陳佩佩

(天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

1 引言

2016年末國(guó)家煤礦安監(jiān)局印發(fā)《安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》煤安監(jiān)函(2016)5號(hào)文件，要求大型礦井、煤與瓦斯突出礦井在用的安全監(jiān)控系統(tǒng)完成升級(jí)改造工作。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是防止瓦斯、火、煤塵等重特大事故的有效措施之一，在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[1]，煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)所使用的電氣設(shè)備都要依靠本質(zhì)安全型電源來(lái)供電，本質(zhì)安全型電源是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中不可缺少的部分，其質(zhì)量與可靠性直接影響后級(jí)負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性與準(zhǔn)確性，甚至關(guān)系到整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)[2-3]。本質(zhì)安全型電源的設(shè)計(jì)要確保在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的本質(zhì)安全輸出所聚集的能量都不會(huì)點(diǎn)燃周圍的爆炸性環(huán)境[4]，以確保井下工作環(huán)境的安全。

本文設(shè)計(jì)了一種礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源，提供6路本質(zhì)安全型電源輸出信號(hào)，6路本質(zhì)安全輸出電源的電壓和電流、蓄電池的工作狀態(tài)，在液晶顯示板上顯示的同時(shí)可以上傳，該電源采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了電源的帶載能力，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力，各項(xiàng)參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB3836.4—2010 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第 4 部分 :本質(zhì)安全型 i”中的相關(guān)規(guī)定，可以應(yīng)用到易燃、易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境中。

1 電源工作原理及組成

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源主要用于為ib等級(jí)本質(zhì)安全設(shè)備供電，采用并聯(lián)式雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)的本質(zhì)安全保護(hù)電路，其電氣部件主要由寬范圍AC/DC開(kāi)關(guān)電源、控制板、液晶屏、電源板、后備電池組組成，原理如圖1所示。

圖1 礦用隔爆兼多路本質(zhì)安全型電源電氣原理

寬壓電源輸入交流電壓AC 95 V～AC 850 V， 經(jīng)保險(xiǎn)管進(jìn)AC/DC開(kāi)關(guān)電源輸入端，開(kāi)關(guān)電源能自動(dòng)適應(yīng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所需電壓，輸出穩(wěn)定的直流電壓，此直流電壓一路經(jīng)電池管理電路連接備用蓄電池，另一路經(jīng)DC/DC和本質(zhì)安全保護(hù)電路得到穩(wěn)定的本質(zhì)安全型電源輸出。為滿足本質(zhì)安全性能要求，采用雙重過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，使輸出滿足本質(zhì)安全性能要求。當(dāng)交流電停電時(shí)，蓄電池中貯存的電能通過(guò)DC/DC和本質(zhì)安全處理電路放電，保持穩(wěn)定的電源輸出，實(shí)現(xiàn)不間斷供電功能。液晶顯示板可顯示本質(zhì)安全輸出電源是否正常、電池狀態(tài)信息、交直流供電狀態(tài)信息，并將這些信息通過(guò)內(nèi)部通信傳輸?shù)娇刂瓢迳希偻ㄟ^(guò)RS-485通信電路實(shí)現(xiàn)這些信息的數(shù)據(jù)上傳，接入到監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源信息的實(shí)時(shí)、不間斷監(jiān)測(cè)。

2 控制板功能

控制板直流電源輸入后，端口加TVS、共模線圈、Y電容等EMC器件提高抗浪涌、群脈沖能力，經(jīng)過(guò)電容實(shí)現(xiàn)電源輸入濾波，用非隔離的DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成可供MCU及外圍電路供電的直流電壓，控制板輸入端口具有抑制浪涌、群脈沖的能力?？刂瓢蹇蓪?shí)現(xiàn)AC/DC模塊到電源板的電氣轉(zhuǎn)接，6路電源板、顯示板均取電自控制板，實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理，模擬量、開(kāi)關(guān)量采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，人機(jī)交互，RS-485鏈路控制等功能，其原理如圖2所示。

圖2 控制板原理

控制板提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口與外部設(shè)備通信，可顯示本機(jī)的電源電流、電壓、供電狀態(tài)等信息，無(wú)需打開(kāi)隔爆外殼，只需紅外遙控器即可實(shí)現(xiàn)本機(jī)電源地址的設(shè)置?？刂瓢蹇蓪?shí)現(xiàn)電源板保護(hù)模塊、電源板DC/DC模塊的故障診斷，當(dāng)電池組充滿并到放電結(jié)束，電池組完整放電周期的放電時(shí)間不足1.5 h時(shí)，則報(bào)告其容量為不足故障，當(dāng)電源板的輸入電壓存在，而無(wú)輸出電壓時(shí)，則應(yīng)報(bào)告該本質(zhì)安全型電源板故障。

3 電源板功能

由控制器板輸出的直流電壓經(jīng)電源板上的DC/DC電源模塊輸出18 V經(jīng)過(guò)第一級(jí)、第二級(jí)電子器件的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)ib等級(jí)的本質(zhì)安全輸出。為了提高本質(zhì)安全型電流值，對(duì)過(guò)流保護(hù)值進(jìn)行分流處理，即最終輸出本質(zhì)安全型電流值由兩路并聯(lián)的保護(hù)電流分別承擔(dān)，電路原理如圖3所示。經(jīng)過(guò)火花試驗(yàn)，其任意選擇一路正?；蛘吖收蠣顟B(tài)下的短路、通斷試驗(yàn)均未出現(xiàn)點(diǎn)燃現(xiàn)象，最終的18 V輸出本質(zhì)安全參數(shù)分別Uo=18.5 V、Io=1 300 mA、Co=4.7 μF、Lo=80 μH，可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。該電流保護(hù)值在原有基礎(chǔ)上增加了400 mA，增加了本質(zhì)安全型電源的帶載能力。

圖3 電源板電路原理

電源板為本質(zhì)安全設(shè)備提供本質(zhì)安全型電源，具有雙重過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)井下設(shè)備，當(dāng)故障解除時(shí)，可以自動(dòng)恢復(fù)，進(jìn)入到正常保護(hù)狀態(tài)，重新保護(hù)井下設(shè)備安全運(yùn)行。

4 備用電源優(yōu)化選型及充放電管理

4.1 備用電源優(yōu)化選型

由于鋰電池中的鋰離子活性大，在過(guò)充電情況下電池內(nèi)部膨脹并產(chǎn)生大量氫氣，極易發(fā)生爆炸，安全性能有待提升。鉛酸電池含有鉛、硫酸等對(duì)人體有害的物質(zhì)，在使用過(guò)程中可釋放電解氣體，而且其本身工作原理決定了不能在較高溫度環(huán)境下使用，因此不建議使用。鎳氫電池性能穩(wěn)定、安全環(huán)保、能量較高、無(wú)記憶效應(yīng)，故在煤礦井下惡劣的環(huán)境下，本電源選用鎳氫電池作為后備電池，電池采用硅膠澆封，實(shí)現(xiàn)電池部件與其他部件的電氣分腔，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造要求，電池應(yīng)滿足負(fù)載設(shè)備不間斷供電4 h，本電源設(shè)計(jì)的鎳氫電池可滿足不間斷供電6 h。

4.2 備用電源的充放電管理

備用電源的充放電管理主要包含充電保護(hù)功能、虧電保護(hù)功能和維護(hù)放電功能。

1) 充電保護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)鎳氫電池組充電管理，并具有三重充電保護(hù)，當(dāng)交流電存在時(shí)自動(dòng)對(duì)鎳氫電池組進(jìn)行脈沖式充電，當(dāng)充電過(guò)流時(shí)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲將斷開(kāi)。當(dāng)電池組電壓出現(xiàn)-△特性(鎳氫電池特性，當(dāng)電池充滿時(shí)出現(xiàn)電壓下降的情況)自動(dòng)轉(zhuǎn)為浮充；當(dāng)充電時(shí)間超過(guò)24 h可自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，防止電池過(guò)充；當(dāng)電池組出現(xiàn)鎳氫電池溫度超過(guò)50 ℃時(shí)自動(dòng)切斷充電回路，防止電池過(guò)充。

2) 虧電保護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)鎳氫電池組放電管理，防止電池組的過(guò)放電。交流斷電時(shí)電池組自動(dòng)放電，當(dāng)電池組電壓低于20 V時(shí)將切斷電池放電回路，控制板只有比較器處于工作狀態(tài)，防止電池組在虧電狀態(tài)的過(guò)放電。

3) 維護(hù)放電功能。實(shí)現(xiàn)鎳氫電池組在交流電時(shí)的放電管理，避免煤礦井下交流電長(zhǎng)期存在造成鎳氫電池組長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的長(zhǎng)期浮充，應(yīng)定期對(duì)電池組進(jìn)行放電操作。

5 抗電磁干擾能力

《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及組成設(shè)備抗電磁干擾能力提出了更高的要求，要求設(shè)備通過(guò)二級(jí)電磁輻射抗擾度試驗(yàn)且評(píng)價(jià)等級(jí)為A和三級(jí)脈沖群抗擾度試驗(yàn)且評(píng)價(jià)等級(jí)為A[6]。由于電源為本質(zhì)安全型設(shè)備，不具備對(duì)外界騷擾的能力，且能在煤礦井下電磁環(huán)境中正常工作，需要具備一定的抗干擾能力。根據(jù)GB 3836.4—2010要求，電源中本質(zhì)安全電路對(duì)電容、電感容量有限制，與濾除干擾需要大的電容、電感相矛盾，同時(shí)本質(zhì)安全型電路接線端子與外殼需承受500 V交流耐壓，絕緣電阻不小于10 MΩ。隔爆兼本質(zhì)安全型電源在本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)Y電容隔離接地，對(duì)地釋放干擾信號(hào)，以增強(qiáng)抗干擾能力。由于本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)了過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，產(chǎn)生的能量不足以引爆甲烷，故本質(zhì)安全型電源在施加浪涌時(shí)，本質(zhì)安全型輸出會(huì)關(guān)斷，造成負(fù)載設(shè)備重啟。為了提高電源的抗浪涌干擾等級(jí)，采用電源短時(shí)自供電技術(shù)，采用電池、電容等蓄能原件，采取防爆措施，可有效提高本質(zhì)安全型電源的抗浪涌干擾能力。

6 結(jié)論

本文的隔爆兼本質(zhì)安全型電源主要采用寬范圍交流電壓輸入，能自動(dòng)適應(yīng)煤礦井下的電壓，實(shí)現(xiàn)其電池的充放電管理，具有專業(yè)的電池容量診斷功能，也具有預(yù)防式的后備電池提醒功能，便于事先采取措施，預(yù)防后備電池放電時(shí)間不滿足要求的情況發(fā)生[5]。

電路中設(shè)計(jì)了過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路，可提高產(chǎn)品的抗電磁干擾能力和本質(zhì)安全帶載能力，大大提高了產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性。目前該電源已投入井下使用，具有安全程度高、體積小、質(zhì)量輕、帶載能力強(qiáng)、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 達(dá)到了本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)的要求，適應(yīng)于煤礦井下及其它含有爆炸性混合物的環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。