探討本質(zhì)安全防爆電路的設(shè)計(jì)

摘 要：在科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，各行業(yè)的本質(zhì)安全防爆電路的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，尤其在煤礦井下作業(yè)中，本安電源的使用頻率也越來(lái)越高，其對(duì)于參數(shù)的要求也逐漸提升，使得本質(zhì)安全防爆電路設(shè)計(jì)成為了一項(xiàng)重要的安全供電設(shè)備。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全；防爆電路；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.121

1 前言

本質(zhì)安全電路防爆設(shè)計(jì)，主要是對(duì)電氣參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與分析，進(jìn)而有效控制電火花能量，確保本質(zhì)安全型的設(shè)備或是電路在正常運(yùn)行、故障狀態(tài)下所產(chǎn)生的熱效應(yīng)與電火花不至于引燃爆炸性的氣體混合物，造成嚴(yán)重的爆炸事件。因此，需要在電感電路、電阻電路、電容電路中，通過(guò)降低電流或電壓的方式，確保其安全系數(shù)達(dá)到要求。

2 電路防火花的設(shè)計(jì)分析

2.1 電感電流防火花設(shè)計(jì)

在電感電流中，電感元起作為重要的儲(chǔ)能元件，可將電路能量通過(guò)磁能形式加以儲(chǔ)存，讓電路在出現(xiàn)關(guān)閉時(shí)，將能源進(jìn)行釋放。電感電流火花放電相對(duì)復(fù)雜，其火花放電的能源有的來(lái)自于電感元件的自身能量，有的來(lái)自于電源。在電感電流出現(xiàn)斷開時(shí)，除了電感電流會(huì)出現(xiàn)火花放電，電感元件的磁場(chǎng)儲(chǔ)能依然會(huì)出現(xiàn)放電。而在這個(gè)過(guò)程中，電路電極會(huì)迅速地切斷，期間電極的電阻會(huì)大大增加，而電流則會(huì)極速下降，發(fā)生較大的電流變化，并會(huì)在電極間隙的位置發(fā)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致電感在儲(chǔ)能放電的間隙位置發(fā)生放電。當(dāng)電感電路切斷時(shí)，電火花會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)集中在某一空間，且能量巨大，很容易導(dǎo)致爆炸性混合物點(diǎn)燃。若電感電路的電感相對(duì)較小，放電火花就會(huì)較為分散且巨大，不容易點(diǎn)燃爆炸性的混合物。因此，若電感電路的電源電壓相同，點(diǎn)燃的電流也會(huì)存在差異。且電感電路點(diǎn)燃的電流，比電阻電路點(diǎn)燃的電流還小。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合電感儲(chǔ)能放電時(shí)對(duì)放電火花的影響進(jìn)行充分的分析，在電感電路發(fā)生閉合時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致電流因?yàn)橥蛔兌霈F(xiàn)放電火花，點(diǎn)燃易爆炸的混合物或氣體。

2.2 電阻電路防火花設(shè)計(jì)

電阻電路出現(xiàn)火花放電，主要是由于電阻電路沒(méi)有儲(chǔ)能元件，在發(fā)生通斷時(shí)，火花能源主要來(lái)自于電源，在電路斷開之后，電極接觸面會(huì)極速減小，而接觸位置的電流密度則會(huì)急劇增加，在這種高電流及高電壓的情況下，電流就會(huì)融化為金屬熔橋。與此同時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)一定的金屬蒸氣，并對(duì)金屬熔橋產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致電極間的電阻加大，使得電壓升高。當(dāng)電壓大于起弧電壓時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)電弧放電的現(xiàn)象。一般電阻電路發(fā)生的放電火花能量不太高，因此，開關(guān)的通斷速度也會(huì)對(duì)電火花的能量產(chǎn)生影響。所以開斷電氣參數(shù)一定的電路，其火花放電的能量會(huì)隨火花放電持續(xù)時(shí)間和放電波形而變化，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，火花放電能量越大，而電阻電路斷開時(shí)出現(xiàn)火花，斷開速度越慢越危險(xiǎn)。

2.3 電容電路防火花設(shè)計(jì)

電容電路火花放電通常發(fā)生在開關(guān)觸點(diǎn)的閉合時(shí)，但在觸點(diǎn)斷開后，電容一般不會(huì)發(fā)生放電火花。電容電路中的電容，通常作為儲(chǔ)能器來(lái)將電源能源通過(guò)電場(chǎng)能形式加以存儲(chǔ)。當(dāng)電路發(fā)生閉合時(shí)，不僅會(huì)存在電容儲(chǔ)能的放電，還會(huì)存在電阻電路的放電。電容電路的放電流較大，且速度較快，火花的放電能量也較為集中，危險(xiǎn)性極大，很容易導(dǎo)致爆炸混合物點(diǎn)燃。本安電路的放電火花點(diǎn)燃力，不僅受到電流、電感等影響，還受非電氣參數(shù)影響，包括爆炸性混合物成分、流動(dòng)速度，以及溫度與濕度，還有電極觸頭的材質(zhì)及分合流速影響。而不同的成分，其爆炸能力也不相同。為確保本安電路防爆設(shè)計(jì)的可行性，在檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)本安電路過(guò)程中，還要確保其安全系數(shù)符合要求。

3 電源電路的防爆設(shè)計(jì)

3.1 電源電路的開關(guān)設(shè)計(jì)

在電源電路設(shè)計(jì)中，可以運(yùn)用開關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)作為前級(jí)電路，在采用低壓差線性的穩(wěn)壓電源來(lái)作為后級(jí)電路，通過(guò)這種串級(jí)連接方式，來(lái)較小紋波，提高電源在輸出低電壓時(shí)的精準(zhǔn)度。開關(guān)電源的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為突出，不僅體積較小，而且效率較高，重量較輕，電網(wǎng)的適應(yīng)性較強(qiáng)。在電源電路的防爆設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整開關(guān)管的占空比，來(lái)更好地適應(yīng)電壓。且該種線性穩(wěn)定的電源，工作狀態(tài)反應(yīng)較為靈敏，且電壓穩(wěn)定性良好，噪音較低，輸出的紋波電壓小，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。本質(zhì)安全防爆的直流開關(guān)電源，與普通的開關(guān)電源有著很大的不同，能夠?qū)﹄娐坊鸹ǚ烹姷哪芰窟M(jìn)行限制[3]。換言之，也就是限制電路的電壓及電流，并對(duì)放電時(shí)間加以控制。線性電流的輸出端無(wú)需設(shè)置較大的濾波電容，因此本質(zhì)安全保護(hù)電路一般運(yùn)用輸出端增加電流檢測(cè)電阻方式，及反饋調(diào)整管方式進(jìn)行。針對(duì)于開關(guān)電源，可以通過(guò)加電流來(lái)檢測(cè)電阻，并控制或調(diào)節(jié)占空比，對(duì)電流加以限制。

3.2 交直流及變壓器的轉(zhuǎn)換

在本質(zhì)安全防爆電路的設(shè)計(jì)中，要尤其注意變壓器的設(shè)置。由于變壓器不僅能夠作為高低壓的轉(zhuǎn)換器，而且能夠做為非本安與本安間的隔離器。所以，在選擇時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選取噪音及漏磁較小，且耐壓性強(qiáng)的R型變壓器。通常，有的井下的照明設(shè)備電壓為127V，而動(dòng)力電壓為660V或380V[4]。所以，為滿足不同的電壓輸出要求，一般運(yùn)用多頭輸出的變壓器以增強(qiáng)其使用性能。當(dāng)變壓器輸出后，需用通過(guò)整流橋?yàn)V波的電路來(lái)輸出電壓，并將輸出電壓控制在32V左右。

3.3 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

以往的過(guò)壓過(guò)流防護(hù)措施，需要首先調(diào)整好電流及電壓閾值，確保其適應(yīng)性，再運(yùn)用電阻采樣的形式，將信號(hào)傳輸值比較器加以保護(hù)操作。由于該方式在生產(chǎn)調(diào)試的過(guò)程中，操作較為復(fù)雜，若電位器出現(xiàn)偏移，會(huì)導(dǎo)致閾值也隨之變化，進(jìn)而大大增加安全隱患。因此，可以采用浪涌抑制器芯片及場(chǎng)效應(yīng)管等先進(jìn)的核心器件，來(lái)進(jìn)行過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。其中LT4356便是一款擁有故障診斷功能的先進(jìn)浪涌抑制器，能夠進(jìn)行過(guò)壓與過(guò)流的保護(hù)操作，且工作電流可以達(dá)到80V，不僅自身的操作效率、運(yùn)行效率較高，而且能夠提供反向輸出保護(hù)，并進(jìn)行輸出電壓的檢測(cè)，有效提高系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天杰.煤礦本質(zhì)安全型電路的防爆方法及電氣設(shè)備技術(shù)要求[J].科技風(fēng)，2013（04）：36.

[2]章平誼.本質(zhì)安全型設(shè)備外部電路連接裝置的防爆要求[J].防爆電機(jī)，2014（01）：31-32+35.