趙小靜,楊楓

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453000）

新型防爆開關(guān)中消弧特性研究

趙小靜1,楊楓2

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453000）

研究了消除開關(guān)在接通或斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧的問題.通過對防爆開關(guān)的消弧原理進(jìn)行分析,提出在開關(guān)的觸點(diǎn)間添加新型壓敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料來消除開關(guān)產(chǎn)生的電弧,并在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型,對該方法進(jìn)行了仿真研究.結(jié)果證明：可有效扼制防爆開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的電弧.

防爆開關(guān)；電?。粔好艚饘?高分子復(fù)合材料；MATLAB

開關(guān)在通斷的瞬間,由于極高的電壓降和周圍游離的空氣的存在,使開關(guān)產(chǎn)生較強(qiáng)的電弧.電弧的危害非常大,尤其在一些特殊行業(yè)中,如：煤礦行業(yè)、油漆廠或油墨廠等,工作環(huán)境惡劣,空氣中含有大量易燃易爆氣體,開關(guān)產(chǎn)生的電弧容易引起爆炸事故,因此開關(guān)滅弧裝置的好壞直接關(guān)系到行業(yè)安全隱患的大小.新型防爆開關(guān)采用了壓敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料,利用材料的電阻率隨著壓力變化的特性通過簡單的改裝,使防爆開關(guān)從根本上消除了電弧,提高了防爆開關(guān)的安全性.本文對防爆開關(guān)加入新型材料后的消弧效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并在MATLAB/SIMULINK下搭建了仿真模型,對新型防爆開關(guān)的消弧能力進(jìn)行了仿真研究.

1 普通防爆開關(guān)的消弧措施

1.1 電弧產(chǎn)生的原因

普通防爆開關(guān)其實(shí)就是隔離開關(guān),它的工作原理如圖1所示[1].

圖1 普通開關(guān)基本原理Fig.1 The schematic of the switch

在圖1中,開關(guān)的主觸點(diǎn)KM接通的是電壓和電流都比較大的主電路.主觸點(diǎn)在閉合和斷開瞬間相當(dāng)于一個(gè)電容器的兩極板.在開關(guān)斷開情況下,兩觸點(diǎn)間雖有電壓存在,但觸點(diǎn)間的間距d相對于觸電面積A可視為無窮大.

由式（1）可知,主觸點(diǎn)間雖有電場存在,但場強(qiáng)很小,沒有電弧.開關(guān)閉合時(shí),兩觸點(diǎn)間的距離d在極短時(shí)間內(nèi)變?yōu)闃O小,兩觸點(diǎn)間的電場強(qiáng)度E突然增大.當(dāng)E達(dá)到某一值而兩觸點(diǎn)間距d減小到某一值時(shí),根據(jù)量子隧穿和尖端放電原理,突然增大的電場擊穿周圍空氣,于是陰極溢出自由電子加速向陽極運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中撞擊氣體原子分裂出帶電離子使電子流加大,產(chǎn)生溫度很高的電弧.當(dāng)d減為零的瞬間,電流變化率、電弧最大,宏觀表現(xiàn)為電火花.開關(guān)主觸點(diǎn)在通電狀態(tài)下開始斷開時(shí),其產(chǎn)生電弧原理同上.電弧的存在延長了開關(guān)閉合和切斷的時(shí)間,形成電火花,對用電設(shè)備的正常工作產(chǎn)生極大的影響,對于危險(xiǎn)環(huán)境下,電弧的產(chǎn)生極易發(fā)生安全事故[2],所以,開關(guān)要有滅弧裝置來消除電弧.

1.2 普通防爆開關(guān)的消弧方法

一般的開關(guān)都有滅弧裝置,但是安全性不夠高,對于安全性要求高的場所達(dá)不到要求,這樣就需要用到防爆開關(guān).目前,市場上的防爆開關(guān)普遍采用真空滅弧裝置,即把主觸點(diǎn)的設(shè)備裝置密閉在真空容器內(nèi),開關(guān)在閉合和斷開瞬間所產(chǎn)生的電弧在真空容器內(nèi)由于缺氧能很快被熄滅.同時(shí),真空裝置也可隔斷電弧與外界爆炸性氣體接觸的可能,從而起到防爆功能.由此可以看出,這種防爆開關(guān)的質(zhì)量好壞在于真空容器的質(zhì)量.但是,現(xiàn)在防爆開關(guān)真空管的品質(zhì)良莠不齊,管子真空度及觸頭材質(zhì)等質(zhì)量原因也會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管被電弧擊穿或爆裂的現(xiàn)象發(fā)生,所以,這種滅弧方法的安全性有待于進(jìn)一步提高；另外,真空管的生產(chǎn)成本相對較高,使防爆開關(guān)的價(jià)格居高不下.

2 新型防爆開關(guān)的消弧特性

2.1 新型防爆開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型防爆開關(guān)的特點(diǎn)區(qū)別于普通防爆開關(guān)的地方是它的消弧方法不同,結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)即在普通高壓開關(guān)的主觸點(diǎn)的一個(gè)觸頭上添加一層厚度為1.5 mm、電阻對壓力敏感的新型金屬—高分子復(fù)合材料[3],添加后開關(guān)的觸頭結(jié)構(gòu)如圖2所示.它和普通防爆開關(guān)比較起來,沒有了真空裝置,結(jié)構(gòu)更簡單,消弧效果更好,成本更低.

圖2 添加壓敏材料后主觸點(diǎn)Fig.2 Structure of main contactor added with pressure-sensitive composite

2.2 新型復(fù)合材料的導(dǎo)電特性

觸點(diǎn)間添加的新型復(fù)合材料是一種由硅膠-鎳粉固化而成的復(fù)合材料,利用JSM-6390型掃描電鏡（SEM）觀察復(fù)合材料樣品表面形貌如圖3所示.

圖3 電鏡掃描壓敏復(fù)合材料SEMFig.3 SEM image of pressure-sensitive composite

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品在不受壓力的狀態(tài)下,樣品內(nèi)部導(dǎo)電顆粒被高分子絕緣材料所包圍,導(dǎo)電顆粒雖然發(fā)生了一定的團(tuán)簇,且分散的并不是非常均勻,但也并非完全形成導(dǎo)電通路.選用ZC36型高阻儀對一塊4 mm*4 mm*1.5 mm大小樣品常態(tài)電阻進(jìn)行測量,測得樣品電阻在1012Ω左右,即為絕緣狀態(tài).如果對樣品施加軸向壓力,導(dǎo)電顆粒之間的距離逐漸減小,根據(jù)量子力學(xué)原理,得近似公式（2）

式（2）中j（e）是間隙電壓為e、間隙當(dāng)量電導(dǎo)率為j0時(shí)的隧道電流,ω為間隙寬度；|e|＜e0；X=（4πmV0/h2）1/2（其中m為一個(gè)電子的質(zhì)量,h為普朗克常數(shù),V0為勢壘）；e0=4V0/em（e為一個(gè)電子的電荷）,隧道電流是間隙寬度的指數(shù)函數(shù).當(dāng)材料中的多數(shù)勢壘的寬度處于電子能夠貫穿的寬度的臨界值時(shí),復(fù)合材料只要受到很小壓力（如500 g力）,電子就能夠穿過勢壘,形成隧道電流[4-5].用Sundoo數(shù)字輸出測力計(jì)對被測樣品施加均勻軸向壓力,由HP3457A型數(shù)字萬用表直接測量樣品電阻,得出樣品的電阻-壓力曲線[6],如圖4所示.

圖4 復(fù)合材料的電阻-壓力曲線Fig.4 Resistance vs axial pressure curve of the composite sample

從以上實(shí)驗(yàn)得出,新型壓敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料在不受力時(shí)電阻非常高,是良好的絕緣材料；如果對它施加軸向壓力,隨著壓力的增加,材料的電阻會(huì)迅速減小,4.9 N就足以使材料的電阻下降10個(gè)數(shù)量級(jí),這時(shí)材料接近于導(dǎo)體的電阻,是良好的導(dǎo)電材料.

2.3 添加新型材料后防爆開關(guān)的電弧特性

如圖2所示,開關(guān)的觸點(diǎn)間加入了厚度為1.5 mm的復(fù)合材料,在斷電狀態(tài)時(shí),兩觸點(diǎn)間充滿電解質(zhì),觸點(diǎn)不導(dǎo)通.在閉合開關(guān)時(shí),兩觸點(diǎn)吸合,對復(fù)合材料施加壓力,經(jīng)過一定時(shí)間（大約0.5～1 s）兩觸點(diǎn)間電阻從無窮大變?yōu)闃O小值,觸點(diǎn)導(dǎo)通,開關(guān)開始通電工作.這時(shí)觸點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)電容器中間加入了絕緣體.開關(guān)在閉合或分?jǐn)嗟乃查g是否會(huì)產(chǎn)生電火花（電容被擊穿）取決于絕緣體的特性.新型壓敏高分子復(fù)合材料的介電質(zhì)常數(shù)為20[7].

由公式（3）可知,在相同條件下,電容的介電質(zhì)常數(shù)ε越大,電容越大,電容能容納的電荷越多,能承受的場強(qiáng)越大.開關(guān)在工作時(shí),隨著兩觸點(diǎn)間距離d的減小至開關(guān)閉合,如果兩個(gè)觸頭間場強(qiáng)沒有達(dá)到復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng),復(fù)合材料還處于絕緣狀態(tài)就不會(huì)產(chǎn)生電弧,可以達(dá)到消弧的效果,具體情況可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

3 實(shí)驗(yàn)及仿真

為了進(jìn)一步研究新型防爆開關(guān)的消弧效果,采用了軟件仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn).

3.1 壓敏高分子復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

利用鐵電儀提供所需電壓,選擇不同厚度的復(fù)合材料加上電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn),由HP3457A型數(shù)字萬用表直接測量樣品電阻,根據(jù)式（1）可得出樣品的厚度-場強(qiáng)曲線,如圖5所示.

圖5 復(fù)合材料的場強(qiáng)-厚度曲線Fig.5 Thickness of composite versus external electronic field instensity

由圖5可知不同厚度的復(fù)合材料,擊穿場強(qiáng)不同,但相差較小.厚度為1.5 mm的擊穿場強(qiáng)約為10 kV/mm.開關(guān)在加入1.5 mm厚的材料后,上下觸點(diǎn)間距離固定為1.5 mm,由公式（1）可計(jì)算出擊穿電壓為15 kV.即只要開關(guān)間電壓小于15 kV,產(chǎn)生的場強(qiáng)小于復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng),復(fù)合材料還處于絕緣狀態(tài),開關(guān)不會(huì)產(chǎn)生電弧.

新型防爆開關(guān)在加入復(fù)合材料后的消弧效果具體怎樣,通過以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)求證：①對未加入復(fù)合材料的普通開關(guān)電弧特性進(jìn)行仿真；②利用儀器對新型防爆開關(guān)的消弧效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

3.2 實(shí)驗(yàn)仿真

在MATLAB/SIMULINK下搭建了普通開關(guān)工作仿真模型.在仿真時(shí),采用SIMULINK自帶的用戶自定義仿真函數(shù)S編寫程序.

3.2.1 普通開關(guān)對普通開關(guān)未加入新型材料的開關(guān)斷開時(shí)觸頭周圍空氣電導(dǎo)進(jìn)行了仿真,如圖6所示.

由圖6可知,在開關(guān)剛分離時(shí),由于觸頭距離非常近,電場強(qiáng)度很大,使周圍空氣產(chǎn)生電離,電導(dǎo)很大,達(dá)到了35 S,產(chǎn)生了電弧.對開關(guān)在3種不同電壓下的空氣電離情況進(jìn)行了仿真.可以看出,普通開關(guān)在3種電壓下都有電弧產(chǎn)生,即空氣被電離.隨著電壓的升高,空氣電離時(shí)兩觸點(diǎn)之間的距離增大.

3.2.2 新型防爆開關(guān)利用鐵電儀對新型防爆開關(guān)通電,逐漸縮小兩觸點(diǎn)之間的距離,利用萬用表測量每段距離復(fù)合材料的電阻；再改變電壓重復(fù)測量,最終得出電壓只要小于15 kV,每次測量的電阻都趨于無窮大,即材料沒有被擊穿,開關(guān)沒有導(dǎo)通,沒有電弧.

4 結(jié)論

開關(guān)在加入了新型壓敏復(fù)合材料后,避免了電弧的產(chǎn)生,在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)要求選擇添加不同厚度的復(fù)合材料,對于不同的厚度,開關(guān)所承受的電壓不同,本文驗(yàn)證了材料厚度為1.5 mm時(shí)的消弧效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和推論吻合,可以有效消除電弧.從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度上講,制作一塊壓敏金屬—高分子的成本僅需0.1元左右,遠(yuǎn)低于制作一個(gè)密閉性良好的真空器的成本,這樣新型防爆開關(guān)的成本將顯著降低.新型防爆開關(guān)從根本上扼制了電弧產(chǎn)生,提高了防爆開關(guān)安全性,將裝有新型壓敏—金屬高分子復(fù)合材料涂層的防爆開關(guān)觸點(diǎn)部分安裝在封閉腔中,可實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn),把安全隱患將為最低.同時(shí),從經(jīng)濟(jì)效益考慮,降低了開關(guān)的生產(chǎn)成本,使新型防爆開關(guān)無論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性都有一個(gè)突破.

[1]麥崇裔.電氣控制技術(shù)及技能訓(xùn)練[J].北京：電子工業(yè)出版社,2010.

[2]楊光鵒.礦用防爆開關(guān)常見電弧的產(chǎn)生情況及防治措施[J].煤礦安全,2008（10）：98-100.

[3]常方高,楊楓.一種壓敏導(dǎo)電橡膠及其制作工藝：中國,200710054951.7[P].2007-08-03.

[4]Bloor1 D,Donnelly K,Handsl P J,et al.A metal polymer composite with unusual properties[J].J.Phys.D：Appl.Phys,2005,38（16）：2851-2860.

[5]熊傳溪,聞獲江.聚合物基導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,1998（5）：36-38.

[6]Chang F G,Yang F,Wang S X,et al.Enhanced piezoresistivity in Ni-silicone rubber composites[J].Chinese physics B,2009,18（2）：652-657.

[7]方俊鑫,殷之文.電介質(zhì)物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,1989：120-123.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Eliminate the arc for the explosion-proof switch

Zhao Xiaojing1,Yang Feng2
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Henan Normal University,Xinxiang 453000,China）

Electric arc at the moment of switch turning on or off is studied.By means of analyzing the theory of arc suppression,the new pressure-sensitivity metal polymer composite to the two pieces of electrode of the switch was added.The simulating module is made by MATLAB/SIMULINK.The main circuit's parameters are optimized by simulating.It proves that the arc could be eliminated well as the switch turning on or off.

explosion-proof switch；spark；pressure-sensitivity metal-polymer composite；MATLAB

TM561.5

A

1008-7516（2013）06-0050-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.06.013

2013-09-02

趙小靜（1975-）,女,河南焦作人,講師.主要從事自動(dòng)化控制研究.