礦用隔爆兼本安型ia電源電路設計與檢測①

左官芳

摘 要：礦用隔爆兼本安型電源是礦用電氣產品的重要電源供給，其設計和檢測都是礦用電氣產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，并通過瞬態能量測試方法檢驗其輸出參數的本安符合性，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等系列標準的發布實施，以及近年來根據安標中心的管理要求，煤礦井下安全避險“六大系統”[1]的推廣普及，ia等級的本安產品得到了推廣應用，越來越多的廠家開始關注并設計ia等級的本安產品。電源是電子產品的重要組成部分，也是功率較大的部分，因而電子產品主要從電源方面入手實現防爆。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]。

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個計數故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。

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。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[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方法不同，變壓器需要符合GB3836.4-2010的規定，并通過變壓器的最大負載電流型式試驗和例行耐壓試驗；穩壓電路可采用LM317等三端穩壓器來實現，也可采用隔離DC/DC來實現；SF1、SF2、SF3為三重穩壓限流電路；R為限流電阻，有效抑制瞬態電流的產生。整流濾波以及限壓電路較為容易實現，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的精密保護電路，調節可調電阻W1設定輸出電流保護值，當電路出現過流現象，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，保護特性理想，提高了可靠性，限制了瞬態能量的輸出。

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為：Uo=16.0V，Io=1.0A，R=5Ω/10W。由于電子限流存在暫態過程，該暫態主要為電流暫態，實際輸出暫態值一般都大于Io數倍，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，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條規定的瞬態能量測試。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效應明顯優于無限流電阻保護電路的瞬態效，該ia電源既保證了輸出功率，又有效限制了瞬態效應。

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狀提出了更為簡單有效的檢測方法和依據。

參考文獻

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

[2] 孫紀平.礦井安全監控系統[C].中國煤炭工業勞動保護科學技術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] GB3836.4-2010，爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備.2010.