矿用本质安全型电气产品隔离电路设计方法研究

左官芳

摘 要：本质安全电路是指标准规定的条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。由于其具有体积小，重量轻，价格优惠、方便运输和携带等优点，越来越受到如煤矿、化工等特殊行业的青睐。本质安全电路中隔离电路的设计在分析和实现电路的本质安全性能方面又起到了重要作用，是其决定性因素，因此本安电路隔离的使用也越来越受到设计者的重视，该文重在阐述矿用本安产品的隔离电路要求和设计要点，为设计人员提供参考。

关键词：本质安全电路 隔离 设计 分析

中图分类号：TD621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0100-02

随着煤矿形势的不断变化和发展，尤其目前煤炭行业持续低迷的困难时期，本质安全电气产品由于其具有体积小，重量轻，价格优惠、方便运输和携带等优点，越来越受到客户的青睐。该文重在阐述矿用本安产品的隔离电路设计要点，为设计人员提供参考。

1 本质安全电路和隔离的概念及意义

标准中规定，本质安全电路的定义是：在标准规定的条件下，包括正常工作和规定的故障条件，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路[1]。计数故障的定义是：符合本标准结构要求的电气设备的部件上出现的故障[1]。非计数故障的定义是：不符合本标准结构要求的电气设备的部件上出现的故障[1]。

本质安全电气设备防爆基本原理是：通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能， 使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆[2]。

本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为ia、ib和ic三个等级。ia等级是指电路在正常工作、1个或2个计数故障时，都不能点燃爆炸性混合物的电气设备；ib等级是指电路在正常工作或1个计数故障时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备[3]。ic等级不存在故障的概念，仅表示电路在正常工作时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备。

隔离是人们在分析和评价本质安全电路的本质安全性能时一个重要的技术信息。在本质安全型电气设备中本质安全电路与其他的电路应该有适当的隔离。这里所说的隔离可以认为是符合要求的电气间隙、爬电距离、间距隔离，也可以是电气组件实现的电气隔离，比如：变压器、继电器、光耦合器等[4]。

可靠隔离元件符合标准要求时，应认为不可能跨接可靠隔离发生短路故障，或者说，符合标准要求的可靠连接和隔离应认为不会产生故障；火花试验装置不应串联接入这些连接或跨接这些隔离。因此，可靠隔离可以不进行技术故障和非技术故障的设置，隔离器件前后的储能元件在分析本安符合性时可以不进行叠加，使得电路更加容易实现本安符合性。

2 电气间隙、爬电距离要求

本安电路的电气间隙、爬电距离应符合表1的要求。

不同本质安全电路接线端子的裸露导电部件之间，及其到接地或者到零电位的导电部件之间的电气间隙和爬电距离应等于或大于表5给出的值。

对于不同的本质安全电路，外部连接装置的裸露导电部件之间的电气间隙应符合下列规定：

①不同本质安全电路之间至少6 mm； ②距接地部件至少3 mm。

3 介电强度试验要求

3.1 介电强度的试验方法

介电强度试验应按相应的国家标准进行。如果没有相应的标准，也可采用下列方法进行。使用频率在48～62 Hz之间的正弦波交流电压进行试验；或使用直流电压进行试验，直流电压值应为规定交流电压的1.4倍，且直流电压的峰-峰值波动不得超过3%。电源应具有足够的伏安容量，以确保在可能出现任何泄漏电流情况下，电源试验电压仍可维持。试验电压应在不小于10 s时间内平稳上升到规定值，然后至少维持60 s。施加电压在试验期间应保持恒定，并且试验期间流过的电流在任何时候不应超过5 mA交流有效值。[1]

3.2 介电强度试验电压等级

对于实验电压等级，本质安全电路和非本质安全电路之间的绝缘应能承受2U+1000 V交流有效值试验电压，但不小于1 500 V。U指本质安全电路和非本质安全电路的电压有效值之和。[1]

在各自独立的本质安全电路之间击穿可能引起不安全情况时，则电路之间的绝缘应承受2U，但不小于500 V交流有效值电压试验，U指所考虑的电路的电压有效值之和。[1]

4 电气隔离

4.1 可作为可靠隔离的元件

（1） 变压器及其关联器件，例如，熔断器、断路器、热保护器和与绕组末端连接的电阻器应保证供电电源和本质安全电路之间具有可靠的电气隔离，即使在任何一个输出绕组发生路而所有其他输出绕组承受最大额定电气负载时也应满足安全隔离的要求。

（2） 对于可靠布置的隔离电容器，两个串联电容器中的任一电容器都可认为会发生短路或开路故障。该组件的电容量应取任一电容器的最不利值。在应用组件时，应使用1.5倍安全系数。隔离电容器应为高度可靠的固体介质型电容。电解电容或钽电容不能使用。组件的外部连接应符合6.3的规定，但隔离要求不适用于隔离电容器内部[5]。

（3） 电隔离元件，比如：隔离DC/DC、光耦、电隔离继电器等。电隔离元件应符合介电强度的要求；电隔离继电器应符合标准中容量的规定，并且任何绕组应能承受其连接的最大耗散功率。

4.2 可作为可靠隔离元件的要求

可靠隔离元件应符合下列规定：

（1）隔离元件的电气间隙、爬电距离应符合表1的要求，但对于内部密封部件（例如，光耦合器），表1第5、6和7列不适用。

（2）连接在本质安全电路端子和非本质安全电路端子之间的元件，应符合介电强度要求要求。制造商规定的可靠隔离元件的绝缘试验电压，应不低于介电强度要求要求的试验电压值。endprint

（3）连接在本质安全电路之间的介电强度要求。制造商规定可靠隔离元件的绝缘试验电压，应不低于介电强度要求的试验电压值。

5 隔离电路的设计举例和本安符合性分析

5.1 不同电压等级下的隔离元件的应用和分析

以Ui电压等级下的隔离DC/DC为例，典型电路如图1：

如若隔离用DC/DC符合可靠元件的要求，DC/DC不再设置短路故障，在计算Ui电压等级下的允许电容值时，只考虑Ci即可，无需Ci与Co的叠加，大大提高了本安电路的符合性，尤其在Ci濒临Ui电压等级下允许电容值的临界值时隔离电路显得尤为重要。

下面我们针对具体的设计参数进行具体的分析。

假设Ui=19.0V，Ci=4.7？F，Co=4.7？F。根据GB3836.4-2010表A.2查得，当Ui=19.0V时，I类设备在1.5倍安全系数情况下允许带电容值为8.0？F，Ci=4.7？F，小于8.0？F，符合本安电路的要求。但是，当DC/DC为非隔离芯片时，设置一个技术故障，DC/DC的输入输出端短接，此时，Ui同时加到了Ci和Co上，Ci+Co=9.4uF，已超出了19.0V电压等级下允许的8.0uF的电容值，不符合本安电路的要求。

5.2 通信输出电路的隔离

通信输出电路的隔离作用主要体现在组建系统的连接上，通信信号因为有了隔离，系统之间的供电电源不需要考虑叠加，使得本安电路的分析简单化。仅以485通信信号为例，对隔离电路的可以按如下方法进行设计。

（1） 以485通信信号为例，普通的无隔离作用的485芯片，可以在前端使用光耦来进行隔离，光耦输入输出之间应能承受AC1500V耐压。

（2） 带隔离的485芯片，485隔离器件的输入、输出之间应能承受符合要求的介电强度试验。

6 结语

通过可靠的隔离，本安电路的设计变得简单而有效，为本安电路的符合性提供了保证。对电路的本安符合性设计具有极其重要的指导意义。

参考文献

[1] GB 3836.4-2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》.

[2] 孙继平.矿井安全监控系统1C2.中国煤炭工业劳动保护科学技术学会安全监控专业委员会，中国矿业大学（北京）信息工程研究所，2004.

[3] 付华，刘尹霞.现场总线系统的本质安全防爆技术[J].电气防爆，2003（3）：11-14.

[4] 张力.浅谈本质安全电路的分析与评价[J].电气防爆，2010（2）：1-4.

[5] 高丽珍.新型矿用本质安全型电源的设计与研究[J].机械工程与自动化，2006（3）：125-127.endprint