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，其設計和檢測都是礦用電氣產(chǎn)品的設計和檢測重點。該文通過三重化的電子電路設計后串限流電阻的方式進行保護，并通過瞬態(tài)能量測試方法檢驗其輸出參數(shù)的本安符合性，試驗結果顯示，設計可行，檢驗結果在允許范圍內。

關鍵詞：本質安全電路 ia等級 隔爆兼本安電源 瞬態(tài)能量測試

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0055-02

隨著GB3836.1-2010、GB3836.2-2010、GB3836.4-2010等系列標準的發(fā)布實施，以及近年來根據(jù)安標中心的管理要求，煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”[1]的推廣普及，ia等級的本安產(chǎn)品得到了推廣應用，越來越多的廠家開始關注并設計ia等級的本安產(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現(xiàn)防爆。因此ia等級的本安輸出型電源成為了近年來本安防爆電子產(chǎn)品研究的技術熱點，但到目前為止，針對ia等級的電源設計方法和檢測方法的研究在文獻中鮮為報道。

該文旨在提出一種新型ia電源的設計方法，并根據(jù)此設計給出設計要點、分析評價和檢測方法，給設計者提供一個參考方向。

1 本安電氣設備防爆原理和ia等級設備定義

本質安全電氣設備防爆基本原理是：通過限制電氣設備電路的各種參數(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]。

ia等級本質安全型電氣設備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備。

計數(shù)故障的定義是：符合本標準結構要求的電氣設備的部件上出現(xiàn)的故障。非計數(shù)故障的定義是：不符合本標準結構要求的電氣設備的部件上出現(xiàn)的故障[3]。另外，在設計ia電源時可以使用電子限流來進行功率限制，但是需使用限流電阻來限制瞬態(tài)電流。下面介紹一種使用限流電阻限流的ia電源。

2 ia電源設計

2.1 需求分析

由于煤礦井下電氣設備功耗較大，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。本文保護電路采用三重電子快速截流型保護方式，并采用可靠限流電阻進行瞬態(tài)能量限制，達到ia型電源的設計要求。

2.2 電路設計

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電路和限流電阻組成。由于各個廠家的設計思路和實現(xiàn)方法不同，變壓器需要符合GB3836.4-2010的規(guī)定，并通過變壓器的最大負載電流型式試驗和例行耐壓試驗；穩(wěn)壓電路可采用LM317等三端穩(wěn)壓器來實現(xiàn)，也可采用隔離DC/DC來實現(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現(xiàn)，但是限流電路則是設計的重點和難點，該文重在介紹過流保護電路的設計。

2.3 過流保護電路

鑒于ia電源等級的劃分和本安電路的設計要求，ia電源應有三重的限壓限流保護措施，下面的過流保護電路為一重，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構成一個電流可調節(jié)的精密保護電路，調節(jié)可調電阻W1設定輸出電流保護值，當電路出現(xiàn)過流現(xiàn)象，場效應管Q1截止，切斷輸出；反之就解除保護。該電路保護電流可調節(jié)，保護特性理想，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價

在本安電路的設計中，有一個很重要的概念，即額定值概念：與本安性能有關的元器件，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。下面以實例來介紹一下電阻額定值要求的方法。

由前所述，假設不存在非技術故障，則ia等級的產(chǎn)品檢驗需設置兩重技術故障，針對圖2所示的電路，將SF1、SF2、SF3三重保護中的任意兩重去掉都依然還有一重保護在起作用。保護電路的輸出參數(shù)為：Uo=16.0V，Io=1.0A，R=5Ω/10W。由于電子限流存在暫態(tài)過程，該暫態(tài)主要為電流暫態(tài)，實際輸出暫態(tài)值一般都大于Io數(shù)倍，但電壓一般不會超過Uo。所以此處限流電阻的大小可按Uo輸出時的可靠限流電阻選擇。查表A.1得，16.0V時考慮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。當輸出Io=1.0A時，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 檢測方法研究

4.1 測試方法

電子保護限流電路具有急劇短路的特點，該類電路不宜使用火花點燃試驗來檢驗電路的本安符合性，而應進行GB3836.4-2010第10.1.5.3條規(guī)定的瞬態(tài)能量測試。試驗測試電路如圖3所示。

4.2 輸出電流波形示例

通過圖4、圖5、圖6可以看出，電流峰值明顯降低，使用限流電阻保護的瞬態(tài)效應明顯優(yōu)于無限流電阻保護電路的瞬態(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。

5 結語

該文通過一種ia電源的設計，給出了有效的分析步驟和可行的檢測方法，為設計者進行電路設計提供了清晰的思路，為檢測檢驗通常進行火花點燃試驗的現(xiàn)狀提出了更為簡單有效的檢測方法和依據(jù)。

參考文獻

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

[2] 孫紀平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[C].中國煤炭工業(yè)勞動保護科學技術安全監(jiān)控專業(yè)委員會，中國礦業(yè)大學（北京）信息工程研究所，2004.

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