本安電源理論介紹

1、本質(zhì)安全電源電路理論綜述1刖言作為通訊、監(jiān)控、檢測、報警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì)安全電源主要應(yīng)用在石油、 化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。本質(zhì)安全電源電路必須符合本質(zhì)安全電路標(biāo) 準(zhǔn)的要求，本質(zhì)安全電路是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件（包括正常工作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障條件）下 產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路1, 2, 3。其 特點是：電源電路內(nèi)部和引出線不論是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是安全的，所產(chǎn)生的 電火花不會點燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合物。人們對本質(zhì)安全電路理論研究已經(jīng)有一百多年 的發(fā)展歷史，目前本質(zhì)安全產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了較為完整的體系。本文在收集、整理大

2、量 參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，就以下幾個方面分別進(jìn)行介紹。2本質(zhì)安全電源電路發(fā)展過程2.1本質(zhì)安全理論產(chǎn)生的背景1886年由普魯士瓦斯委員會委托亞?。ˋachen）X業(yè)大學(xué)進(jìn)行了瓦斯爆炸方面的基 礎(chǔ)性試驗，并在1898年的后續(xù)試驗過程中得出了任何電火花都能夠引起爆炸重要結(jié)論 4。1911和1913年英國威爾士（Welsh）和圣海德（Senghenydd）煤礦因電鈴信 號線路產(chǎn)生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數(shù)百人死亡的嚴(yán)重后果。為此，當(dāng)時任英國內(nèi)政部技術(shù)官員R.V.Wheeler 教授開始研究電鈴信號電火花的引燃特性，并設(shè)計了火花試驗裝置。1915年 W.M.Thoronton參與了該項研究工作，在1

3、916年提出了本質(zhì)安全電路設(shè)計方法和理論， 這一理論的提出標(biāo)志著本質(zhì)安全理論正式創(chuàng)立5, 6, 7, 8, 9。2.2早期的本質(zhì)安全電源早期的本質(zhì)安全電源是由16個濕式里單齊（Leclanche）電池串聯(lián)而成的蓄電池組， 輸出電壓為24V，蓄電池之間串聯(lián)了一個大電阻用來限制短路電流，整體結(jié)構(gòu)上將電阻和 蓄電池組封裝在一起。由于用蓄電池作為信號電源非常不方便，容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維 護(hù)。所以人們開始試驗采用交流電作為電源，具體辦法是利用一個信號變壓器將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn) 換較低的電壓大約為15V，輸出電流為1.6A （需串聯(lián)非感性電阻），將電源整體放入一個防 爆殼內(nèi)，從而提高其安全性能，滿足安全生產(chǎn)的

4、要求9, 10, 11。2.3本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)理論發(fā)展簡介在沒有制定本質(zhì)安全電路標(biāo)準(zhǔn)的時期，本質(zhì)安全電氣設(shè)備的設(shè)計結(jié)果是否被接受，主要 取決于鑒定機構(gòu)的辨別力，這是由當(dāng)時煤礦立法給予鑒定機構(gòu)的權(quán)力。在英國，大部分提交 本質(zhì)安全電氣設(shè)備的檢驗必須由部長批準(zhǔn)。隨著本質(zhì)安全設(shè)備的增加及其在采礦上的應(yīng)用 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了需要部長批準(zhǔn)的范圍，社會各界都希望建立正式的本質(zhì)安全鑒定程序。1901年英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會正式建立，1905年提出礦用設(shè)備使用安裝規(guī)程，1911年制定 了煤礦法提出煤礦用電氣設(shè)備安裝與使用通用規(guī)程，并于1926年首次發(fā)表了英國標(biāo)準(zhǔn)229 號，規(guī)定了隔爆外殼的要求，使本質(zhì)安全電氣設(shè)備的檢驗必須由部

5、長批準(zhǔn)的形式于1928 年宣告結(jié)束。1929年英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會與皇家憲章(Royal Charter)合并為國家標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)， 1933年聯(lián)邦德國制定了本質(zhì)安全防爆國家標(biāo)準(zhǔn)VDE171 12, 13。1945年英國國家 標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)頒布了本質(zhì)安全方面國家標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)安全器件與電路標(biāo)準(zhǔn)代號BS1259:1945。 1949年發(fā)布了關(guān)于本質(zhì)安全信號變壓器(主要用于煤礦)的標(biāo)準(zhǔn)，代號為BS1538:1949。 1958年對標(biāo)準(zhǔn)BS1259進(jìn)行了修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)代號為BS1259:1958。隨著電子器件的更新和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，本質(zhì)安全電氣設(shè)備的種類和形式發(fā)生了巨大的 變化，英國國家標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)于1945年再一次修訂BS

6、1259： 1958。1967年在IEC31G委 員會布拉格會議期間，經(jīng)過對火花放電提交的不同試驗結(jié)論比較，決定采用聯(lián)邦德國西門子 公司一組工作人員設(shè)計的火花試驗裝置所作的試驗結(jié)果，并將該試驗裝置推選為國際標(biāo)準(zhǔn)火 花試驗裝置14。1978年國際電工委員會(IEC)發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括本 質(zhì)安全和附屬設(shè)備的構(gòu)造和試驗標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)代號：IEC刊物79-11。在此期間，歐洲標(biāo)準(zhǔn) 化組織CENELEC也制定了一系列關(guān)于可燃性環(huán)境中電氣設(shè)備的構(gòu)造與試驗歐洲標(biāo)準(zhǔn)，本 質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)代號為：EN50020O歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會于1981年制定有關(guān)本質(zhì)安全 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測試的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，代號為：EN500

7、39,與之相當(dāng)?shù)挠鴺?biāo)準(zhǔn)為：BS5501： 1982 15, 16。美國在本質(zhì)安全電路設(shè)計方面，先后制定了本質(zhì)安全國家電氣規(guī)程 (NEC504-2條)，1995年保險商實驗室(UL913)和美國儀表學(xué)會(ISA)，出版了 用于檢驗和安裝本質(zhì)安全設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/ISA-PR12.6-1995)17。在本質(zhì)安 全電器產(chǎn)品檢驗方面，世界各國都有專門授權(quán)的防爆檢驗部門從事本質(zhì)安全電路和電氣設(shè)備 及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的檢驗，例如英國的礦業(yè)安全研究院(SMRE)、德國的PTB、前蘇聯(lián)的馬可 尼安全研究院、全速防爆電器設(shè)備研究所。美國沒有官方檢驗機構(gòu)，UL (Underwriters Laboratories

8、 Inc)和 FM (Factory Mutual Research Corp)均是私人企業(yè)組織。在本質(zhì)安全理論創(chuàng)建后的幾十年里，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開始研究分析本質(zhì)安全電路 及其理論。初期的研究主要集中在安全火花電路和火花試驗裝置設(shè)計方面，英國的 R.V.Weeler教授在1915年發(fā)表了關(guān)于蓄電池電鈴信號系統(tǒng)內(nèi)信號線上火花試驗點燃沼 氣一空氣混合氣體危險的報告18。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次 發(fā)表報告關(guān)于裸導(dǎo)線設(shè)備信號線上火花試驗點燃可燃性混合氣體危險的報告19。1928 年C.B.Platt和R.A.Bailey博士發(fā)表鑒定礦用信號電鈴安全性能調(diào)研報

9、告。J.R.Hall在總 結(jié)已經(jīng)獲得的相關(guān)理論基礎(chǔ)上于1985年出版了專著Intrinsic Safety書中對本質(zhì)安全電 路基本原理、安全火花電路基本概念以及火花試驗裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。此外，英國礦業(yè) 安全研究院(SMRE)也對安全火花電路理論進(jìn)行了試驗研究。在此期間，前蘇聯(lián)在本質(zhì)安全理論以及火花試驗裝置研究方面也進(jìn)行了大量的試驗。其 中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達(dá)爾通過試驗對電氣放電和摩擦火花的防爆性進(jìn)行了全面的 研究20； A.A.卡伊馬科夫針對煤礦井下爆炸性混合物的形成、點燃源的種類、爆炸性 混合物的一般概念以及弧光放電和脈沖放電條件下法蘭式防爆殼防爆機理進(jìn)行了大量的試 驗研究

10、21, 22； B.C.格拉夫欽克等人合編的專著安全火花電路系統(tǒng)分析了煤礦、石 油、化工等行業(yè)各種可燃性混合物中電路安全火花性能的物理基礎(chǔ)，并列舉了有關(guān)評價安全 火花電路性能的計算方法、測量方法以及提高電路允許輸出功率的研究成果，提出了安全火 花電氣設(shè)備的設(shè)計和試驗的基本原則23。參與本質(zhì)安全理論與試驗研究的國家專門機 構(gòu)還有馬可尼安全研究所和全蘇防爆電器設(shè)備研究所9, 12。對本質(zhì)安全電路理論以及試驗裝置進(jìn)行研究的還有德國、美國、日本等國家。德國工程 物理研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt簡稱PTB)是從事本質(zhì)安全電路 理論和試驗研究的國家機構(gòu)

11、9, 24，直到2004年該機構(gòu)還發(fā)表了一篇本質(zhì)安全電路方 面的文章24。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先后在相關(guān)國際會議或?qū)I(yè)雜志上發(fā)表本質(zhì)安全電路方面的論文2531。分別運 用不同的試驗方法或測試手段從各個角度對本質(zhì)安全電路進(jìn)行研究。日本在本質(zhì)安全電路設(shè) 計及理論研究相對比較保守，在電路參數(shù)設(shè)計上使用較高的安全系數(shù)，以此來提高本質(zhì)安全 電路的安全性能。2.4我國本質(zhì)安全理論、產(chǎn)品及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展?fàn)顩r我國開始從事本質(zhì)安全電路理論研究的時間要追溯到上個世紀(jì)五十年代，雖然我國起步 比較晚，但是從目前國內(nèi)的發(fā)展?fàn)?/p>

12、況來看，無論在理論研究方面，還是本質(zhì)安全產(chǎn)品設(shè)計方 面發(fā)展的速度都很快。進(jìn)入六十年代我國自行設(shè)計的礦用本質(zhì)安全設(shè)備開始投入使用。七十 年代初我國設(shè)計的本質(zhì)安全產(chǎn)品開始在石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用32。特別是最近幾年國 內(nèi)在本質(zhì)安全理論研究方面進(jìn)步很快，已經(jīng)接近國際水平。對電阻性電路的放電特性從理論 上分析研究7；在此基礎(chǔ)上，通過大量的具體試驗對電感電路先后進(jìn)行了全面的研究和 分析】33_40；此后，一些專家和學(xué)者又對電容性電路以及復(fù)雜電路的放電特性與引燃 特性做了深入的研究和理論分析】41_44，并且分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在本質(zhì)安 全產(chǎn)品方面國內(nèi)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品與一些國家的同類產(chǎn)品相比，還存在著一

13、定的差距。國內(nèi)生 產(chǎn)的隔爆兼本質(zhì)安全電源產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)品較多，如：KDW15/16/22隔爆兼本質(zhì)安全型 電源箱、MCDX-III隔爆兼本質(zhì)安全型不間斷電源、DXJ-24礦用隔爆兼本安電源、KDW17 礦用隔爆兼本安電源、CK-26礦用隔爆兼本安電源、TK220礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源等 45_48。但其輸出功率一般都比較小，很難滿足目前煤礦生產(chǎn)的需求。3本質(zhì)安全電路基本原理、分類及火花放電形式本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理是：通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施 來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱 效應(yīng)均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實

14、現(xiàn)電氣防爆48。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備根據(jù)其安全程度不同分為ia和ib兩個等級。ia等級是指電路在正 常工作、一個或兩個計數(shù)故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。ib等級是指電路 在正常工作或一個計數(shù)故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備49。電路放電火花的基本形式為：火花放電、弧光放電、輝光放電和由三種放電形式組成的 混合放電?；鸹ǚ烹娛窃诮油ê蛿嚅_電容電路時，擊穿放電間隙中的氣體而產(chǎn)生的，其特點 是低電壓大電流放電。弧光放電是由某種形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的，如高壓擊穿 時產(chǎn)生的放電形式，特點是：可以產(chǎn)生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點燃周圍 爆炸性混合物的能力強，電感性電路

15、放電形式屬弧光放電。輝光放電是在高電壓小電流的條 件下產(chǎn)生的放電形式，其特點是：放電能量不集中、能量散失大、點燃周圍爆炸性混合物的 能力差29。由于弧光放電是最危險的放電形式，因此電感性電路是研究本質(zhì)安全電路 的重要內(nèi)容。4本質(zhì)安全電路相關(guān)的數(shù)學(xué)模型本質(zhì)安全理論創(chuàng)建以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對本質(zhì)安全電路進(jìn)行了大量的試驗研究。 為了更好地描述本質(zhì)安全電路的放電特性及其能量釋放過程，借助以下相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 理論分析。4.1電感性電路電弧放電數(shù)學(xué)模型由于電感性電路中有儲能元件，在電路斷開時會釋放大量的能量，感應(yīng)電壓比電源電壓 高出許多倍，從而形成弧光放電，對周圍環(huán)境中的爆炸性混合物引燃能力很強。

16、國內(nèi)外專家 學(xué)者對電感性電路做了大量的研究與理論分析得到相關(guān)數(shù)學(xué)模型。放電電流線性衰減模型從能量釋放的過程來看，認(rèn)為放電電流是按照線性規(guī)律衰減。當(dāng)電感電路斷開時，假設(shè) 放電電流經(jīng)過計算放電時間為從穩(wěn)態(tài)工作電流按線性衰減規(guī)律降到零，所以稱為線性衰減 模型(見圖1)。電感電路實際放電時間與穩(wěn)態(tài)工作電流和電路中電感量有關(guān)。圖1簡單電感電路及放電電流線性衰減模型數(shù)學(xué)函數(shù)式為：放電能量函數(shù)為:放電能量函數(shù)為:上述公式中各個符號代表的含義分別為：i(t)放電電流(A)；L一電感量(H)；I一穩(wěn)態(tài)工作電流(A)；t一實際放電時間(s)；T一計算放電時間(s)；u(t)放電電壓(V)；E一電源電壓(V)；R一

17、限流電阻(Q)；W電路釋放的能量(J)。從上述函數(shù)關(guān)系式可以看出：電路釋放的能量分為兩部分，一部分為電路中電感儲存的 能量，另一部分為電源提供的能量。另一種假設(shè)為：電路中的電流經(jīng)過計算放電時間從穩(wěn)態(tài)工作電流衰減到某一個值(有 些資料稱為：截弧電流)，從而建立了放電電流衰減雙直線模型(見圖2)。放電電流拋物線模型假設(shè)放電電流經(jīng)過計算放電時間為從穩(wěn)態(tài)工作電流下降到截弧電流，則電流變化曲 線為不完全拋物線模型9, 23, 3235。拋物線模型使得用于理論分析的電流變化趨勢更加接近實際電流的變化衰減過程。放電電流冪函數(shù)模型放電電流線性衰減和拋物線模型都可以寫成冪函數(shù)的形式，也就是可以描述成放電電流 冪

18、函數(shù)模型7, 36, 38。靜態(tài)伏安特性模型由于本質(zhì)安全電路屬于低電壓、小電流、放電電弧短的情形7, 35, 39, 40，所以 電路伏安特性方程為：動態(tài)伏安特性模型為了更加準(zhǔn)確描述放電電流、電壓的動態(tài)過程，對電感電路進(jìn)行實際測試并繪制伏安特 性曲線得出動態(tài)伏安特性模型7。伏安特性方程如下：上式中Vg 一電弧電壓(V)；Vmax 電弧電壓最大值（V）；Varc min最小建弧電壓（V）；ig 一電弧電流（A）；I 一電路穩(wěn)態(tài)工作電流（A）；由動態(tài)伏安特性模型可以得出：起弧的瞬間電壓即為最小建弧電壓，流過的電流為電路 穩(wěn)態(tài)工作電流。當(dāng)電弧電流衰減到零時，電弧電壓達(dá)到最大值。4.2電阻性電路電弧放

19、電數(shù)學(xué)模型當(dāng)電感性電路中的電感為零時即轉(zhuǎn)換為電阻性電路，其放電形式與電感性電路的放電 形式類似，放電能量減小，引燃能量降低7。電阻性電路的放電能量公式為：電阻性電路形成放電電弧的條件為：電源電壓大于最小建弧電壓。在參考文獻(xiàn)7中 提到：的數(shù)值應(yīng)大于1的時，（16）式成立。否則，（16）式不成立。主要是由于電路斷開瞬間斷 點處存在電弧電阻，形成最小建弧電壓的緣故。上述本質(zhì)安全電路數(shù)學(xué)模型的建立，是以線性本質(zhì)安全電源為基礎(chǔ)進(jìn)行的理論研究。隨 著電子技術(shù)和電力電子元器件技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，出現(xiàn)了開關(guān)型 本質(zhì)安全電源技術(shù)。5開關(guān)型本質(zhì)安全電源技術(shù)所謂開關(guān)型本質(zhì)安全電路技術(shù)即是將開關(guān)

20、電路理論應(yīng)用于本質(zhì)安全電路當(dāng)中的一種新 技術(shù)，是安全火花電路理論與開關(guān)電源拓?fù)潆娐?、PWM轉(zhuǎn)換技術(shù)、以及軟開關(guān)技術(shù)的有機 結(jié)合。通過運用開關(guān)電路技術(shù)，可以使得本質(zhì)安全電路中的電感、電容等儲能器件數(shù)值大幅 度降低，有效提高本質(zhì)安全電源電路的輸出功率24, 50, 51。目前，應(yīng)用于本質(zhì)安全電路中的開關(guān)電源技術(shù)主要是DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，其電路拓?fù)渲?要有：降壓式Buck電路、升壓式Boost電路、降壓升壓式Buck-Boost、升降壓電路 Boost-Buck. Zeta變換電路、Cuk變換電路和Sepic變換電路。上述DC/DC變換電路 的顯著特點是：開關(guān)器件工作在關(guān)斷和閉合狀態(tài)、電路工作頻率高

21、、電能轉(zhuǎn)換效率高、輸入 電壓范圍寬等。因此，最近幾年在本質(zhì)安全電源電路中得到了應(yīng)用，以開關(guān)調(diào)節(jié)方式控制電 能流動，電路中的功率器件處于開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)功率器件的關(guān)斷和閉合的時間一即調(diào)節(jié) 開關(guān)占空比控制電路的輸出電壓52, 53, 54。除此之外，開關(guān)型本質(zhì)安全電源與線性 本質(zhì)安全電源相比具有體積、重量、轉(zhuǎn)換效率、寬電壓輸入范圍等優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用在煤 礦井下空間狹小的環(huán)境?，F(xiàn)以電感性電路為例，對開關(guān)電路的放電特性進(jìn)行如下描述：當(dāng)電路處于斷路狀態(tài)時， 在電路斷點處的能量主要有三部分組成，一部分能量來自電源，另一部分來自電感器件儲存 的能量，還有濾波電容器儲存的能量。當(dāng)開關(guān)電源電路處于較低的頻率工作時，表現(xiàn)出來的 特性與線性電源相似，隨著電路開關(guān)頻率的不斷增加，電路中輸出濾波電感以及濾波電容的 取值很小，最終使電路中電感和電容儲存的能量非常小，與DC/DC變換電路的供電電源能 量相比可以忽略。這時DC/DC變換電路可以近似認(rèn)為是純阻性電路