礦用本質(zhì)安全型電氣產(chǎn)品隔離電路設(shè)計方法研究

左官芳

摘 要：本質(zhì)安全電路是指標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。由于其具有體積小，重量輕，價格優(yōu)惠、方便運輸和攜帶等優(yōu)點，越來越受到如煤礦、化工等特殊行業(yè)的青睞。本質(zhì)安全電路中隔離電路的設(shè)計在分析和實現(xiàn)電路的本質(zhì)安全性能方面又起到了重要作用，是其決定性因素，因此本安電路隔離的使用也越來越受到設(shè)計者的重視，該文重在闡述礦用本安產(chǎn)品的隔離電路要求和設(shè)計要點，為設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全電路 隔離 設(shè)計 分析

中圖分類號：TD621 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0100-02

隨著煤礦形勢的不斷變化和發(fā)展，尤其目前煤炭行業(yè)持續(xù)低迷的困難時期，本質(zhì)安全電氣產(chǎn)品由于其具有體積小，重量輕，價格優(yōu)惠、方便運輸和攜帶等優(yōu)點，越來越受到客戶的青睞。該文重在闡述礦用本安產(chǎn)品的隔離電路設(shè)計要點，為設(shè)計人員提供參考。

1 本質(zhì)安全電路和隔離的概念及意義

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，本質(zhì)安全電路的定義是：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，包括正常工作和規(guī)定的故障條件，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路[1]。計數(shù)故障的定義是：符合本標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)要求的電氣設(shè)備的部件上出現(xiàn)的故障[1]。非計數(shù)故障的定義是：不符合本標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)要求的電氣設(shè)備的部件上出現(xiàn)的故障[1]。

本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理是：通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能， 使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現(xiàn)電氣防爆[2]。

本質(zhì)安全型電氣設(shè)備根據(jù)其安全程度不同分為ia、ib和ic三個等級。ia等級是指電路在正常工作、1個或2個計數(shù)故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備；ib等級是指電路在正常工作或1個計數(shù)故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備[3]。ic等級不存在故障的概念，僅表示電路在正常工作時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。

隔離是人們在分析和評價本質(zhì)安全電路的本質(zhì)安全性能時一個重要的技術(shù)信息。在本質(zhì)安全型電氣設(shè)備中本質(zhì)安全電路與其他的電路應(yīng)該有適當(dāng)?shù)母綦x。這里所說的隔離可以認為是符合要求的電氣間隙、爬電距離、間距隔離，也可以是電氣組件實現(xiàn)的電氣隔離，比如：變壓器、繼電器、光耦合器等[4]。

可靠隔離元件符合標(biāo)準(zhǔn)要求時，應(yīng)認為不可能跨接可靠隔離發(fā)生短路故障，或者說，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的可靠連接和隔離應(yīng)認為不會產(chǎn)生故障；火花試驗裝置不應(yīng)串聯(lián)接入這些連接或跨接這些隔離。因此，可靠隔離可以不進行技術(shù)故障和非技術(shù)故障的設(shè)置，隔離器件前后的儲能元件在分析本安符合性時可以不進行疊加，使得電路更加容易實現(xiàn)本安符合性。

2 電氣間隙、爬電距離要求

本安電路的電氣間隙、爬電距離應(yīng)符合表1的要求。

不同本質(zhì)安全電路接線端子的裸露導(dǎo)電部件之間，及其到接地或者到零電位的導(dǎo)電部件之間的電氣間隙和爬電距離應(yīng)等于或大于表5給出的值。

對于不同的本質(zhì)安全電路，外部連接裝置的裸露導(dǎo)電部件之間的電氣間隙應(yīng)符合下列規(guī)定：

①不同本質(zhì)安全電路之間至少6 mm； ②距接地部件至少3 mm。

3 介電強度試驗要求

3.1 介電強度的試驗方法

介電強度試驗應(yīng)按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進行。如果沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也可采用下列方法進行。使用頻率在48～62 Hz之間的正弦波交流電壓進行試驗；或使用直流電壓進行試驗，直流電壓值應(yīng)為規(guī)定交流電壓的1.4倍，且直流電壓的峰-峰值波動不得超過3%。電源應(yīng)具有足夠的伏安容量，以確保在可能出現(xiàn)任何泄漏電流情況下，電源試驗電壓仍可維持。試驗電壓應(yīng)在不小于10 s時間內(nèi)平穩(wěn)上升到規(guī)定值，然后至少維持60 s。施加電壓在試驗期間應(yīng)保持恒定，并且試驗期間流過的電流在任何時候不應(yīng)超過5 mA交流有效值。[1]

3.2 介電強度試驗電壓等級

對于實驗電壓等級，本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間的絕緣應(yīng)能承受2U+1000 V交流有效值試驗電壓，但不小于1 500 V。U指本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路的電壓有效值之和。[1]

在各自獨立的本質(zhì)安全電路之間擊穿可能引起不安全情況時，則電路之間的絕緣應(yīng)承受2U，但不小于500 V交流有效值電壓試驗，U指所考慮的電路的電壓有效值之和。[1]

4 電氣隔離

4.1 可作為可靠隔離的元件

（1） 變壓器及其關(guān)聯(lián)器件，例如，熔斷器、斷路器、熱保護器和與繞組末端連接的電阻器應(yīng)保證供電電源和本質(zhì)安全電路之間具有可靠的電氣隔離，即使在任何一個輸出繞組發(fā)生路而所有其他輸出繞組承受最大額定電氣負載時也應(yīng)滿足安全隔離的要求。

（2） 對于可靠布置的隔離電容器，兩個串聯(lián)電容器中的任一電容器都可認為會發(fā)生短路或開路故障。該組件的電容量應(yīng)取任一電容器的最不利值。在應(yīng)用組件時，應(yīng)使用1.5倍安全系數(shù)。隔離電容器應(yīng)為高度可靠的固體介質(zhì)型電容。電解電容或鉭電容不能使用。組件的外部連接應(yīng)符合6.3的規(guī)定，但隔離要求不適用于隔離電容器內(nèi)部[5]。

（3） 電隔離元件，比如：隔離DC/DC、光耦、電隔離繼電器等。電隔離元件應(yīng)符合介電強度的要求；電隔離繼電器應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中容量的規(guī)定，并且任何繞組應(yīng)能承受其連接的最大耗散功率。

4.2 可作為可靠隔離元件的要求

可靠隔離元件應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）隔離元件的電氣間隙、爬電距離應(yīng)符合表1的要求，但對于內(nèi)部密封部件（例如，光耦合器），表1第5、6和7列不適用。

（2）連接在本質(zhì)安全電路端子和非本質(zhì)安全電路端子之間的元件，應(yīng)符合介電強度要求要求。制造商規(guī)定的可靠隔離元件的絕緣試驗電壓，應(yīng)不低于介電強度要求要求的試驗電壓值。endprint

（3）連接在本質(zhì)安全電路之間的介電強度要求。制造商規(guī)定可靠隔離元件的絕緣試驗電壓，應(yīng)不低于介電強度要求的試驗電壓值。

5 隔離電路的設(shè)計舉例和本安符合性分析

5.1 不同電壓等級下的隔離元件的應(yīng)用和分析

以Ui電壓等級下的隔離DC/DC為例，典型電路如圖1：

如若隔離用DC/DC符合可靠元件的要求，DC/DC不再設(shè)置短路故障，在計算Ui電壓等級下的允許電容值時，只考慮Ci即可，無需Ci與Co的疊加，大大提高了本安電路的符合性，尤其在Ci瀕臨Ui電壓等級下允許電容值的臨界值時隔離電路顯得尤為重要。

下面我們針對具體的設(shè)計參數(shù)進行具體的分析。

假設(shè)Ui=19.0V，Ci=4.7？F，Co=4.7？F。根據(jù)GB3836.4-2010表A.2查得，當(dāng)Ui=19.0V時，I類設(shè)備在1.5倍安全系數(shù)情況下允許帶電容值為8.0？F，Ci=4.7？F，小于8.0？F，符合本安電路的要求。但是，當(dāng)DC/DC為非隔離芯片時，設(shè)置一個技術(shù)故障，DC/DC的輸入輸出端短接，此時，Ui同時加到了Ci和Co上，Ci+Co=9.4uF，已超出了19.0V電壓等級下允許的8.0uF的電容值，不符合本安電路的要求。

5.2 通信輸出電路的隔離

通信輸出電路的隔離作用主要體現(xiàn)在組建系統(tǒng)的連接上，通信信號因為有了隔離，系統(tǒng)之間的供電電源不需要考慮疊加，使得本安電路的分析簡單化。僅以485通信信號為例，對隔離電路的可以按如下方法進行設(shè)計。

（1） 以485通信信號為例，普通的無隔離作用的485芯片，可以在前端使用光耦來進行隔離，光耦輸入輸出之間應(yīng)能承受AC1500V耐壓。

（2） 帶隔離的485芯片，485隔離器件的輸入、輸出之間應(yīng)能承受符合要求的介電強度試驗。

6 結(jié)語

通過可靠的隔離，本安電路的設(shè)計變得簡單而有效，為本安電路的符合性提供了保證。對電路的本安符合性設(shè)計具有極其重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] GB 3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》.

[2] 孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)1C2.中國煤炭工業(yè)勞動保護科學(xué)技術(shù)學(xué)會安全監(jiān)控專業(yè)委員會，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）信息工程研究所，2004.

[3] 付華，劉尹霞.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的本質(zhì)安全防爆技術(shù)[J].電氣防爆，2003（3）：11-14.

[4] 張力.淺談本質(zhì)安全電路的分析與評價[J].電氣防爆，2010（2）：1-4.

[5] 高麗珍.新型礦用本質(zhì)安全型電源的設(shè)計與研究[J].機械工程與自動化，2006（3）：125-127.endprint