本安设计计算书

1 本质安全型先导电路

隔爆兼本质安全型磁力起动器微机保护系统的传统先导电路，由于存在自起动和本安性能差等缺点，使得保护系统运行并不理想。通过反复实验—从本安变压器及本安电源电压的选择到各个电子元器件的确定，参考有关文献设计了适用于矿用隔爆兼本安型磁力起动器微机保护系统的本安先导电路，如图1所示。

图1 本质安全先导电路

Fig.1 Intrinsically safe pilot circuit

图中本安先导电路由两部分组成，其中上半部分为本安先导信号产生电路，下半部分为先导信号处理电路。本安先导信号产生电路中T1为先导电源变压器，它将220V交流转换为本安电路所要求的电压，FU为变压器二次测回路中的熔断器，SA、SB分别为远方启动和停止按钮，VD1为远控二极管，R1、R2、R3为信号取样电阻，k1、k2、k3为远控按钮的连接端子，KM为主电路接触器的常开辅助触点，作先导电路的自保接点。

隔爆兼本安型电磁起动器控制信号的先导电路使用的是外接电源，外接电源必需经过隔离变压器与煤矿井下电网连接。向安全火花电路供电的隔离变压器，要求原绕组与向安全火花型电路供电的副绕组之间，需设有铜质接地屏蔽层，屏蔽层的厚度应不小于0.1mm。屏蔽层的引出端子需与原绕组引出线端子放在同一侧。变压器的铁芯及屏蔽层必须可靠接地，才能起到与电网的隔离作用。原绕组与向安全火花电路供电副绕组的引出端子要分布在变压器的两侧。设计安全火花型电路的电源，应考虑最严重的故障情况，即电源的短路电流不应超过安全火花电流允许值。电源的短路电流值应按最大可能出现的电源电压

计算，外接电源变压器电压应按高于电网额定电压值10%计算。由上图电路可以看出，尽管电路负载是电阻性负载，但电路电源经半波整流后，电源常含有电感成份，特别是对于低压输出的变压器，还存在漏电感。因此，在设计变压器时结构必须紧凑，原、副绕组绕在同一芯柱并密绕，选用磁阻小的铁芯材料，这样漏电感就大为减小。本文中的变压器采用带绕式C 型铁心，双包密绕、双层屏蔽，这样漏电感可以忽略，认为先导电路为电阻性电路。

本安电源变压器原边电压为220V , 它由主回路电源电压1140V/660V 变换而来，该变压器经过两级隔离，更好地符合了本安电源的要求。由于本安先导信号产生电路仅提供一个反映存在先导信号的直流电压降，在满足电压降的基础上，不需要考虑电源输出功率，所以很容易限制远控电缆流过的电流。在确定电源电压之前先考虑因远控电缆k 3-b 段发生接地故障时的情况，此时12V 直流电源经R 3接地，这种情况下电路为一个简单的电阻性电路，查图可知对应12V 电源电压最小引爆电流i i min 为4.5A 左右。以4.2 A 考虑，按i b 等级计算，由式（1）可得设计最大允许电流max i 为2.8A 。为了防止大电流常时接地产生热效应，我们按允许电流为12~25mA 设计, 由此可知电阻R 3的取值范围为470Ω~1000Ω。运算放大器电源电压为直流12V , 如果比较电压定为9V ，那么直流电压降至少要达到3.5V 以保证运算放大器可靠的翻转。要达此电压，电源电压要大于交流8V ，经过试验证明电源电压取交流8V~12V 为宜。现按8V 来设计本安电路，并分析其本安性能。

8.25

.12.45.1min max ===i i i A （1） 本安电路为半波整流电路，电源变压器电压按高于网络额定值10%计算，直流电压为8×1.1×0.45=3.96V 。考虑控制电缆的电感，将其作为电感性电路来设计，按最大使用长度200m 计算，设控制电缆单位长度的电感为5μH/m ，则电缆的电感L=5×200=1000μH 。由电感电路最小引爆电流与电感关系曲线查得最小引爆电流为1.05A ，考虑安全系数取1.5，得最小引爆电流为700 mA ，而该电路正常工作时最大工作电流为12 mA ，因此，电路在正常状态下是安全的。现考虑远控二极管被短接情况，此时电路为交流回路，实测电流为15 mA ，此值根据交直流火花能量折算关系，远小于设计最大允许电流，所以该电路在短路故障状态下也是安全的。