KDW127/18B矿用浇封兼本安型直流稳压电源的设计

胡智芳

（1.重庆安标检测研究院有限公司，重庆 401325；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

0 引 言

目前，随着科学技术的不断发展，我国煤矿安全生产不断地向机械化、自动化、现代化发展，煤矿井下的本质安全型电气设备在监测、通信、定位以及自动化系统中的应用也越来越广泛。针对煤矿井下用电的特殊性，需要为煤矿井下的电气设备提供可靠的防爆型供电电源。为了满足煤矿井下防爆要求，本电源设计从本质安全型电源出发，即确保在正常工作和故障状态下输出的电源都能被限制在安全范围内，结合特殊浇封工艺设计出了满足《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》（GB/T 3836.4—2021）和《爆炸性环境 第9部分：由浇封型“m”保护的设备》（GB/T 3836.9—2021）等防爆标准要求且具有限流、截流以及减流3种限能保护电路方式的浇封型直流稳压电源，成功通过了专业检验机构的检验，并在煤矿井下得到了很好的应用[1-6]。

1 本安型直流稳压电源工作原理

电源输入选择127 V的交流供电和电池供电，通过交直流切换电路进行转换控制。127 V交流电压经过交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）变压器输出24 V直流电压，24 V直流电压经过充放电管理板对备用电池进行充电，再经过交直流切换电路、2路隔离直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换模块和安全栅电路输出2路18V本安电源。此外，对于电源输出还单独设计了1路RS485数字信号，通过RS485数字信号对外传输电源。本安型直流稳压电源的工作原理如图1所示。

图1 本安型直流稳压电源工作原理

2 备用电源设计

备用电源采用内部可充电蓄电池供电，蓄电池的设计选型采用了在结构上防止溢出电解液和氢气的类型，即蓄电池及其组成电池组的容量较大且短路电流达不到本安性能要求时，通过串联限能电阻限制短路电流[7,8]。

限流电阻选用可视为无感电阻的金属膜电阻，电阻选择最大短路电流在设计允许最大安全电流之内的阻值。限流电阻的阻值计算公式为

式中：Emax为电池的最高开路电压（以蓄电池充满电后的电势计算）；Idm为设计允许最大安全电流；Ri为电池内阻。

限流电阻的功率为

式中：I为通过限流电阻的电流；R为限流电阻的阻值。

3 限能保护电路与功率提升设计

采用稳压、过压、过流、短路等电子保护电路进行限能，以达到本安相关技术要求[9-11]。电源输出端采用限流型保护电路，当电源输出端过载或短路时输出电压下降，可将输出电流控制在规定范围内，即将输出电流控制在不小于额定电流值内。其优点是保护范围大，抗干扰性和抗负载电流的冲击性好，电路简单且故障排除电源容易恢复；缺点是保护速度较慢，当输出短路时，调整管的损耗大。对于采用这种保护电路方式的电源，适用于向电容性负载电路供电。

电源采用“ib”保护等级，在保护电路中需进行两级保护电路的设计，当一级故障情况发生时，另外1级还可以起到保护作用，使电源保护电路更安全可靠。2级保护电路如图2所示。

图2 2级保护电路

采用快速电子保护电路设计，当电源输出端过载或短路时，保护电路能快速识别并动作，电源输出被快速切断，使得电路的放电持续时间明显缩短，大大减小火花放电的能量。同时，电路中的电感元件并联分流保护元件，可减小外电路的放电火花，提高电感元件的使用功率。

4 按键开关控制电路设计

电源设计采用本质安全型，其开关等控制按键需进行本安处理。为了将非本安和本安进行有效隔离，这里采用光耦进行隔离处理，按键端触发光耦动作的控制信号用3.3 V本安输出电压进行控制。按下开关P5，由IB1-VCC信号驱动U4光耦工作，将BAT-CTL信号拉低为低电平，将电源的交流供电切换至电池供电。按键开关控制电路如图3所示。

图3 按键开关控制电路

5 信号安全栅设计

电源输出RS485芯片采用的是非本安供电，为了保证输出信号为本质安全型，在RS485 A/B线上做了限流与限压处理，通过保险丝FB1、FB2和电阻R2、R1进行限流，通过稳压管D6、D7进行限压。信号安全栅电路如图4所示。

图4 信号安全栅电路

6 AC/DC变压器在安全设计上的选型

变压器屏蔽层采用2根0.3 mm的铜线引接地线，涂覆0.2 mm的铜箔层。初级对次级1 500 V、历时1 min的工频耐压试验，应无击穿、无闪络现象；初级对磁芯1 500 V、历时1min的工频耐压试验，应无击穿、无闪络现象；次级对磁芯1 500 V、历时1 min的工频耐压试验，应无击穿、无闪络现象。变压器结构如图5所示。

图5 变压器结构

7 浇封与固化工艺

浇封复合物材料为GEPX-08-2B A型环氧树脂，采用芳香胺类改性环氧固化剂H-3360进行固化。浇封复合物为黑色粘稠液体，正常工作温度范围为-40～+130 ℃。在具体操作中，环氧树脂与固化剂的配制比例为5∶1。操作在常温下进行，温度应为15～35 ℃。浇封部位去掉杂质及灰尘，做到清洁无污，保持内部干燥。浇封过程中应避免浇封材料玷污产品外壳及接线端子，如有玷污应及时清除，以提高产品的外观质量与浇封性能。2种材料必须充分搅拌均匀，将配制好的浇封材料缓慢倒入被浇封部位，浇封量盖住印制电路板3～5 mm时视为满足要求。在常温环境下放置4 h后，检查浇封液面是否符合要求。将已充入浇封材料的产品放置在常温下，当环境温度为15～35 ℃时，固化时间至少为18 h。完成操作后，检查浇封后的产品表面有无裂纹、疙瘩、起泡等现象，符合要求的产品可作为半成品等待检验。

8 结 论

KDW127/18B矿用浇封兼本安型直流稳压电源按照煤矿防爆安全技术标准要求进行设计，通过了安标专业机构的矿用隔爆技术检验。经现场矿井安装使用，其各项技术指标均满足相关标准与规范，运行安全可靠。