输出本质安全型电源的试验分析与理论研究

余爱生

【摘要】以输出DC18V矿用本安型电源典型参数为基础进行负载火花点燃试验，分别进行了阻性、感性和容性负载试验和分析，研究本安系统中的电源特性对本安系统安全的影响。

【关键词】本安电源；负载能力；外部参数

0引言

本质安全型电气设备除携带式设备外都用本质安全型电源供电，因而电源是是影响本质安全设备安全的因素之一，本安系统中关联设备与配接设备（本质安全设备）有着长短不一的连接电缆，例如煤矿安全监控系统中温度传感器与本安电源之间可能存在2000米的连接电缆。由于连接电缆存在一定数量的分布电感和电容，它们在传输过程中会储存能量，一旦线路出现开路或短路这些潜能就会以电火花或热效应形式释放出来，在一定程度上增加点燃的危险性，影响本安系统的防爆性能。所以由关联设备、配接设备（本质安全设备）以及它们之间的连接电缆所组成的矿用本安系统的安全性能与这三者的安全性能参数、连接方式密不可分。

本文选取了具有代表性的输出矿用本安型电源，以输出DC18V矿用本安电源研究为基础，分别对其不同的负载特性，包括阻性负载R、感性负载L及容性负载C进行了试验分析，从试验波形上可以看出本安系统中的电源特性对本安系统安全的带来的影响，在开发设计本安电源时，可以适当提高保护动作时间，提升电源输出的电源值，从而实现提高电源带载能力。最后，从理论上对感性负载Lo、容性负载Co及最大外部电感与电阻Lo/Ro进行分析，得出外部电感、外部电容均对输出电流有一定的影响，也就是对电源的带负载能力带来一定的影响，因此，在提高输出本安电源带载能力时，需要关注本安系统的电感量和电容大小。

1输出DC18V矿用本安电源的试验分析

1.1试验研究准备

试验样品：输出本安型直流稳压电源[1]，

本安输出参数：Uo：18.5V、Io：850mA、Lo：0.2mH、Co：6.4µF。

试验设备：火花试验装置，示波器，万用表，负载箱等。

1.2阻性负载能力试验分析

首先根据电源的本安输出参数，进行调节电源输出电压，使电压输出达到18.5V，然后调节最大输出电流进行火花点燃试验。试验数据如表1所示：

表1电压、电流试验数据表

通过试验验证，Uo：18.5V、Io：850mA满足本安输出特性，但850mA不是18.5V对应的最大输出电流。原因是防爆检测机构或是企业自身往往为了保留一定的安全余量，最大电流输出是经过协商确定的数值。图1为该试验过程中采集的电压波形，从图像上可以看出，在短路过程中电压输出波形很平滑，无明显的尖峰，说明电源滤波稳压效果好。

图118V电源输出直接短路火花点燃试验波形

1.3外部电感能力试验分析

接着在保证电压、电流输出为Uo：18.5V、Io：850mA的前提下，电源输出端在外部串接电感的情况下进行火花点燃试验。试验数据表2所示：

表2电流、电感试验数据表

通过试验验证，说明该电源可以在保证本安输出的条件下带有0.2mH集中分布的感性负载[2]。图2和图3分别在试验过程中不同采样周期状态下采集的电压波形，从图像中可以看出，在电源外部串接电感的条件下，电压输出波形在短路过程中，会不断有尖峰值的产生，那是因为电感感应电动势的叠加[3]。这就是为什么当电感达到一定的极限值时，能量的叠加会引燃瓦斯等爆炸性气体。

图2DC18V电源输出外串0.2mH电感的火花点燃试验波形（采样周期250ms）

图3DC18V电源输出外串0.2mH电感的火花点燃试验波形（采样周期100us）

1.4外部电容能力试验分析

最后在保证电压、电流输出为Uo：18.5V、Io：850mA的前提下，电源输出端在外部并联电容的情况下进行火花点燃试验，试验数据如表3所示：

表3电压、电容试验数据表

通过试验验证，说明该电源确实可以在保证本安输出的条件下带有6.4µF集中分布的容性负载。由于气体浓度以及温湿度等因素的影响，试验数据往往有不一致性，总体来说偏差不是很大，所以本次试验得出的最大输出电容为Co：6.4µF。图4为试验过程中采集的电压输出波形，从图像中可以看出，电压的幅值在短路过程中没有明显的叠加，这是因为电容在充放电过程中，不会对电压的幅值有影响，只会对放电电流有叠加的作用，因此，容性负载对电源带载能力会产生一定的影响。

图4DC18V电源输出外并电容的火花点燃试验波形

按照上述的检测方法和实验步骤，笔者对典型的不同电压等级的电源进行了本安输出参数的试验验证，总结出本安输出参数输出特性[4]；从本安输出特性可以看出:同样的电压等级条件下，最大输出电流的值存在差异，这与电源的个体差异有关。为了证明这一点与电源的保护动作时间有关，将18V输出本安型电源与15V输出本安型电源进行比较，通过高频示波器采集的短路波形如图5和图6所示：

图5DC18V电源保护曲线图6DC15V电源保护曲线

通过试验分析发现，二者之间的保护动作时间确实存在差异，动作时间快的可以提高本安输出电流的。因此在设计本安电源过程，可以适当提高保护动作时间，来提升电源输出的电源值，从而达到提高电源带载能力目的。

2输出本安型电源外部参数理论研究

2.1从Lo的角度分析

现阶段，随着矿用产品的增加，智能仪表的种类也在不断增多，作为负载体现的特性不外乎就分为阻性负载、感性负载、容性负载。上述已经提过作为纯电阻负载出现的情况；如果作为纯感性负载出现的话，就应该从本安电源的最大输出电感Lo的角度出发进行分析。

根据电源电感性电路的火花点燃能量公式：W=EIT/6+LI2/2，可以看出，输出能量一定的情况下，输出电流和输出电感是相互制约，当输出电流增大的时候，电源的输出电感值就会减少，其配接感性负载能力就会降低。

如果从电源与负载联机的安全角度出发，理论上应该满足Lo≥Li的关系。通过网络理论和最小点燃火花能量观点[5]-[6]，可以验证这一结论，这就是标准中对本安电源最大外部电感参数所提出的要求。

2.2从Co的角度分析

同样，如果负载等效体现为容性负载，那么就应该从本安电源最大输出电容的角度出发进行分析。

根据电源电容性电路的火花点燃能量公式：

W=EIT/6+CU2/2，

同样可以看出，输出能量一定的情况下，输出电压增高的时候，电源的输出电容值势必也会减少，其配接容性负载的能力就会降低。

如果从电源与负载联机的安全角度出发，理论上应该满足Co≥Ci的关系。通过网络理论和最小点燃火花能量观点，可以验证这一结论，这就是标准中对本安电源最大外部电容参数所提出的要求。

2.3从Lo/Ro的角度分析

在爆炸性环境中的本质安全型系统中，使用长距离电缆向本安型电气设备供电及传递本安信号的电路越来越多。由于外部连接电缆存在一定的分布电感和电容，其附加的储能在电路放电时将释放出来，这就增加了点燃的危险性[7]，特别是在电路的设计参数接近本质安全所容许的最大值的情况下，电缆分布参数的影响更显重要。因此对电缆的分布电容、电感或电感与电阻的比值L/R应作规定，特别是在传输电缆很长的情况下。GB3836.4-2010标准对L/R的选取原则作过规定。具体表达式[8]：

Lo/Ro=[8eRi+(64e2Ri2-72Uo2eLi)1/2]/4.5Uo2(H/Ω)

式中：e——火花试验装置最小点燃能量

Ri——电源的最小输出电阻

Uo——最高开路电压

Li——呈现在电源端的最大电感

如果Li=0，则：

Lo/Ro=32eRi/9Uo2(H/Ω)

从式中可以看出，该比值与电源的具体参数有关。但试验研究发现，未明确电感L大小时，放电能量中不能忽略由电源部分供给的能量。因此，这里将采用前苏联学者建立的电弧放电电流线性衰减模型，并引人最小建弧电压概念，对GB3836.4-2010标准中规定的L/R的选取原则加以补充。

3结束语

通过对本安系统用电源检测方法的研究，以及试验分析及理论研究，可以看出，本安系统用电源的容量与放电时间密切相关，即与电流保护动作时间有关，我们可以通过对时间的控制来提高本安输出的电压、电流参数，同时，由于本安系统用电源的外部电感、电容受本安输出的电压、电流的约束，在提高电压、电流输出的同时，降低了外部电容与电感参数，这是一个矛盾，需要根据不同系统或是设备的需求而找到一个平衡点。

参考文献:

[1]开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社,张占松,蔡宣三编著,1998

[2]复杂电感电路在不同频率特性下本质安全性研究的技术实现[J].商立群.煤矿机电.2002(03)

[3]较大电感或较大电容电路的本安保护设计[J].张刚.电气防爆.1999(03)

[4]本质安全型开关直流稳压电源[J].王花鱼.山西煤炭.2000(02)

[5]新型开关电源实用技术[M].电子工业出版社,王英剑等编著,1999

[6]本质安全电路设计[M].煤炭工业出版社,张燕美,李维坚编著,1992

[7]安全火花原理及应用[M].煤炭工业出版社,章良海著,1984

[8]GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备

【作者简介】余爱生（1982－），女，工程师，在职研究生，主要从事防爆电气产品检验检测研究工作。现任中海油天津化工研究设计院有限公司本安检验室主任。