电容串电阻对本安电源火花放电能量的影响

安徽理工大学电气与信息工程学院 陈思靖

为了提高本安电源的品质和输出功率，本文研究在火花放电电路的输出滤波电容侧串接电阻对花火放电能量的影响，通过串接电阻获得火花放电能量的数学模型。再通过对串接不同阻值的电阻的数学模型进行仿真得到串接电阻对火花放电能量的影响，结果表明串接电阻可以有效减小火花放电能量，可以提高本安电源的输出功率。

针对煤矿井下、石油化工生以及其衍生领域生产一线人员定位检测设备、预警设备等实际生产现场特定的安全生产需求，安全防爆电器的研究、应用变得愈发重要。电源作为安全防爆电器的能量供给元件，它的安全防爆、稳定输出在整个安全防爆电路中有着举足轻重的地位。现在以隔爆型和本质安全型的应用最为广泛，其中由于本质安全型电器为内部安全设计、考量的优势使得本质安全型已成为最佳的防爆形式。

1 本安电源

根据要求，与本安电源相关的仪器仪表的设计遵循国家标准GB3836.1-2000，本质安全型电气设备的标志为“i”，根据安全程度的不同可分为ia和ib两个等级。考虑到本安电源的使用场合多为煤矿井下，故在设计时安全等级考虑为ib级。

本安电源的工作原理如图1所示，先从电网处取得交流电，再经输入整流滤波电路后得到脉动的直流电，后经过直流变换器对得到的直流进行再次处理，最后经多重化的限流限压保护电路得到需要的直流电，控制器多采用直流型的PWM控制器。

图1 本安电源工作原理图

2 电容串接电阻电路火花实验等效电路的分析

2.1 等效电路模型

根据以往研究，将本质安全开关电源的输出滤波电路等效为简单电容电路，并对其进行本质安全特性的分析，以便于对其串联电阻时进行火花放电时相关指标的分析，电容串接电阻火花试验电路如图2所示。

图2 电容串接电阻电路火花试验电路

其中，E为充电电源，R0为充电电阻，R1为线路及火花装置G的电阻和，R为所串入的电阻。通常情况下，R0>>R1。因此，为了研究的方便，在考虑电容短路的火花放电能量时，对上述模型做出简化，即不考虑来自电源侧E的能量来源。简化后的模型如图3所示。

图3 电容串接电阻电路简化火花试验电路

图3中Uc是在电容发生短路火花放电期间时的电容电压；UR是串联可调电阻上的电压降；UR1是整个回路的内阻和火花试验装置内阻之和R1上的电压，Ug是火花试验装置两端的电压，同时也为火花放电的电压；Ig是火花放电电流；Rg是火花放电的等效电阻。

2.2 等效电路分析

对上述得到的电容串接电阻电路简化火花试验电路进行分析。基于基本电路定理对上述电路列写电路方程，得到火花放电能量和串接电阻的关系如下：

3 电路数学模型的仿真

对上述的火花放电能量模型进行仿真，取充电电压E=100v，放电维持电压V0=15V，C=100uf时，火花放电能量和串接电阻的关系如图4（a）、（b）和（c）所示。

图4

从得到的仿真结果（a）、（b）和（c）中可以看出，随着串入电阻的增大，火花放电能量的大小以近似指数函数下降，在一定范围内增大放电电阻即在输出侧串联小电阻可有效减小火花放电能量，但随着串接电阻数值的增大，火花放电能量减小的速率将变慢。

结论：本安电路发生短路时，在其他参数不改变的情况下，仅仅增大回路的放电电阻，可以在一定程度上减小本安电源输出端的火花放电能量，这给本安电源的输出参数的提高带来积极影响，有利于进一步提升本安电源的安全品质，这对本安电源应用场所的推广带来积极的现实意义。