KDW127/18B礦用澆封兼本安型直流穩壓電源的設計

胡智芳

（1.重慶安標檢測研究院有限公司，重慶 401325；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引 言

目前，隨著科學技術的不斷發展，我國煤礦安全生產不斷地向機械化、自動化、現代化發展，煤礦井下的本質安全型電氣設備在監測、通信、定位以及自動化系統中的應用也越來越廣泛。針對煤礦井下用電的特殊性，需要為煤礦井下的電氣設備提供可靠的防爆型供電電源。為了滿足煤礦井下防爆要求，本電源設計從本質安全型電源出發，即確保在正常工作和故障狀態下輸出的電源都能被限制在安全范圍內，結合特殊澆封工藝設計出了滿足《爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》（GB/T 3836.4—2021）和《爆炸性環境 第9部分：由澆封型“m”保護的設備》（GB/T 3836.9—2021）等防爆標準要求且具有限流、截流以及減流3種限能保護電路方式的澆封型直流穩壓電源，成功通過了專業檢驗機構的檢驗，并在煤礦井下得到了很好的應用[1-6]。

1 本安型直流穩壓電源工作原理

電源輸入選擇127 V的交流供電和電池供電，通過交直流切換電路進行轉換控制。127 V交流電壓經過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）變壓器輸出24 V直流電壓，24 V直流電壓經過充放電管理板對備用電池進行充電，再經過交直流切換電路、2路隔離直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換模塊和安全柵電路輸出2路18V本安電源。此外，對于電源輸出還單獨設計了1路RS485數字信號，通過RS485數字信號對外傳輸電源。本安型直流穩壓電源的工作原理如圖1所示。

圖1 本安型直流穩壓電源工作原理

2 備用電源設計

備用電源采用內部可充電蓄電池供電，蓄電池的設計選型采用了在結構上防止溢出電解液和氫氣的類型，即蓄電池及其組成電池組的容量較大且短路電流達不到本安性能要求時，通過串聯限能電阻限制短路電流[7,8]。

限流電阻選用可視為無感電阻的金屬膜電阻，電阻選擇最大短路電流在設計允許最大安全電流之內的阻值。限流電阻的阻值計算公式為

式中：Emax為電池的最高開路電壓（以蓄電池充滿電后的電勢計算）；Idm為設計允許最大安全電流；Ri為電池內阻。

限流電阻的功率為

式中：I為通過限流電阻的電流；R為限流電阻的阻值。

3 限能保護電路與功率提升設計

采用穩壓、過壓、過流、短路等電子保護電路進行限能，以達到本安相關技術要求[9-11]。電源輸出端采用限流型保護電路，當電源輸出端過載或短路時輸出電壓下降，可將輸出電流控制在規定范圍內，即將輸出電流控制在不小于額定電流值內。其優點是保護范圍大，抗干擾性和抗負載電流的沖擊性好，電路簡單且故障排除電源容易恢復；缺點是保護速度較慢，當輸出短路時，調整管的損耗大。對于采用這種保護電路方式的電源，適用于向電容性負載電路供電。

電源采用“ib”保護等級，在保護電路中需進行兩級保護電路的設計，當一級故障情況發生時，另外1級還可以起到保護作用，使電源保護電路更安全可靠。2級保護電路如圖2所示。

圖2 2級保護電路

采用快速電子保護電路設計，當電源輸出端過載或短路時，保護電路能快速識別并動作，電源輸出被快速切斷，使得電路的放電持續時間明顯縮短，大大減小火花放電的能量。同時，電路中的電感元件并聯分流保護元件，可減小外電路的放電火花，提高電感元件的使用功率。

4 按鍵開關控制電路設計

電源設計采用本質安全型，其開關等控制按鍵需進行本安處理。為了將非本安和本安進行有效隔離，這里采用光耦進行隔離處理，按鍵端觸發光耦動作的控制信號用3.3 V本安輸出電壓進行控制。按下開關P5，由IB1-VCC信號驅動U4光耦工作，將BAT-CTL信號拉低為低電平，將電源的交流供電切換至電池供電。按鍵開關控制電路如圖3所示。

圖3 按鍵開關控制電路

5 信號安全柵設計

電源輸出RS485芯片采用的是非本安供電，為了保證輸出信號為本質安全型，在RS485 A/B線上做了限流與限壓處理，通過保險絲FB1、FB2和電阻R2、R1進行限流，通過穩壓管D6、D7進行限壓。信號安全柵電路如圖4所示。

圖4 信號安全柵電路

6 AC/DC變壓器在安全設計上的選型

變壓器屏蔽層采用2根0.3 mm的銅線引接地線，涂覆0.2 mm的銅箔層。初級對次級1 500 V、歷時1 min的工頻耐壓試驗，應無擊穿、無閃絡現象；初級對磁芯1 500 V、歷時1min的工頻耐壓試驗，應無擊穿、無閃絡現象；次級對磁芯1 500 V、歷時1 min的工頻耐壓試驗，應無擊穿、無閃絡現象。變壓器結構如圖5所示。

圖5 變壓器結構

7 澆封與固化工藝

澆封復合物材料為GEPX-08-2B A型環氧樹脂，采用芳香胺類改性環氧固化劑H-3360進行固化。澆封復合物為黑色粘稠液體，正常工作溫度范圍為-40～+130 ℃。在具體操作中，環氧樹脂與固化劑的配制比例為5∶1。操作在常溫下進行，溫度應為15～35 ℃。澆封部位去掉雜質及灰塵，做到清潔無污，保持內部干燥。澆封過程中應避免澆封材料玷污產品外殼及接線端子，如有玷污應及時清除，以提高產品的外觀質量與澆封性能。2種材料必須充分攪拌均勻，將配制好的澆封材料緩慢倒入被澆封部位，澆封量蓋住印制電路板3～5 mm時視為滿足要求。在常溫環境下放置4 h后，檢查澆封液面是否符合要求。將已充入澆封材料的產品放置在常溫下，當環境溫度為15～35 ℃時，固化時間至少為18 h。完成操作后，檢查澆封后的產品表面有無裂紋、疙瘩、起泡等現象，符合要求的產品可作為半成品等待檢驗。

8 結 論

KDW127/18B礦用澆封兼本安型直流穩壓電源按照煤礦防爆安全技術標準要求進行設計，通過了安標專業機構的礦用隔爆技術檢驗。經現場礦井安裝使用，其各項技術指標均滿足相關標準與規范，運行安全可靠。