一種新型礦用隔爆兼本質安全型電源的設計*

陳佩佩

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

1 引言

2016年末國家煤礦安監局印發《安全監控系統升級改造技術方案》煤安監函(2016)5號文件，要求大型礦井、煤與瓦斯突出礦井在用的安全監控系統完成升級改造工作。煤礦安全監控系統是防止瓦斯、火、煤塵等重特大事故的有效措施之一，在煤礦安全生產中發揮了重要作用[1]，煤礦井下監控系統所使用的電氣設備都要依靠本質安全型電源來供電，本質安全型電源是煤礦監控系統中不可缺少的部分，其質量與可靠性直接影響后級負載設備的穩定性、可靠性與準確性，甚至關系到整個礦井的安全生產[2-3]。本質安全型電源的設計要確保在正常狀態和故障狀態下的本質安全輸出所聚集的能量都不會點燃周圍的爆炸性環境[4]，以確保井下工作環境的安全。

本文設計了一種礦用隔爆兼本質安全型電源，提供6路本質安全型電源輸出信號，6路本質安全輸出電源的電壓和電流、蓄電池的工作狀態，在液晶顯示板上顯示的同時可以上傳，該電源采用模塊化設計，提高了電源的帶載能力，增強了抗電磁干擾能力，各項參數符合國家標準“GB3836.4—2010 爆炸性氣體環境用電氣設備 第 4 部分 :本質安全型 i”中的相關規定，可以應用到易燃、易爆等危險工作環境中。

1 電源工作原理及組成

礦用隔爆兼本質安全型電源主要用于為ib等級本質安全設備供電，采用并聯式雙重過流過壓保護的本質安全保護電路，其電氣部件主要由寬范圍AC/DC開關電源、控制板、液晶屏、電源板、后備電池組組成，原理如圖1所示。

圖1 礦用隔爆兼多路本質安全型電源電氣原理

寬壓電源輸入交流電壓AC 95 V～AC 850 V， 經保險管進AC/DC開關電源輸入端，開關電源能自動適應煤礦安全監控系統所需電壓，輸出穩定的直流電壓，此直流電壓一路經電池管理電路連接備用蓄電池，另一路經DC/DC和本質安全保護電路得到穩定的本質安全型電源輸出。為滿足本質安全性能要求，采用雙重過流過壓保護，使輸出滿足本質安全性能要求。當交流電停電時，蓄電池中貯存的電能通過DC/DC和本質安全處理電路放電，保持穩定的電源輸出，實現不間斷供電功能。液晶顯示板可顯示本質安全輸出電源是否正常、電池狀態信息、交直流供電狀態信息，并將這些信息通過內部通信傳輸到控制板上，再通過RS-485通信電路實現這些信息的數據上傳，接入到監控系統中，實現對電源信息的實時、不間斷監測。

2 控制板功能

控制板直流電源輸入后，端口加TVS、共模線圈、Y電容等EMC器件提高抗浪涌、群脈沖能力，經過電容實現電源輸入濾波，用非隔離的DC/DC電源轉換模塊轉換成可供MCU及外圍電路供電的直流電壓，控制板輸入端口具有抑制浪涌、群脈沖的能力。控制板可實現AC/DC模塊到電源板的電氣轉接，6路電源板、顯示板均取電自控制板，實現電池的充放電管理，模擬量、開關量采集，數據存儲，人機交互，RS-485鏈路控制等功能，其原理如圖2所示。

圖2 控制板原理

控制板提供標準的RS-485接口與外部設備通信，可顯示本機的電源電流、電壓、供電狀態等信息，無需打開隔爆外殼，只需紅外遙控器即可實現本機電源地址的設置。控制板可實現電源板保護模塊、電源板DC/DC模塊的故障診斷，當電池組充滿并到放電結束，電池組完整放電周期的放電時間不足1.5 h時，則報告其容量為不足故障，當電源板的輸入電壓存在，而無輸出電壓時，則應報告該本質安全型電源板故障。

3 電源板功能

由控制器板輸出的直流電壓經電源板上的DC/DC電源模塊輸出18 V經過第一級、第二級電子器件的過流、過壓保護電路，實現ib等級的本質安全輸出。為了提高本質安全型電流值，對過流保護值進行分流處理，即最終輸出本質安全型電流值由兩路并聯的保護電流分別承擔，電路原理如圖3所示。經過火花試驗，其任意選擇一路正常或者故障狀態下的短路、通斷試驗均未出現點燃現象，最終的18 V輸出本質安全參數分別Uo=18.5 V、Io=1 300 mA、Co=4.7 μF、Lo=80 μH，可以滿足設計目標要求。該電流保護值在原有基礎上增加了400 mA，增加了本質安全型電源的帶載能力。

圖3 電源板電路原理

電源板為本質安全設備提供本質安全型電源，具有雙重過壓過流保護功能，當電路發生故障時保護井下設備，當故障解除時，可以自動恢復，進入到正常保護狀態，重新保護井下設備安全運行。

4 備用電源優化選型及充放電管理

4.1 備用電源優化選型

由于鋰電池中的鋰離子活性大，在過充電情況下電池內部膨脹并產生大量氫氣，極易發生爆炸，安全性能有待提升。鉛酸電池含有鉛、硫酸等對人體有害的物質，在使用過程中可釋放電解氣體，而且其本身工作原理決定了不能在較高溫度環境下使用，因此不建議使用。鎳氫電池性能穩定、安全環保、能量較高、無記憶效應，故在煤礦井下惡劣的環境下，本電源選用鎳氫電池作為后備電池，電池采用硅膠澆封，實現電池部件與其他部件的電氣分腔，根據監控系統升級改造要求，電池應滿足負載設備不間斷供電4 h，本電源設計的鎳氫電池可滿足不間斷供電6 h。

4.2 備用電源的充放電管理

備用電源的充放電管理主要包含充電保護功能、虧電保護功能和維護放電功能。

1) 充電保護功能。實現鎳氫電池組充電管理，并具有三重充電保護，當交流電存在時自動對鎳氫電池組進行脈沖式充電，當充電過流時自恢復保險絲將斷開。當電池組電壓出現-△特性(鎳氫電池特性，當電池充滿時出現電壓下降的情況)自動轉為浮充；當充電時間超過24 h可自動轉入浮充狀態，防止電池過充；當電池組出現鎳氫電池溫度超過50 ℃時自動切斷充電回路，防止電池過充。

2) 虧電保護功能。實現鎳氫電池組放電管理，防止電池組的過放電。交流斷電時電池組自動放電，當電池組電壓低于20 V時將切斷電池放電回路，控制板只有比較器處于工作狀態，防止電池組在虧電狀態的過放電。

3) 維護放電功能。實現鎳氫電池組在交流電時的放電管理，避免煤礦井下交流電長期存在造成鎳氫電池組長達數月的長期浮充，應定期對電池組進行放電操作。

5 抗電磁干擾能力

《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》對煤礦安全監控系統及組成設備抗電磁干擾能力提出了更高的要求，要求設備通過二級電磁輻射抗擾度試驗且評價等級為A和三級脈沖群抗擾度試驗且評價等級為A[6]。由于電源為本質安全型設備，不具備對外界騷擾的能力，且能在煤礦井下電磁環境中正常工作，需要具備一定的抗干擾能力。根據GB 3836.4—2010要求，電源中本質安全電路對電容、電感容量有限制，與濾除干擾需要大的電容、電感相矛盾，同時本質安全型電路接線端子與外殼需承受500 V交流耐壓，絕緣電阻不小于10 MΩ。隔爆兼本質安全型電源在本質安全電路設計時通過Y電容隔離接地，對地釋放干擾信號，以增強抗干擾能力。由于本質安全型電源設計了過壓、過流保護，產生的能量不足以引爆甲烷，故本質安全型電源在施加浪涌時，本質安全型輸出會關斷，造成負載設備重啟。為了提高電源的抗浪涌干擾等級，采用電源短時自供電技術，采用電池、電容等蓄能原件，采取防爆措施，可有效提高本質安全型電源的抗浪涌干擾能力。

6 結論

本文的隔爆兼本質安全型電源主要采用寬范圍交流電壓輸入，能自動適應煤礦井下的電壓，實現其電池的充放電管理，具有專業的電池容量診斷功能，也具有預防式的后備電池提醒功能，便于事先采取措施，預防后備電池放電時間不滿足要求的情況發生[5]。

電路中設計了過流、過壓保護電路，可提高產品的抗電磁干擾能力和本質安全帶載能力，大大提高了產品運行的可靠性。目前該電源已投入井下使用，具有安全程度高、體積小、質量輕、帶載能力強、輸出穩定等優點， 達到了本質安全型設計的要求，適應于煤礦井下及其它含有爆炸性混合物的環境，具有良好的應用前景。