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      本質安全和高頻——高于工業交流電頻率的電路引燃特性

      時間:2020-05-22   訪問量:3418

      技術科學和現在稱為“本質安全”防爆措施的標準來源,二者均可追溯到煤礦瓦斯危險區域中電氣裝置的使用。由普魯士礦井瓦斯委員會委托的基礎性試驗,1886年在亞琛(Aachen)工業大學進行,1898年在BVS進行的后續試驗仍然得出結論:“每一電火花都能夠引起爆炸”。它是Wheeler教授根據1913年10月14日發生在Senghenydd煤礦的爆炸事故(導致439人死亡)所進行的基礎性研究。該研究為試驗確定通信及儀表設備中電火花引燃極限打下了基礎。以此項研究結果為基礎制訂了英國標準BSl259:1945,迄今為止,這項試驗研究結果仍被全文引用到ATEX指令94/9/EC要求的“基本健康與安全要求”中的試驗說明中?;萘趾虰VS主任拜林的密切合作研究的結果,甚至在VDE0170:1926中就規定了設備中不能引起爆炸的火花的極限值。

       

      1.用于直流電和工業交流電的火花試驗裝置

       

             Wheeler使用的試驗裝置在許多國家經過了多次改進,得到了進一步發展。在英國,該裝置為“Brealdlash No.3”;在法國,為“Kclateur Rapide",用于國家標準中的本安試驗。據報道,俄羅斯的該類裝置,是用步槍子彈擊碎導體而產生的電路斷續火花——無獨有偶,與德國人提議的把導線扯開,效果相同。很早就開始嘗試將試驗程序在IEC技術水平等級上進行國際標準化。1967年在IEC31G委員會布拉格會議期間,經過對提交的不同試驗結論的比較,決定采用柏林西門子公司一組工作人員研制的試驗裝置所做的試驗結果。會議記錄中包括對電路參數限制到300V/1.5V/1H。這種以經驗為基礎而研制的試驗裝置的整個技術環境是針對直流電路或工業交流電路,該電路通常用電壓來控制和測量電路。

       

             當時,在危險場所使用過的這種裝置,不可否認,也確實曾經用過較高頻率,例如:用于電容測量方法或用時頻鍵控(TFSK)方法進行數據傳輸。隨后,手持無線電話和其他高頻應用,但在這方面的應用涉及安全的主要是電源電路及輔助電容器和線圈??偟膩碚f,決定不進行與高頻能量有關的高頻元件分析。

       

             對火花試驗裝置的認識:該裝置1965年經標準化后加入VDE0170/0171中,和1977年經標準化后加入EN50020中,以及用于檢驗本安電路等方面。

       

             最重要的里程碑是研究電纜和電線的影響(例如:由Schebsdat進行的那些研究,由電感導致的點燃過程研究,例如:由Vogt進行的研究和Johonnsmeyer進行的點燃火花中能量轉換情況下具有實際相互影響的基本說明,由電容器導致的點燃過程研究。

       

             對提高試驗結果的可重復性和較大電流的適應性,提出最佳處理方案。 對于方法的適用性來說,避免了對通帶上限(上限截止頻率)的特別說明(規定)。起初,在這方面沒有引起過多的擔心,但隨著無線電設備的使用的增多,用更高頻率進行能量傳輸,以及考慮到特殊工業場所,例如:煉油廠附近的無線電發射機,使問題逐漸暴露出來。

       

       2  按IEC 60079—11作為火花發生器的火花試驗裝置

       

             該試驗總的設計構思是:在一個導體斷路和兩個導體短路的情況下,模擬產生火花,用這樣的方式觸頭、觸頭的互相移動及電源在可能的最壞情況條件下,并用較高的往返速率,任何地方都可能產生火花。由簡單電路點燃極限的各種已公布的曲線及比較氣體—空氣混合物最小點燃能量的已知值,我們可在試驗條件下推導出能夠使用的火花試驗裝置電路與能量的對應值。在這一點上,舉例來說,在勵磁線圈通以直流電的情況下,火花中轉換的貯能常常僅有50%,而另一半則消耗在電源的內阻中、接觸簧片組件的電動傳感器和接觸簧片組件本身。

       

             在帶有線圈的電路中,由接觸斷開點和斷開點基點期間形成的火花這一事實,選定了輸入到火花能量的最佳數值。最后,由于提高感應電壓,更長時間抑制了互相間的快速移開。 原始的火花試驗裝置設計圖,清楚地表明了本設計最初是用于直流電源供電的電路的試驗。

       

      3  在頻率達到100kHz的范圍內,能量傳輸的本安電路

       

             早期的研究結果顯示,在交流電路中,當頻率高出幾千赫茲時,點燃要求的電氣參數有所升高。 因為這種效應,在頻率大約100kHz時顯示出明顯的升高,利用高頻可進行能量的本安傳輸。 本安傳輸與高頻的相互關系最初是由在“本安電源基本原理”課題中提出,爾后與BVS在“高頻本安能量傳輸極限的確定研究”項目中得到進一步研究證實。


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