浅谈如何设计矿用本安输出电源

浅谈如何设计矿用本安输出电源
柳玉磊,刘亚辉,寻增霞,王范树
(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆400037)
摘 要:如何提高矿用本安输出电源技术指标,同时还能保证本质安全,这是当前矿用产品生产企业的技术工作者普遍关心的问题,基于此目的,作者通过几年本质安全检验的实践工作,总结出了一些矿用产品本安输出电源的设计理念,如合理确定本安输出参数,减少放电时间;本安输出电源隔离等希望能给设计人员一些启示和帮助。

关键词:本安输出;两级保护;隔离
中图分类号:TD685 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2010)01-0081-03
随着科学技术的发展,煤矿生产设备的自动化和电气化的水平越来越高,对于矿用电气设备的安全使用要求也越来越严。

根据国家标准以及煤矿行业标准相关规定,对于煤矿井下的电气设备必须要满足不同防爆型式的防爆要求。

例如,隔爆型、本质安全型、增安型、浇封型要求等等。

而本文重点要讨论的是给煤矿井下使用数量最多、分布最广的本质安全型传感器提供电源的本安输出电源的一些技术要求和设计方法。

电源本安输出是指在规定的条件下(包括正常工作和规定的故障条件下),无论电源输出的电压和电流所产生的任何火花和能量均不能点燃规定的爆炸性气体环境。

1 最小点火能量的问题
瓦斯爆炸的发生必须同时具备3个条件,即一定浓度(5%~15%)的瓦斯、氧气和点火能量。

如果将这3个条件看成是三角形的3条边,瓦斯爆炸事件就构成1个三角形。

要避免瓦斯爆炸事故的发生,就是使爆炸三角形不成立,即某1个边为0。

煤炭的开采过程中必然有瓦斯涌出,是客观存在的,因地质构造和开采环境极为复杂,短时间内瓦斯浓度涌出达到爆炸范围很难避免的。

开采也离不了人,而氧气是采掘人员维持生命不可缺少的物质。

显然要防止瓦斯爆炸事件的发生,必须控制足够的点火能量点爆瓦斯。

在煤矿井下具有引爆瓦斯的点火能量来源有机械火花、热表面(温度)、火焰(明火)、静电火花、电气火花等。

大量事故调查分析表明,静电火花与电气火花是瓦斯煤尘爆炸的主要点火能量,控制静电和电气火花是有效控制瓦斯煤尘爆炸事故的主要手段。

而静电和电气火花控制的关键在于井下设备和材料必须具有抗静电和电气火花的性能,对新产品入井前必须对这一性能进行检验,只有达到允许入井条件时方能认为是合格产品,并取得 安全标志准入证。

电火花的引燃是通过电火花将电能转化为热能传给爆炸性气体混合物引起的。

一般说来,任何放电都会引起爆炸性气体混合物的局部燃烧,形成焰芯。

但如果放电能量不足,提供的能量不足以补充燃烧从焰芯向四周扩散的能量损失,焰芯就可能熄灭,燃烧就不能向四周扩散,宏观的燃烧或爆炸就不会发生。

只有当放电给予爆炸性气体混合物的能量达到一定数量级才会引燃。

1925年科学家曾经提出以0.02J作为最小点燃能量,并应用很长时间。

到1937年经进一步研究发现,这个能量并不可靠,实际上他仍然能够点燃矿井瓦斯。

直到1948年以后,各国都是通过寻求所谓各种因素下点燃电流关系的极限,并以此为依据,采用一定的安全系数计算出各种参量下的安全电流值作为设计制造的基础。

最小点燃能量的数值是爆炸性气体混合物级别的标志,由于最小点燃能量的测定是通过专门的实验装置,在十分理想的条件下,由高压电容器放电实现的,排除了人为因素和设备差异的影响,数据的准确性较高。

因此该最小点燃能量常作为各种爆炸性气体混合物的分级依据。

测定最小点燃能量的试验装置原理框图如图1所示:
由图可知,放电电容两端电压表测得电压值,按电容储能公式W=CU2/2算出放电能量,忽略放
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技术经验 煤矿安全(2010-01)
图1 最小点燃能量的试验装置原理框图
电能量损失,该数值就是被点燃介质的最小点燃能量。

表1是在理想条件下(最易点燃和能量损失最小的方式)测得的数据。

而实际电路火花点燃爆炸性气体混合物的能量远大于该值。

因此,按最小点燃能量评价和设计本安电路已有足够的安全系数。

表1 几种有代表性的爆炸性气体混合物的最小点燃能量
爆炸性气体混合物名称混合物浓度
/%
最小点燃能量
/m J
甲烷8.50.28
丙烷 5.30.26
丁烷 4.70.25
乙醚 5.10.19
乙烯7.80.1
氢210.019
乙炔7.70.011
因此,控制瓦斯煤尘爆炸的关键在于控制点火能量。

只要控制电路点火能量低于最小点火能量,即保证产品本质安全特性,避免事故的发生。

2 如何提高电源的本安输出特性
2.1 电气火花产生原理和分类
电气火花是随着电路的接通和断开而产生的,是电源能量和电路中储能元件储存的能量,在通断电路点的放电现象。

放电时电路的电子流及通断点形成的电极与电极间气体电离离子形成的导电带,夹杂着熔融金属粒子和 蒸气,在极高的电流密度作用下,产生高温和高热,形成电气火花。

根据放电形式不同,电气火花分为辉光放电火花、火花放电火花和电弧放电火花。

辉光放电是高电压小电流放电,当电压在200V以上时会产生辉光放电;火花放电一般是低电压大电流放电,低压电阻电路、化学电源放电属于火花放电;电弧放电一般为高压击穿产生的放电,弧光放电可产生持续电弧,电流密度大能量集中,点燃能力强。

这3种放电形式不是独立出现的,有时在同一放电火花中存在着几种现象。

电气火花的能量大小直接决定了其本质安全性能,而点燃能量不仅与放电电压和电流有关,还与放电时间的大小紧密相关。

根据I EC国际标准中提到的本安火花试验装置的介绍,加之试验总结,可以得出,电阻性电路在等值的最小点燃能量状态下,随着放电电压的增加,放电时间也随之增加;对于电压值越大,击穿空气间隙的行程也就越大,直观表现火花拉弧时间也就越长。

这也就证明了GB3836.4-2000中图4-13所描绘的能量曲线不是线性的原因,它是通过反复试验总结的基础上绘制出的。

瞬间功率大小不同,放电时间即曲线斜率也就不一样。

上述关于火花放电时间对点火能量的重要影响,我们在试验工作中对于直流电路得到过验证。

在标准火花试验装置的基础上,通过数值建模和理论计算,常用的电压等级正常的火花放电时间在几十微秒到几百微秒之间浮动。

2.2 如何减小本安输出电源的点火能量
对于电源输出怎么才能满足本质安全的要求?不妨假设,电气火花的产生是通过感应电流电离周围空气或是感应电动势击穿空气间隙(电阻导通)形成放电回路来实现的数学模型,那就是满足纯电阻放电的形式,根据电阻电气火花点火能量公式:E =EI T/6,其中 E代表平均放电电压, I代表平均放电电流, T代表放电时间。

从式中可以看出减少电气火花能量有以下两个途径,一是降低本安输出的电气参数,二是减少放电时间。

2.2.1 降低本安输出参数
当矿用本安输出电源模块由于电路本身的一些问题,不满足本安的要求。

从安全检验的角度出发,可以直接通过降低本安输出电压或是本安输出电流就可以降低电气火花的点火能量,从而满足本质安全的要求。

这个方法虽然保证了产品的安全性能,却以牺牲产品自身的技术含量和设计要求为代价的。

众所周知,当一个电源的输出参数降低了,就意味着带载能力的下降,也就体现不出电源的最大价值。

因此,作为企业自己来说,在设计本安输出电源之前,就应该首先考虑到这一点。

正确的做法是在本安输出电源设计初期,就应该从标准曲线入手,首先找出设计所需电压等级条件下对应的其他本安输出参数,如:I0、L0、C0。

然后,再从电压输出保护方式着手,在示波器观察调节的基础上,通过元器件的选择和电路的合理搭建,达
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!煤矿安全(T ota l423) 技术经验
到电压的稳定输出,不出现纹波。

由于纹波是最小火花点燃能量的罪魁祸首,保证基础,才谈提高。

2.2.2 减少放电时间
当企业在前期设计规划时,如果对电源的本安输出参数有很高的要求时,也可以通过适当地减少保护动作时间即减少放电时间的方式来降低火花点燃能量,从而变相地提高电源的本安输出参数。

原理就是通过提高保护动作速率,在正常的放电时间周期内,提前完成一次放电过程,如图2
所示。

图2 火区放电能量示意图
从上图可以看出,放电能量代表图形的面积,如果保护动作时间 t < T ,或者调节控制的足够短,那么,放电能量就可以按要求降低。

换一句话说,通过减小过压或过流保护动作时间(放电时间)确实可以提高本安输出电源的输出电压和电流。

3 本安输出电源的隔离问题
提供本安输出电源的矿用产品一般为隔爆兼本安型电源箱,一般是交流供电,其典型电压等级为127V /220V /380V /660V /1140V,输入端为非本安,而输出端则为本安端,按照GB3836的要求,保证二者之间有足够的电气间隙和爬电距离,即非本安接线端子与本安接线端子之间的电气间隙和爬电距离要∀50mm 。

这是企业在电源设计时往往忽略的一点,要引起足够的重视。

电源箱的非本安与本安的隔离器件一般采用交流电源变压器,GB3836.4-2000中关于变压器的防爆要求,企业往往看不出变压器与熔断丝之间的联系。

按照熔断丝额定电流的1.7倍的要求,来判定考核变压器的绕组温升是否满足要求。

因此企业在选用变压器时一定要注意,通过计算,既可以降低保险丝的额定电流,也可以提高变压器的额定功率来达到标准的要求。

另外,对于开关电源的使用也要注意以下几个方面。

首先,由于一般情况下企业和检验部门无法
控制电源模块的安全性,所以不提倡使用外购的开关电源模块。

倘若考虑到企业的设计能力,强烈要求采用性能良好的电源模块,那么建议开关电模块前端增加一个1#1的变压器来作为隔离器件来保证隔离;另外,企业可以采用自主控制设计的开关电源电路,只要满足标准规定的如变压器的隔离以及屏蔽等方面的结构要求,就可以使用。

4 本安电源双重保护的硬性要求
按照GB3836.4-2000的有关规定,矿用本安电源必须采用两级保护,在考虑一级故障的状态下,依然能够满足本质安全的要求。

企业在设计研发本安输出电源时该如何满足上述的要求呢?这是一个普遍关心地问题,从严格的意义上来讲,两级保护是要包括两级过压保护和两级过流保护的。

当一级保护失去功效的时候,另一级保护依然能够保证规定条件下的电压和电流的输出,只有控制了本安输出电压和本安输出电流,才能保证电源的本安输出特性。

具体保护方式企业可以自行设计,但请注意,保护方式的好坏直接决定了你的电源容量以及带载能力的好坏。

举例来说,简单的电源电路设计,三端稳压输出,通过限流电阻和稳压管来实现过压和过流保护,原则上满足了标准要求,但是其最大输出功率(即本安输出电压、本安输出电流)不会太大,由于效率、滤波等因素影响,远远低于标准曲线的要求,同时也降低了本安输出电源的最大输出电感和最大输出电容,限制了一定的带载能力。

因此提倡采用性能可靠、保护迅速、转换效率高的保护方式来进行本安输出电源的设计。

5 结束语
通过对GB3836中对于本安输出电源的一些技术要求的分析,提出了一些关于矿用本安输出电源的设计思路和注意事项,希望能够给企业带来一定的启示和帮助。

作者简介:柳玉磊(1980-),男,硕士,2008年毕业于煤炭科学研究总院重庆研究院,从事产品研发工作2年,从事防爆检验工作4年。

(收稿日期:2009-04-24;责任编辑:金丽华)
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(2010-01)。