专利名称：续弧式高能静电点火器及其控制方法
技术领域：
本发明属于电子点火器技术领域，特别涉及一种续弧式高能静电点火器及其控制方法， 应用于可燃性气体、可燃性雾状液体以及可燃性粉尘云点火领域。
背景技术：
粉尘爆炸特性参数测试使用的点火源一般有两种，即静电点火源和化学点火源(也称
化学点火头)。目前普遍使用的静电点火源所能产生的能量一般较小，为0.1mJ 10J左右， 而化学点火头的能量比较大， 一般在2KJ 100KJ的级别。
常见的静电点火系统主要分成两种情况 一种是采用电容-电感放电电路；另一种是采用 电容-电阻放电电路。其中电容-电感放电电路主要包括(l)三电极辅助火花发生系统；(2) 电极移动触发系统；(3)电压增加触发系统；(4)辅助火花触发双电极系统。而电容-电阻放 电电路主要包括(1)自然衰减型电容放电火花发生系统；(2)方波火花发生系统。但这些 方案都是直接放电方式，即高压储能电容通过一个元器件在电极间释放能量，如图1所示， 其所能产生的能量由高压储能电容储能大小所决定，而一般高压储能电容其电容值都是比较 低的。例如一个耐压值为30KV的1000pF的电容，根据电容储能公式E^.5Cl/可以算出其储 能只有0. 45J。
若想进一步得到储能为IOOJ的电容器，则需要将200多个这样的高压电容并联起来，其 最终体积也相应变为单个的200多倍，这样制作设备和维护的成本就很高，且移动不便。因 此这些常见的静电发生系统一般只用于小能量的点火工作。而要产生大能量电火花，就不能 用直接放电的方法，而是采用间接放电的方法，即采用续弧放电方式。
续弧放电方式基本原理是高压击穿、低压续弧。由于在正常室内环境中，击穿电极间 空气所需的电压和电极距离的关系一般是30KV/cm，而在空气击穿前后，间隙的电阻变化很 大，从几百兆欧姆降低到几百欧姆，也就是说在空气被击穿以后处于相对低电阻状态。所以 在电极间隙被击穿以后可以用几百伏特的直流电压进行续弧，继续放电。
续弧放电电路主要由点火电路和续弧电路组成，如图2所示，续弧电路中的二极管Dl和 点火电路中的二极管D2都是耐压30KV的高压硅堆，其允许通过的最大电流分别为2A和0. 1A， D2是为了阻止放电电流进入点火器将点火器打坏，Dl则是防止点火器产生的高压脉冲串入放 电电路中，导致电极间的空气不能被击穿而损坏电路中的其他器件，起到保护作用。该电路中的点火器可以产生10KV瞬时高压脉冲，其产生的瞬时高压可以将电极间的空气击穿，使之 形成通路；续弧电路中的电容C是一个低压大电容， 一般由800V的直流电源为其充电，假若 其电容值为33uF，充电到800V时其储能为10.56J，相比那些常见的静电点火系统在能量方 面有了很大的提升。
这种传统的大能量电火花发生系统都是利用二极管使点火电路和续弧电路之间互不影 响，但由于续弧电路在续弧放电瞬间产生的电流极大，当续弧能量达10J以上时，电路中就 能产生百安培级别的电流，而一般的二极管不能承受如此大的电流，即这个电流级别已经超 过普通二极管的承受极限，严重限制了大能量点火系统的能量提升空间，也就是说，采用二 极管的传统续弧电路所能产生的电火花能量被限制在100J以内。
目前普遍使用的化学点火源，采用雷管引燃炸药爆炸实现千焦能量以上的大能量点火。 这种点火方式由于使用了雷管和炸药，因此在使用和运输方面都很不安全；另外，它通过改 变炸药的量来控制点火能量，使这种点火方式存在极大的安全隐患；同时每次完成点火任务 后都得更换点火头才能进行下一次的点火任务，其成本消耗较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种续弧式高能静电点火器及其控制方法。 本发明续弧式高能静电点火器由充电回路、点火回路、续弧回路和泄放回路组成。 充电回路包括第l电源、第2电源；点火回路由高压电容C1、启动开关S1和电极组成；
续弧回路由低压电容C2、续弧电感L和电极组成，其中，低压电容C2用来控制电火花的能 量大小，续弧电感L用来调节电火花的放电时间；泄放回路由泄放电阻R和泄放开关S4组成。
电源1的正极和高压充电开关S2串联后，再与高压电容Cl并联,形成高压充电回路；Cl 串联启动开关S1之后与电极并联，形成点火回路。
第2电源的正极和低压充电开关S3串联后，与低压电容C2并联，形成低压充电回路 低压电容C2再与泄放开关S4、泄放电阻R并联，其中泄放开关S4和泄放电阻R串联，形成 泄放回路；
低压电容C2串联续弧电感L之后与电极并联，形成续弧回路。
上述连接中的点火回路中的电极和续弧回路中的电极是同一电极。该电路中第l电源、 第2电源、高压电容C1和低压电容C2的负极以及电极的一端都接地。
所述的充电回路中的第1电源为高压直流电源，其电源电压范围为5 50KV;充电回路 中的第2电源为高压直流电源，其电源电压取值范围为0. 1 10KV。
所述的放电回路和续弧回路中的电极为同一电极，由钨棒材制成，直径为1 3mm，锥角为30 45°。两电极尖端相对放置，并处于同一直线方向上，其间距在1 10mm之间。
所述的高压电容C1的电容值为1 100nF，其耐压值在10KV以上；所述的低压电容C2 的电容值为任意值，其耐压值在800V以上。
所述的低压电容C2用来控制电火花的能量大小，是指由于点火电路中的高压电容C1储 能极小，而且电路中存在的额外电容所能储能也极小，因此这些部分的能量可以忽略不计， 即在电极间所释放的能量主要由续弧回路中的低压电容C2释放，因次只需改变C2的电容值， 就可以控制电火花的能量大小，通过电容储能公式5=0.5012计算能量大小。
所述的续弧电感L的作用和以往续弧电路中二极管的作用基本一致，可以防止点火回路 产生的高压脉冲串入续弧回路中，从而使电极间的空气不能被击穿；其次可以用来调节电火 花的放电时间，是指当电感值越小，电火花的放电时间越短，当电感值越大，电火花的放电 时间越长，电感值不能过小或者过大，否则会导致续弧不成功。续弧电感L的电感值的范围 在0.5 10mH。
本发明续弧式高能静电点火器的控制方法步骤如下
步骤l、断开电路中所有开关，使电路处于初始状态。
步骤2、关闭高压充电开关S2，为点火回路中的高压电容C1充电；关闭低压充电开关 S3，为续弧回路中的低压电容C2充电。
步骤3、关闭点火回路中的启动开关S1，在触发点火过程的同时系统自动切断充电回路， 实现续弧放电，进行点火；
步骤4、点火过程结束后，系统自动切断启动按钮S1，此时所有丌关处于断开状态。关 闭泄放开关S4，进行泄放工作，即可将低压电容C2中的剩余电量释放。
有益效果采用高压电容替代传统电路的点火器，即使用高压电容C1放电击穿电极间的 空气，这种静电点火系统在实验中所产生的电火花释放的能量目前能达到8000J以上，提高 了传统电点火器的点火能量；取消了传统续弧电路中的二极管，而在续弧电路中放置电感元 件L,可以防止点火回路产生的高压脉冲串入续弧回路中，从而使电极间的空气不能被击穿， 与传统方式相比，更加安全、方便、可靠。
图l、为本发明背景技术中直接放电方式的电路基本原理图。 图2、为本发明背景技术中间接放电方式电路基本原理图。 图3、为本发明实施例的电路原理图。
具体实施方式
将续弧式高能静电点火器集成于粉尘云最小点火能测试系统上，作为粉尘云的点火源。 该系统由爆炸装置、PLC控制系统、触摸屏人机接口、上位机PC机以及静电点火系统组成。 将续弧式高能静电点火器的电极端安装在20L球型爆炸装置上，在点火过程中将在20L球型 爆炸装置里产生电火花，释放出巨大能量，并发出强烈的光线。
图3为本实施例续弧式高能静电点火器的电路原理图。主要由充电回路、点火回路、续 弧回路和泄放回路组成。
充电回路包括第1电源和第2电源。第1电源为点火回路中的高压电容Cl充电，其电 源的电压范围为5 50KV;第2电源为续弧回路中的低压电容C2充电，其电源的低压范围 为0.1 10KV。第1电源和第2电源采用恒流电源，二者均为直流电源。这样可以縮短对大电 容值电容的充电时间。
点火回路主要由高压电容C1、启动开关S1和电极组成。高压电压C1的电容范围为 1 100nF，其耐压值在10KV以上；启动开关S1采用高压陶瓷继电器开关；电极由钨棒材制 成直径为l 3mm，锥角为30 45度，两电极尖端相对放置，并处于同一直线的方向上，其间 距在1 10mm之间。
续弧回路由低压电容C2、续弧电感L以及电极组成。低压电容C2的电容值范围为任意 值，其耐压值在800V以上；续弧电感L为0.5 10mH之间的无芯电感；电极与点火回路中的 电极是同一电极。
泄放回路由泄放电阻R和泄放开关S4组成，其中，泄放电阻R采用大功率电阻，泄放 开关S4采用高压陶瓷继电器开关。
续弧式高能静电点火器的控制方法如下
步骤l、断开电路中所有开关，使电路处于初始状态；
步骤2、关闭高压充电开关S2，第1电源为点火回路中的高压电容C1充电，由于高压 电容C1的电容值极小，故l分钟内就能充满；关闭低压充电开关，第2电源为续弧回路中 的低压电容C2充电，由于低压电容可选不同的电容值，故其充电时间长短也不同，可通过 安装在低压电容C2上的电压显示表来判定何时充电完成；
步骤3、充电结束后，关闭启动开关S1，在触发点火过程的同时系统自动切断充电回路， 即断开高压充电开关S2和低压充电开关S3，实现续弧放电，进行点火；
步骤4、点火结束后，系统自动切断启动开关S1，此时所有开关处于断开状态。关闭泄 放开关S4，进行泄放工作，即将低压电容C2中的剩余电量释放掉，以准备下次点火操作。 根据设置的泄放时间，时间结束后系统自动断开所有开关，此时恢复初始状态。
权利要求
1、一种续弧式高能静电点火器，其特征在于由充电回路、点火回路、续弧回路和泄放回路组成；充电回路包括第1电源、第2电源；点火回路由高压电容C1、启动开关S1和电极组成；续弧回路由低压电容C2、续弧电感L和电极组成，其中，低压电容C2用来控制电火花的能量大小，续弧电感L用来防止点火回路产生的高压脉冲串入续弧回路中，并调节电火花的放电时间；泄放回路由泄放电阻R和泄放开关S4组成，第1电源的正极和高压充电开关S2串联后，再与高压电容C1并联，形成高压充电回路；C1串联启动开关S1之后与电极并联，形成点火回路；第2电源的正极和低压充电开关S3串联后，与低压电容C2并联，形成低压充电回路；低压电容C2再与泄放开关S4、泄放电阻R并联，其中泄放开关S4和泄放电阻R串联，形成泄放回路；低压电容C2串联续弧电感L之后与电极并联，形成续弧回路；该电路中第1电源、第2电源、高压电容C1和低压电容C2的负极以及电极的一端都接地。
2、 根据权利要求1所述的续弧式高能静电点火器，其特征在于所述的点火回路和续弧 电路中的电极是指同一电极，由钨棒材制成，直径为l 3mm，锥角为30 45°，两电极尖端 相对放置，并处于同一直线方向上，其间距在l 10mm之间。
3、 根据权利要求1所述的续弧式高能静电点火器，其特征在于所述的充电回路中的第 1电源为高压直流电源，其电源电压范围为5 50KV;充电回路中的第2电源为高压直流电源， 其电源电压取值范围为0. 1 10KV。
4、 根据权利要求l所述的续弧式高能静电点火器，其特征在于所述的高压电容C1的 电容值为l 100nF，其耐压值在10KV以上；所述的低压电容C2的电容值为任意值，其耐压 值在800V以上。
5、 根据权利要求1所述的续弧式高能静电点火器，其特征在于所述的续弧电感L用来 防止点火回路产生的高压脉冲串入续弧回路中，并调节电火花的放电时间，其电感值的范围 在O. 5 10mH。
6、 权利要求1所述的续弧式高能静电点火器的控制方法，其特征在于步骤如下 步骤l、断开电路中所有开关，使电路处于初始状态；步骤2、关闭高压充电开关S2，为点火回路中的高压电容C1充电；关闭低压充电开关S3，为续弧回路中的低压电容C2充电；步骤3、关闭点火回路中的启动开关S1，在触发点火过程的同时系统自动切断充电回路， 实现续弧放电，进行点火；步骤4、点火过程结束后，系统自动切断启动按钮S1，此时所有开关处于断开状态，关 闭泄放开关S4，进行泄放工作，即可将低压电容C2中的剩余电量释放。
全文摘要
一种续弧式高能静电点火器及其控制方法，属于电子点火器技术领域。由充电回路、点火回路、续弧回路和泄放回路组成。充电回路包括第1电源、第2电源；点火回路由高压电容C1、启动开关S1和电极组成；续弧回路由低压电容C2、续弧电感L和电极组成；泄放回路由泄放电阻R和泄放开关S4组成。采用高压电容替代传统电路的点火器，使用高压电容C1放电击穿电极间的空气，产生的电火花释放的能量目前能达到8000J以上，提高了传统电点火器的点火能量；取消了传统续弧电路中的二极管，而在续弧电路中放置电感元件L，可以防止点火回路产生的高压脉冲串入续弧回路中，从而使电极间的空气不能被击穿，与传统方式相比，更加安全、方便、可靠。
文档编号F23Q3/00GK101639229SQ200910013289
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者李只贝, 李新光, 钟圣俊 申请人:东北大学