新型礦用“ia”本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)

常琳

(安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司， 北京 100013)

0 引言

IEC 60079、GB 3836.4—2010系列標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，對(duì)于在煤礦井下甲烷超限時(shí)的爆炸環(huán)境還能正常使用的設(shè)備，必須達(dá)到EPL Ma的防護(hù)級(jí)別，該級(jí)別具有足夠強(qiáng)的安全性，使設(shè)備在正常運(yùn)行、出現(xiàn)預(yù)期故障或罕見(jiàn)故障，甚至在瓦斯突出時(shí)設(shè)備帶電的情況下均不可能成為點(diǎn)燃源。由此可見(jiàn)，煤礦井下，使用在采掘工作面、瓦斯抽放管道中等危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器等設(shè)備必須達(dá)到EPL Ma級(jí)別，如使用本質(zhì)安全型設(shè)備，要求產(chǎn)品的防爆等級(jí)必須為ia等級(jí)，同樣，按照防爆安全要求，給ia設(shè)備供電的電源，其供電口的防爆等級(jí)也必須為ia等級(jí)[1]。

在IECEx的國(guó)際認(rèn)證體系中，許多國(guó)家在采掘工作面都采用了ia等級(jí)的傳感器和儀表[2]。我國(guó)為保證煤礦井下采、掘的安全，工作面配備的本質(zhì)安全型傳感器、儀表逐步由ib等級(jí)提升到ia等級(jí)，這些傳感器、儀表、通信電路構(gòu)成了煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，這些都離不開ia等級(jí)本質(zhì)安全型電源的供電。ia等級(jí)本質(zhì)安全型電源的安全性、可靠性直接影響到煤礦的安全生產(chǎn)，因此有必要設(shè)計(jì)一種負(fù)載能力強(qiáng)、安全性能高的ia級(jí)本質(zhì)安全型電源。

1 常規(guī)ia等級(jí)防爆電源設(shè)計(jì)

1.1 基本設(shè)計(jì)原理

根據(jù)GB 3836.4—2010的規(guī)定，ia等級(jí)電源不能采用電子開關(guān)電路來(lái)進(jìn)行能量抑制和通斷控制，必須采用可靠元器件進(jìn)行限流、限能，而電阻是最常用的可靠限流元器件。常規(guī)的ia等級(jí)電源設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 常規(guī)ia等級(jí)電源設(shè)計(jì)

實(shí)際上，對(duì)于該ia本質(zhì)安全電源的設(shè)計(jì)，其本質(zhì)安全參數(shù)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(diǎn)燃特性可由該附錄中表A.1來(lái)查詢和評(píng)定。

1.2 常規(guī)ia等級(jí)電源設(shè)計(jì)缺陷

結(jié)合圖2可知：

圖2 常規(guī)ia電源的負(fù)載能力

Uout=U1-R·I0

(1)

同時(shí)，根據(jù)基爾霍夫第一定律，負(fù)載RL的電流也為I0，因此，輸出功率P0為：

P0=Uout·I0

(2)

對(duì)(1)(2)兩式聯(lián)合求解，由(1)可知：

I0=(U1-Uout)/R

(3)

將(3)代入(2)得，

(4)

因此，對(duì)于常規(guī)的ia電源方案，為了提升電源的本地帶載能力，應(yīng)降低電壓U1。但是U1過(guò)低，稍遠(yuǎn)距離供電時(shí)負(fù)載的電壓又會(huì)很快衰減，導(dǎo)致無(wú)法在煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用[5]，所以常規(guī)的ia電源設(shè)計(jì)存在缺陷。

2 新型ia等級(jí)電源設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)通用電源的優(yōu)化

通過(guò)對(duì)常規(guī)ia電源電路分析，從本質(zhì)安全參數(shù)來(lái)看，因Uout輸出電壓與輸入電壓U1相同，所以電阻阻值會(huì)隨輸入電壓U1的升高而變大，從而導(dǎo)致電壓越高，帶載能力越差。因此，可以依據(jù)電阻阻值的選取取決于輸出電壓Uout，而不是U1的特點(diǎn)。新型電源通過(guò)增加后端的過(guò)壓保護(hù)電路來(lái)限制電壓輸出，從本質(zhì)安全參數(shù)的角度將輸出電壓Uout與輸入電壓獨(dú)立開來(lái)，可實(shí)現(xiàn)提升ia電源的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。優(yōu)化后的電路如圖3所示。

圖3 電路優(yōu)化示意圖

2.2 新型電源設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

正常情況下，U1>Uout，U1經(jīng)過(guò)電阻R壓降后，得到U2，U2再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路后，穩(wěn)定輸出Uout。該電路的本質(zhì)安全參數(shù)為：U0=Uout

該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是按照較低的電壓Uout去計(jì)算短路電流I0，可以小于原設(shè)計(jì)的短路電源I0(原設(shè)計(jì)是以較高的U1計(jì)算短路電流)。因此，電阻R的選擇要比原設(shè)計(jì)的更小。

同時(shí)，新型電源設(shè)計(jì)具有一定的穩(wěn)壓功能。原有設(shè)計(jì)，當(dāng)輸出電流I0稍稍變化時(shí)，Uout就會(huì)發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)的U2=(U1-R·I0)，當(dāng)U2>Uout時(shí)，輸出電壓始終為Uout，保持輸出穩(wěn)壓功能。

對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，可將線性穩(wěn)壓電路換為開關(guān)電源。

圖4 進(jìn)一步優(yōu)化的電路示意圖

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

3 電源有效性驗(yàn)證

按照新型電路設(shè)計(jì)，作者通過(guò)搭建實(shí)際電路進(jìn)行分析，如圖5所示。電路采用K7815電源模塊驗(yàn)證是否會(huì)導(dǎo)致輸出I0超限，火花特性無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)。分析如下：

圖5 等效電路模型

當(dāng)V1<16 V時(shí)，電源模塊K7815完全導(dǎo)通，Vout≈V1，I1=I2，所以短路時(shí)電流最大為I2=24 V/24 Ω=1 A；當(dāng)V1=16 V時(shí)，I1=(24 V-16 V)/24 Ω=8 V/24 Ω=330 mA，I2基本上為330 mA；當(dāng)V1>16 V時(shí)，I1<330 mA，I1電流與I2電流按功率守恒來(lái)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(yàn)證K7815電源模塊在本質(zhì)安全電源上的限流限壓效果，電路接入到火花試驗(yàn)裝置，按照正常工作和施加一個(gè)計(jì)數(shù)故障加上最不利條件下的非計(jì)數(shù)故障，并施加1.5倍安全系數(shù)。進(jìn)行火花實(shí)驗(yàn)時(shí)，將K7815輸入輸出端短路作為一個(gè)計(jì)數(shù)故障，斷開V1～V3的穩(wěn)壓管。火花點(diǎn)燃試驗(yàn)電路如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)電路

在試驗(yàn)電源輸入端可施加24 V+15%的輸入電壓，調(diào)節(jié)試驗(yàn)電路中的電容值，使試驗(yàn)通過(guò)52%±0.5%H2的爆炸性試驗(yàn)混合物來(lái)滿足1.5倍安全系數(shù)的要求，電源輸出端接入火花試驗(yàn)槽，經(jīng)400轉(zhuǎn)(每一極性200轉(zhuǎn))即3 200次火花點(diǎn)燃試驗(yàn)，試驗(yàn)未出現(xiàn)點(diǎn)燃，從而確定了電源C0值達(dá)到3.0 uF。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)常規(guī)ia等級(jí)電源與新型電源的設(shè)計(jì)分析比較，說(shuō)明了電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷。新型ia等級(jí)電源通過(guò)實(shí)踐電路的測(cè)試與分析，并負(fù)載電容和電感，順利的通過(guò)了國(guó)家級(jí)防爆安全檢測(cè)部門的安全火花試驗(yàn)，新型電路的設(shè)計(jì)得到了有效驗(yàn)證，利用開關(guān)電源作為ia等級(jí)電路中的輸出功率限制，不僅符合了本質(zhì)安全型電路的要求，同時(shí)提升了ia等級(jí)本質(zhì)安全電源的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，取得了良好的效果。