绝缘电阻故障对电火工品发火性能的影响

郭晓荣，刘晓莲，吴瑞德，闫娟娟，段瑞坤

绝缘电阻故障对电火工品发火性能的影响

郭晓荣1，刘晓莲2，吴瑞德1，闫娟娟1，段瑞坤1

（1.陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061；2.兵器工业安全技术研究所，北京，100053）

火工品在安装后经常会出现绝缘电阻下降的故障，进而对产品的发火性能产生影响，本文针对产品壳体与电源共地和不共地两种情况进行了分析及试验验证。研究表明绝缘电阻故障导致产品不发火的可能性较小，只有产品内部的旁路电阻位于壳体和未接地的一极插针之间、小于一定的阻值、在通电条件下不会被熔断这3种情况同时存在时，才有可能导致单发产品出现不发火。

电火工品；绝缘电阻；发火性能；接地；旁路电阻；熔断

火工品是武器系统不可缺少的一部分[1]，其发火可靠性直接决定着武器系统的功能能否实现。绝缘电阻是电火工品的主要性能指标之一，在设计不合理、工艺保证措施不到位及操作过程管控不严格的情况下，会出现绝缘电阻下降甚至导通的故障[2-3]。绝缘电阻故障一般由金属多余物、受潮、结构破坏等引起[4]，故障原因比较容易定位，但实际操作过程不易把控，因而导致该故障经常出现。在该故障模式存在的情况下，除直接影响了产品的绝缘性能，也可能进一步影响产品的发火性能[5-6]，且大多数绝缘电阻故障检测时产品已装弹完成或临时无其他替代产品，这就需要对产品在该故障模式下的发火性能进行分析，进一步指导产品的后续使用。

本文针对产品壳体与电源共地和不共地两种情况进行分析及试验验证，为存在该故障模式的产品使用提供参考依据。

1 理论分析

为分析绝缘电阻故障对产品发火性能的影响，主要从以下两种情况进行分析：（1）产品壳体与电源不共地；（2）产品壳体与电源共地。

1.1 产品壳体与电源不共地情况下的发火性能分析

一般来说，电火工品的发火电流为5～10A。在进行发火试验时，发火电源的一极接地，产品通过输出端螺纹与工装夹具连接，但夹具本身不接地，发火线路如图1所示。从产品发火试验线路可以看出，由于产品壳体不接地，即使存在旁路电阻也不会造成发火电路的分流，因而不会影响产品的发火性能。

1.2 产品壳体与电源共地情况下的发火性能分析

在产品壳体与电源共地情况下，仍存在2种可能情况：如果旁路电阻位于壳体和电源负极（接地一极）之间，如图2（a）所示，旁路电阻两端的电位相同，旁路电阻被短路掉，因而对产品的发火线路不产生影响；如果旁路电阻位于壳体和电源正极（未接地一极）之间，如图2（b）所示，则相当于对电桥电阻并联了1个旁路电阻，使施加于产品的发火电流分流，有可能影响产品发火性能。

图2 壳体与电源共地情况发火线路图

如果产品内的旁路电阻位置如图2（b）所示，则相应的等效电路如图3所示。该产品发火单元的最小全发火电流I为2.42A，产品规定的发火条件为5～10A，如果产品实际输入的电流为下限5A，电桥电阻为1Ω，根据I=5×旁路/（1+旁路）估算，当旁路电阻的阻值大于0.94Ω时，电桥上通过的电流仍大于最小全发火电流，因而产品仍然能够发火；当旁路电阻的阻值小于0.94Ω时，由于旁路电阻的分流作用可能导致不发火。

图 3 旁路电阻位于正极时的等效电路图

2 试验验证

为了确定绝缘电阻故障对产品发火性能的影响，结合理论分析结果进行了相应的验证试验。

2.1 验证旁路电阻对发火性能的影响

为验证旁路电阻对产品发火性能的影响，按图3设计发火线路。在产品的插针和电极塞壳体间采用锡焊的方法焊接桥丝（桥丝材料6J20，直径30～50μm）来模拟旁路电阻，如图4所示。样品共5发，实际测得的旁路电阻分别为0.80Ω、0.70Ω、0.66Ω、0.60Ω、0.40Ω。试验时不考虑限流电阻的影响，发火线路通入5A/50ms的恒流脉冲，电源负极与产品的壳体相接，5发产品全部发火，发火后测试旁路电阻和桥路电阻均为开路，开路情况如图5所示。

图4 旁路电阻焊接模拟图

图5 发火后旁路电阻开路情况

试验中5发产品的旁路电阻均小于0.94Ω，理论上旁路电阻的分流会导致通过电桥的电流小于最小全发火电流，从而造成产品不发火。但实际上由于电桥电阻和旁路电阻的并联关系，当通过电桥上的电流减小时，则通过旁路电阻上的电流增大，旁路电阻在电流作用下迅速熔断后形成开路，分流作用消失，而通过电桥的电流又变为正常的发火电流，因而产品仍可正常发火。旁路电阻的熔断时间可以根据Rosenthol简化公式进行估算：

=2/C（1）

式（1）中：为旁路电阻的熔断温度，约1 430℃；C为旁路电阻的热容，0.4～0.8Ω的旁路电阻相应的热容约在1.5×10-6～5.7×10-6J/℃范围内；将以上近似数据代入公式（1）估算：

=0.4～3ms。

因此，旁路电阻的理论熔断时间约在0.4～3.0ms范围内，远小于产品的通电时间，不会对产品的发火性能产生影响。

2.2 弹上实际使用情况下旁路电阻对发火性能的影响

为进一步验证旁路电阻对产品发火性能的影响，根据产品在弹上的实际使用情况，设计了如图6所示的发火线路。该线路采用和弹上电路相同的28.5V恒压电源，串联3.3Ω的限流电阻1。在产品一根插针和电极塞壳体间焊接桥丝（桥丝材料6J20）以模拟旁路电阻3（如图4），以限流电阻1两端的电压变化检测电桥及旁路电阻熔断时间。试验结果见表1。

图6 弹上产品发火线路图

由表1试验结果可知，以桥丝模拟旁路电阻进行发火试验，旁路电阻除1发未熔断外，其余均熔断，产品均正常发火。

2.3 旁路电阻不能熔断时对发火性能的影响

如果旁路电阻不能熔断，则旁路电阻的分流作用一直存在。采用热容较大的模拟电阻作为旁路电阻，进行旁路电阻不熔断情况下的发火性能试验，发火线路如图6所示。相应的：

根据图6线路按式（2）估算，当模拟旁路电阻3值小于0.44Ω时，产品可能出现不发火的情况，考虑到实际试验线路中存在无法忽略的接触电阻和线路电阻，实际出现不发火时的旁路电阻可能与估算值有所出入，试验时使用的模拟旁路电阻分别为1.00Ω、0.80Ω、0.60Ω、0.50Ω、0.21Ω等5种规格。

表1 旁路电阻及电桥熔断情况

Tab.1 Bypass resistance and bridge fusing phenomenon

按模拟旁路电阻3阻值由大到小的顺序，进行了5组、每组各3发的发火试验，试验情况如表2所示。

表2 模拟旁路电阻的发火试验

Tab.2 Firing test for analog bypass resistance

注：“√”表示发火；“×”表示未发火。

由表2发火试验结果可知，在旁路电阻不熔断的情况下，随着旁路电阻阻值的降低，旁路分去的电流增加，致使通过电桥的有效电流值变小，当小于某一值（最小全发火电流AFR）时，会导致产品出现不发火的故障。

3 结论

基于火工品在安装后经常会出现绝缘电阻下降的故障现象，进而影响产品的发火性能，本文对产品壳体与电源共地和不共地两种情况进行分析及试验验证，得到以下结论：

（1）产品壳体与电源不共地情况下存在绝缘电阻故障时不会影响产品的发火性能。

（2）产品壳体与电源负极（接地一极）共地情况下存在绝缘电阻故障时，不会影响产品的发火性能。

（3）产品壳体与电源正极（非接地一极）共地情况下存在绝缘电阻故障时，可能会影响产品的发火性能。

（4）产品内部因存在异物使插针和壳体搭接从而导致绝缘电阻下降的故障发生时，只有以下几种条件同时存在才可能影响产品的发火性能：（a）产品内部的旁路电阻位于壳体和未接地的一极插针之间；（b）产品的旁路电阻必须小于一定的阻值；（c）旁路电阻在通电情况下不会被熔断。

因此，由于绝缘电阻故障导致产品不发火的可能性较小。

[1] 李便花,潘会平,孔俊峰,和海亮,张忠心,武喜太.某型电点火具绝缘电阻超差分析及工艺改进[J].新技术新工艺,2015(5): 7-9.

[2] 罗德宏,吴瑞德,蒋鹏涛.某电起爆器安装后绝缘电阻下降机理分析[J].火工品, 2013(2) :6-10.

[3] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

[4] 罗婧,吴健,贺阳,李小强.火工品绝缘电阻装配过程中的影响因素研究[J].新技术新工艺,2018(3): 73-76.

[5] 胡亚平,孙长征.电起爆器桥丝熔断时间影响因素分析[J]. 火工品,2002 (4) :5-6.

[6] 康军,王永祥,李剑峰,李强.绝缘电阻不稳定的危害性及解决方法[J].探测与控制学报,2008(04):65-67.

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

郭晓荣（1987 -），女，工程师，主要从事火工品研制。