新型防爆开关中消弧特性研究

赵小静,杨枫

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.河南师范大学,河南新乡453000）

新型防爆开关中消弧特性研究

赵小静1,杨枫2

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.河南师范大学,河南新乡453000）

研究了消除开关在接通或断开的瞬间会产生电弧的问题.通过对防爆开关的消弧原理进行分析,提出在开关的触点间添加新型压敏导电高分子复合材料来消除开关产生的电弧,并在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型,对该方法进行了仿真研究.结果证明：可有效扼制防爆开关动作时产生的电弧.

防爆开关；电弧；压敏金属-高分子复合材料；MATLAB

开关在通断的瞬间,由于极高的电压降和周围游离的空气的存在,使开关产生较强的电弧.电弧的危害非常大,尤其在一些特殊行业中,如：煤矿行业、油漆厂或油墨厂等,工作环境恶劣,空气中含有大量易燃易爆气体,开关产生的电弧容易引起爆炸事故,因此开关灭弧装置的好坏直接关系到行业安全隐患的大小.新型防爆开关采用了压敏导电高分子复合材料,利用材料的电阻率随着压力变化的特性通过简单的改装,使防爆开关从根本上消除了电弧,提高了防爆开关的安全性.本文对防爆开关加入新型材料后的消弧效果进行了详细的分析,并在MATLAB/SIMULINK下搭建了仿真模型,对新型防爆开关的消弧能力进行了仿真研究.

1 普通防爆开关的消弧措施

1.1 电弧产生的原因

普通防爆开关其实就是隔离开关,它的工作原理如图1所示[1].

图1 普通开关基本原理Fig.1 The schematic of the switch

在图1中,开关的主触点KM接通的是电压和电流都比较大的主电路.主触点在闭合和断开瞬间相当于一个电容器的两极板.在开关断开情况下,两触点间虽有电压存在,但触点间的间距d相对于触电面积A可视为无穷大.

由式（1）可知,主触点间虽有电场存在,但场强很小,没有电弧.开关闭合时,两触点间的距离d在极短时间内变为极小,两触点间的电场强度E突然增大.当E达到某一值而两触点间距d减小到某一值时,根据量子隧穿和尖端放电原理,突然增大的电场击穿周围空气,于是阴极溢出自由电子加速向阳极运动,在运动过程中撞击气体原子分裂出带电离子使电子流加大,产生温度很高的电弧.当d减为零的瞬间,电流变化率、电弧最大,宏观表现为电火花.开关主触点在通电状态下开始断开时,其产生电弧原理同上.电弧的存在延长了开关闭合和切断的时间,形成电火花,对用电设备的正常工作产生极大的影响,对于危险环境下,电弧的产生极易发生安全事故[2],所以,开关要有灭弧装置来消除电弧.

1.2 普通防爆开关的消弧方法

一般的开关都有灭弧装置,但是安全性不够高,对于安全性要求高的场所达不到要求,这样就需要用到防爆开关.目前,市场上的防爆开关普遍采用真空灭弧装置,即把主触点的设备装置密闭在真空容器内,开关在闭合和断开瞬间所产生的电弧在真空容器内由于缺氧能很快被熄灭.同时,真空装置也可隔断电弧与外界爆炸性气体接触的可能,从而起到防爆功能.由此可以看出,这种防爆开关的质量好坏在于真空容器的质量.但是,现在防爆开关真空管的品质良莠不齐,管子真空度及触头材质等质量原因也会导致开关管被电弧击穿或爆裂的现象发生,所以,这种灭弧方法的安全性有待于进一步提高；另外,真空管的生产成本相对较高,使防爆开关的价格居高不下.

2 新型防爆开关的消弧特性

2.1 新型防爆开关的结构特点

新型防爆开关的特点区别于普通防爆开关的地方是它的消弧方法不同,结构上的改进即在普通高压开关的主触点的一个触头上添加一层厚度为1.5 mm、电阻对压力敏感的新型金属—高分子复合材料[3],添加后开关的触头结构如图2所示.它和普通防爆开关比较起来,没有了真空装置,结构更简单,消弧效果更好,成本更低.

图2 添加压敏材料后主触点Fig.2 Structure of main contactor added with pressure-sensitive composite

2.2 新型复合材料的导电特性

触点间添加的新型复合材料是一种由硅胶-镍粉固化而成的复合材料,利用JSM-6390型扫描电镜（SEM）观察复合材料样品表面形貌如图3所示.

图3 电镜扫描压敏复合材料SEMFig.3 SEM image of pressure-sensitive composite

实验结果发现样品在不受压力的状态下,样品内部导电颗粒被高分子绝缘材料所包围,导电颗粒虽然发生了一定的团簇,且分散的并不是非常均匀,但也并非完全形成导电通路.选用ZC36型高阻仪对一块4 mm*4 mm*1.5 mm大小样品常态电阻进行测量,测得样品电阻在1012Ω左右,即为绝缘状态.如果对样品施加轴向压力,导电颗粒之间的距离逐渐减小,根据量子力学原理,得近似公式（2）

式（2）中j（e）是间隙电压为e、间隙当量电导率为j0时的隧道电流,ω为间隙宽度；|e|＜e0；X=（4πmV0/h2）1/2（其中m为一个电子的质量,h为普朗克常数,V0为势垒）；e0=4V0/em（e为一个电子的电荷）,隧道电流是间隙宽度的指数函数.当材料中的多数势垒的宽度处于电子能够贯穿的宽度的临界值时,复合材料只要受到很小压力（如500 g力）,电子就能够穿过势垒,形成隧道电流[4-5].用Sundoo数字输出测力计对被测样品施加均匀轴向压力,由HP3457A型数字万用表直接测量样品电阻,得出样品的电阻-压力曲线[6],如图4所示.

图4 复合材料的电阻-压力曲线Fig.4 Resistance vs axial pressure curve of the composite sample

从以上实验得出,新型压敏导电高分子复合材料在不受力时电阻非常高,是良好的绝缘材料；如果对它施加轴向压力,随着压力的增加,材料的电阻会迅速减小,4.9 N就足以使材料的电阻下降10个数量级,这时材料接近于导体的电阻,是良好的导电材料.

2.3 添加新型材料后防爆开关的电弧特性

如图2所示,开关的触点间加入了厚度为1.5 mm的复合材料,在断电状态时,两触点间充满电解质,触点不导通.在闭合开关时,两触点吸合,对复合材料施加压力,经过一定时间（大约0.5～1 s）两触点间电阻从无穷大变为极小值,触点导通,开关开始通电工作.这时触点就相当于一个电容器中间加入了绝缘体.开关在闭合或分断的瞬间是否会产生电火花（电容被击穿）取决于绝缘体的特性.新型压敏高分子复合材料的介电质常数为20[7].

由公式（3）可知,在相同条件下,电容的介电质常数ε越大,电容越大,电容能容纳的电荷越多,能承受的场强越大.开关在工作时,随着两触点间距离d的减小至开关闭合,如果两个触头间场强没有达到复合材料的击穿场强,复合材料还处于绝缘状态就不会产生电弧,可以达到消弧的效果,具体情况可以通过实验验证.

3 实验及仿真

为了进一步研究新型防爆开关的消弧效果,采用了软件仿真和实验相结合的方法,进行了下列实验.

3.1 压敏高分子复合材料的击穿场强实验

利用铁电仪提供所需电压,选择不同厚度的复合材料加上电压进行实验,由HP3457A型数字万用表直接测量样品电阻,根据式（1）可得出样品的厚度-场强曲线,如图5所示.

图5 复合材料的场强-厚度曲线Fig.5 Thickness of composite versus external electronic field instensity

由图5可知不同厚度的复合材料,击穿场强不同,但相差较小.厚度为1.5 mm的击穿场强约为10 kV/mm.开关在加入1.5 mm厚的材料后,上下触点间距离固定为1.5 mm,由公式（1）可计算出击穿电压为15 kV.即只要开关间电压小于15 kV,产生的场强小于复合材料的击穿场强,复合材料还处于绝缘状态,开关不会产生电弧.

新型防爆开关在加入复合材料后的消弧效果具体怎样,通过以下两个实验求证：①对未加入复合材料的普通开关电弧特性进行仿真；②利用仪器对新型防爆开关的消弧效果进行实验.

3.2 实验仿真

在MATLAB/SIMULINK下搭建了普通开关工作仿真模型.在仿真时,采用SIMULINK自带的用户自定义仿真函数S编写程序.

3.2.1 普通开关对普通开关未加入新型材料的开关断开时触头周围空气电导进行了仿真,如图6所示.

由图6可知,在开关刚分离时,由于触头距离非常近,电场强度很大,使周围空气产生电离,电导很大,达到了35 S,产生了电弧.对开关在3种不同电压下的空气电离情况进行了仿真.可以看出,普通开关在3种电压下都有电弧产生,即空气被电离.随着电压的升高,空气电离时两触点之间的距离增大.

3.2.2 新型防爆开关利用铁电仪对新型防爆开关通电,逐渐缩小两触点之间的距离,利用万用表测量每段距离复合材料的电阻；再改变电压重复测量,最终得出电压只要小于15 kV,每次测量的电阻都趋于无穷大,即材料没有被击穿,开关没有导通,没有电弧.

4 结论

开关在加入了新型压敏复合材料后,避免了电弧的产生,在实际应用中可以根据要求选择添加不同厚度的复合材料,对于不同的厚度,开关所承受的电压不同,本文验证了材料厚度为1.5 mm时的消弧效果,实验结果和推论吻合,可以有效消除电弧.从经济学角度上讲,制作一块压敏金属—高分子的成本仅需0.1元左右,远低于制作一个密闭性良好的真空器的成本,这样新型防爆开关的成本将显著降低.新型防爆开关从根本上扼制了电弧产生,提高了防爆开关安全性,将装有新型压敏—金属高分子复合材料涂层的防爆开关触点部分安装在封闭腔中,可实现双保险,把安全隐患将为最低.同时,从经济效益考虑,降低了开关的生产成本,使新型防爆开关无论从安全性还是经济性都有一个突破.

[1]麦崇裔.电气控制技术及技能训练[J].北京：电子工业出版社,2010.

[2]杨光鹆.矿用防爆开关常见电弧的产生情况及防治措施[J].煤矿安全,2008（10）：98-100.

[3]常方高,杨枫.一种压敏导电橡胶及其制作工艺：中国,200710054951.7[P].2007-08-03.

[4]Bloor1 D,Donnelly K,Handsl P J,et al.A metal polymer composite with unusual properties[J].J.Phys.D：Appl.Phys,2005,38（16）：2851-2860.

[5]熊传溪,闻获江.聚合物基导电复合材料的导电机理[J].玻璃钢/复合材料,1998（5）：36-38.

[6]Chang F G,Yang F,Wang S X,et al.Enhanced piezoresistivity in Ni-silicone rubber composites[J].Chinese physics B,2009,18（2）：652-657.

[7]方俊鑫,殷之文.电介质物理学[M].北京：科学出版社,1989：120-123.

（责任编辑：卢奇）

Eliminate the arc for the explosion-proof switch

Zhao Xiaojing1,Yang Feng2
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Henan Normal University,Xinxiang 453000,China）

Electric arc at the moment of switch turning on or off is studied.By means of analyzing the theory of arc suppression,the new pressure-sensitivity metal polymer composite to the two pieces of electrode of the switch was added.The simulating module is made by MATLAB/SIMULINK.The main circuit's parameters are optimized by simulating.It proves that the arc could be eliminated well as the switch turning on or off.

explosion-proof switch；spark；pressure-sensitivity metal-polymer composite；MATLAB

TM561.5

A

1008-7516（2013）06-0050-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.06.013

2013-09-02

赵小静（1975-）,女,河南焦作人,讲师.主要从事自动化控制研究.