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静电火花试验系统及其静电点火能量计算方法研究

钟杰  
【摘要】:非金属高分子材料作为非电气绝缘材料在矿井下以及其他工业领域得到越来越多的应用。高分子材料表面一经摩擦就容易产生静电,静电积累会给工业生产,特别是煤矿生产带来严重的安全隐患。长期以来,国内外对非电气绝缘材料的抗静电性能检测均采用检测非金属制品的表面电阻率(或体积电阻率)的方法来评判其抗静电性能。这种检测方法虽然简单,但是不能直接反应出非金属制品的抗静电性能。本论文设计了一套非金属制品抗静电性能的静电火花试验系统用于直接检测非金属制品抗静电性能。并通过基于流体-化学的等离子体方法进一步分析了系统内静电火花点火的机理。本文所做工作与结论如下: ①研究设计了一套用于检测非金属制品抗静电性能的静电火花试验系统。根据系统功能与现场试验条件,制定了系统摩擦室、爆炸室的尺寸,确定了试验条件控制系统方案参数,提出了涉及本系统测试分析过程的三大关键技术。 ②计算了试验系统内甲烷-空气混合气体的最小点火能量。分析了不同条件下混合气体的最小点火能影响因素。结果表明:随着电极间距的增大,最小点火能也随之逐渐变大,当间距达到5mm时,点火能量为0.47mJ。 ③提出了基于电磁能量差原理的试验系统火花放电点火能量计算方法。确定了不同条件下用于点火的最大能量。计算了点火能量耦合系数阈值,并通过分布电容矩阵计算了不同情况下点火电压、临界电荷阈值,结果表明:电极间距越大,点燃可燃气体所需达到的点火能量耦合系数越高。在间距为5mm电极间距情况下,点火电压阈值为13.3959kV,临界电荷量为0.0807μC。提出了以临界电荷为特征量的非金属试验材料六级分类方法,论文还设计了静电高压验证试验,试验结果误差为2.16%,验证了本系统的可靠性。 ④建立了基于流体-化学的二维等离子体火花放电模型。从微观粒子间碰撞与化学反应过程的角度出发,仿真分析了火花放电击穿过程。分析了微观粒子间碰撞反应,解释了火花放电过程中火花电弧的发热过程中焦耳热为整个鞘层粒子间的碰撞提供了能量。弹性碰撞和非弹性碰撞使能量从一种粒子转移到另一种粒子或者变成热能耗散出来重新变为焦耳热。从机理上解释了甲烷-空气混合气体火花点火过程中点火能量的来源。


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