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本質(zhì)安全電源電路理論綜述
1前言
作為通訊、監(jiān)控、檢測、報(bào)警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì)安全電源重要應(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）下出現(xiàn)的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路［1,2,3］。其特點(diǎn)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，所出現(xiàn)的電火花不會點(diǎn)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、整理大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，就以下幾個(gè)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)安全理論出現(xiàn)的背景
1886年由普魯士瓦斯委員會委托亞?。ˋachen）工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了瓦斯爆炸方面的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，并在1898年的后續(xù)試驗(yàn)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出現(xiàn)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(shí)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(jì)了火花試驗(yàn)裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項(xiàng)研究工作，在1916年提出了本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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，要經(jīng)常維護(hù)。所以人們開始試驗(yàn)采用交流電作為電源，具體辦法是利用一個(gè)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(gè)防爆殼內(nèi)，從而提高其安全性能，滿足安全生產(chǎn)的要求［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(shí)期，本質(zhì)安全電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)結(jié)果是否被接受，重要取決于鑒定機(jī)構(gòu)的辨別力，這是由當(dāng)時(shí)煤礦立法給予鑒定機(jī)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(yàn)必須由“部長批準(zhǔn)”。隨著本質(zhì)安全設(shè)備的新增及其在采礦上的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了要“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(yàn)必須由“部長批準(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（RoyalCharter）合并為國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(jī)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年公布了有關(guān)“本質(zhì)安全信號變壓器(重要用于煤礦)”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。
[page]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。初期的研究重要集中在安全火花電路和火花試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方面，英國的R.V.Weeler教授在1915年發(fā)表了“有關(guān)蓄電池電鈴信號系統(tǒng)內(nèi)信號線上火花試驗(yàn)點(diǎn)燃沼氣－空氣混合氣體危險(xiǎn)的報(bào)告”［18］。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次發(fā)表報(bào)告“有關(guān)裸導(dǎo)線設(shè)備信號線上火花試驗(yàn)點(diǎn)燃可燃性混合氣體危險(xiǎn)的報(bào)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(bào)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“IntrinsicSafety”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(yàn)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(yàn)研究。
在此期間，前蘇聯(lián)在本質(zhì)安全理論以及火花試驗(yàn)裝置研究方面也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。其中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達(dá)爾通過試驗(yàn)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(diǎn)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(jī)理進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［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(jià)安全火花電路性能的計(jì)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(jì)和試驗(yàn)的基本原則［23］。參與本質(zhì)安全理論與試驗(yàn)研究的國家專門機(jī)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］。
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(shí)間要追溯到上個(gè)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)顩r來看，無論在理論研究方面，還是本質(zhì)安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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。
[page]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)下出現(xiàn)的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)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(gè)等級。ia等級是指電路在正常工作、一個(gè)或兩個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，都不能點(diǎn)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(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，不能點(diǎn)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(shí)，擊穿放電間隙中的氣體而出現(xiàn)的，其特點(diǎn)是低電壓大電流放電?；」夥烹娛怯赡撤N形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而出現(xiàn)的，如高壓擊穿時(shí)出現(xiàn)的放電形式，特點(diǎn)是：可以出現(xiàn)持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力強(qiáng)，電感性電路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出現(xiàn)的放電形式，其特點(diǎn)是：放電能量不集中、能量散失大、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力差［29］。由于弧光放電是最危險(xiǎn)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(yàn)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(shí)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(qiáng)。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。
（1）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(shí)，假設(shè)放電電流經(jīng)過計(jì)算放電時(shí)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(shí)際放電時(shí)間與穩(wěn)態(tài)工作電流和電路中電感量有關(guān)。
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，另一部分為電源供應(yīng)的能量。
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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(shí)，電弧電壓達(dá)到最大值。
4.2電阻性電路電弧放電數(shù)學(xué)模型
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)
[page]目前，應(yīng)用于本質(zhì)安全電路中的開關(guān)電源技術(shù)重要是DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，其電路拓?fù)渲匾校航祲菏紹uck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(diǎn)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、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(shí)間－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。
所謂開關(guān)型本質(zhì)安全電路技術(shù)即是將開關(guān)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(jī)結(jié)合。通過運(yùn)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］。
現(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(shí)，在電路斷點(diǎn)處的能量重要有三部分組成，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(shí)，表現(xiàn)出來的特性與線性電源相似，隨著電路開關(guān)頻率的不斷新增，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(shí)DC/DC變換電路可以近似認(rèn)為是純阻性電路，電路中的能量不易點(diǎn)燃周圍的爆炸性氣體混合物，達(dá)到本質(zhì)安全電路的條件。
DC/DC變換電路的供電能量可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是開關(guān)器件導(dǎo)通階段，電源的能量和線性電源相同，施加在電路的故障點(diǎn)處，放電火花釋放的能量中包含著部分能量，第二階段是開關(guān)器件處于關(guān)斷階段，也就是說電路故障點(diǎn)處放電火花的能量不包括DC/DC變換電路電源的能量，從而是放電火花的能量大幅度降低，進(jìn)而提高電路的本質(zhì)安全性能。
對線性本質(zhì)安全電源電路進(jìn)行分析研究過程中，引入一個(gè)計(jì)算放電時(shí)間的概念，用來進(jìn)行輔助計(jì)算，而在本質(zhì)安全電源電路中，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到一定的數(shù)值后，對電路進(jìn)行分析和研究不要借助于計(jì)算放電時(shí)間，直接運(yùn)用開關(guān)電源頻率進(jìn)行計(jì)算即可，因?yàn)殡娐返拈_關(guān)周期已經(jīng)小于設(shè)定的計(jì)算放電時(shí)間（計(jì)算放電時(shí)間是根據(jù)安全火花試驗(yàn)裝置的轉(zhuǎn)動周期和大量的試驗(yàn)得出的）。另外開關(guān)電源電路變換技術(shù)可以針對不同的工作環(huán)境，選用不同的電路拓?fù)浜筒煌拈_關(guān)頻率，使本質(zhì)安全電源電路滿足用電設(shè)備的使用要求。
6結(jié)論
本質(zhì)安全電路理論經(jīng)過一百多年的進(jìn)步和發(fā)展，電路的技術(shù)理論已經(jīng)成熟。開關(guān)電路技術(shù)同樣經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，開關(guān)電源技術(shù)無論是在理論還是在實(shí)際電路中都已經(jīng)非常成熟。而本質(zhì)安全電源電路卻仍然停留在線性電源的階段，由于線性電源在煤礦井下應(yīng)用存在著許多不足之處，尤其是輸出功率很難提高，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段煤礦公司的發(fā)展需求。開關(guān)型本質(zhì)安全電源可以彌補(bǔ)線性本質(zhì)安全電源的缺點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作頻率，能夠有效提高本質(zhì)安全電源的輸出功率。因此，關(guān)于本質(zhì)安全電路來講，即是一種新的應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)也是本質(zhì)安全電路未來的發(fā)展方向。
