新型礦用“ia”本質安全型電源設計

常琳

(安標國家礦用產品安全標志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

IEC 60079、GB 3836.4—2010系列標準中明確規定，對于在煤礦井下甲烷超限時的爆炸環境還能正常使用的設備，必須達到EPL Ma的防護級別，該級別具有足夠強的安全性，使設備在正常運行、出現預期故障或罕見故障，甚至在瓦斯突出時設備帶電的情況下均不可能成為點燃源。由此可見，煤礦井下，使用在采掘工作面、瓦斯抽放管道中等危險區域的傳感器等設備必須達到EPL Ma級別，如使用本質安全型設備，要求產品的防爆等級必須為ia等級，同樣，按照防爆安全要求，給ia設備供電的電源，其供電口的防爆等級也必須為ia等級[1]。

在IECEx的國際認證體系中，許多國家在采掘工作面都采用了ia等級的傳感器和儀表[2]。我國為保證煤礦井下采、掘的安全，工作面配備的本質安全型傳感器、儀表逐步由ib等級提升到ia等級，這些傳感器、儀表、通信電路構成了煤礦的安全監控系統的一部分，這些都離不開ia等級本質安全型電源的供電。ia等級本質安全型電源的安全性、可靠性直接影響到煤礦的安全生產，因此有必要設計一種負載能力強、安全性能高的ia級本質安全型電源。

1 常規ia等級防爆電源設計

1.1 基本設計原理

根據GB 3836.4—2010的規定，ia等級電源不能采用電子開關電路來進行能量抑制和通斷控制，必須采用可靠元器件進行限流、限能，而電阻是最常用的可靠限流元器件。常規的ia等級電源設計如圖1所示。

圖1 常規ia等級電源設計

實際上，對于該ia本質安全電源的設計，其本質安全參數就是GB 3836.4—2010中的附錄A中圖A.1的電阻電路，其電路的火花點燃特性可由該附錄中表A.1來查詢和評定。

1.2 常規ia等級電源設計缺陷

結合圖2可知：

圖2 常規ia電源的負載能力

Uout=U1-R·I0

(1)

同時，根據基爾霍夫第一定律，負載RL的電流也為I0，因此，輸出功率P0為：

P0=Uout·I0

(2)

對(1)(2)兩式聯合求解，由(1)可知：

I0=(U1-Uout)/R

(3)

將(3)代入(2)得，

(4)

因此，對于常規的ia電源方案，為了提升電源的本地帶載能力，應降低電壓U1。但是U1過低，稍遠距離供電時負載的電壓又會很快衰減，導致無法在煤礦現場實用[5]，所以常規的ia電源設計存在缺陷。

2 新型ia等級電源設計

2.1 對通用電源的優化

通過對常規ia電源電路分析，從本質安全參數來看，因Uout輸出電壓與輸入電壓U1相同，所以電阻阻值會隨輸入電壓U1的升高而變大，從而導致電壓越高，帶載能力越差。因此，可以依據電阻阻值的選取取決于輸出電壓Uout，而不是U1的特點。新型電源通過增加后端的過壓保護電路來限制電壓輸出，從本質安全參數的角度將輸出電壓Uout與輸入電壓獨立開來，可實現提升ia電源的負載驅動能力。優化后的電路如圖3所示。

圖3 電路優化示意圖

2.2 新型電源設計優勢

正常情況下，U1>Uout，U1經過電阻R壓降后，得到U2，U2再經過穩壓電路后，穩定輸出Uout。該電路的本質安全參數為：U0=Uout

該設計的優點是按照較低的電壓Uout去計算短路電流I0，可以小于原設計的短路電源I0(原設計是以較高的U1計算短路電流)。因此，電阻R的選擇要比原設計的更小。

同時，新型電源設計具有一定的穩壓功能。原有設計，當輸出電流I0稍稍變化時，Uout就會發生變化。本設計的U2=(U1-R·I0)，當U2>Uout時，輸出電壓始終為Uout，保持輸出穩壓功能。

對新設計進一步優化，可將線性穩壓電路換為開關電源。

圖4 進一步優化的電路示意圖

當U2=Uout時，開關電源完全導通，其分析方法與上述的分析方法相同。但是當U2>Uout時，線性電源的電阻上的電流IR與輸出的電流I0相同。開關電源IR

3 電源有效性驗證

按照新型電路設計，作者通過搭建實際電路進行分析，如圖5所示。電路采用K7815電源模塊驗證是否會導致輸出I0超限，火花特性無法通過試驗。分析如下：

圖5 等效電路模型

當V1<16 V時，電源模塊K7815完全導通，Vout≈V1，I1=I2，所以短路時電流最大為I2=24 V/24 Ω=1 A；當V1=16 V時，I1=(24 V-16 V)/24 Ω=8 V/24 Ω=330 mA，I2基本上為330 mA；當V1>16 V時，I1<330 mA，I1電流與I2電流按功率守恒來計算。

比如：I1=100 mA，V1=24 V-24 V×100 mA=21.6 V，P=21.6 V×100 mA=15 V×I2，可得I2=144 mA；若I1=200 mA時，V1=24 V-24 V×200 mA=19.2 V，P=19.2 V×200 mA=15 V×I2，可得I2=256 mA；若I1=300 mA時，V1=24 V-24 V×300 mA=16.8 V，P=16.8 V×300 mA=15 V×I2P=16.8×300 mA=15×I2，可得I2=336 mA。

為驗證K7815電源模塊在本質安全電源上的限流限壓效果，電路接入到火花試驗裝置，按照正常工作和施加一個計數故障加上最不利條件下的非計數故障，并施加1.5倍安全系數。進行火花實驗時，將K7815輸入輸出端短路作為一個計數故障，斷開V1～V3的穩壓管。火花點燃試驗電路如圖6所示。

圖6 試驗電路

在試驗電源輸入端可施加24 V+15%的輸入電壓，調節試驗電路中的電容值，使試驗通過52%±0.5%H2的爆炸性試驗混合物來滿足1.5倍安全系數的要求，電源輸出端接入火花試驗槽，經400轉(每一極性200轉)即3 200次火花點燃試驗，試驗未出現點燃，從而確定了電源C0值達到3.0 uF。

4 結語

通過對常規ia等級電源與新型電源的設計分析比較，說明了電路設計的優點和缺陷。新型ia等級電源通過實踐電路的測試與分析，并負載電容和電感，順利的通過了國家級防爆安全檢測部門的安全火花試驗，新型電路的設計得到了有效驗證，利用開關電源作為ia等級電路中的輸出功率限制，不僅符合了本質安全型電路的要求，同時提升了ia等級本質安全電源的負載驅動能力，取得了良好的效果。