IEC 火花試驗裝置靈敏度分析

張 勇

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京 100013）

GB 3836.4—2010 標準對火花試驗裝置的靈敏度進行了規定[1]。火花試驗裝置的靈敏度必須滿足要求，否則會影響到電路本質安全性能的檢測結果。火花試驗裝置的靈敏度會受到環境因素（如溫度、濕度、壓力、氣體流速等）、鎢絲電極（端部開裂、整體變形）、鎘盤電極（表盤劃痕、表面溫度）、電機轉速等因素的影響，對此，學者們進行了許多研究[2-9]，這些研究或者基于鎢絲電極與鎘盤電極的交匯/分離軌跡分析，或者基于鎢絲電極數量的合理使用，或者基于鎘盤電極的微觀現象，均從不同角度闡述了火花試驗裝置靈敏度的不同及其影響；但卻沒有考慮鎢絲電極與鎘盤電極分離過程中的細節問題，如鎢絲從通槽分離后并沒有閉合于鎘盤然后從鎘盤邊緣分離，而是從凹槽直接分離情況；更沒有考慮鎢絲電極與鎘盤電極的分離角度問題，實際上，通過交匯/分離軌跡分析，在各個分離火花中，分離角度數值更分散、數值差距更大。因此，有必要對上述2 個問題進行深入分析，并對因此造成的火花試驗裝置靈敏度不同進行相應分析。

1 火花試驗裝置交匯/分離軌跡分析

1.1 IEC 火花試驗裝置結構

IEC 火花試驗裝置如圖1，基本原理是鎢絲通過極握帶動與鎘盤交匯產生火花，裝置承受爆炸壓力至少為1.5 MPa[1]。電極用于產生規定的閉合火花和開路火花。電極之一是帶有2 道凹槽的鎘盤；另一電極布置4 根鎢絲。極握使鎢絲在鎘盤上滑動。鎢絲以80 r/min 的速度旋轉，鎘盤以19.2 r/min 的轉速相對轉動，齒輪比為50∶12，鎢絲與鎘盤的總體旋轉周期為18.75 s。

圖1 IEC 火花試驗裝置Fig.1 IEC spark test device

1.2 鎢絲和鎘盤凹槽的交匯/分離軌跡求解

鎢絲與鎘盤凹槽邊緣的交匯軌跡求解幾何圖形如圖2。

圖2 鎢絲鎘盤凹槽交匯圖Fig.2 Intersection of tungsten wire cadmium disc groove

為計算方便，以鎘盤中心為坐標原點。W1～W4表示4 根鎢絲，線段AB、CD 表示鎘盤1 個通槽對應的2 條邊緣線，線段EF、GH 表示鎘盤另1 個通槽對應的2 條邊緣線。

鎢絲與鎘盤的分離分為2 種情況：①與鎘盤邊緣分離；②與鎘盤通槽邊緣分離。為不失一般性，以鎢絲W1與通槽邊緣線CD 分離為例來求解。

鎢絲W1的運動軌跡為：

根據三角公式化簡得：

式中：R1為鎢絲半徑，24.84 mm；R2為鎘盤半徑，15 mm；ω1為鎢絲旋轉角速度，8π/3 rad/s；ω2為鎘盤旋轉角速度，16π/25 rad/s；α 為鎢絲起始角度，π/4-arctan（16/19），其余3 根依次順時針相差π/2；β為鎘盤凹槽邊緣GH 的垂直平分線與鎘盤圓心所在直線夾角，AB、CD 對應為π，CD、EF 對應為0；d 為鎘盤圓心到凹槽邊緣CD 的距離，AB、GH 對應為8.5 mm，CD、EF 對應為6.5 mm；t 為交匯/分離時刻。

根據式（4）得到交匯/分離時刻t。然后代入式（1）就得到了相應的交匯/分離坐標。

鎢絲W1具體打火類型和次數如圖3。不同鎢絲和不同凹槽邊緣線可同理求出。

圖3 鎢絲W1 的交匯次數直方圖Fig.3 Histogram of the number of intersections of tungsten wire W1

從圖3 可以看出，對鎢絲W1而言，按交匯類型區分，包括凹槽開路33 次、邊緣開路23 次、凹槽閉合34 次、邊緣閉合22 次、“凹入”3 次、“凹出”2 次。

這里定義一下特殊情況：即鎢絲不從鎘盤邊緣進入而是從凹槽進入，此種情況為方便定義為“凹入”；同樣的鎢絲從鎘盤凹槽劃出，此種情況定義為“凹出”。

完整地統計分析，4 根鎢絲電極與鎘盤電極在1個周期內一共產生開路/閉合火花各224 次，其中包括“凹入”12 次、“凹出”8 次。

這就得出結論：如果考慮實際分離情況，從鎘盤外邊緣分離的次數將減少8 次。即1 個檢測周期內從鎘盤邊緣的分離次數是224 次，而不是232 次。

2 鎢絲凹槽交匯/分離角度分析

2.1 分離角度計算

同理，不失一般性，以鎢絲W1與凹槽邊緣CD分離來進行計算，其余情況同理。此時鎢絲W1運動圓弧所在切線與線段CD 的分離角度計算方法如下：

W1所在圓切線的斜率K1：

將式（5）和（式6）代入式（7）即可得到分離角度。其他凹槽分離角度及邊緣分離角度可用類似方法求出。

其中鎢絲W1經過鎘盤邊緣與離開鎘盤邊緣的角度可以方便求出，角度均固定為81°。

同理可以求出W2～W4分別與AB、CD、EF、GH之間的分離角度。

2.2 分離角度分析

鎢絲分離角度直方圖如圖4。圖4 為4 根鎢絲在1 個周期（0～18.75 s）內所有與鎘盤上凹槽的分離角度統計與每根鎢絲的總體交匯情況。

圖4 鎢絲分離角度直方圖Fig.4 Tungsten wire separation angle histogram

可以看出，鎢絲W1與鎘盤凹槽和邊緣分離角度范圍為9°～86°。從分離角度分布看，集中于80°～90°范圍可以近似認為為垂直分離，但其僅占約50%，約16%分離角度在30°以下。

2.3 分離角度對試驗裝置靈敏度的影響

鎢絲電極從鎘盤電極分離過程示意圖如圖5。假定鎢絲從鎘盤通槽邊線分離，假定鎢絲運動方向與鎘盤通槽邊線夾角為α，假定鎢絲半徑為R=0.1 mm，分離速度為v=25 cm/s，圓形表示鎢絲，加粗線表示鎘盤通槽邊緣線。

圖5 鎢絲電極從鎘盤電極分離過程示意圖Fig.5 Schematic diagram of the separation process of tungsten wire electrode from cadmium disk electrode

以鎢絲開始分離時刻為0 時刻，并以此時鎢絲與鎘盤通槽邊緣線交點為坐標原點。橫坐標為邊緣線法線方向，縱坐標為邊緣線向上方向。任意t 時刻，圓心坐標為（－R+vtsinα，－vtcosα）。 可以求出鎢絲電極從鎘盤電極表面開始向通槽邊緣分離時截面積S 隨時間t 變化規律：

根據開關電器電弧理論，將鎢絲電極和鎘盤電極看作2 個觸頭，分離速度與分離角度均會影響到電火花性能，進而影響到電路的本質安全性能。顯然，分離角度的不同，造成鎢絲分離的靈敏度變化是很大的。

同基本垂直分離相比，隨著分離角度α 的變小，會造成如下影響：

1）分離過程用時變長。分離過渡用時（從開始分離到完全分離的時間），按9°分離的用時是按86°分離用時的6.38 倍。

2）液態金屬橋存在時間變長。分離過程中，會因截面積的減小、電流密度劇增而形成液態金屬橋，液態金屬橋存在時間變長，因此更容易起弧。

3）垂直方向等效分離速度降低。文獻［10］指出，在電阻性負載電路和電感性負載電路中，觸點分離初速度的值越大，液態金屬橋存在時間和電弧燃弧時間越短，液態金屬橋和電弧能量減少越多。因此鎢絲與鎘盤分離角度越小，電弧越容易維持。

綜上，鎢絲與鎘盤非垂直分離的那些情況，火花試驗裝置的靈敏度是較高的，這也保證了火花試驗裝置的靈敏度，進而能夠保證電路的本質安全性能檢測。

3 結 語

基于IEC 火花試驗裝置的結構及運動規律，得到鎢絲電極與鎘盤電極的交匯/分離軌跡，同時得到鎢絲與鎘盤的分離角度，對IEC 火花試驗裝置的靈敏度進行了分析。得出了IEC 火花試驗裝置1 個旋轉周期內所有的交匯類型及時間，同時考慮了“凹入”與“凹出”2 種特殊情況，考慮實際分離情況，從鎘盤外邊緣分離的次數將減少8 次，即1 個檢測周期內從鎘盤邊緣的分離次數是224 次，而不是232次；鎢絲與鎘盤的最大分離角度為89°，最小分離角度為9°，從分離角度分布看，只有約50%集中于80°～90°范圍，約16%分離角度在30°以下；對于鎢絲與鎘盤非垂直分離的那些情況，火花試驗裝置的靈敏度是較高的，這也保證了火花試驗裝置的靈敏度，進而能夠保證電路的本質安全性能檢測。