一種新型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源的設計*

陳佩佩

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

1 引言

2016年末國家煤礦安監(jiān)局印發(fā)《安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》煤安監(jiān)函(2016)5號文件，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)所使用的電氣設備都要依靠本質(zhì)安全型電源來供電，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負載設備的穩(wěn)定性、可靠性與準確性，甚至關系到整個礦井的安全生產(chǎn)[2-3]。本質(zhì)安全型電源的設計要確保在正常狀態(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點燃周圍的爆炸性環(huán)境[4]，以確保井下工作環(huán)境的安全。

本文設計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，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可以上傳，該電源采用模塊化設計，提高了電源的帶載能力，增強了抗電磁干擾能力，各項參數(shù)符合國家標準“GB3836.4—2010 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第 4 部分 :本質(zhì)安全型 i”中的相關規(guī)定，可以應用到易燃、易爆等危險工作環(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等級本質(zhì)安全設備供電，采用并聯(lián)式雙重過流過壓保護的本質(zhì)安全保護電路，其電氣部件主要由寬范圍AC/DC開關電源、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)保險管進AC/DC開關電源輸入端，開關電源能自動適應煤礦安全監(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，采用雙重過流過壓保護，使輸出滿足本質(zhì)安全性能要求。當交流電停電時，蓄電池中貯存的電能通過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，并將這些信息通過內(nèi)部通信傳輸?shù)娇刂瓢迳希偻ㄟ^RS-485通信電路實現(xiàn)這些信息的數(shù)據(jù)上傳，接入到監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對電源信息的實時、不間斷監(jiān)測。

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)過電容實現(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。控制板可實現(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，實現(xiàn)電池的充放電管理，模擬量、開關量采集，數(shù)據(jù)存儲，人機交互，RS-485鏈路控制等功能，其原理如圖2所示。

圖2 控制板原理

控制板提供標準的RS-485接口與外部設備通信，可顯示本機的電源電流、電壓、供電狀態(tài)等信息，無需打開隔爆外殼，只需紅外遙控器即可實現(xiàn)本機電源地址的設置。控制板可實現(xiàn)電源板保護模塊、電源板DC/DC模塊的故障診斷，當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間不足1.5 h時，則報告其容量為不足故障，當電源板的輸入電壓存在，而無輸出電壓時，則應報告該本質(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)過第一級、第二級電子器件的過流、過壓保護電路，實現(xiàn)ib等級的本質(zhì)安全輸出。為了提高本質(zhì)安全型電流值，對過流保護值進行分流處理，即最終輸出本質(zhì)安全型電流值由兩路并聯(lián)的保護電流分別承擔，電路原理如圖3所示。經(jīng)過火花試驗，其任意選擇一路正常或者故障狀態(tài)下的短路、通斷試驗均未出現(xiàn)點燃現(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，可以滿足設計目標要求。該電流保護值在原有基礎上增加了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)安全設備提供本質(zhì)安全型電源，具有雙重過壓過流保護功能，當電路發(fā)生故障時保護井下設備，當故障解除時，可以自動恢復，進入到正常保護狀態(tài)，重新保護井下設備安全運行。

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、硫酸等對人體有害的物質(zhì)，在使用過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、無記憶效應，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)升級改造要求，電池應滿足負載設備不間斷供電4 h，本電源設計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功能、虧電保護功能和維護放電功能。

1) 充電保護功能。實現(xiàn)鎳氫電池組充電管理，并具有三重充電保護，當交流電存在時自動對鎳氫電池組進行脈沖式充電，當充電過流時自恢復保險絲將斷開。當電池組電壓出現(xiàn)-△特性(鎳氫電池特性，當電池充滿時出現(xiàn)電壓下降的情況)自動轉(zhuǎn)為浮充；當充電時間超過24 h可自動轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，防止電池過充；當電池組出現(xiàn)鎳氫電池溫度超過50 ℃時自動切斷充電回路，防止電池過充。

2) 虧電保護功能。實現(xiàn)鎳氫電池組放電管理，防止電池組的過放電。交流斷電時電池組自動放電，當電池組電壓低于20 V時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)的過放電。

3) 維護放電功能。實現(xiàn)鎳氫電池組在交流電時的放電管理，避免煤礦井下交流電長期存在造成鎳氫電池組長達數(shù)月的長期浮充，應定期對電池組進行放電操作。

5 抗電磁干擾能力

《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及組成設備抗電磁干擾能力提出了更高的要求，要求設備通過二級電磁輻射抗擾度試驗且評價等級為A和三級脈沖群抗擾度試驗且評價等級為A[6]。由于電源為本質(zhì)安全型設備，不具備對外界騷擾的能力，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)安全電路設計時通過Y電容隔離接地，對地釋放干擾信號，以增強抗干擾能力。由于本質(zhì)安全型電源設計了過壓、過流保護，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，本質(zhì)安全型輸出會關斷，造成負載設備重啟。為了提高電源的抗浪涌干擾等級，采用電源短時自供電技術，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，能自動適應煤礦井下的電壓，實現(xiàn)其電池的充放電管理，具有專業(yè)的電池容量診斷功能，也具有預防式的后備電池提醒功能，便于事先采取措施，預防后備電池放電時間不滿足要求的情況發(fā)生[5]。

電路中設計了過流、過壓保護電路，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、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點， 達到了本質(zhì)安全型設計的要求，適應于煤礦井下及其它含有爆炸性混合物的環(huán)境，具有良好的應用前景。