允许使用外推法），人们就可以找出点燃或然率与安全系数之间存在的关系（图1.2），因而，就能确定点燃的边界条件。

在相应于边界点燃或然率10^-8～10^-6的电路参数范围内，计算得出的放电能量小于试验确定的最小点燃能量。所以，为了评定电路的安全火花性能，在目前统一采用的试验装置上进行试验时，电路安全火花性能的安全系数应该采用1.5。

图1.2 点燃或然率与安全系数的关系

4.弧光放电的点燃特性

弧光放电通常是指开关器件中触头之间出现的电弧放电。当然，在绝缘击穿发生短路时也会出现弧光放电现象。当电路中发生弧光短路时，放电通道中具有很高的电流密度，并且放电通道中的温度可达10000～20000℃，比甲烷-空气混合物的点燃温度高出许多倍。所以，弧光放电不管持续时间多长，总是能够点燃一定体积的爆炸性气体混合物。由于火焰核超过了临界体积，它就可能引起爆炸。

在弧光放电通道中，电压降的分布是不均匀的，在阴极和阳极附近，电压发生了突变（阴极压降和阳极压降）。要维持弧光放电，必须有一个最小的电流值和电压值，低于这个值，弧光放电就不可能发生。这个电流和电压的最小值同触头的材质有关。弧光放电的伏安特性是一族双曲线。在电阻性电路中，实现稳定弧光放电的条件是

I_h≥I_minE/（E-U_min） （1.8）

式中 I_h——电弧电流；

U_min和I_min——电弧静特性的渐近线值，有关文献指出，对于铜触头，U_min和I_min的数值分别是13V和0.43A；

E——电弧的电动势。

在电容性电路中，弧光放电发生在电容器上的电压超过电弧燃烧的最小电压，即大于20V的情况下，它是一种电弧通道中温度约几千度的高密度的粒子流。

弧光放电，既可以由火花间隙击穿后发生火花放电形成，也可以由电极接触时局部过热引起触头材料熔化形成。