楊 柳，楊瑞俊

(山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

0 引言

礦用本安電源作為煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的一種安全供電設備，直接影響到礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準確性、可靠性、穩(wěn)定性，關系到礦井安全生產(chǎn)、抗災能力和礦工安危。由于礦井環(huán)境的特殊性，礦用本安電源必須滿足較高的可靠性要求。

根據(jù)GB 3836.1-2010和GB 3836.4-2010要求，礦用本安電源應在滿足本質(zhì)安全防爆要求的前提下有較強的帶載能力，并具備輸入輸出端必須電氣隔離、保護隔離環(huán)節(jié)多重化、適應較大范圍的電網(wǎng)波動、不間斷供電、故障自動恢復、體積小、可靠性高等特點[1，2]。

本文通過故障模式影響分析(FMEA)的方法，分析了礦用本安電源的故障模式及其影響，給出了礦用本安電源故障模式的嚴酷度，并針對高嚴酷度的故障模式提出改進措施，以提高礦用本安電源可靠性。FMEA常用2種基本方法：功能分析法和硬件分析法，針對不同的系統(tǒng)選擇不同的方法[3]。本文采用硬件法進行分析。

1 系統(tǒng)工作原理

礦用本安電源的主要功能電路：AC/DC電路、直流穩(wěn)壓電路、一級過壓/過流保護電路、二級過壓/過流保護電路。礦用本安電源結構框圖如圖1所示。其工作原理為：將礦用電網(wǎng)中的AC 127 V通過AC/DC電路將轉換為直流23 V。之后通過兩片集成芯片LM317進行雙重穩(wěn)壓。再利用開關電源芯片TOP244Y和高靈敏電壓比較器LM393為核心器件的過壓/過流功能電路，實現(xiàn)兩級過壓和過流的保護。最終輸出本安DC12V電壓。

圖1 原理框圖

2 系統(tǒng)組成和層次定義

根據(jù)本安電源的結構框圖，確定初始約定層次為本安電源，其最低約定層次為各結構組成，即AC/DC、直流穩(wěn)壓電路、兩級過壓/過流保護電路。因為此本安電源電路結構比較簡單，故無約定層次。

本安電源的結構及層次框圖如圖2所示。

圖2 結構及層次框圖

3 嚴酷度定義

根據(jù)GJB/Z 1391-2006，嚴酷度的定義為故障模式所產(chǎn)生后果的嚴重程度[4]。本文中的嚴酷度指最低約定層次的各組成部分對本安電源影響的嚴重程度。

本安電源用于井下環(huán)境，對安全性要求很高，故在分析中，安全性不可忽視。此次分析中的嚴酷度定義，安全性是主要因素之一，故Ⅰ、Ⅱ 類嚴酷度定義，均應以安全性為準則進行。

根據(jù)標準，嚴酷度可定義為四級，等級數(shù)字越小，嚴酷度等級越高，評分越大。系統(tǒng)嚴酷度定義和評分見表1。

表1 嚴酷度定義及評分

4 FMEA分析

對系統(tǒng)進行FMEA分析，分析表格見表2。共分析電路故障模式7個，其中Ⅰ類故障模式1個、Ⅱ類故障模式1個、Ⅲ類故障模式3個、Ⅳ類故障模式2個。分析給出設計/使用補償措施10種，分別為：檢查輸入電網(wǎng)是否正常、檢查輸出端連接情況、查明電路保護原因并排除故障、檢查輸入端接觸是否良好、降低負載、檢查前端電路工作情況、增加元器件篩選和工藝篩查、優(yōu)化電路設計、定期檢查維修。

表2本安電源FMEA分析表

序號產(chǎn)品或功能標志功能故障模式故障原因故障影響局部影響最終影響嚴酷度類別設計/使用補償措施1AC/DC電路將交流電壓輸入轉換成直流電壓輸出2直流穩(wěn)壓電路穩(wěn)定直流電壓輸出3一、二級過壓/過流保護電路過壓時啟動保護使得輸出為零過流時啟動保護使得輸出為零不啟動無輸出輸出電壓超差無輸出過壓保護失效過流保護失效絕緣電阻超差無輸入電壓輸入功率不足輸出端短路電路保護輸入功率不足負載過重無輸入芯片損壞電路出現(xiàn)短路或斷路元器件損壞電路出現(xiàn)短路或斷路元器件損壞絕緣層老化不啟動功能喪失Ⅲ檢查輸入電網(wǎng)是否正常檢查輸入端接觸是否良好無輸出功能喪失Ⅲ檢查輸出端連接情況查明電路保護原因并排故輸出電壓超差無影響Ⅳ檢查輸入端接觸是否良好降低負載無輸出功能喪失Ⅲ檢查前端電路工作情況增加元器件篩選和工藝篩查過壓保護失效跳火花Ⅰ優(yōu)化電路設計增加元器件篩選和工藝篩查過流保護失效過熱Ⅱ優(yōu)化電路設計增加元器件篩選和工藝篩查絕緣電阻超差無影響Ⅳ定期檢查維修

5 結論

本安電源在井下應用廣泛，是常用設備之一，故其安全性要求高。在本安電源的設計中，采用FMEA分析方法，對電源各組成部分的故障模式進行分析，可在設計期內(nèi)采取措施，避免潛在危險源，提高本安電源的安全性和可靠性。