面向气体防爆试验的宽幅度电点火系统设计

王金凤 徐景德

摘 要：为了满足可燃性气体防爆试验需求，根据电火花放电原理，通过点火实验，测量、计算实际点火能量，标定相关参数关系，设计宽幅度电容储能式电点火系统。系统主要包括充电电路、放电电路、控制电路和安全保护电路四部分。針对储能电容器、放电控制电路与放电开关以及安全保护电路进行选型分析，并通过理论计算和模拟实验来确定技术参数，最终构建宽幅度电点火系统，实现点火能量10-1-104mJ数量级，并且点火能量连续可调。

关键词：宽幅点火;电极间隙;瓦斯爆炸;能量控制

Abstract： in order to meet the requirements of flammable gas explosion-proof test， according to the principle of electric spark discharge， through the ignition experiment， the actual ignition energy is measured and calculated， and the relationship of relevant parameters is calibrated， and the wide range capacitor energy storage electric ignition system is designed. The system mainly includes four parts： charging circuit， discharging circuit， control circuit and safety protection circuit. This paper analyzes the selection of energy storage capacitor， discharge control circuit， discharge switch and safety protection circuit， and determines the technical parameters through theoretical calculation and simulation experiment. Finally， a wide range electric ignition system is constructed， and the ignition energy is from10-1-104mJ， and the ignition energy is continuously adjustable.

Key words： wide range ignition;electrode gap;gas explosion;energy control

引言

可燃性气体防爆技术及装备研发因防爆的技术复杂性一直是工业安全中的技术难题。以甲烷为代表的各类可燃性气体在为人类社会带来福祉的同时，也存在燃烧爆炸的危险，工业防火防爆技术中很大一部分项目研究就是针对这类气体防爆技术而开展的。

在工业环境中，绝大部分可燃性气体燃烧爆炸事故都发生在受限空间，为了研究气体燃烧爆炸事故防治发生演化机理，设计了多类型、多尺度的爆炸模拟试验。引爆火源是这类试验装置中必不可少的组成部分。很多实验室采用汽车或者家用点火器代替火源，这类火源的优点是性能稳定、操作方便，但对于实验室试验需求而言，一是其放电能量固定，不能调节，而气体防爆试验要求火源能量级别幅度宽，放电能流密度从mW/m2—kW/m2级别，需适应于强弱爆炸不同试验需求;二是火源能流密度变化大，稳定性差，不能适应气体点火特性的研究;三是这类火源释放能量不稳定，精度不够，不适应与研究点火相关课题研究[1-2]。

为满足可燃性气体燃烧爆炸试验的需求，本文设计了一套点火系统，实现以下三个方面的基本要求：一是火源能量能够精确测定，为定量分析引爆火源和气体燃烧爆炸参数的关系提供计算和分析的基础数据;二是火源能量幅度宽，根据试验需要，火源释放能量从10-1-104mJ连续可调，可适应于不同工况的试验研究;三是火源能量调节安全、可控、方便。

1电点火源结构及原理

在各类火源中，由于电流、电压测量的方便，电点火源最为普遍。按点火能量的储存方式来分，点火源一般有电感式和电容式两类，电感式点火源由于其功率小，很少用于爆炸燃烧引爆火源，目前普遍采用电容放电式点火源。

1.1 电点火源结构

电容放电式点火系统（capacitor discharge ignition，缩写作 CDI），采用了电容器充电储存所需的电量，并在需要的时候瞬间放出电流经过点火线圈，使其产生高压电触发火花塞点火。根据CDI所接的电源不同，分为AC-CDI和DC-CDI两类[3-4]。

通过对比分析上述点火源的特点，针对点火源的用途，本设计选用AC-CDI点火系统。 技术线路如图1所示。

1.2 点火原理

装置采用220V交流供电，电源经升压变压器调压，二极管整流，向高压储能电容器组充电，充到所需电压之后，手动触发点火开关，电容两端高电压击穿电极，产生电火花。电点火系统原理图如图2所示。

2系统设计

储能电容器的主要作用是通过缓慢充电来聚集能量，储存能量可用通式进行计算。由表达式可看出，通过设计电容器的电容 C 与充电电压U 即可得到电火花点火能量。

关于放电开关的选择，电能量放电电路采用普通空气开关控制即可;但大能量放电电路的放电过程中，普通开关烧蚀严重，极易损坏，稳定性和安全性得不到保障，拟采用 3 电极气隙开关[5-6]。在控制电路和安全保护电路的设计上，要重点考虑大能量点火的需求。

2.1 储能单元选择

本设计中，以电容器作为储能单元，通过缓慢充电来存储电能。储存能量可用通式来计算。在设计上，一方面可以通过增大电容C或提高充电电压U来实现大能量电火花点火;另一方面，充电电压值和电容值也是决定点火性能的两项最重要的电路参数，电容值也不是越大越好，还要综合充电时间等指标。需要选择合适的储能电容和确定与其匹配的充电电压。

2.2 放电控制电路和放电开关的选择

电点火系统中普通开关在大能量放电电路的放电时，往往被烧蚀严重，稳定性和安全性得不到保障，所以要选择合适的放电开关并配合放电控制电路来实现点火控制。

3系统测试分析

通过理论分析和模拟仿真完成系统设计之后，利用华北科技学院工业爆炸实验平台进行了点火试验。

针对5%、9%、15%甲烷浓度，设置不同电极间隙和充电电压进行点火实验，利用示波法测试、计算电火花实际点火能量;通过10-1-104mJ能量档位近百余次点火实验，分析计算各次点火实验火花有效能量及能量转换效率，最终标定每个档位实际点火能量的最大值和最小值以及电容、电压与能量之间的函数关系式等;同时通过实验进一步检验点火系统的稳定性，并针对实验中出现的问题对电点火系统进行改进和完善。

在实验条件下影响点火能量的因素主要是电极间隙和电容器的充电电压。为了减少测试误差，实验时需要保持参数设定的一致性和尽可能一样的温度、湿度和空气压强条件。同时，为了确保点火系统的稳定性，得到在不同的电极间隙和充电电压下点火能量的变化情况，需要对每次点火试验进行重复实验。本论文在同样的条件下分别做三次实验取其平均值。

本文以电容器的电容为0.225μF，电极间隙为5 mm，电容充电电压为4 KV时的点火能量测定和计算为例进行具体说明。

试验使用示波器的电压探头的衰减比是100：1，电流探头的衰减比是10：1。利用示波法进行三次实验所测得的电压、电流如图3（a）、（b）、（c）所示。

波形图中，通道1表示电流，垂直刻度为500 mA/格，通道2表示电压，垂直刻度为50 V/格，主时基水平刻度系数为25μs/格，直流耦合，带宽限制100Mz处于关闭状态，将电流通道设置为触发通道，触发电平为40 mA，电流探头衰减系数为1X，反相处于关闭状态。由图可以清晰的看到点火时火花电流和电压的变化趋势，只有产生火花电流的时候才有能量的释放，可以看到火花电流的持续时间大约为50μs，然后就逐渐衰减到零，而电容器两端电压衰减的时间要长一些[7]。

从图3中看到三次点火捕获的电压电流图的形状基本是一致的，但是其大小是否一致需要通过定量的计算来确定。

首先对第一次点火能量进行计算，其理论上是通过功率曲线对时间积分求得火花能量，即：

在此将其变形为如下的公式，再根据得到的数据进行能量计算：

式2中n=2500（有2500个采样点），△t=10-7，在excel中进行计算，根据得到的各点电压电流值解算出最终的放电能量E等于25.13mJ。

再对第二次和第三次点火能量进行同样的计算，分别得到最终的火花放电能量为25.34mJ和25.59 mJ。

由上可知此点火系统在充电电压为4KV，电极间隙为5 mm时，每次单次火花放电的放电能量相差不大，故可认为此系统在基本设置参数相同和实验条件相似的情况下每次的放电能量基本稳定。在同条件下实验三次，将测得的能量取平均值。得到：

通过设计和测试，最终得到充电电压与电极间隙对点火能量的影响：充电电压越大，点火能量越高。电极间隙有一个最佳值，在最佳间隙下的点火能量最低，超过最佳间隙，点火能量会随着电极间隙的增大而增大[8]。

4结论

系统通过测试，分析计算了各次点火实验火花有效能量及能量转换效率，最终标定每个档位实际点火能量的最大值和最小值以及电容、电压与能量之间的函数关系式等，实现了单台小型设备的宽幅能量、电压调节;同时，通过实验进一步检验点火系统的稳定性，并针对实验中出现的问题对电点火系统进行改进和完善;通过电路的结构优化、器件选型、过压、过流等保护措施提高了装置的安全性。

系统的成功设计为可燃性气体防爆试验提供了一套可靠电点火系统;对大能量电点火系统的设计、电火花放电特性的研究具有很好的学术研究意义和应用价值。

参考文献：

[1]徐景德，赖芳芳，杨鑫等.强火源条件下瓦斯点火化学热力学特征[J].煤矿安全，2015，2：158-160.

[2]马秋菊，张奇，庞磊.甲烷—空气最小点火能预测理论模型[J].高压物理学报，2012：301-305.

[3]黄文祥.变点火能作用下瓦斯爆炸火焰传播特征实验研究[D].西安科技大学，2011.

[4]张博， Lee John H S，白春华.高浓度氩气稀释对C2H2-2.5O2气体直接起爆临界能量影响的实验研究[J].高压物理学报，2012，26（1）：55-62.

[5]武迎迎，赵光亮，李苑玮. 浅析气体燃料发动机电容放电式点火控制系统[J].装备制造技术，2015，（03）：172-174.

[6]张云明，刘庆明，宇灿，汪建平. 大能量電点火系统设计与火花放电特性实验研究[J].高电压技术. 2014，40（04）：1267-1274.

[7]黄文祥，许满贵，成连平，等. 瓦斯爆炸变点火能试验系统研究[J].矿业工程研究. 2009，24（02）：55-57.

[8]赖芳芳， 电火源引爆瓦斯的规律和特征研究[D].华北科技学院，2015.

作者简介：

王金凤（1978-）女，满族，河北遵化人，硕士，讲师，主要研究方向：自动控制技术、电磁检测技术。

徐景德（1965-）男，汉族，安徽淮南人，博士，教授，主要研究方向：矿井瓦斯灾害防治、安全生产监管与应急管理。

基金项目：2020年度廊坊市科技计划项目“面向气体防爆试验的宽幅度电点火系统设计与实验研究”（编号 2020011018）

（华北科技学院，北京 东燕郊 065201）