單片交換機開關電源防爆設計及功能

　　摘 要： 本文針對井下通信系統(tǒng)的電源配置進行了全面的分析和研究。按照電信電源的基本要求，結合煤礦實際情況，首次對井下通信系統(tǒng)交換機的電源結構、供電形式、電磁兼容、防雷及接地等進行了全面的分析和研究，設計了井下通信基站本質安全防爆直流開關穩(wěn)壓電源及備用電源系統(tǒng)，給出了完整的設計步驟和計算方法，并進行了電路實驗，驗證了電源系統(tǒng)的合理性和結論的正確性。
　　關鍵詞： 煤礦用直流穩(wěn)壓電源 井下通信專用開關電源本質安全
　　
　　1.引言
　　煤礦用直流穩(wěn)壓電源是保證煤礦監(jiān)控系統(tǒng)安全、有效、準確工作的重要設備。它廣泛應用于井下通訊、信號采集處理、過程監(jiān)控等環(huán)節(jié)，它的技術先進性、功能適應性，以及產品的質量對整個系統(tǒng)的可靠性和性能價格比有著重要的影響。根據(jù)資料顯示，電子設備的故障大約70%是由于電源引起的［１］。所以，直流穩(wěn)壓電源的性能將直接影響煤礦的安全生產。
　　2.通信電源系統(tǒng)及電磁兼容和防雷設計
　　通信電源系統(tǒng)由交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)組成，交流供電系統(tǒng)由主用交流電源、備用交流電源、高壓開關柜、電力降壓變壓器、低壓配電柜、低壓電容器屏和交流調壓穩(wěn)壓設備及連接饋線組成的供電總體［２］。由整流設備、直流配電設備、蓄電池組、直流變換器、機架電源設備和相關的配電線路組成的總體稱為直流供電系統(tǒng)［３］。
　　根據(jù)對象不同，可采取不同的供電方式，主要供電方式有：整流器獨立供電方式，也稱沒有蓄電池的直流供電方式。電信系統(tǒng)經過整流器，從市電直接獲得直流電的供電。高頻開關整流器，也稱無工頻變壓器整流器［４］，主要有三部分組成：主電路、控制電路和輔助電源。
　　電磁兼容（EMC）是表示一種狀態(tài)的特征，即各種電氣設備正常工作互不干擾，它們對其它電氣設備不產生電磁干擾，并具有抗外界電磁干擾的能力，因而在同時運行時，各自的功能不受到影響，同時也不受到自然電磁現(xiàn)象［５］，如閃電雷擊的影響。
　　電磁騷擾分為傳導騷擾和輻射騷擾。
　　（1）騷擾限值
　　電源端口傳導騷擾值。當采用準峰值檢波測試儀所測試的騷擾值不大于平均值限值時，則認為受試單元滿足了兩種極限值，就不必在用平均值檢波測試儀進行測試。如果測試儀上所示讀數(shù)在極限值附近波動，則讀數(shù)的觀察時間不少于15s，記錄最高讀數(shù)，孤立的瞬間高值讀數(shù)忽略不計。電信電源設備信號/控制端口的傳導騷擾限值待定。
　?。?）輻射騷擾限值
　　在電源系統(tǒng)中經常受到過電壓的干擾，過電壓產生于下列主要原因。
　?。?）雷電過電壓，包括受直擊雷和感應雷產生的雷電過電壓。
　?。?）電源系統(tǒng)內部過電壓，包括工頻過電壓、操作過電壓和諧波過電壓。
　　按照YD5078—98通信行業(yè)標準《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術規(guī)定》根據(jù)電源設備安裝地點條件和額定工作電壓的不同，在電信工程中，電源系統(tǒng)按耐雷電沖擊指標分為5類。氧化鋅壓敏電阻是電信電源設備主要采用的避雷器，由于它性能優(yōu)越、結構簡單、小型可靠，得到廣泛應用，并有替代過去使用閥式避雷器的趨勢。壓敏電阻的規(guī)格以壓敏電阻值和耐流能力表示。主要技術指標有沖擊擊穿電壓、殘壓和耐流能力，與放電管比較，響應速度快，耐流能力可達10 K（8/20 μs電流波形）。
　　作為本質安全防爆開關電源，其設計和評價本質安全電路的基本依據(jù)是電火花的最小點燃能量。當電路中的電火花能量達到一定數(shù)量級時，將會引燃爆炸性混合物，造成不可估量的損失。因此，在設計本質安全防爆開關電源時，必須嚴格按照本質安全防爆的要求進行設計，也就是其放電火花能量不能大于最小點燃能量。
　　3.電信電源設備和系統(tǒng)的可靠性分析
　　可靠性就是在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內完成規(guī)定功能的能力?？煽啃詫τ陔娦攀种匾@是因為電信設備乃至由它構成的電信系統(tǒng)日趨電子化，電信設備乃至由它構成的電信系統(tǒng)越復雜，出現(xiàn)故障的概率越高。
　　可靠度，產品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力的概率稱為該產品的可靠度。
　?。?）平均失效率
　　λ（t）==
　　將上式改寫成微分方式，得到：
　　λ（t）=-
　?。?）平均壽命與平均維修時間。使用壽命是產品在規(guī)定的條件下從規(guī)定時刻開始，到失效密度變到不可接受或產品的故障被認為不可修理時的時間區(qū)間。
　　根據(jù)可靠度的定義，一種產品在t時刻內正常工作的概率為R（t），則按照統(tǒng)計理論，該產品壽命的數(shù)學期望值亦即使用壽命T可表示為：
　　T=?蘩R（t）dt=?蘩edt=
　　電信電源系統(tǒng)的可靠性估算。
　　對于電源系統(tǒng)，則要根據(jù)具體的電路結構、構成系統(tǒng)各種電源設備在考察情況下的可靠性用估算的方法估算其可靠性。為此，必須把物理結構的供電系統(tǒng)圖，改變成表示構成電源系統(tǒng)的各個部分在電路中關于可靠性的邏輯關系的方框圖。其供電方框圖如圖1所示。
　?。?）交流電源部分的穩(wěn)態(tài)不可用度U和平均恢復前時間MTTR。二類市電的年穩(wěn)態(tài)不可用度應小于3×10，平均故障持續(xù)時間應不大于6h；柴油發(fā)電機組運行過程中的故障率極低，其平均失效間隔時間MTBF應不小于600 h，遠低于啟動失敗率，可靠性估算中可予忽略。由于市電與柴油發(fā)電機組并聯(lián)，再與交流配電屏串來聯(lián)，先計算并聯(lián)柴油發(fā)電機組的U。
　　計算市電與柴油發(fā)電機組并聯(lián)的MTTR為：
　　MTTR===0.462
　　由于市電與柴油發(fā)電機組并聯(lián)后，再與交流配電屏串聯(lián)，故交流電源部分的平均恢復前時間MTTR為：
　　MTTR=
　　==0.534
　?。?）整流器以前部分的穩(wěn)態(tài)不可用度U和平均恢復前時間MTTR。首先計算兩臺整流器并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)不可用度Uzs。
　　單臺整流器的平均失效間隔時間MTBF為5×10 h。由以下公式可求出單臺整流器的MTTR：
　　U=
　　MMTR==0.33（h）
　　由于兩臺整流器并聯(lián)，故：
　　MTTR=×0.33=0.165（h）
　　交流電源部分與整流器串聯(lián)，故整流器以前部分的穩(wěn)態(tài)不可用度U為：
　　U=U+U=4×10+ 4.356×10≈ 4×10
　　整流器以前部分的MTTR為：
　　MTTR=
　　==0.534
　　4.主電路設計
　　4.1充放電控制電路的設計
　　系統(tǒng)選擇的STSR12M7.0AT型蓄電池在使用時要防止過充電和過放電，一般限制在±10%左右的額定電壓以內。對于12 V的鉛酸蓄電池，其充電電壓最高為13.2 V，最低放電電壓為10.8 V，三個12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)使用時，則最高充電電壓為39.6V，最低放電電壓為32.4 V。
　　4.2DC/DC變換器的設計
　　AC/DC是交流和直流連接部，此時的額定電壓為220/380ACV，模擬雷電壓沖擊波電壓峰值為2.5kV（1.2/50μs），模擬雷電流沖擊波電流峰值為1.25 kA（8/20 μs）。選擇相應的避雷器產品滿足其要求［６］。
　　單片開關式集成穩(wěn)壓器被譽為新型高效節(jié)能穩(wěn)壓電源，其電源效率可達90%以上。由于它把開關電源所需的基準電壓源、鋸齒波發(fā)生器、脈寬調制器（PWM）、功率輸出級（即開關功率管）和各種保護電路全部集成在芯片中，實現(xiàn)了單片集成化，因此它在各種開關電源中的集成度最高、功能最全、性能優(yōu)良而外圍電路非常簡單［７］。
　　5.結語
　　煤礦用直流穩(wěn)壓電源是保證煤礦監(jiān)控系統(tǒng)安全、有效、準確工作的重要設備。長期以來一直是井下監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的關鍵所在。它廣泛應用于井下通訊、信號采集處理、過程監(jiān)控等環(huán)節(jié)，它的技術先進性、功能適應性，以及產品的質量對整個系統(tǒng)的可靠性和性能價格比有著重要的影響。
　　本文創(chuàng)新點：針對煤礦井下濕度大、礦塵大、電磁干擾大，以及空間小、工作場所分散等這些特殊要求，設計了井下通信專用開關電源，符合本質安全型輸出的要求，特別是本質安全信號在傳輸電纜斷裂等各種故障情況下，均不能導致燃燒和爆炸事故的發(fā)生。還可在75%—115%的輸入電壓范圍內能穩(wěn)定工作，并有足夠的功率輸出，滿足不間斷供電，安裝使用也比較方便，可靠性和供電質量都非常高。
　　
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　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”