一種用于直流供電的隔離型安全柵

朱菊香

(常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 常州 213011)

本質(zhì)安全型防爆是GB3836 和EN60079 標(biāo)準(zhǔn)［1］規(guī)定的一種防爆措施，與隔爆型(Ex d)、澆封型(Ex md)等防措施相比，其顯著的特點(diǎn)是無(wú)需笨重的隔爆外殼保護(hù)，設(shè)備電路可暴露于可燃?xì)怏w或粉塵環(huán)境，廣泛應(yīng)用于石油、化工領(lǐng)域的各種變送器、探測(cè)器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。安全柵是保證本質(zhì)安全設(shè)備穩(wěn)定工作的關(guān)鍵電路，通常有齊納安全柵和隔離型安全柵兩種類型［2］。而隔離型安全柵具有安全性高，本安回路和非本安回路可靠隔離、無(wú)需本安接地等特點(diǎn)，且沒(méi)有齊納柵的測(cè)量誤差問(wèn)題，所以隔離型安全柵具有更高的可靠性和抗干擾能力。本文通過(guò)交直流變換和變壓器實(shí)現(xiàn)了傳遞5 V 直流電壓的隔離型安全柵，為本質(zhì)安全設(shè)備提供符合要求的安全電源。

1 設(shè)計(jì)方案和總體要求

將直流電源經(jīng)隔離安全柵傳遞至危險(xiǎn)區(qū)成為安全電源的方案如圖1 所示［3］。

圖1 電源隔離安全柵方案框圖

整個(gè)安全柵的輸入為上級(jí)的5 V 直流電壓，輸出為經(jīng)過(guò)限能的5 V 安全電壓。整個(gè)安全柵的目的是將安全區(qū)的危險(xiǎn)能量傳遞至危險(xiǎn)區(qū)，而在傳遞的過(guò)程中限制了其能量水平，使之在危險(xiǎn)區(qū)不會(huì)引爆周圍的可燃?xì)怏w，原理如圖2 所示。

圖中T1為變比為1 的可靠隔離變壓器，D1、D4、D5為齊納二極管，起過(guò)壓保護(hù)作用，U1推挽驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)DC－AC 變換，R2為可靠金屬膜電阻，起限流作用。

安全柵相關(guān)的參數(shù)須圍繞防爆等級(jí)設(shè)計(jì)，即適用區(qū)域和溫度組別。適用區(qū)域決定了電路能量的上限水平，溫度組別決定了電路表面的最大溫升，而對(duì)于本安電路還須考慮在一處(ib)或兩處(ia)故障發(fā)生時(shí)仍能確保對(duì)能量和溫升的控制。圖1 中，T1、D4、D5和R2為重要的本安電路關(guān)聯(lián)元件。

圖2 隔離安全柵原理圖

2 安全柵對(duì)電源變壓器的設(shè)計(jì)要求

可用于隔離安全柵的變壓器必須符合特定的結(jié)構(gòu)要求。變壓器的結(jié)構(gòu)可按I 型、II 型兩種形式來(lái)討論。I 型結(jié)構(gòu)指初、次級(jí)繞組并列放置在同一個(gè)鐵芯上，或繞組分別放置于兩個(gè)鐵芯上;II 型結(jié)構(gòu)指初、次級(jí)繞組內(nèi)外重疊繞制。但關(guān)鍵是初次級(jí)繞組之間必須有足夠的爬電距離和電氣隔離間隙。EN60079－11 中明確規(guī)定了不同電壓等級(jí)下的爬電距離和電氣隔離間隙，表1所示為不同峰值電壓下ia、ib 等級(jí)對(duì)應(yīng)的相關(guān)要求［4］。

表1 不同峰值電壓下ia、ib 等級(jí)對(duì)爬電距離和電氣隔離間隙的要求

變壓器繞組的輸入電壓雖然是5 V 級(jí)別，但必須考慮到前端220 V 及24 V 電源系統(tǒng)發(fā)生故障的最壞情況。所以按最壞情況及表1 規(guī)定，應(yīng)將變壓器繞組的電壓等級(jí)定為375 V。根據(jù)變壓器可行的制造技術(shù)條件，選用II 型結(jié)構(gòu)，初次級(jí)繞組間采用固體隔離。按照表1 要求，變壓器兩繞組的電氣隔離間隙為＞1 mm，爬電距離＞10 mm。

安全柵對(duì)電源變壓器的另一個(gè)要求是鐵芯必須接地，除非該防爆形式無(wú)需接地，或鐵芯由絕緣的鐵氧體材料制成。電源變壓器還必須經(jīng)過(guò)耐壓的可靠性例行試驗(yàn)，試驗(yàn)要求如表2 所示。

表2 可靠變壓器的耐壓例行測(cè)試

符合以上物理及測(cè)試要求的變壓器可視為可靠隔離變壓器，原則上認(rèn)為在對(duì)應(yīng)的峰值電壓范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生故障。

3 安全柵對(duì)保護(hù)電路的要求

要確保變壓器可靠工作，除保證變壓器本身是可靠的，對(duì)變壓器進(jìn)行工作狀態(tài)的保護(hù)也是必不可少的，必須限制變壓器工作在期望的電氣參數(shù)下［5］。

齊納二極管D1的齊納電壓為5.6 V，誤差為±5%，則變壓器初級(jí)繞組的最大工作電壓被限制為

快速熔斷器F1限制后端電路的最大持續(xù)電流，其一方面限制變壓器繞組電流，控制其溫升，另一方面限制D1在過(guò)壓狀態(tài)下的最大電流，防止其結(jié)溫過(guò)高引起失效而失去限壓作用。一般的，F(xiàn)1的額定電流IF1N為繞組正常工作電流的1.7 倍。

在計(jì)算繞組最大溫升和能量時(shí)應(yīng)按2/3 原則來(lái)估算其最大電流，即

若安全柵用于IIC 場(chǎng)合，則繞組儲(chǔ)存的能量不能超過(guò)40 μJ，即

因變壓器初、次級(jí)繞組參數(shù)基本一致，對(duì)初級(jí)繞組的限制也即對(duì)次級(jí)繞組的限制。

D4、D5與D1參數(shù)相同，其限制了安全電壓的最大值，即USAFE=5.88 V。若要達(dá)到ia 等級(jí)，須配置三重齊納管保護(hù)，以滿足在兩個(gè)故障點(diǎn)的情況下不喪失限壓能力。R2限制了危險(xiǎn)區(qū)域的最大短路電流，其作用與F1相似，但因?yàn)槭蔷€性器件，能有效起到限流保護(hù)作用，而快速熔斷器僅能起到控制溫升的作用［6］。

4 安全柵電路的其它關(guān)鍵要求

安全柵電路的關(guān)鍵間距要得到保證。安全柵將電路分為危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)兩個(gè)區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域之間必須按表1 要求保證足夠的電氣隔離間隙和爬電距離。起保護(hù)作用的熔斷器、齊納二極管、限流電阻兩端之間的間距使用同樣的要求。

快速熔斷器的分?jǐn)嗄芰Ρ仨氉銐虼?，以保證在高于375 V 的條件下仍能可靠分?jǐn)嚯娐?，其熔斷的快速性必須保證在齊納二極管過(guò)壓熱擊穿前分?jǐn)嚯娐?。所有關(guān)聯(lián)器件的實(shí)際工作參數(shù)必須小于該器件最大容許參數(shù)的2/3。所有可靠器件可不計(jì)入故障計(jì)數(shù)，連接齊納管、限流電阻與安全地的銅箔必須有足夠的厚度和寬度，否則視為不可靠連接，須計(jì)入故障計(jì)數(shù)。須限制危險(xiǎn)區(qū)電路中電容的總?cè)萘?，使得Wc=(U×C2)/2 ＜40 μJ［7－8］。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多項(xiàng)測(cè)試，該隔離型安全柵不僅體積小巧且具有較高的可靠性，已應(yīng)用于毒性氣體探測(cè)器該種需要在危險(xiǎn)場(chǎng)所帶電維護(hù)的設(shè)備上，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用中需注意的是，變壓器的效率與磁芯材質(zhì)、線圈繞制方式、線圈與磁芯之間的間隙及環(huán)境溫度有較大關(guān)系，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境溫度低于－40 ℃或高于70 ℃時(shí)，應(yīng)重新考慮磁芯的材質(zhì)及變壓器的結(jié)構(gòu)形式。

［1］ European Standard.Explosive atmospheres－Part 11:Equipment protection by intrinsic safety"i"IEC 60079－11［S］.Brussels:European Standard，2011.

［2］ 徐建平.本質(zhì)安全型防爆儀表的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，1990(1):22－27.

［3］ 呂金煥，劉泉海，李梅.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案［J］.電工技術(shù)，2003(11):64－65.

［4］ 劉楚湘，杜勇，尤雙楓.基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)［J］.新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007(1):50－52，61.

［5］ 禹宏云，李艷.智能化的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用科技，2002(3):33－34.

［6］ 胡云，吳銀成，張小波，等.礦用寬范圍直流輸入電源模塊設(shè)計(jì)［J］.礦自動(dòng)化，2015(7):90－94.

［7］ 李傳勇，王竹平.隔離式安全柵ATEX 防爆認(rèn)證的實(shí)踐［J］.自動(dòng)化儀表，2007(z1):46－48.

［8］ 任慧，宋建成，高云廣，等.熱電阻隔離式安全柵的設(shè)計(jì)［J］.煤礦安全，2014(9):100－102.