探討本質安全防爆電路的設計

摘 要：在科學技術的不斷發展下，各行業的本質安全防爆電路的設計要求越來越高，尤其在煤礦井下作業中，本安電源的使用頻率也越來越高，其對于參數的要求也逐漸提升，使得本質安全防爆電路設計成為了一項重要的安全供電設備。

關鍵詞：本質安全；防爆電路；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.121

1 前言

本質安全電路防爆設計，主要是對電氣參數進行合理的設計與分析，進而有效控制電火花能量，確保本質安全型的設備或是電路在正常運行、故障狀態下所產生的熱效應與電火花不至于引燃爆炸性的氣體混合物，造成嚴重的爆炸事件。因此，需要在電感電路、電阻電路、電容電路中，通過降低電流或電壓的方式，確保其安全系數達到要求。

2 電路防火花的設計分析

2.1 電感電流防火花設計

在電感電流中，電感元起作為重要的儲能元件，可將電路能量通過磁能形式加以儲存，讓電路在出現關閉時，將能源進行釋放。電感電流火花放電相對復雜，其火花放電的能源有的來自于電感元件的自身能量，有的來自于電源。在電感電流出現斷開時，除了電感電流會出現火花放電，電感元件的磁場儲能依然會出現放電。而在這個過程中，電路電極會迅速地切斷，期間電極的電阻會大大增加，而電流則會極速下降，發生較大的電流變化，并會在電極間隙的位置發生較高的感應電動勢，導致電感在儲能放電的間隙位置發生放電。當電感電路切斷時，電火花會在較短時間內集中在某一空間，且能量巨大，很容易導致爆炸性混合物點燃。若電感電路的電感相對較小，放電火花就會較為分散且巨大，不容易點燃爆炸性的混合物。因此，若電感電路的電源電壓相同，點燃的電流也會存在差異。且電感電路點燃的電流，比電阻電路點燃的電流還小。在設計過程中，要結合電感儲能放電時對放電火花的影響進行充分的分析，在電感電路發生閉合時，不會導致電流因為突變而出現放電火花，點燃易爆炸的混合物或氣體。

2.2 電阻電路防火花設計

電阻電路出現火花放電，主要是由于電阻電路沒有儲能元件，在發生通斷時，火花能源主要來自于電源，在電路斷開之后，電極接觸面會極速減小，而接觸位置的電流密度則會急劇增加，在這種高電流及高電壓的情況下，電流就會融化為金屬熔橋。與此同時，還會出現一定的金屬蒸氣，并對金屬熔橋產生破壞，進而導致電極間的電阻加大，使得電壓升高。當電壓大于起弧電壓時，則會出現電弧放電的現象。一般電阻電路發生的放電火花能量不太高，因此，開關的通斷速度也會對電火花的能量產生影響。所以開斷電氣參數一定的電路，其火花放電的能量會隨火花放電持續時間和放電波形而變化，持續時間越長，火花放電能量越大，而電阻電路斷開時出現火花，斷開速度越慢越危險。

2.3 電容電路防火花設計

電容電路火花放電通常發生在開關觸點的閉合時，但在觸點斷開后，電容一般不會發生放電火花。電容電路中的電容，通常作為儲能器來將電源能源通過電場能形式加以存儲。當電路發生閉合時，不僅會存在電容儲能的放電，還會存在電阻電路的放電。電容電路的放電流較大，且速度較快，火花的放電能量也較為集中，危險性極大，很容易導致爆炸混合物點燃。本安電路的放電火花點燃力，不僅受到電流、電感等影響，還受非電氣參數影響，包括爆炸性混合物成分、流動速度，以及溫度與濕度，還有電極觸頭的材質及分合流速影響。而不同的成分，其爆炸能力也不相同。為確保本安電路防爆設計的可行性，在檢驗和設計本安電路過程中，還要確保其安全系數符合要求。

3 電源電路的防爆設計

3.1 電源電路的開關設計

在電源電路設計中，可以運用開關穩壓器來作為前級電路，在采用低壓差線性的穩壓電源來作為后級電路，通過這種串級連接方式，來較小紋波，提高電源在輸出低電壓時的精準度。開關電源的應用優勢較為突出，不僅體積較小，而且效率較高，重量較輕，電網的適應性較強。在電源電路的防爆設計中，通過調整開關管的占空比，來更好地適應電壓。且該種線性穩定的電源，工作狀態反應較為靈敏，且電壓穩定性良好，噪音較低，輸出的紋波電壓小，電路結構較為簡單，易于維護。本質安全防爆的直流開關電源，與普通的開關電源有著很大的不同，能夠對電路火花放電的能量進行限制[3]。換言之，也就是限制電路的電壓及電流，并對放電時間加以控制。線性電流的輸出端無需設置較大的濾波電容，因此本質安全保護電路一般運用輸出端增加電流檢測電阻方式，及反饋調整管方式進行。針對于開關電源，可以通過加電流來檢測電阻，并控制或調節占空比，對電流加以限制。

3.2 交直流及變壓器的轉換

在本質安全防爆電路的設計中，要尤其注意變壓器的設置。由于變壓器不僅能夠作為高低壓的轉換器，而且能夠做為非本安與本安間的隔離器。所以，在選擇時，應該優先選取噪音及漏磁較小，且耐壓性強的R型變壓器。通常，有的井下的照明設備電壓為127V，而動力電壓為660V或380V[4]。所以，為滿足不同的電壓輸出要求，一般運用多頭輸出的變壓器以增強其使用性能。當變壓器輸出后，需用通過整流橋濾波的電路來輸出電壓，并將輸出電壓控制在32V左右。

3.3 保護電路的設計

以往的過壓過流防護措施，需要首先調整好電流及電壓閾值，確保其適應性，再運用電阻采樣的形式，將信號傳輸值比較器加以保護操作。由于該方式在生產調試的過程中，操作較為復雜，若電位器出現偏移，會導致閾值也隨之變化，進而大大增加安全隱患。因此，可以采用浪涌抑制器芯片及場效應管等先進的核心器件，來進行過壓過流保護電路的設計。其中LT4356便是一款擁有故障診斷功能的先進浪涌抑制器，能夠進行過壓與過流的保護操作，且工作電流可以達到80V，不僅自身的操作效率、運行效率較高，而且能夠提供反向輸出保護，并進行輸出電壓的檢測，有效提高系統的安全、穩定性。

參考文獻：

[1]李天杰.煤礦本質安全型電路的防爆方法及電氣設備技術要求[J].科技風，2013（04）：36.

[2]章平誼.本質安全型設備外部電路連接裝置的防爆要求[J].防爆電機，2014（01）：31-32+35.