爆炸性气体环境下本质安全电路放电理论及非爆炸评价方法的研究

论文摘要

现代化大型煤矿的生产是以大功率电力传动系统为核心构建的掘、采、运、提过程,其综合自动化由传动监控系统、安全监控系统和配电自动化系统等构成,因此智能电器、现场总线技术、弱电自动化设备在井下得到广泛应用,由于本质安全电路的优越特点,人们越来越期望在煤矿综合自动化系统的控制、通信设备中采用本安电气设备。检测电路本安性能必须在火花试验装置上通过爆炸试验实现,为保证设计成功率,设计人员需要在研发过程中掌握设计电路的本安性能,但目前国内外对本安电路放电理论研究较少,本安电路放电理论发展缓慢,造成本安电路设计尤其是电路功率稍高的本安电路设计困难。因此开展本安电路放电理论的系统研究十分必要。另外,若在本安电路放电理论基础上,构造实用的非爆炸本安检测方法,便于设计人员在开发过程中掌握电路本安性能,则可缩短本安产品研制周期、降低成本,具有积极的现实意义。本安放电理论研究属于实验研究范畴,需要通过大量的火花放电爆炸实验来寻找不同电路的放电特性,论文基于IEC火花实验装置研制了本安电路的火花实验系统,充分利用计算机强大的数据分析处理能力,使实验效率及数据分析能力得到有效提高。通过火花实验系统得到的大量爆炸性实验放电波形,论文分析总结出电感性、电阻性、电容性和电感电容混合电路等基础电路在IEC火花实验装置上的典型放电特性,据此建立了基础本安电路的放电模型。电感性电路建立了放电电流指数模型,通过与实际放电波形及放电电流直线模型、静态伏安特性模型、线性伏安特性模型的仿真对比分析,证明直线模型实质上是指数模型的极限形式,放电电流指数模型代表了电感性本安电路断开电弧放电的实际情况。电阻性电路建立了放电抛物线模型,通过与实际放电波形及放电直线模型仿真对比分析,证明了不能简单地将电阻性电路作为电感性电路当L=0时的特例,放电抛物线模型比直线模型更好地描述了放电过程中功率及能量的传递过程。电容性电路建立了放电电压指数模型,电感电容混合电路建立了断开非振荡放电电流抛物线模型与闭合非振荡放电电压常数模型,通过仿真结果与实际放电波形对比分析确认上述模型完全能描述电容性电路和混合电路非振荡放电时功率及能量的传递过程。论文构造了以自适应神经网络模糊推理系统(ANFIS)为核心的本安电路非爆炸评价系统,根据引燃理论确定电路性质、实验气体类型、放电能量、放电瞬时功率最大值、超过平均功率值的能量比、放电时间等特征值作为ANFIS输入特征向量。该系统利用火花实验系统爆炸实验数据提取特征向量进行ANFIS训练,训练成功后利用建立的电路放电模型提取特征向量进行本安电路非爆炸本安性能评价。通过爆炸实验验证,该系统具有较高的评价准确率和实用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述（INTRODUCTION）
• 1.2 本安电路的发展及现状（THE DEVELOPMENT AND CURRENT STATUS OF INTRINSICALLY SAFE CIRCUITS）
• 1.3 本安电路理论研究意义（THE RESEARCH SIGNIFICANCE OF INTRINSICALLY SAFE CIRCUITS THEORY）
• 1.4 本文研究的主要内容（MAIN RESEARCH CONTENTS OF THIS THESIS）
• 2 本安电路的火花实验系统
• 2.1 IEC 火花实验装置（IEC’S SPARK TEST APPARATUS ）
• 2.2 本安电路火花实验简介（A BRIEF INTRODUCTION OF THE SPARK TEST FOR INTRINSICALLY SAFE CIRCUITS）
• 2.2.1 试验用爆炸性混合物（Explosive Mixture for Testing）
• 2.2.2 火花实验装置标定（Calibration of Spark Test Apparatus）
• 2.2.3 火花实验装置的实验（Testing of Spark Test Apparatus）
• 2.3 本安电路火花实验系统（SPARK TEST SYSTEM OF INTRINSICALLY SAFE CIRCUITS ）
• 2.3.1 火花实验系统的结构（Structure of Spark Test System）
• 2.3.2 火花实验系统的控制电路（The Controlling Circuit of Spark Test System）
• 2.3.3 火花实验系统的计算机分析系统（Computer Analysis System of Spark Test System）
• 2.4 小结（SUB-CONCLUSION）
• 3 本安电路的放电与引燃
• 3.1 爆炸性气体的放电引燃（DISCHARGE AND IGNITION OF EXPLOSIVE GASES）
• 3.1.1 热引燃理论（Thermal Ignition Theory）
• 3.1.2 最小引燃能量（Minimus Ignition Energy）
• 3.1.3 影响引燃的其它因素（Other Factors Affecting Ignition）
• 3.2 本安电路的气体放电（GAS DISCHARGE FORMS OF INTRISICALLY SAFE CIRCUIT）
• 3.2.1 火花放电（Spark Discharge）
• 3.2.2 电弧放电（Arc Discharge）
• 3.2.3 辉光放电（Glow Discharge）
• 3.3 小结 （SUB-CONCLUSION）
• 4 简单本安电路放电理论研究
• 4.1 电感性电路放电模型（DISCHARGE MODELS OF INDUCTANCE CIRCUIT）
• 4.1.1 电感性电路放电特性分析（Discharge Characteristic Analysis of Inductance Circuit）
• 4.1.2 电感性电路常见放电模型（Common Discharge Models of the Inductance Circuit）
• 4.1.3 放电电流指数模型的建立（Establishment of Exponential Model of Discharge Current）
• 4.1.4 放电时间分析（Analysis of the Discharge Time）
• 4.1.5 放电功率分析（Analysis of the Discharge Power）
• 4.1.6 放电能量分析（Analysis of Discharge Energy）
• 4.2 电阻性电路放电模型（DISCHARGE MODELS OF RESISTANCE CIRCUIT）
• 4.2.1 电阻性电路放电特性分析（Discharge Characteristic Analysis of Resistance Circuit）
• 4.2.2 放电线性模型的建立（Establishment of Linear Discharge Model）
• 4.2.3 放电抛物线模型的建立（Establishment of Parabole Discharge Model）
• 4.2.4 放电时间分析（Analysis of Discharge Time）
• 4.2.5 放电功率分析 （Analysis of Discharge Power）
• 4.2.6 放电能量分析（Analysis of Discharge Energy）
• 4.3 电容性电路放电模型（DISCHARGE MODELS OF CAPACITANCE CIRCUIT）
• 4.3.1 电容性电路放电特性分析（Discharge Characteristic Analysis of Capacitance Circuit）
• 4.3.2 放电电压指数模型的建立（Establishment of Exponential Model of Discharge Voltage）
• 4.3.3 放电时间分析（Analysis of Discharge Time）
• 4.3.4 放电功率分析（Analysis of Discharge Power）
• 4.3.5 放电能量分析（Analysis of Discharge Energy）
• 4.4 小结（SUB-CONCLUSION）
• 5 混合电路放电理论研究
• 5.1 混合电路放电特性分析（DISCHARGE CHARACTERISTIC ANALYSIS OF COMPOUND CIRCUIT）
• 5.1.1 混合电路断开放电特性分析（Discharge Characteristic Analysis of Open Compound Circuit）
• 5.1.2 混合电路闭合放电特性分析（Discharge Characteristic Analysis of Close Compound Circuit）
• 5.2 混合电路断开非振荡放电模型（NON-OSCILLATORY DISCHARGE MODEL OF OPEN COMPOUND CIRCUIT）
• 5.2.1 模型的建立（Establishment of Model）
• 5.2.2 模型分析（Model Analysis）
• 5.3 混合电路闭合非振荡放电模型（NON-OSCILLATORY DISCHARGE MODEL OF CLOSE COMPOUND CIRCUIT）
• 5.3.1 模型的建立（Establishment of Model）
• 5.3.2 模型分析（Model Analysis）
• 5.4 小结（SUB-CONCLUSION）
• 6 本安电路非爆炸评价系统研究
• 6.1 非爆炸评价系统的构成（STRUCTURE OF NON-EXPLOSIVE EVALUATING SYSTEM）
• 6.2 训练数据生成（TRAINING DATA GENERATION）
• 6.2.1 训练数据的生成（Training Data Generation）
• 6.2.2 小波变换（Wavelet Transformation）
• 6.2.3 基于小波变换的瞬时功率信号降噪（Wavelet Based Instantaneous Power Signal De-noising）
• 6.3 特征向量提取（EXTRACTION OF EIGENVECTOR）
• 6.4 ANFIS 分类器（ANFIS CLASSIFIER）
• 6.4.1 自适应神经网络模糊推理系统（ANFIS）
• 6.4.2 减法聚类算法（Subtractive Clustering Algorithm）
• 6.4.3 基于减法聚类的 ANFIS 开发（ANFIS Development Based on Subtractive Clustering）
• 6.4.4 不同方法构建的 ANFIS 性能比较（Performance Comparison of ANFIS Constructed by different methods）
• 6.5 非爆炸评价系统准确率测试（ACCURACY TEST OF NON-EXPLOSIVE EVALUATING SYSTEM）
• 6.6 非爆炸评价系统软件（SOFTWARE FOR NON-EXPLOSIVE EVALUATING SYSTEM）
• 6.7 小结（SUB-CONCLUSION）
• 7 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集