史晓亮，徐景德，赖芳芳

(1.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601;2.华北科技学院研究生处,北京东燕郊 101601)



瓦斯爆炸电火源点火特征的实验研究

史晓亮1，徐景德2，赖芳芳1

(1.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601;2.华北科技学院研究生处,北京东燕郊 101601)

本文以华北科技学院瓦斯爆炸实验室为平台，自行研制了一套点火器系统，对瓦斯爆炸点火特征进行了研究。用示波器法测定了在不同充电电压和电极间隙下的点火能量，分析了充电电压和电极间隙对点火能量的影响效应。结果表明：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。

瓦斯爆炸；点火能量；示波器法；电极间隙；充电电压

0 引言

煤矿开采电气化程度的提高使得电火源在煤矿工作场所出现几率迅速上升。近几年来，电火源引发瓦斯(煤尘)爆炸事故次数呈现增加的趋势，国内多起特大瓦斯爆炸事故的火源都是电火源，例如郑州煤业集团大平煤矿“11.13”特大瓦斯爆炸事故、阜新煤业集团孙家湾海州立井“2.12”瓦斯爆炸事故的火源都是电火源。

瓦斯爆炸的理论最小点火能0.28 mJ，其确定过程和实验条件是：在压力为101.3 kPa和温度为20℃条件下，圆截面管道是直径70 mm的全约束(采用固壁端)空间下测定的。本文实验是在长度为40 m、200 mm*200 mm方截面管道中半约束空间(末端采用破膜方式)情况下，调节放电电路中电荷电量及电容的大小以及电极之间的距离和电极的形状，测得可燃气体与空气混合物刚能点燃时的能量。但是，实验测试的大量结果显示，点火能量远远大于这一数值，本文用实验方法研究了瓦斯爆炸电火源点火特征。

1 点火原理及点火系统的结构

1.1 点火原理

实验用点火系统原理是采用电容充放电，并形成等离子体或高压放电火花。具体工作流程如图1，高压直流电源给电容器C充电，待充到一定值后由控制触发电路给出控制信号，触发主放电开关G使电路导通，这时候电容器储存的电能就通过放电电极F放电，产生高压放电火花点燃混合气体。

图1 点火系统工作原理图

1.2 点火系统的结构

图2为点火器面板。

表1为点火系统内置的测试元件及其相应的功能。

图2 点火器面板

表1 点火系统内置测试元件

1.3 点火测试系统

点火测试在华北科技学院瓦斯爆炸实验室平台上进行(图3)。在尺寸200 mm*200 mm，长35 m的方管内充入1个大气压的甲烷—空气混合气，其甲烷浓度位9.5%，此浓度为甲烷在空气中化学反应的当量比情况下，即甲烷与空气进行完全反应情况下甲烷的占比，进行的爆炸点火试验。测试点火能时，将电压探头和电流探头一头连接到示波器上，一头连接到电极上，待高压电源给电容器充完电后，按下点火器(图2)上的触发控制开关，完成一次测试。此时，示波器中相应显示了电压和电流的波形图。

图3 爆炸激波管总体布置简图

2 电火花能量测定

2.1 电容储存能量

电容储存能量相当于电容充电总能量，可用计算通式如下：

(1)

电容器的电容为0.225 μF，探针间隙为5 mm，电容充电电压为1～4 kV时的电容储存能量如表2所示。

表2 不同点火电压下的电容储存能量

名 称不同点火电压下的点火能量/mJ1kV2kV3kV4kV电容储存能量112 545010101800

2.2 实际点火能量

实际点火能量是指电容放电过程中供给电极产生电火花点火的能量。

高压电火花的放电能量由于其电压和电流都是短时间内的脉冲信号，并不能用简单的一个公式来计算。这里我们用高性能的示波器通过分压探头和分流探头，直接测出电极两端的电压和电流波形，通过功率曲线对时间积分求得放电火花的能量。即：

(2)

图4为一次试验中测得的电压、电流波形。图a是示波器捕获的电流和电压图，图b表示用Origin软件处理后的电流和电压数据。

图4 (a)第一次实验从示波器中捕获的电压电流图

现在对点火能量进行计算，由于点火瞬间电流和电压变化情况极快，所以在10-7秒的情况下进行积分，将式(2)变形为如下的公式，再根据得到的数据进行能量计算：

(3)

其中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25.13 mJ。

图4 (b)第一次实验Origin处理的电压电流图

3 电火源点火影响因素分析

按照上述方法，分别对电极间隙为1 mm、2 mm和5 mm时，不同充电电压下的火花放电能量进行了计算，得到的结果如表3所示。

表3 不同电压和电极间隙的电火花放电能量

电极间隙/mm不同电压下的火花放电能量/mJ1kV2kV3kV4kV11 27(无)4 9211 3420 6721 18(无)4 7610 5619 0151 58(无)6 34(无)14 0825 35

*无说明回路中没有形成击穿电流，不能使甲烷—空气混气发生爆炸。

从上述数据可以看出瓦斯爆炸的在方截面200 mm*200 mm的情况下的实际点火能量是远远大于0.28 mJ的，它受实验工况和电极参数、放电条件、充电电压等的影响。

3.1 充电电压的影响

充电电压对点火能量的影响是很直接的。如图5所示，充电电压越高，点火能量越高，且充电电压过低的话是不能点燃可燃混气的。充电电压太低的话，是不能在回路中形成击穿电流的，因为它在放电的瞬间供给电极的能量还不足以将其击穿。当然了，充放电电容、点火延迟时间、电极的曲率半径等参数也要选取适当，如若电容量太低，只通过改变电压来提高点火能量，即使能量很高也不会点火。

图5 充电电压对点火能量的影响

3.2 电极间隙的影响

电极间隙对点火能量的影响如图6所示。电极间隙有一个最佳值，并不是越小越好。在最佳间隙处点火能量最低。当电极间隙超过这一最佳值时，随着电极间隙的增大放电点火能量也在增大，且间隙较大的话比较难形成点火。因为间隙增大了，电极间空气介质的击穿阻力也就增大了，这时候即使被击穿了，因为能量不集中，能量密度低，也需要提高较多的能量才能点燃可燃物。因此，在相同条件下点燃可燃气体的点火能量就比较高了。瓦斯爆炸中点火源的方式有多种，之所以采用这种自制的电容式充电放电的方式来测试点火能量，是因为可以利用220 V低压来控制5000 V高压进行放电，过程相对安全，并且蓄电放电的方式相对于之后的数据采集比较独立，不会影响到瓦斯爆炸过程中火焰，压力的采集。

图6 电极间隙对点火能量的影响

4 结论

(1) 瓦斯爆炸的最低点火能是0.28 mJ，这个数值是对所有火源来说的。而实验研究针对的是电火源，其点火能是远远高于这一数值的。

(2) 电容器储存的能量和实际点火能量是两个不同的概念，实际用于点火的能量只占电容储存能量很小一部分的比例，且所占的比例与储能电器元件的尺寸，电路参数、气体浓度等有着密切的关系。

(3) 从实验结果来看，电火源的放电形式(电极的形状、间隙)和充电电压对点火能的测定有重要的影响。因此，控制好井下各电源对瓦斯爆炸事故的控制、预防和防爆、抑爆方面有至关重要的作用。

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Experimental Study on Ignition Characteristics of Gas Explosion Electric Fire Source

SHI Xiao-liang1，XU Jing-de2，LAI Fang-fang1

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,101601，China；2.GraduateSchool，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601，China)

Based on the explosion lab platform in North China Institute of Science and Technology,the ignition characteristics of gas explosion was researched through a set of self-developed ignition system .The ignition energy at different charging voltage and electrode gap was determined using oscilloscope,and the effects of charging voltage and electrode gap on ignition energy was analyzed. Experiment result showed the higher the charging voltage,the higher the ignition energy; and there was an optimum value for the electrode gap,the ignition energy was the lowest at the optimum gap,when the gap was over the optimum value,the ignition energy will increase with the increase of the electrode gap.

gas explosion；ignition energy；oscilloscope；charging voltage；electrode gap

2016-01-27

中央高校基本科研业务费资助(3142015069)

史晓亮(1989-)，男，山西长治人，华北科技学院安全工程学院在读硕士研究生，研究方向：矿井瓦斯、火灾与粉尘安全防治技术。E-mail：270262961@qq.com

TD712+.71

A

1672-7169(2016)02-0020-05