本质安全防爆电源设计技术.pdf

本质安全防爆电源设计技术 收稿日期2010-07-06;修订日期2011-01-09 作者简介张仲礼 （ 1 9 5 6 - ） ， 男， 陕西白水人， 高级工程师， 从事矿井检测、 监控、 矿井地质探测技术研究， E - m a i lZ H A N G Z H O N G L I T Y A H O O . C O M .C N 张仲礼 （ 煤炭科学研究总院 西安研究院，西安710054 ） 摘要电源电路是煤矿井下使用的本质安全型防爆电器的重要部件， 它决定本质安全型防爆电器的防爆性能， 是 本质安全型防爆电器的重要设计技术。文章研究了本质安全型电路的基本性能， 通过设计实例阐述了本质安全型 防爆电源的设计技术。 关键词本质安全；防爆电器；电源 中图分类号T D 6 8文献标识码A文章编号1008-8725 （2011 ） 03-0047-02 Design Technology of Inherent Safe Explosion-proof Power ZHANG Zhong-li （Xian Branch of China Coal Research Institute，Xian 710054，China ） AbstractThe power circuit is an important part of inherent safe explosion -proof appliance used underground coal mines. It decides the explosion-proof perances of inherent safe explosion-proof appliance, and is an important design technology for inherent safe explosion-proof appliances. In the paper,the basic characteristics of inherent safe circuit is studied,the design technology of inherent safe explosion-proof power is described with design examples. Key wordsinherent safe; explosion-proof appliance; power 0引言 煤矿井下使用的防爆电器分为隔爆型、 增安型、 本质安全型等数种类型。 电源是本质安全型防爆电器 设备工作的能源供给部件， 是决定本质安全型防爆电 器设备防爆性能的主要部件。 文章研究本质安全型防 爆电源的设计技术。 1本安电路 在正常工作或规定的故障条件下所产生的电火 花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路 称为本质安全电路。 本质安全型防爆电器设备的特征 是其全部电路均为本质安全电路， 本质安全型仪器仪 表 防 爆 性 能 的 设 计 主 要 遵 循 的 是 国 家 标 准 GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备第 1 部 分通用要求； GB3836.4-2000 爆炸性气体环境用电 气设备第 4 部分 本质安全型 “i” [1-2]。 本质安全电气设备防爆的基本原理通过限制 电气设备电路的各种参数或采取相应的保护措施来 限制电路的火花放电能量和热能，使其达到本质安 全的要求， 从而实现电气防爆目的。 限制电路的放电 能量就是限制电路的最高电压和最大电流，这些限 制一般都是在电源电路的设计过程中实现的。本质 安全型防爆电器电源电路的设计过程就是限制电流 能量和设制保护措施的过程。由于电容和电感能够 储存和释放电能量，因此本安电路中电容和电感的 使用也必须受到限制。 本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为 ia 和 ib 两个等级。 ia 等级是指电路在正常工作、 一个 或两个计数故障时， 都不能点燃爆炸性混合物的电气 设备。ib 等级是指电路在正常工作或一个计数故障 时， 不能点燃爆炸性混合物的电气设备。煤矿井下要 求的安全等级是 ib 等级。 电源电路与电池要求浇封一 体，浇封体从内到外的各种连线都必须是本质安全 的， 即它们相互打火都不能点燃爆炸性混合物气体。 2电源电路设计 2.1简单电源 在许多实际应用中，有一些电子仪器仪表工作 电流很小， 通常工作电流都在 100mA 以內， 可采用 图 1 所示的简单电路。 图 1 所示的电路中 R1 是能量限制元件，电池 通过 R1 向负载 RL 供电。当 R1 上的电流较大时， 第 30 卷第 3 期 2011 年3 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.30,No.03 March,2011 图 1简单电路示意图 R1 的功率消耗就要增大， 产生的热量增多， 而且这 种热量是有害的， 这种设计不合理， 就要选择其它内 部功率消耗较小的电源电路。 R1 是能量限制元件， 决定电源电路的最大电流 （当 RL 0 时 ） 。R1 的阻值按 3836.4-2000 的附录 1 的曲线选取， R1 的最大功率消耗 （当 RL0 时） 不能 超过 R1 标称功率的 2/3， R1 应使用无感电阻。 2.2线性电源 线性稳压电源是本质安全型防爆电器设备经常 采用的电源， 它的优点是电压精度高、 纹波小。在要 求高精度电源的应用系统， 如信号釆集、 高可靠控制 等系统， 线性电源是较好的选择之一。 方案一采用 2 个线性稳压器件串联组成本安 电源， 如图 2 所示。图中的 U1U2 是 2 个线性稳压集 成电路， U1 的输出较 U2的输出高。 这种设计是利用线 性稳压器件本身的限流、 限压性能实现限制电源能量 的目的。有的线性稳压器件对滤波电容有一定的要 求， 使用时要认真阅读线性稳压器件的技术说明。 这种设计简单实用， 使用可靠， 故障率低。但是 这种设计电池电压变化范围不大的情况下使用较为 合理。 如果电池电压升高， U1 的功率消耗就会增大， 这对电源来说是不利的。 方案二图 3 所示的是一种经典的线性本质安 全型防爆电器的电源电路，电流限制是由比较器 AR1 和 AR2 以及电阻 R1， R2， R3， R4， R5， R6 组成 的双重限流电路通过开关 Q1 实现的，过压保护是 由稳压管 D1， D2 实现的。 R1， R2 的功率按最大短路 电流来计算， D1， D2 的击穿电压按 U1 的输出电压 来选取，选取的原则是 U1 的输出电压正常时， D1， D2 不工作在击穿状态。例如 U1 输出 5V 电压， D1， D2 的击穿电压应选取 6V 以上的稳压管。 这个设计优点是最大输出电流可以任意设置、 控制精确。缺点是电路较为复杂， 调试困难。D1,D2 的击穿电压应选取 6V 以上的稳压器。 2.3开关电源 现在开关电源技术 （即 DC/DC 电源） 无论是在 理论还是在实际电路中的应用都已经非常成熟。图 4 是 DC/DC 电源的一种应用， U1 是 DC/DC 变换器。 DC/DC 电源输入范围大 （通常在 9～18V ） ， 输出 电压灵活， 还具有输入输出隔离、 过压过流保护、 输 出控制等功能， 使用非常方便， 特别在多地不共的应 用中体现得非常明显。DC/DC 电源的另一优点是它 的内耗是基本恒定的， 也就是输入在 9～18V 变化时 它的内部消耗是基本不变化的； 但是 DC/DC 电源纹 波大， 一般都在几十毫伏， 不适用小信号采集和处理 电路， 而对于一般数字电路足以满足使用。 3结束语 本质安全型防爆电源的设计方案很多，这里仅 介绍了其中的几种方案，主要是想通过这几个例子 阐明本质安全型防爆电源的设计思想。各种电源电 路都有各自的优缺点， 满足一定用途， 使用时要依据 具体用途综合分析判断。 参考文献 [ 1 ] G B 3 8 3 6 . 1 - 2 0 0 0 ， 爆炸性气体环境用电气设备[ S ] . [ 2 ] G B 3 8 3 6 . 4 - 2 0 0 0 ， 爆炸性气体环境用电气设备[ S ] . （责任编辑王凤英 ） 煤炭技术第 30 卷 48 图 2线性稳压器件串联 图 3线性稳压比较器保护电路 图 4线性稳压器件串联 欢迎订阅煤炭技术 “ “ “ “