本質安全電源電路理論綜述

1 前言

　　作為通訊、監(jiān)控、檢測、報警以及控制系統的供電設備，本質安全電源主要應用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。本質安全電源電路必須符合本質安全電路標準的要求，本質安全電路是指在標準規(guī)定的條件（包括正常工作和標準規(guī)定的故障條件）下產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路［1, 2, 3］。其特點是：電源電路內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，所產生的電火花不會點燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合物。人們對本質安全電路理論研究已經有一百多年的發(fā)展歷史，目前本質安全產品和標準已經形成了較為完整的體系。本文在收集、整理大量參考文獻的基礎上，就以下幾個方面分別進行介紹。

2 本質安全電源電路發(fā)展過程

　　2.1 本質安全理論產生的背景

　　1886年由普魯士瓦斯委員會委托亞琛（Aachen）工業(yè)大學進行了瓦斯爆炸方面的基礎性試驗，并在1898年的后續(xù)試驗過程中得出了“任何電火花都能夠引起爆炸”重要結論［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產生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數百人死亡的嚴重后果。為此，當時任英國內政部技術官員R.V.Wheeler教授開始研究電鈴信號電火花的引燃特性，并設計了火花試驗裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項研究工作，在1916年提出了本質安全電路設計方法和理論，這一理論的提出標志著本質安全理論正式創(chuàng)立［5, 6, 7, 8, 9］。

　　2.2 早期的本質安全電源

　　早期的本質安全電源是由16個濕式里單齊（Leclanche）電池串聯而成的蓄電池組，輸出電壓為24V，蓄電池之間串聯了一個大電阻用來限制短路電流，整體結構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，容易出現故障，需要經常維護。所以人們開始試驗采用交流電作為電源，具體辦法是利用一個信號變壓器將電網電壓轉換較低的電壓大約為15V，輸出電流為1.6A (需串聯非感性電阻)，將電源整體放入一個防爆殼內，從而提高其安全性能，滿足安全生產的要求［9, 10, 11］。

　　2.3 本質安全標準及相關理論發(fā)展簡介

　　在沒有制定本質安全電路標準的時期，本質安全電氣設備的設計結果是否被接受，主要取決于鑒定機構的辨別力，這是由當時煤礦立法給予鑒定機構的權力。在英國，大部分提交本質安全電氣設備的檢驗必須由“部長批準”。隨著本質安全設備的增加及其在采礦上的應用遠遠超出了需要“部長批準”的范圍，社會各界都希望建立正式的本質安全鑒定程序。

　　1901年英國標準學會正式建立，1905年提出礦用設備使用安裝規(guī)程，1911年制定了煤礦法提出煤礦用電氣設備安裝與使用通用規(guī)程，并于1926年首次發(fā)表了英國標準229號，規(guī)定了隔爆外殼的要求，使本質安全電氣設備的檢驗必須由“部長批準”的形式于1928年宣告結束。1929年英國標準協會與皇家憲章（Royal Charter）合并為國家標準機構，1933年聯邦德國制定了本質安全防爆國家標準VDE171［12, 13］。1945年英國國家標準機構頒布了本質安全方面國家標準“本質安全器件與電路” 標準代號BS1259:1945。1949年發(fā)布了關于“本質安全信號變壓器(主要用于煤礦)”的標準，代號為BS1538:1949。1958年對標準 BS1259進行了修訂，修訂后的標準代號為BS1259:1958。

      隨著電子器件的更新和科學技術的進步，本質安全電氣設備的種類和形式發(fā)生了巨大的變化，英國國家標準機構于1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會布拉格會議期間，經過對火花放電提交的不同試驗結論比較，決定采用聯邦德國西門子公司一組工作人員設計的火花試驗裝置所作的試驗結果，并將該試驗裝置推選為國際標準火花試驗裝置［14］。1978年國際電工委員會（IEC）發(fā)布了一系列相關標準，其中包括“本質安全和附屬設備的構造和試驗”標準，標準代號：IEC刊物79 -11。在此期間，歐洲標準化組織CENELEC也制定了一系列關于“可燃性環(huán)境中電氣設備的構造與試驗”歐洲標準，本質安全型標準代號為： EN50020。歐洲電工標準協調委員會于1981年制定有關本質安全系統結構與測試的歐洲標準，代號為：EN50039，與之相當的英國標準為： BS5501：1982［15, 16］。美國在本質安全電路設計方面，先后制定了本質安全國家電氣規(guī)程（NEC504—2條），1995年保險商實驗室（UL913）和美國儀表學會（ISA），出版了用于檢驗和安裝本質安全設計的標準（ANSI／ISA—PR12.6—1995）［17］。在本質安全電器產品檢驗方面，世界各國都有專門授權的防爆檢驗部門從事本質安全電路和電氣設備及其關聯設備的檢驗，例如英國的礦業(yè)安全研究院（SMRE）、德國的PTB、前蘇聯的馬可尼安全研究院、全速防爆電器設備研究所。美國沒有官方檢驗機構，UL（Underwriters Laboratories Inc）和FM（Factory Mutual Research Corp）均是私人企業(yè)組織。

　　在本質安全理論創(chuàng)建后的幾十年里，許多工業(yè)發(fā)達國家相繼開始研究分析本質安全電路及其理論。初期的研究主要集中在安全火花電路和火花試驗裝置設計方面，英國的R.V.Weeler教授在1915年發(fā)表了“關于蓄電池電鈴信號系統內信號線上火花試驗點燃沼氣－空氣混合氣體危險的報告”［18］。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次發(fā)表報告“關于裸導線設備信號線上火花試驗點燃可燃性混合氣體危險的報告”［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研報告。J.R.Hall在總結已經獲得的相關理論基礎上于1985年出版了專著“Intrinsic Safety”書中對本質安全電路基本原理、安全火花 
電路基本概念以及火花試驗裝置進行了系統的研究。此外，英國礦業(yè)安全研究院（SMRE）也對安全火花電路理論進行了試驗研究。

　　在此期間，前蘇聯在本質安全理論以及火花試驗裝置研究方面也進行了大量的試驗。其中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達爾通過試驗對電氣放電和摩擦火花的防爆性進行了全面的研究［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理進行了大量的試驗研究［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，并列舉了有關評價安全火花電路性能的計算方法、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備的設計和試驗的基本原則［23］。參與本質安全理論與試驗研究的國家專門機構還有馬可尼安全研究所和全蘇防爆電器設備研究所［9, 12］。

　　對本質安全電路理論以及試驗裝置進行研究的還有德國、美國、日本等國家。德國工程物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt簡稱PTB）是從事本質安全電路理論和試驗研究的國家機構［9, 24］，直到2004年該機構還發(fā)表了一篇本質安全電路方面的文章［24］。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先后在相關國際會議或專業(yè)雜志上發(fā)表本質安全電路方面的論文［25～31］。分別運用不同的試驗方法或測試手段從各個角度對本質安全電路進行研究。日本在本質安全電路設計及理論研究相對比較保守，在電路參數設計上使用較高的安全系數，以此來提高本質安全電路的安全性能。

　　2.4 我國本質安全理論、產品及相關標準發(fā)展狀況

　　我國開始從事本質安全電路理論研究的時間要追溯到上個世紀五十年代，雖然我國起步比較晚，但是從目前國內的發(fā)展狀況來看，無論在理論研究方面，還是本質安全產品設計方面發(fā)展的速度都很快。進入六十年代我國自行設計的礦用本質安全設備開始投入使用。七十年代初我國設計的本質安全產品開始在石油、化工等領域應用［32］。特別是最近幾年國內在本質安全理論研究方面進步很快，已經接近國際水平。對電阻性電路的放電特性從理論上分析研究［7］；在此基礎上，通過大量的具體試驗對電感電路先后進行了全面的研究和分析［33＿40］；此后，一些專家和學者又對電容性電路以及復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的數學模型。在本質安全產品方面國內生產的相關產品與一些國家的同類產品相比，還存在著一定的差距。國內生產的隔爆兼本質安全電源產品及相關產品較多，如：KDW15／16／22隔爆兼本質安全型電源箱、MCDX-III隔爆兼本質安全型不間斷電源、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的需求。

3 本質安全電路基本原理、分類及火花放電形式

　　本質安全電氣設備防爆基本原理是：通過限制電氣設備電路的各種參數或采取保護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)下產生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現電氣防爆［48］。

        本質安全型電氣設備根據其安全程度不同分為ia和ib兩個等級。ia等級是指電路在正常工作、一個或兩個計數故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。ib等級是指電路在正常工作或一個計數故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設備［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。火花放電是在接通和斷開電容電路時，擊穿放電間隙中的氣體而產生的，其特點是低電壓大電流放電?；」夥烹娛怯赡撤N形式的不穩(wěn)定放電不斷轉化而產生的，如高壓擊穿時產生的放電形式，特點是：可以產生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點燃周圍爆炸性混合物的能力強，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產生的放電形式，其特點是：放電能量不集中、能量散失大、點燃周圍爆炸性混合物的能力差［29］。由于弧光放電是最危險的放電形式，因此電感性電路是研究本質安全電路的重要內容。

4 本質安全電路相關的數學模型

　　本質安全理論創(chuàng)建以來，國內外許多專家學者對本質安全電路進行了大量的試驗研究。為了更好地描述本質安全電路的放電特性及其能量釋放過程，借助以下相關的數學模型進行理論分析。

　　4.1 電感性電路電弧放電數學模型

由于電感性電路中有儲能元件，在電路斷開時會釋放大量的能量，感應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。國內外專家學者對電感性電路做了大量的研究與理論分析得到相關數學模型。{{分頁}}

　?。?）放電電流線性衰減模型

　　從能量釋放的過程來看，認為放電電流是按照線性規(guī)律衰減。當電感電路斷開時，假設放電電流經過計算放電時間為 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）。電感電路實際放電時間與穩(wěn)態(tài)工作電流和電路中電感量有關。  

　　圖1 簡單電感電路及放電電流線性衰減模型

　　數學函數式為：      ⑴

　　放電能量函數為：    ⑵

　　放電能量函數為：   ⑶

　　上述公式中各個符號代表的含義分別為：
       i(t)－放電電流 (A)；
       L－電感量 (H)；
       I－穩(wěn)態(tài)工作電流 (A)；
       t－實際放電時間 (s)；
       T－計算放電時間 (s)；
       u(t)－放電電壓 （V）；
       E－電源電壓 （V）；
       R－限流電阻（Ω）；
       W—電路釋放的能量（J）。

　　從上述函數關系式可以看出：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，另一部分為電源提供的能量。

　　另一種假設為：電路中的電流經過計算放電時間 從穩(wěn)態(tài)工作電流 衰減到某一個值（有些資料稱為：截弧電流），從而建立了放電電流衰減雙直線模型（見圖2）。

　　放電電流為：  ⑷

　　放電電壓為：  ⑸

　　放電能量為：  ⑹

　　式中各符號的含義同上。放電電流雙直線模型表明：電路的放電能量同樣是由兩部分構成。其中為電路中電感釋放的能量；為電源提供的能量［7］。利用放電電流線性衰減模型分析電路釋放的能量，分析過程簡單，但是與具體的電流、電壓變化曲線不一致，存在一定的誤差。

　?。?）放電電流拋物線模型

　　假設放電電流經過計算放電時間為 從穩(wěn)態(tài)工作電流 下降到截弧電流 ，則電流變化曲線為不完全拋物線模型［9, 23, 32—35］。

　　放電電流為：   ⑺

　　放電能量為：      ⑻

　　假設放電電流經過計算放電時間為T 從穩(wěn)態(tài)工作電流I下降零I 1，則電流變化曲線為完全拋物線模型。

　　放電電流為：     ⑼

　　放電能量為：      ⑽

　　拋物線模型使得用于理論分析的電流變化趨勢更加接近實際電流的變化衰減過程。

    （3）放電電流冪函數模型

　　放電電流線性衰減和拋物線模型都可以寫成冪函數的形式，也就是可以描述成放電電流冪函數模型［7, 36, 38］。

　　放電電流衰減到截弧電流 ：

　　放電電流為：

　　放電能量為：              ⑾

　　放電電流衰減到零：

　　放電電流為：      ⑿

　　放電能量為：          ⒀

　?。?）靜態(tài)伏安特性模型

　　由于本質安全電路屬于低電壓、小電流、放電電弧短的情形［7, 35, 39, 40］，所以電路伏安特性方程為：

　　　?、?/P>

　　（5）動態(tài)伏安特性模型

　　為了更加準確描述放電電流、電壓的動態(tài)過程，對電感電路進行實際測試并繪制伏安特性曲線得出動態(tài)伏安特性模型［7］。伏安特性方程如下：

　　⒂

　　上式中 Vg－電弧電壓（V）；
       Vmax－電弧電壓最大值（V）；
    &nb  
sp;  Varc min－最小建弧電壓（V）；
       ig －電弧電流（A）；
       I －電路穩(wěn)態(tài)工作電流（A）；

　　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。當電弧電流衰減到零時，電弧電壓達到最大值。{{分頁}}

　　4.2 電阻性電路電弧放電數學模型

　　當電感性電路中的電感 為零時即轉換為電阻性電路，其放電形式與電感性電路的放電形式類似，放電能量減小，引燃能量降低［7］。電阻性電路的放電能量公式為：

　　⒃

　　其中系數     

　　電阻性電路形成放電電弧的條件為：電源電壓大于最小建弧電壓。在參考文獻［7］中提到： 的數值應大于1的時，⒃式成立。否則，⒃式不成立。主要是由于電路斷開瞬間斷點處存在電弧電阻，形成最小建弧電壓的緣故。

　　上述本質安全電路數學模型的建立，是以線性本質安全電源為基礎進行的理論研究。隨著電子技術和電力電子元器件技術的進步，開關電源技術得到了飛速的發(fā)展，出現了開關型本質安全電源技術。

5 開關型本質安全電源技術

　　所謂開關型本質安全電路技術即是將開關電路理論應用于本質安全電路當中的一種新技術，是安全火花電路理論與開關電源拓撲電路、PWM轉換技術、以及軟開關技術的有機結合。通過運用開關電路技術，可以使得本質安全電路中的電感、電容等儲能器件數值大幅度降低，有效提高本質安全電源電路的輸出功率［24, 50, 51］。

　　目前，應用于本質安全電路中的開關電源技術主要是DC/DC轉換技術，其電路拓撲主要有：降壓式Buck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是：開關器件工作在關斷和閉合狀態(tài)、電路工作頻率高、電能轉換效率高、輸入電壓范圍寬等。因此，最近幾年在本質安全電源電路中得到了應用，以開關調節(jié)方式控制電能流動，電路中的功率器件處于開關狀態(tài)，通過調節(jié)功率器件的關斷和閉合的時間－即調節(jié)開關占空比控制電路的輸出電壓［52, 53, 54］。除此之外，開關型本質安全電源與線性本質安全電源相比具有體積、重量、轉換效率、寬電壓輸入范圍等優(yōu)勢，非常適合應用在煤礦井下空間狹小的環(huán)境。

　　現以電感性電路為例，對開關電路的放電特性進行如下描述：當電路處于斷路狀態(tài)時，在電路斷點處的能量主要有三部分組成，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。當開關電源電路處于較低的頻率工作時，表現出來的特性與線性電源相似，隨著電路開關頻率的不斷增加，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DC/DC變換電路可以近似認為是純阻性電路，電路中的能量不易點燃周圍的爆炸性氣體混合物，達到本質安全電路的條件。

　　DC/DC變換電路的供電能量可以分為兩個階段，第一個階段是開關器件導通階段，電源的能量和線性電源一樣，施加在電路的故障點處，放電火花釋放的能量中包含著部分能量，第二階段是開關器件處于關斷階段，也就是說電路故障點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，進而提高電路的本質安全性能。

對線性本質安全電源電路進行分析研究過程中，引入一個計算放電時間的概念，用來進行輔助計算，而在本質安全電源電路中，當開關頻率達到一定的數值后，對電路進行分析和研究不需要借助于計算放電時間，直接運用開關電源頻率進行計算即可，因為電路的開關周期已經小于設定的計算放電時間（計算放電時間是根據安全火花試驗裝置的轉動周期和大量的試驗得出的）。另外開關電源電路變換技術可以針對不同的工作環(huán)境，選用不同的電路拓撲和不同的開關頻率，使本質安全電源電路滿足用電設備的使用要求。

6 結論

　　本質安全電路理論經過一百多年的進步和發(fā)展，電路的技術理論已經成熟。開關電路技術同樣經過幾十年的發(fā)展，已經廣泛應用于各個領域，開關電源技術無論是在理論還是在實際電路中都已經非常成熟。而本質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用存在著許多不足之處，尤其是輸出功率很難提高，已經不能滿足現階段煤礦企業(yè)的發(fā)展需求。開關型本質安全電源可以彌補線性本質安全電源的缺點，選擇適當的電路拓撲結構和工作頻率，能夠有效提高本質安全電源的輸出功率。因此，對于本質安全電路來講，即是一種新的應用技術，同時也是本質安全電路未來的發(fā)展方向。

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