煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)思路探析

摘 要：近年來，伴隨著煤礦生產(chǎn)設(shè)備在井下的廣泛使用，在電源線路出現(xiàn)線路老化或者使用不當(dāng)?shù)那闆r下，產(chǎn)生短路、漏電或者電火花等事故的機(jī)率明顯增加，對煤礦生產(chǎn)以及工人的生命安全造成極大隱患。因此，必須高度重視煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)工作，采取有效措施，確保電路安全運(yùn)行和煤礦的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤礦；安全開關(guān)；電源；設(shè)計(jì)

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，我國的煤炭產(chǎn)量占世界煤炭總產(chǎn)量的35%以上。但是，在煤炭的生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，礦井下會(huì)產(chǎn)生大量的易燃易爆氣體以及粉塵等，極易引發(fā)爆炸以及火災(zāi)等事故，對煤礦生產(chǎn)以及工人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很多檢測儀器、通訊設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及報(bào)警裝置等被廣泛運(yùn)用到煤礦井下生產(chǎn)過程中。這些用電設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中，由于各種因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生短路、漏電以及電火花等事故，煤炭井下用電安全問題已經(jīng)引起社會(huì)的高度關(guān)注。

1 煤礦井下安全開關(guān)電源電路放電特性分析

在當(dāng)前我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤礦仍然是支撐我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。在煤礦井下生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，難免會(huì)發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，造成嚴(yán)重的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失等。因此，在煤礦井下生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)高度重視安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)。根據(jù)煤礦井下安全開關(guān)電源的要求，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制電路的火花放電能量，包括電路放電的電流、電壓以及放電時(shí)間等。同時(shí)，煤礦井下安全開關(guān)電源還應(yīng)當(dāng)具有穩(wěn)壓、限流等功能，并且能夠在特殊情況下采取快速切斷保護(hù)措施，確保滿足煤礦安全生產(chǎn)的相關(guān)要求。而由于煤礦井下安全開關(guān)電源電路中含有很多電容、電感等儲(chǔ)能元器件，這些元器件會(huì)對電源電流的輸出產(chǎn)生直接影響。因此，在對煤礦井下安全開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先應(yīng)當(dāng)熟悉電容、電感放電等過程，掌握其放電的基本原理，在此基礎(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)出符合安全要求的煤礦井下安全開關(guān)電源。

1.1 煤礦井下電路產(chǎn)生電火花的規(guī)律

在易燃、易爆的環(huán)境下，電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生出大量的電火花，在達(dá)到爆炸性氣體臨界值的狀態(tài)下，會(huì)引燃周圍爆炸性物質(zhì)，造成嚴(yán)重的后果。因此，必須要重視研究煤礦井下電路電火花的規(guī)律，努力從源頭消除其危害。大量研究表明，煤礦井下電路放電主要包括三種類型：電弧放電、輝光放電以及火花放電，或者這三種類型同時(shí)出現(xiàn)。一般來說，電弧放電是在電壓以及電流都不高的情況下出現(xiàn)的，由于某種不穩(wěn)定的放電經(jīng)過轉(zhuǎn)化產(chǎn)生。在電流很小而且處于低電壓的狀態(tài)下，因?yàn)殚_關(guān)器件所具有的特殊性質(zhì)，電路發(fā)生切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。而輝光放電則是在高電壓、小電流的情況下產(chǎn)生的。由于這種情況很特殊，在實(shí)際的煤礦井下電路運(yùn)行中非常少見。由于煤礦井下電源電路在一般情況下帶有電容和電感的，電路在導(dǎo)通以及斷開的過程中，由于擊穿了放電間隙，會(huì)發(fā)生電火花放電現(xiàn)象，這就是火花放電產(chǎn)生的主要原因。

1.2 電容性電路放電特性

煤礦井下安全開關(guān)電源應(yīng)當(dāng)充分滿足電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，確保電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。其中，電容、電感的影響較大。如果取值太大，那么相應(yīng)的輸出短路釋放出的能量就會(huì)顯著增加，而如果取值太小，就會(huì)增加開關(guān)管中的電流應(yīng)力，導(dǎo)致輸出紋波電壓變大，嚴(yán)重影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。所以，在取值過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電氣設(shè)備性能指標(biāo)的要求，合理的取值是影響煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素。在一般情況下，煤礦井下安全開關(guān)電源的輸出端，會(huì)存在較大的輸出電容，當(dāng)出現(xiàn)輸出短路等問題時(shí)，就會(huì)對電源安全性能產(chǎn)生較大危害。一般來說，要想在電容性電路放電過程中點(diǎn)燃?xì)怏w混合物，就必須要同時(shí)滿足能量、功率等要求，如果僅僅滿足單個(gè)條件，即使放電時(shí)間很長，也無法點(diǎn)燃?xì)怏w混合物。在很多時(shí)候，人們把電容性電路放電過程分為火花放電、放電維持以及極間放電結(jié)束等階段。大量研究成果表明，在電容性電路整個(gè)放電過程中，第一階段的能量變化最大，因而也是最有威脅性的。隨著放電間隙的擊穿，放電電流以及瞬時(shí)功率幾乎在同一時(shí)達(dá)到最大值?？梢?，由于電容性電路的放電具有電壓變化快、電流變化顯著以及放電能量集中等特征，因此，放電引爆混合性氣體的破壞后果非常嚴(yán)重。

1.3 電感在電容火花放電中的影響

由于煤礦井下安全電源線路回路中同時(shí)存在電容、電感這兩種儲(chǔ)能元器件，而電感的存在會(huì)對煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)產(chǎn)生出一定的影響。因此，要高度重視電感及其在電容火花放電中的影響進(jìn)行研究。研究表明，煤礦井下安全電源電路中的初始電壓以及所選取的電感數(shù)值的不同，都會(huì)對電容火花放電過程中電流的變動(dòng)情況產(chǎn)生出明顯的影響。而由于電阻的存在，會(huì)對電容火花放電造成一定的能量損耗，因此，通過串聯(lián)電感能夠在一定程度上減緩電容火花放電的電流增長速率，使其延遲達(dá)到電流峰值的時(shí)間，從而避免煤礦井下危險(xiǎn)環(huán)境中可燃?xì)怏w的爆炸。

2 煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

由于在煤礦井下的易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境下工作，因此，與一般的開關(guān)電源相比，安全開關(guān)電源具有特殊要求。首先，必須有安全保護(hù)電路限制能量。依靠安全保護(hù)電路，煤礦井下安全開關(guān)電源可以有效限制故障狀態(tài)下火花放電能量，包括限制放電電壓、電流以及放電時(shí)間等。在安全開關(guān)電源的輸出功率小，對電壓的穩(wěn)定性要求不高的時(shí)候，可以通過在電源輸出端進(jìn)行串聯(lián)限流電阻的方式降低放電能量。如果安全開關(guān)電源的輸出功率較大，就應(yīng)當(dāng)加入過流、過壓多重保護(hù)電路，確保安全開關(guān)電源的安全輸出。其次，重視電氣隔離。電氣隔離指的是安全開關(guān)電源的輸出端與輸入端要有電氣隔離，防止能量由非本安的輸入端傳遞至輸出端，對輸出端的安全性能產(chǎn)生不利影響。在多路輸出時(shí)，一定要進(jìn)行隔離處理，以限制火花放電的能量，充分滿足電源線路的安全運(yùn)行要求。再次，確保不間斷供電。在煤礦井下承擔(dān)著檢測、監(jiān)控以及報(bào)警等職能的電器設(shè)備必須能夠在電網(wǎng)斷電之后可以繼續(xù)工作。然而，煤礦井下的供電質(zhì)量比較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)斷電的情況，這就要求安全開關(guān)電源能夠不間斷供電，以確保礦井下電氣設(shè)備的正常工作與運(yùn)行，提高煤礦生產(chǎn)安全性能。最后，煤礦井下電源電路能夠提供多重化保護(hù)。電源的隔離、保護(hù)以及可靠性組件的設(shè)計(jì)要確保安全等級(jí)的雙重化或多重化，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，煤礦井下電氣設(shè)備必須滿足ib等級(jí)要求，保護(hù)電路要進(jìn)行多重化設(shè)計(jì)。

2.1 煤礦井下安全開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下安全開關(guān)電源的工作需要，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)主要包括：額定輸入電壓127VAC，頻率50HZ；額定輸出電壓12V；紋波電壓小于2%Vo；開關(guān)頻率200kHZ。煤礦井下安全開關(guān)電源將交流電127V轉(zhuǎn)變成直流電12V。電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。交流電經(jīng)過整流、濾波等環(huán)節(jié)，成為紋波較大的直流電。在Buck-Boost變換器的作用下，經(jīng)雙重過壓、過流保護(hù)電路之后，輸出12V直流電。由于安全開關(guān)電源主要是在煤礦井下這種危險(xiǎn)性的條件下使用，因此，為了安全的需要，必須要有雙重過壓、過流保護(hù)電路。煤礦井下安全開關(guān)電源結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波電路、整流濾波電路、備用電源、Buck-Boost變換器、多重過壓、過流保護(hù)電路等，最終實(shí)現(xiàn)安全輸出。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電源總體結(jié)構(gòu)框架圖

2.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)及選型分析

電路參數(shù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括功率器件的選型、備用電源以及控制芯片的選取等

首先，功率器件的選型包括開關(guān)管和二極管的選型。開關(guān)管在進(jìn)行選型時(shí)，Buck-Boost變換器的開關(guān)管S選型必須符合下列要求：首先，開關(guān)管輸出電流的額定值Ivt>ILp=1.1A；其次，開關(guān)管漏極與源極之間所承受的最大電壓UDS，max>1.5（Vi，max+Vo）。而Buck-Boost變換器中二極管的選型應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：峰值電流必須大于變換器的輸出電流（1A）；反向最大耐壓值應(yīng)大于輸出電壓的最大值1.5 （Vimax+Vo）≈50V。

其次，關(guān)于備用電源的選取。對于煤礦井下安全防爆電源來說，備用電源與主電路之間有很多不同的接線方法，備用電源的種類也非常多，比較常見的是鋰電池和鉛蓄電池。在很多煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，電路選用的是額定電壓為24V，容量2Ah的蓄電池，這種蓄電池在充電完成之后，可達(dá)到2小時(shí)的工作時(shí)長。

最后，在選取控制芯片過程中，通過電壓控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)PWM，這只是通過輸出電壓進(jìn)行信號(hào)反饋，是一個(gè)單環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，通過電流控制型PWM，采用電流控制技術(shù)來調(diào)節(jié)脈寬，在電路結(jié)構(gòu)上增加了電流反饋環(huán)，達(dá)到控制開關(guān)管峰值電流的目的。如果在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，可以限制瞬時(shí)峰值電流。由于采用電壓和電流兩種控制手段，所以，對于電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率以及瞬態(tài)響應(yīng)等進(jìn)行了改善與處理，這是一種比較有效的控制器件。

2.3 電容、電感的選取

在煤礦井下安全開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，使用到了很多電容和電感，這些電容電感會(huì)對電源的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到極為重要的作用。因此，要高度重視電容、電感的選取。電容有很多類型，包括安規(guī)電容、滌綸電容、云母電容以及電解電容等。不同類型的電容會(huì)對煤礦井下安全開關(guān)電源的性能產(chǎn)生直接影響。例如，使用濾波電容，將會(huì)影響到安全開關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。因此，應(yīng)該根據(jù)容量、特點(diǎn)以及應(yīng)用場合等的需要選擇不同的電容。在電感的設(shè)計(jì)中，由于電感是煤礦井下安全開關(guān)電源常用的元件，一般用作蓄能元件，或者與電容一起用在濾波電路中。煤礦井下安全開關(guān)電源設(shè)計(jì)，在輸入整流濾波電路和輸出整流電路中，都會(huì)使用到電感元件，主要用于平滑電流，避免產(chǎn)生較大電壓。

3 結(jié)束語

安全開關(guān)電源是煤礦井下生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備，其安全、高效以及穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為煤礦井下供電的重要供電電源。因此，在設(shè)計(jì)煤礦井下安全開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到電路放電特性，研究安全開關(guān)電源技術(shù)指標(biāo)，分析電路參數(shù)，合理選擇電容和電感，確保電路安全運(yùn)行和煤礦的安全生產(chǎn)。

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作者簡介：李超（1978-），男，四川江津人，涼山州益門煤礦機(jī)電科，助理工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，研究方向：煤礦機(jī)電技術(shù)。