電容串電阻對本安電源火花放電能量的影響

安徽理工大學電氣與信息工程學院 陳思靖

為了提高本安電源的品質和輸出功率，本文研究在火花放電電路的輸出濾波電容側串接電阻對花火放電能量的影響，通過串接電阻獲得火花放電能量的數學模型。再通過對串接不同阻值的電阻的數學模型進行仿真得到串接電阻對火花放電能量的影響，結果表明串接電阻可以有效減小火花放電能量，可以提高本安電源的輸出功率。

針對煤礦井下、石油化工生以及其衍生領域生產一線人員定位檢測設備、預警設備等實際生產現場特定的安全生產需求，安全防爆電器的研究、應用變得愈發重要。電源作為安全防爆電器的能量供給元件，它的安全防爆、穩定輸出在整個安全防爆電路中有著舉足輕重的地位。現在以隔爆型和本質安全型的應用最為廣泛，其中由于本質安全型電器為內部安全設計、考量的優勢使得本質安全型已成為最佳的防爆形式。

1 本安電源

根據要求，與本安電源相關的儀器儀表的設計遵循國家標準GB3836.1-2000，本質安全型電氣設備的標志為“i”，根據安全程度的不同可分為ia和ib兩個等級。考慮到本安電源的使用場合多為煤礦井下，故在設計時安全等級考慮為ib級。

本安電源的工作原理如圖1所示，先從電網處取得交流電，再經輸入整流濾波電路后得到脈動的直流電，后經過直流變換器對得到的直流進行再次處理，最后經多重化的限流限壓保護電路得到需要的直流電，控制器多采用直流型的PWM控制器。

圖1 本安電源工作原理圖

2 電容串接電阻電路火花實驗等效電路的分析

2.1 等效電路模型

根據以往研究，將本質安全開關電源的輸出濾波電路等效為簡單電容電路，并對其進行本質安全特性的分析，以便于對其串聯電阻時進行火花放電時相關指標的分析，電容串接電阻火花試驗電路如圖2所示。

圖2 電容串接電阻電路火花試驗電路

其中，E為充電電源，R0為充電電阻，R1為線路及火花裝置G的電阻和，R為所串入的電阻。通常情況下，R0>>R1。因此，為了研究的方便，在考慮電容短路的火花放電能量時，對上述模型做出簡化，即不考慮來自電源側E的能量來源。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 電容串接電阻電路簡化火花試驗電路

圖3中Uc是在電容發生短路火花放電期間時的電容電壓；UR是串聯可調電阻上的電壓降；UR1是整個回路的內阻和火花試驗裝置內阻之和R1上的電壓，Ug是火花試驗裝置兩端的電壓，同時也為火花放電的電壓；Ig是火花放電電流；Rg是火花放電的等效電阻。

2.2 等效電路分析

對上述得到的電容串接電阻電路簡化火花試驗電路進行分析。基于基本電路定理對上述電路列寫電路方程，得到火花放電能量和串接電阻的關系如下：

3 電路數學模型的仿真

對上述的火花放電能量模型進行仿真，取充電電壓E=100v，放電維持電壓V0=15V，C=100uf時，火花放電能量和串接電阻的關系如圖4（a）、（b）和（c）所示。

圖4

從得到的仿真結果（a）、（b）和（c）中可以看出，隨著串入電阻的增大，火花放電能量的大小以近似指數函數下降，在一定范圍內增大放電電阻即在輸出側串聯小電阻可有效減小火花放電能量，但隨著串接電阻數值的增大，火花放電能量減小的速率將變慢。

結論：本安電路發生短路時，在其他參數不改變的情況下，僅僅增大回路的放電電阻，可以在一定程度上減小本安電源輸出端的火花放電能量，這給本安電源的輸出參數的提高帶來積極影響，有利于進一步提升本安電源的安全品質，這對本安電源應用場所的推廣帶來積極的現實意義。