礦用本質安全型電氣產品隔離電路設計方法研究

左官芳

摘 要：本質安全電路是指標準規定的條件下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。由于其具有體積小，重量輕，價格優惠、方便運輸和攜帶等優點，越來越受到如煤礦、化工等特殊行業的青睞。本質安全電路中隔離電路的設計在分析和實現電路的本質安全性能方面又起到了重要作用，是其決定性因素，因此本安電路隔離的使用也越來越受到設計者的重視，該文重在闡述礦用本安產品的隔離電路要求和設計要點，為設計人員提供參考。

關鍵詞：本質安全電路 隔離 設計 分析

中圖分類號：TD621 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0100-02

隨著煤礦形勢的不斷變化和發展，尤其目前煤炭行業持續低迷的困難時期，本質安全電氣產品由于其具有體積小，重量輕，價格優惠、方便運輸和攜帶等優點，越來越受到客戶的青睞。該文重在闡述礦用本安產品的隔離電路設計要點，為設計人員提供參考。

1 本質安全電路和隔離的概念及意義

標準中規定，本質安全電路的定義是：在標準規定的條件下，包括正常工作和規定的故障條件，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路[1]。計數故障的定義是：符合本標準結構要求的電氣設備的部件上出現的故障[1]。非計數故障的定義是：不符合本標準結構要求的電氣設備的部件上出現的故障[1]。

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定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環境的爆炸性混合物，從而實現電氣防爆[2]。

本質安全型電氣設備根據其安全程度不同分為ia、ib和ic三個等級。ia等級是指電路在正常工作、1個或2個計數故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設備；ib等級是指電路在正常工作或1個計數故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設備[3]。ic等級不存在故障的概念，僅表示電路在正常工作時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。

隔離是人們在分析和評價本質安全電路的本質安全性能時一個重要的技術信息。在本質安全型電氣設備中本質安全電路與其他的電路應該有適當的隔離。這里所說的隔離可以認為是符合要求的電氣間隙、爬電距離、間距隔離，也可以是電氣組件實現的電氣隔離，比如：變壓器、繼電器、光耦合器等[4]。

可靠隔離元件符合標準要求時，應認為不可能跨接可靠隔離發生短路故障，或者說，符合標準要求的可靠連接和隔離應認為不會產生故障；火花試驗裝置不應串聯接入這些連接或跨接這些隔離。因此，可靠隔離可以不進行技術故障和非技術故障的設置，隔離器件前后的儲能元件在分析本安符合性時可以不進行疊加，使得電路更加容易實現本安符合性。

2 電氣間隙、爬電距離要求

本安電路的電氣間隙、爬電距離應符合表1的要求。

不同本質安全電路接線端子的裸露導電部件之間，及其到接地或者到零電位的導電部件之間的電氣間隙和爬電距離應等于或大于表5給出的值。

對于不同的本質安全電路，外部連接裝置的裸露導電部件之間的電氣間隙應符合下列規定：

①不同本質安全電路之間至少6 mm； ②距接地部件至少3 mm。

3 介電強度試驗要求

3.1 介電強度的試驗方法

介電強度試驗應按相應的國家標準進行。如果沒有相應的標準，也可采用下列方法進行。使用頻率在48～62 Hz之間的正弦波交流電壓進行試驗；或使用直流電壓進行試驗，直流電壓值應為規定交流電壓的1.4倍，且直流電壓的峰-峰值波動不得超過3%。電源應具有足夠的伏安容量，以確保在可能出現任何泄漏電流情況下，電源試驗電壓仍可維持。試驗電壓應在不小于10 s時間內平穩上升到規定值，然后至少維持60 s。施加電壓在試驗期間應保持恒定，并且試驗期間流過的電流在任何時候不應超過5 mA交流有效值。[1]

3.2 介電強度試驗電壓等級

對于實驗電壓等級，本質安全電路和非本質安全電路之間的絕緣應能承受2U+1000 V交流有效值試驗電壓，但不小于1 500 V。U指本質安全電路和非本質安全電路的電壓有效值之和。[1]

在各自獨立的本質安全電路之間擊穿可能引起不安全情況時，則電路之間的絕緣應承受2U，但不小于500 V交流有效值電壓試驗，U指所考慮的電路的電壓有效值之和。[1]

4 電氣隔離

4.1 可作為可靠隔離的元件

（1） 變壓器及其關聯器件，例如，熔斷器、斷路器、熱保護器和與繞組末端連接的電阻器應保證供電電源和本質安全電路之間具有可靠的電氣隔離，即使在任何一個輸出繞組發生路而所有其他輸出繞組承受最大額定電氣負載時也應滿足安全隔離的要求。

（2） 對于可靠布置的隔離電容器，兩個串聯電容器中的任一電容器都可認為會發生短路或開路故障。該組件的電容量應取任一電容器的最不利值。在應用組件時，應使用1.5倍安全系數。隔離電容器應為高度可靠的固體介質型電容。電解電容或鉭電容不能使用。組件的外部連接應符合6.3的規定，但隔離要求不適用于隔離電容器內部[5]。

（3） 電隔離元件，比如：隔離DC/DC、光耦、電隔離繼電器等。電隔離元件應符合介電強度的要求；電隔離繼電器應符合標準中容量的規定，并且任何繞組應能承受其連接的最大耗散功率。

4.2 可作為可靠隔離元件的要求

可靠隔離元件應符合下列規定：

（1）隔離元件的電氣間隙、爬電距離應符合表1的要求，但對于內部密封部件（例如，光耦合器），表1第5、6和7列不適用。

（2）連接在本質安全電路端子和非本質安全電路端子之間的元件，應符合介電強度要求要求。制造商規定的可靠隔離元件的絕緣試驗電壓，應不低于介電強度要求要求的試驗電壓值。endprint

（3）連接在本質安全電路之間的介電強度要求。制造商規定可靠隔離元件的絕緣試驗電壓，應不低于介電強度要求的試驗電壓值。

5 隔離電路的設計舉例和本安符合性分析

5.1 不同電壓等級下的隔離元件的應用和分析

以Ui電壓等級下的隔離DC/DC為例，典型電路如圖1：

如若隔離用DC/DC符合可靠元件的要求，DC/DC不再設置短路故障，在計算Ui電壓等級下的允許電容值時，只考慮Ci即可，無需Ci與Co的疊加，大大提高了本安電路的符合性，尤其在Ci瀕臨Ui電壓等級下允許電容值的臨界值時隔離電路顯得尤為重要。

下面我們針對具體的設計參數進行具體的分析。

假設Ui=19.0V，Ci=4.7？F，Co=4.7？F。根據GB3836.4-2010表A.2查得，當Ui=19.0V時，I類設備在1.5倍安全系數情況下允許帶電容值為8.0？F，Ci=4.7？F，小于8.0？F，符合本安電路的要求。但是，當DC/DC為非隔離芯片時，設置一個技術故障，DC/DC的輸入輸出端短接，此時，Ui同時加到了Ci和Co上，Ci+Co=9.4uF，已超出了19.0V電壓等級下允許的8.0uF的電容值，不符合本安電路的要求。

5.2 通信輸出電路的隔離

通信輸出電路的隔離作用主要體現在組建系統的連接上，通信信號因為有了隔離，系統之間的供電電源不需要考慮疊加，使得本安電路的分析簡單化。僅以485通信信號為例，對隔離電路的可以按如下方法進行設計。

（1） 以485通信信號為例，普通的無隔離作用的485芯片，可以在前端使用光耦來進行隔離，光耦輸入輸出之間應能承受AC1500V耐壓。

（2） 帶隔離的485芯片，485隔離器件的輸入、輸出之間應能承受符合要求的介電強度試驗。

6 結語

通過可靠的隔離，本安電路的設計變得簡單而有效，為本安電路的符合性提供了保證。對電路的本安符合性設計具有極其重要的指導意義。

參考文獻

[1] GB 3836.4-2010《爆炸性環境第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》.

[2] 孫繼平.礦井安全監控系統1C2.中國煤炭工業勞動保護科學技術學會安全監控專業委員會，中國礦業大學（北京）信息工程研究所，2004.

[3] 付華，劉尹霞.現場總線系統的本質安全防爆技術[J].電氣防爆，2003（3）：11-14.

[4] 張力.淺談本質安全電路的分析與評價[J].電氣防爆，2010（2）：1-4.

[5] 高麗珍.新型礦用本質安全型電源的設計與研究[J].機械工程與自動化，2006（3）：125-127.endprint