礦用隔爆兼本安型ia電源電路設(shè)計(jì)與檢測(cè)①

左官芳

摘 要：礦用隔爆兼本安型電源是礦用電氣產(chǎn)品的重要電源供給，其設(shè)計(jì)和檢測(cè)都是礦用電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和檢測(cè)重點(diǎn)。該文通過(guò)三重化的電子電路設(shè)計(jì)后串限流電阻的方式進(jìn)行保護(hù)，并通過(guò)瞬態(tài)能量測(cè)試方法檢驗(yàn)其輸出參數(shù)的本安符合性，試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)可行，檢驗(yàn)結(jié)果在允許范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全電路 ia等級(jí) 隔爆兼本安電源 瞬態(tài)能量測(cè)試

中圖分類號(hào)：TD52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0055-02

隨著GB3836.1-2010、GB3836.2-2010、GB3836.4-2010等系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施，以及近年來(lái)根據(jù)安標(biāo)中心的管理要求，煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”[1]的推廣普及，ia等級(jí)的本安產(chǎn)品得到了推廣應(yīng)用，越來(lái)越多的廠家開(kāi)始關(guān)注并設(shè)計(jì)ia等級(jí)的本安產(chǎn)品。電源是電子產(chǎn)品的重要組成部分，也是功率較大的部分，因而電子產(chǎn)品主要從電源方面入手實(shí)現(xiàn)防爆。因此ia等級(jí)的本安輸出型電源成為了近年來(lái)本安防爆電子產(chǎn)品研究的技術(shù)熱點(diǎn)，但到目前為止，針對(duì)ia等級(jí)的電源設(shè)計(jì)方法和檢測(cè)方法的研究在文獻(xiàn)中鮮為報(bào)道。

該文旨在提出一種新型ia電源的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)此設(shè)計(jì)給出設(shè)計(jì)要點(diǎn)、分析評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法，給設(shè)計(jì)者提供一個(gè)參考方向。

1 本安電氣設(shè)備防爆原理和ia等級(jí)設(shè)備定義

本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理是：通過(guò)限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來(lái)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(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆[2]。

ia等級(jí)本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是指電路在正常工作、1個(gè)或2個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，都不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。

計(jì)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。非計(jì)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[3]。另外，在設(shè)計(jì)ia電源時(shí)可以使用電子限流來(lái)進(jìn)行功率限制，但是需使用限流電阻來(lái)限制瞬態(tài)電流。下面介紹一種使用限流電阻限流的ia電源。

2 ia電源設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

由于煤礦井下電氣設(shè)備功耗較大，礦用電源輸出供電參數(shù)一般較大，該文以輸入額定電壓AC127V，最高輸出電壓Uo=16.0V，最高輸出電流Io=1.0A為例，能基本滿足礦用本安電氣產(chǎn)品的供電需求。本文保護(hù)電路采用三重電子快速截流型保護(hù)方式，并采用可靠限流電阻進(jìn)行瞬態(tài)能量限制，達(dá)到ia型電源的設(shè)計(jì)要求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 主要電路介紹

如圖1所示電路由電源變壓器、整流濾波電路、直流穩(wěn)壓電路、三重限壓限流電子保護(hù)電路和限流電阻組成。由于各個(gè)廠家的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法不同，變壓器需要符合GB3836.4-2010的規(guī)定，并通過(guò)變壓器的最大負(fù)載電流型式試驗(yàn)和例行耐壓試驗(yàn)；穩(wěn)壓電路可采用LM317等三端穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采用隔離DC/DC來(lái)實(shí)現(xiàn)；SF1、SF2、SF3為三重穩(wěn)壓限流電路；R為限流電阻，有效抑制瞬態(tài)電流的產(chǎn)生。整流濾波以及限壓電路較為容易實(shí)現(xiàn)，但是限流電路則是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該文重在介紹過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

2.3 過(guò)流保護(hù)電路

鑒于ia電源等級(jí)的劃分和本安電路的設(shè)計(jì)要求，ia電源應(yīng)有三重的限壓限流保護(hù)措施，下面的過(guò)流保護(hù)電路為一重，將其三重化串聯(lián)入電路中即可。

該限流電路采用比較器芯片TLE2142構(gòu)成一個(gè)電流可調(diào)節(jié)的精密保護(hù)電路，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻W1設(shè)定輸出電流保護(hù)值，當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，切斷輸出；反之就解除保護(hù)。該電路保護(hù)電流可調(diào)節(jié)，保護(hù)特性理想，提高了可靠性，限制了瞬態(tài)能量的輸出。

3 限流電阻的使用和分析評(píng)價(jià)

在本安電路的設(shè)計(jì)中，有一個(gè)很重要的概念，即額定值概念：與本安性能有關(guān)的元器件，在正常工作及故障狀態(tài)下，其工作電壓工作電流及功率不得大于其額定值的三分之二。下面以實(shí)例來(lái)介紹一下電阻額定值要求的方法。

由前所述，假設(shè)不存在非技術(shù)故障，則ia等級(jí)的產(chǎn)品檢驗(yàn)需設(shè)置兩重技術(shù)故障，針對(duì)圖2所示的電路，將SF1、SF2、SF3三重保護(hù)中的任意兩重去掉都依然還有一重保護(hù)在起作用。保護(hù)電路的輸出參數(shù)為：Uo=16.0V，Io=1.0A，R=5Ω/10W。由于電子限流存在暫態(tài)過(guò)程，該暫態(tài)主要為電流暫態(tài)，實(shí)際輸出暫態(tài)值一般都大于Io數(shù)倍，但電壓一般不會(huì)超過(guò)Uo。所以此處限流電阻的大小可按Uo輸出時(shí)的可靠限流電阻選擇。查表A.1得，16.0V時(shí)考慮1.5倍安全系數(shù)，最大電流可允許值為3.3A，所以限流大足最小為16.0/3.3=4.85Ω，5Ω大于4.85Ω，符合阻值額定值要求。當(dāng)輸出Io=1.0A時(shí)，5Ω的限流電阻所允許的功率不小于1.5×1.02×5=7.5W，10W大于7.5W，符合功率額定值要求。

4 檢測(cè)方法研究

4.1 測(cè)試方法

電子保護(hù)限流電路具有急劇短路的特點(diǎn)，該類電路不宜使用火花點(diǎn)燃試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)電路的本安符合性，而應(yīng)進(jìn)行GB3836.4-2010第10.1.5.3條規(guī)定的瞬態(tài)能量測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試電路如圖3所示。

4.2 輸出電流波形示例

通過(guò)圖4、圖5、圖6可以看出，電流峰值明顯降低，使用限流電阻保護(hù)的瞬態(tài)效應(yīng)明顯優(yōu)于無(wú)限流電阻保護(hù)電路的瞬態(tài)效，該ia電源既保證了輸出功率，又有效限制了瞬態(tài)效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)一種ia電源的設(shè)計(jì)，給出了有效的分析步驟和可行的檢測(cè)方法，為設(shè)計(jì)者進(jìn)行電路設(shè)計(jì)提供了清晰的思路，為檢測(cè)檢驗(yàn)通常進(jìn)行火花點(diǎn)燃試驗(yàn)的現(xiàn)狀提出了更為簡(jiǎn)單有效的檢測(cè)方法和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 安監(jiān)總煤裝[2010]146號(hào).建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知.

[2] 孫紀(jì)平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[C].中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)安全監(jiān)控專業(yè)委員會(huì)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）信息工程研究所，2004.

[3] GB3836.4-2010，爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備.2010.