粉尘云最小点火能量是衡量粉尘点火敏感性的重要指标之一.目前，国内外粉尘云最小点火能量是以电容上储存的能量作为火花放电能量进行测试的，但是在火花间隙放出的能量和电容上储存的能量存在较大差别.精确测量火花间隙的实际放电能量，并对放电速率进行控制，对最小点火能的测量研究有重要意义.

最小点火能是指能够引起粉尘云(或可燃气体与空气混合物)燃烧(或爆炸)的最小火花能量，也称为最小火花引燃能或者临界点火能.

最小点火能的理论放电能量以电容存储能量为准，计算方法如下^[1]：

而最小点火能的实际放电能量是通过采集放电电压及放电电流，然后通过对放电功率的积分来计算：

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 数据采集系统原理图 Fig. 1 Schematic of the data acquisition system

火花放电能量精确控制系统的基本原理是高压触发，低压续弧，亦称为方波发生系统.如图 2所示，电极左侧为触发回路，右侧为续弧回路，这里触发电容的容值相对较小，通过式(1)计算，保证触发回路的放电能量相对于续弧回路的放电能量可以忽略，所以放电能量来自于续弧回路.在充电过程中，电容储存能量远远大于实际放电能量，因为限流电阻会消耗掉很大一部分能量.放电过程中，通过对多余能量的及时泄放以及放电时间的精确控制，实现对放电能量的精确控制.由于电路中存在继电器，其机械触点的动作时间误差较大，所以在正式实验之前，需要对放电时间进行2~3次的校正，以获得所需能量对应的放电时间点.电路中剩余能量的泄放由IGBT来完成，因其具有高速开关及耐高压大电流的特性，可以很好地完成实验要求^[2].电路工作过程如下：①设定触发电容和续弧电容的充电电压；②设定放电时间、实际延时差及点火延时；③对触发电容及续弧电容组进行充电；④点火并完成电压泄放.整个控制系统由PLC与触摸屏构成，完成对电路的智能控制.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 火花放电能量精确控制系统原理图 Fig. 2 Schematic of the accurate control system of spark discharge energy

本文实现了1J，10J，100J的能量精确控制，其中，1J能量控制误差为±10 % ，10J与100J能量控制误差为±5 % .能量精确控制主要与两方面有关：放电时间与点火电极.其中点火电极对能量精确控制有着至关重要的影响，由于高压放电是一个热量快速释放的过程，所以点火时会对电极造成损耗，能量越大损耗越严重^{[3, 4, 5, 6]}.目前，点火电极主要有两种材料：铜电极与钨银电极.钨银合金硬度高，抗氧化能力强，在相关实验中比较受欢迎；但是钨银合金价格较高，适用于能量较小的场合^[7].这里，采用100J能量点火时，采用铜电极，如图 3所示.每次点火之后，换用新电极，所以对电极的要求较高，需要对其进行精加工，保证每对电极形状一致.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 100J能量放电前、后的铜电极 Fig. 3 Copper electrodes of discharge energy of 100J

采用10J能量点火时，为了降低实验成本，采用钨银电极，如图 4所示.这里，由于多次点火会导致电极氧化，所以目前在电极经过一次打磨加工之后，10J能量重复放电最少可以达到40次.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 钨银合金电极 Fig. 4 W-Ag alloy electrode

采用1J能量放电时，放电电极采用铜电极，如图 3所示.由于能量相对较小，对电极损耗较轻，可以保证电极的重复使用，提高了点火次数.

目前实现了三个级别的能量精确控制，并且放电时间可控，图 5给出了放电时电压电流的波形.不同条件下的放电能量数据见表 1~表 5.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 实验采集曲线 Fig. 5 Curves of the experiment

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 100J放电能量数据 Table 1 Data of discharge energy of 100J 序号 截断时间/ms 实际放电能量/J 误差/ % 1 148 98.3 1.72 2 148 98.0 1.98 3 149 100.8 0.80 4 150 103.4 3.40 5 151 104.1 4.10 注：温度23.5℃，湿度36 % ，电极间距3mm.

表1 100J放电能量数据 Table 1 Data of discharge energy of 100J

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 10J放电能量数据(I) Table 2 Data of discharge energy of 10J(I) 序号 截断时间/ms 实际放电能量/J 误差/ % 1 53.2 10.0 0 2 52.1 9.8 2 3 51.4 9.6 4 4 51.4 9.8 2 5 51.2 9.7 3 注：温度17.2℃，湿度39 % ，电极间距2mm.

表2 10J放电能量数据(I) Table 2 Data of discharge energy of 10J(I)

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 10J放电能量数据(II) Table 3 Data of discharge energy of 10J(II) 序号 截断时间/ms 实际放电能量/J 误差/ % 6 69.3 9.9 1 7 69.4 10.0 0 8 69.3 10.0 0 9 67.6 10.0 0 10 69.4 9.9 1 注：温度20.8℃，湿度52 % ，电极间距2mm.

表3 10J放电能量数据(II) Table 3 Data of discharge energy of 10J(II)

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 1J放电能量数据(I) Table 4 Data of discharge energy of 1J(I) 序号 截断时间/ms 实际放电能量/J 误差/ % 1 4.71 1064 6.4 2 4.52 1008 0.8 3 4.97 948 5.2 4 4.86 1031 3.1 5 4.56 978 2.2 注：温度24.3℃，湿度35 % ，电极间距2mm.

表4 1J放电能量数据(I) Table 4 Data of discharge energy of 1J(I)

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 1J放电能量数据(II) Table 5 Data of discharge energy of 1J(II) 序号 截断时间/ms 实际放电能量/J 误差/ % 6 8.63 1030 3 7 8.35 995 0.5 8 8.53 1015 1.5 9 8.56 1002 0.2 10 8.40 989 1.1 注：温度23.7℃，湿度38 % ，电极间距3mm.

表5 1J放电能量数据(II) Table 5 Data of discharge energy of 1J(II)

本文进行了不同能量输入速率对铝粉粉尘云最小点火能的影响实验^[8]，具体条件如下：①温 度为24.2℃，湿度为40 % ；②电极为铜电极，电极间距为2mm；③ 5ms时续弧电压为300V，限流电阻为30.7Ω，续弧电容为577μF，存储能量为26.0J，8ms时续弧电压为370V，限流电阻为41.2Ω，续弧电容为111.9μF，存储能量为7.7J；④试样处理方法采用粉碎和筛分的方式，样品粒径为8~13μm；⑤测试装置为哈特曼管，分散压力为0.6MPa，测试标准为ASTM E2019^[9]；⑥粉尘质量为2g，粉尘质量浓度为1.67g/L；⑦实际放电能量为1J.实验结果见表 6.

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 1J不同放电时间测试结果比较 Table 6 Comparison of the test results with different discharge time in the condition of 1J 设定截断时间/ms 点火延时/ms 点燃效果 点火次数 5 30 是 3 8 30 否 10 8 60 是 9

表6 1J不同放电时间测试结果比较 Table 6 Comparison of the test results with different discharge time in the condition of 1J

表中的点火延时是指从粉尘云产生到电极放电之间的时间差，调整这个时间的目的是改变粉尘云的湍流度，因为不同的粉尘云湍流度是不一样的，所以当采用哈特曼管装置进行粉尘云最小点燃能量测试时，采用4个延时档位：30，60，90和120ms.

在测量粉尘云最小点燃能量实验时，每种粉尘浓度在同一能量、同一点火延时条件下，测试次数为10次(如果粉尘没有被点燃，则测试10次，如果粉尘被点燃，则测试结束).由上表可以看出，在1J点火能量，放电时间为5ms(实际不到5ms，见表 4)、点火延时为30ms时，粉尘云被点燃，放电时间为8ms、点火延时为30ms时，10次之内粉尘云没有被点燃；而在放电时间为8ms、点火延时为60ms时，粉尘云在第9次点火时被点燃^{[9, 10]}.

由此可见，粒度为8~13μm的铝粉，在1J放电能量时，放电时间越短，粉尘云越容易被点燃，说明铝粉在能量输入速率较高时相对于能量输入速率较低时容易点燃.

由于不同的粉尘性能不一致，所以如果研究能量输入速率对某一种粉尘云的点燃效果的影响，就需要通过实验来测试，而不能通过某一种或者几种粉尘云的点燃效果来衡量其他粉尘的性能.

1) 在一定条件下，火花放电能量的精确控制是切实可行的，并且与放电时间和点火电极密切相关，其中，100J与10J能量误差为5 % ，1J能量误差为10 % ，在同一放电能量级别下，可以实现不同的能量输入速率.

2) 对于同一种粉尘，在同一测量条件下，同一能量的不同输入速率对粉尘云最小点火能有影响.