电势电容电路短路火花放电影响因素分析.pdf

工矿自动化 Indu*t ryand MineAut o mat io n 第46卷第8期 2020年8月 Vo l. 46 No . 8 Aug. 2020 文章编号1671-251X202008-0038-07 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x . 2020030006 电势电容电路短路火花放电影响因素分析 康骞12,许春雨12,田慕琴12,宋建成12 1.太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室％％山西太原030024； 2.太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室％％山西太原030024 摘要现有针对容性电路电火花放电和大功率本安电源研究的模型和方法大多只考虑了储能元件在放 电过程中的放电特性，没有考虑电源电势对容性电路放电特性的影响；在分析容性电路放电特性时都是在空 载情况下进行的，没有考虑实际应用中带载的情况。针对上述问题，在分析容性电路短路火花放电特性的基 础上，将本安电源等效为电势电容EC电路，引入电源电势与外部负载，建立其火花放电等效数学模型，推 导在电路发生故障时火花放电电流、放电电压和放电功率的数学表达式，并结合数学模型和Matlab进行了 仿真研究，分析了电源电势、滤波电容、短路回路电阻及短路前负载电流对短路故障时火花放电电流、放电电 压及放电功率的影响％％理论分析和仿真结果表明，EC电路短路时火花放电电流与火花放电功率在起始阶 段迅速上升到最大值，后缓慢下降，火花放电电压迅速下降到最小值；EC电路短路时，不改变其他电路参 数，随着电源电势增大，火花放电电流明显增大，火花放电功率也明显增大，对电路本质安全性能威胁较大; 随着滤波电容增大，火花放电电流尖峰增大，火花放电功率增大，需要考虑输出电压纹波与本质安全性能，合 理选择滤波电容的容值；随着短路时的回路电阻增大，火花放电电流明显减小，火花放电功率也明显减小，能 够有效提升电路本质安全性能；随着短路前负载电流增大，火花放电电流与火花放电功率有所增大，但增大 不明显，对电路的本质安全性能影响不大％ ％ 关键词大功率本安电源；；电势电容；；EC电路；；容性电路；；火花放电；；短路故障；；电源电势；；本质安全 中图分类号TD608 文献标志码A Analysis o f influenc ing fac t o rs o f sho rt -c irc uit spark disc harge in elec t ric po t ent ial c apac it anc e c irc uit KANG Qian12 , XU Chunyu12 , TIAN Muqin12 , SONG Jianc heng12 1. Nat io nal j Pro vinc ial Jo int Engineering Labo rat o ry o f Mining Int elligent Elec t ric al Apparat us Tec hno lo gy, Taiyuan Universit y o f Tec hno lo gy, Taiyuan 030024, China; 2. Shanx i Key Labo rat o ry o f Mining Elec t ric al Equipment and Int elligent Co nt ro l, Taiyuan Universit y o f Tec hno lo gy, Taiyuan 030024, China Abstract Mo st o f ex ist ing mo dels and met ho ds fo r researc h o f c apac it ive c irc uit spark disc harge and high-po werint rinsiSsafet ypo wersupplyo nlySo nsiderdisShargeShara St erist iSs o fenergyst o rageelement s during disSharge pro Sess, and do no t So nsider influenSe o f po wer supply po t ent ial o n disSharge Shara St erist iSso fSapaSit iveSirSuit .Analysiso fSapaSit iveSirSuit disShargeShara St erist iSsisSarriedo ut underSo ndit io n o f no lo ad, wit ho ut So nsidering sit uat io n o f lo ad in praSt iSal appliSat io n. Fo r t he abo ve pro blems,based o n analysis o f sho rt -SirSuit spark disSharge SharaSt erist iSs o fSapaSit ive SirSuit ,t he int rinsic ally safe po wer supply is equivalent t o t he elec t ric po t ent ial c apac it anc e EC c irc uit , and spark disc harge equivalent mat hemat ic al mo del was est ablished by int ro duc ing po wer supply po t ent ial and 收稿日期收稿日期2020-03-03;修回日期修回日期2020-07-16;责任编辑张强责任编辑张强。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目51577123。 作者简介作者简介康骞1994一，男山西太原人，硕士研究生，主要研究方向为矿用本安电源与电力电子技术,E-mail kangqianl208163. c o m。 引用格式引用格式康骞，许，许春雨，田慕琴，等，等.电势电容电路短路火花放电影响因素分析工矿自动化2020,46838-43. KANG Qian,XU Chunyu, TIAN Muqin, et al. Analysis o f influenc ing fac t o rs o f sho rt -c irc uit spark disc harge in elec t ric po t ent ial c apac it anc e c irc uit ,-. Indust ry and Mine Aut o mat io n,2020,468 38-43. 2020 8 康骞等电势电容电路短路火花放电影响因素分析・39・ ex t erna llo ad,t he mat hemat ic al ex pressio ns o f spark disc harge c urrent , disc harge vo lt age and disc harge po wer is derived in t he c irc uit failure, and c o mbined wit h t he mat hemat ic al mo del and Mat labsimulat io n researc h, t he influenc e o f t he po wer supply po t ent ial, filt er c apac it o r, sho rt -c irc uit resist anc e and lo ad c urrent befo resho rt -c irc uit o nsho rt -c irc uit sparkdisc ha rgec urrent ,disc hargevo lt agea nddisc ha rgepo wer duringfa ult swereanalyzed.Theo ret ic ala nalysisandsimula t io nresult ss ho wt ha t int hesho rt -c irc uit o f ECc irc uit ,t hesparkdisc ha rgec urrent a ndsparkdisc hargepo werrapidlyriset o t hemax imumvalueat t he init ial st age, and t hen slo wly dec rease, and t he spark disc harge vo lt age quic kly dro ps t o t he minimum value; in sho rt -c irc uit o f EC c irc uit , o t her c irc uit paramet ers are no t c hanged, wit h t he inc rease o f t he po wer supply po enial, he spark disc harge c urrenandhe spark disc harge po wer inc rease o bvio usly, whic h po ses a great t hreat t o t he int rinsic safet y perfo rmanc e o f t he c irc uit; wit h t he inc rease o f t he filt er c apa c io r,hesparkdisc hargec urrenspikeinc reases ,hedisc hargepo werinc reases ,iisnec essaryo c o nsiderheo upuvo lagerippleandinrinsic s afey perfo rmanc eo reas o nablyselec hec apac ianc e value o f t he filt er c apac it o r; as t he lo o p resist anc e inc reases during a sho rt -c irc uit , t he spark disc harge c urrent ant he sparkis c harge po wer are also signific ant ly reuc e, whic h c an e fec t ively impro ve t he int rinsic safet y perfo rmanc e o f t he c irc uit; wit h t he inc rease o f t he lo ad c urrent befo re t he sho rt -c irc uit , t he spark disc harge c urrent and spark disc harge po wer inc rease so mewhat Ybut t he inc rease is no t o bvio usY whic hhas litleinfluenc eo nt heint rinsic safet yperfo rmanc eo ft hec irc uit . Key words high-po wer int rinsic safet y po wer; elec t ric po t ent ial c apac it anc e; EC c irc uit; c apac it ive c irc uit; spark disc harge; sho rt -c irc uit fault ; po wer supply po t ent ial; int rinsic safet y 0引言引言 煤矿井下存在大量易燃易爆的混合物，这就要 求本安电源正常工作或发生故障时所产生的电火花 或热效应均不能导致爆炸,13近年来，随着煤矿井 下电气设备自动化程度日益提高，各种监测、控制、 通信等电气设备均需本安电源供电，繁多的用电设 备使得小功率的本安电源越来越不能满足实际生产 的需求。因此，能够在确保本质安全的前提下，最大 程度地提高本安电源输出功率，是本安电源发展的 重要分支4 为保证输出电压纹波达到设计要求，通常会将 较大容值的滤波电容并联在本安电源整流输出端, 故本安电源可以等效为容性电路［5］0电容作为储存 电场能量的元件，其两端电压不能发生突变，在发生 短路等故障时，会产生火花放电现象’所以，容性电 路发生故障后，减小火花放电能量，保证其本质安全 性能，对提高本安电源输出功率具有重要意义’ 针对容性电路的电火花放电和大功率本安电 源，国内外学者进行了深入研究’目前，容性电路的 火花放电模型有电压推动数值计算模型6、能量点 燃有效数值计算模型、放电电压指数模型8、截止 型保护容性电路放电模型⑼、电容有触点短路放电 模型,10-、截止型 电势 电容Elec t ric Po t ent ial Capac it anc e，EC电路火花放电模型［111z］等。文 献［1314］采用芯片数控技术，设计了截止型双重过 流过压保护电路，在加快响应速度的同时能够彻底 切断故障电路。文献［15］应用动态电弧识别及关断 Dynamic Arc Rec o gnit io n and Terminat io n， DART技术检测电路动态参数，提前预知电路故障 状态，极大加快了故障检测速度，进一步提高了本安 电源输出功率。但上述模型和方法仅考虑了储能元 件在放电过程中的放电特性，没有考虑电源电势对 容性电路放电特性的影响；同时在分析容性电路放 电特性时都只是在空载的情况下进行分析，没有考 虑实际应用中带载的情况。为此，本文对容性电路 的短路火花放电特性进行了深入研究与分析，在此 基础上，将本安电源等效为电势电容电路进行分析， 引入电源电势与外部负载，建立其火花放电等效数 学模型，推导在电路发生故障时火花放电电流、放电 电压和放电功率的数学表达式，并结合数学模型与 数值仿真工具分析不同因素对短路故障时火花放电 电流、放电电压和放电功率的影响，从而为大功率本 安电源的研究与设计提供理论指导。 1容性电路短路火花放电特性分析容性电路短路火花放电特性分析 容性电路短路火花放电原理如图1所示［10］o 图1中，R。为充电电阻,R为放电电阻,U为电源电 压，C为滤波电容，G为火花试验装置,为电源电 流，.为放电电流，“为电容电流，为电容两端电 压。容性电路火花放电特性曲线如图2所示［16］0 火花放电可分为以下4个阶段［10,617 ・40・ 工矿自动化 46 “拌 c 放电的建弧电压,19- Ug为火花放电时输出端电压- Xo 保护电路模型 保护电路模型 s2 常 ---------is4 图1容性电路放电模型 Fig 1 Capac it ive c irc uit disc harge mo del a 短路前 丄Ri Si R2 -------ii-----------------1 E uC 保护电路卜 11.................. 火花放电 模型 刑 ■也I h h h t3 t4 t 图2容性电路火花放电特性曲线 Fig2 Capac it ivec irc uit sparkdisc hargec harac t erist ic c urves 第I阶段,对应图2中的E〜E段，此阶段为击 穿介质阶段。初始电极触点断开，当触点不断接近, 到该电压击穿介质的距离时，气体介质被击穿，此时 放电电流ZgE迅速上升，放电电压DgE迅速 下降。 第H阶段,对应图2中的E〜E段，此阶段为火 花产生阶段。此阶段放电电流从最大值开始下降， 放电电压则继续下降，直到放电电流正好可以维持 火花放电。 第川阶段,对应图2中的E〜E段，此阶段为火 花维持阶段。此阶段放电电流和放电电压都缓慢下 降,直到放电电压下降到最小维持电压。 第W阶段,对应图2的E〜E段，此阶段为火花 熄灭阶段。此阶段放电触点完全闭合，放电电压下 降为零，电容中剩余能量导致放电电流出现尖峰。 2 EC电路短路火花放电模型电路短路火花放电模型 为了进一步分析容性电路短路火花放电影响因 素，将容性电路等效为如图3所示的EC电路「11-。 短路前,EC电路模型如图3a 所示，等效的开关电 源电路模型中，E为电源电势，R1为充电电阻,l为 负载电流；等效的保护电路模型中，S为保护开关 器件，当遇到过流过压及短路等故障时开关断开, R2为短路回路电阻，通常情况下R2远小于R1，以 避免放电过程中对电源电势E的影响「10-；等效的负 载模型中，Rl为电源负载，S2为短路开关，当S2闭 合时，电路发生短路故障。短路后EC电路模型如 图3b所示，等效的开关电源电路模型和等效的保 护电路模型同图3a ,等效的火花放电模型中，由 于短路后火花放电电流和放电电压不能立刻突变， 所以，用短路等效电感Ls等效,18-。C为发生火花 b短路后 图3 EC电路模型 Fig 3 ECc irc uit mo del 由图3b可列写方程组 j 厂 duc c C d di Uc 02 ig Ls d Uh E R uc ig ic 式中E为时间。 化简式1可得微分方程 加 A1 U 1U K1 式中A1 02/Ls 1/R1C；B1 n R2/R1 LsC ；K1 R2E/R1 Uh/LsC,为常数。 由于短路前后滤波电容C两端电压与流过电 感Ls的电流不能突变，所以有 uc 0 uc0 E ig0 ig0 I0 E uc 0 duc “R C 击0 式中I0为短路前的负载电流。 由式3式5可得 duc I0 IT C 求解式2可得其特征根1,2为 1 2 1/ 3 4 R1 5 6 右A1 槡Af 4民/2 7 2 A1 J槡4民/2 当Gf 4i〉0时，电路响应处于非振荡状态, 此 2 通 为 uc N] ex p e N2ex p2E H 1 式中J J为任意常数- 8 2020 8 康骞等电势电容电路短路火花放电影响因素分析 ・41・ 当A1 4Bi V0时，电路响应处于振荡状态。 中，电路发生 后往往 状 状 「20-,所以，本文’论 电路处于非振荡状态时的情况。 由式3、式6、式8可得 a 不同电源电势对EC电路短路火花放电电流的影响曲线 1 入2 右 uc ]E - 2 F ]ex p“1 E F-ex pA2E 譽 9 由式1可得火花放电电流、火花放电电压、火 花放电功率分别为 -cD 10 01 d/ ug uc igR2 11 Pg ug 12 b不同电源电势对EC电路短路火花放电电压的影响曲线 c 不 电 电 势 EC 电 电 功 线 图4不同电源电势对EC电路短路火花放电的影响曲线 3 EC电路数值仿真分析电路数值仿真分析 由于EC电路短路火花放电模型较为复杂，单 从表达式很难看出电路模型各参数之间的关系。通 过Mat lab进行仿真研究，探讨EC电 型各 参数之间的关系。 3. 1 电源电势对EC电路短路火花放电的影响 在充电电阻0110 ,短路回路电阻02 0.2 ,滤波电容C 100 ,F,短路等效电感4s 300 nH,建弧电压Ch 5 V,负载电流/2. 5A的 条件下，取电源电势E分别为典型值12,15,18 V, EC电 电 进行仿真分析，结 果如图4所示。 从图4可看出，EC电路短路时，火花放电电流 与 电功 始 达到最大值后缓慢 丿 电电压 内 到最 保持 电容等 电 不变，仅增大电源电 势, 电电流与 电功 得到 明 大，降低了电 本质 ，不 大功率本质 电 发展。 3. 2 滤波电容对EC电路短路火花放电的影响 在充电电阻01 10 ,短路回路电阻02 0.2 ,电源电势E 12 V,短路等效电感4s 300 nH,建弧电压Ch 5 V,负载电流/2. 5A的 条件下，取滤波电容C分别为典型值68,100, 150 ,F，对EC电路短路火花放电的影响进行仿真 分析，结果如图5所示。 从图5可看出，EC电路短路时，火花放电电流 与 电功 ，之后平 丿 电 Fig.4 Influenc ec urveso fdiferent po wersupply po t ent ials o nsho rt -c irc uit s parkdisc ha rgeo fECc irc uit a 不 电 EC 电 电电 流 线 b 不 电 EC 电 电 电 压 线 c 不 电 EC 电 电 功 线 图 5 不 电 EC 电 电 线 Fig.5 Influenc ec urveso fdiferent filt erc apac it o rso n sho rt -c irc uit sparkdisc hargeo fECc irc uit 电压在很短的时间内下降到最 。保持电源电势 等 电 不变,仅增大 电容, 电电流与 电功 始上 区别不明 ，但随着 电 大丿 电电流 之增 大, 电功率也会增大，不 电路本质安 ・・42・ ・ 工矿自动化第46卷 全性能的提升。为保证输出电压纹波达到设计要 求，在设计本安电 需要合理考虑 电 J容 ，既保 出电压 设计要求, , 保证本 质 要求「21- o 3. 3 短路回路电阻对EC电路短路火花放电的 影响 在充电电阻R1 10 ,电源电势E12 V,滤 波电容C100 ,F,短路等效电感Ls 300 nH,建 弧电压Uh 5 V,负载电流102.5 A的条件下，取 短路时回路电阻02分别为典型值0.2,0. 3,0.4 , , EC电 电 进行仿真仿真分析，结析，结 果如图6所示 a 不同短路回路电阻对EC电路短路火花放电电流的影响曲线 12 6 b 不同短路回路电阻对EC电路短路火花放电电压的影响曲线 0 123456789 10 t/p.s “ 収20.3 Q 150-厂 - -20.4 0 200 r 。 0 123456789 10 //fis c 不同短路回路电阻对EC电路短路火花放电功率的影响曲线 图6不同短路回路电阻对EC电路短路火花放电的影响曲线 Fig.6 Influenc ec urveso fdiferent sho rt -c irc uit resist anc eo nsho rt -c irc uit spa rkdis c hargeo fECc irc uit 从图6可看出，EC电路短路时，火花放电电流 与 电功 始 大，达到最大值 后缓慢 达到 , 电电压在短 o保持电源电势等 电 不变，随着短 回 电 大， 电电流与 电功 明显，对电路本质 到了积极 的作用，电 本质 得到 。但 回 中的电阻会降低电 ，造成不必要 ［耗。 3. 4负载电流对EC电路短路火花放电的影响 在充电电阻R1 10 ,短路回路电阻02 0. 2 ,电源电势12 V,滤波电容C100 ,F，短 路等效电感Ls 300 nH,建弧电压Ch 5 V的条件 下，取短路前负载电流I分别为典型值2. 0,2. 5, 3. 0 A,对EC电路短路火花放电的影响进行仿真分 析，结果如图7所示。 。 a 不同电负载电流对EC电路短路火花放电电流的影响曲线 b不同负载电流对EC电路短路火花放电电压的影响曲线 c 不同负载电流对EC电路短路火花放电功率的影响曲线 图7不同负载电流对EC电路短路火花放电的影响曲线 Fig.7 Influenc ec urveso fdiferent lo adc urrent so n sho rt -c irc uit sparkdisc hargeo fECc irc uit 从图7可看出，电 ，火花放电电流与 电功 后 慢 ， ， 电电压 o保持电源电势等 电 不变，仅 增大 电流丿 丿 电电流. . 电电压 以及 电功率曲线接近近重叠, , 电电流与 电功 所增大，但增大不明显，对电 本 质 不大。 。 4结论结论 1 EC 电 ， ， 电电流与 电 功率在起始 上升到最大值，后缓慢 ，火 电电压 到最 o 2 EC 电 ， ， 不 电 ， ， 着电 电势 大， ， 电电流明 大， ， 电 功率也明 大，对电路本质 大。 。 3 EC 电 ， ， 不 电 ， ， 着滤波电容增大丿 丿 电电流 大, , 电 功 大，需要考虑输出电压 与本质 合理选择滤波电容的容值。 4 EC 电 ， ， 不 电 ， ， 着短路时的回路电 大丿 丿 电电流明显减小, 火花放电功率也明显减小，能够有效提升电路本质 o 2020 8 康骞等电势电容电路短路火花放电影响因素分析 43 5 EC电路短路时，不改变其他电路参数，随 着短路前负载电流增大，火花放电电流与火花放电 功率有所增大，但增大不明显，对电路的本质安全性 能影响不大。 参考文献参考文献References 1 - 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