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[技术资料] 本质安全电源电路理论综述
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1 前言
作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质安全电源主要应用在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物环境中。本质安全电源电路必须符合本质安全电路标准的要求，本质安全电路是指在标准规定的条件（包括正常工作和标准规定的故障条件）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［1, 2, 3］。其特点是：电源电路内部和引出线不论是在正常工作还是在故障状态下都是安全的，所产生的电火花不会点燃周围环境中的爆炸性混合物。人们对本质安全电路理论研究已经有一百多年的发展历史，目前本质安全产品和标准已经形成了较为完整的体系。本文在收集、整理大量参考文献的基础上，就以下几个方面分别进行介绍。
2 本质安全电源电路发展过程
2.1 本质安全理论产生的背景
1886年由普鲁士瓦斯委员会委托亚琛（Aachen）工业大学进行了瓦斯爆炸方面的基础性试验，并在1898年的后续试验过程中得出了“任何电火花都能够引起爆炸”重要结论［4］。1911和1913年英国威尔士（Welsh）和圣海德（Senghenydd）煤矿因电铃信号线路产生放电火花先后发生瓦斯爆炸，造成数百人死亡的严重后果。为此，当时任英国内政部技术官员R.V.Wheeler教授开始研究电铃信号电火花的引燃特性，并设计了火花试验装置。1915年W.M.Thoronton参与了该项研究工作，在1916年提出了本质安全电路设计方法和理论，这一理论的提出标志着本质安全理论正式创立［5, 6, 7, 8, 9］。
2.2 早期的本质安全电源
早期的本质安全电源是由16个湿式里单齐（Leclanche）电池串联而成的蓄电池组，输出电压为24V，蓄电池之间串联了一个大电阻用来限制短路电流，整体结构上将电阻和蓄电池组封装在一起。由于用蓄电池作为信号电源非常不方便，容易出现故障，需要经常维护。所以人们开始试验采用交流电作为电源，具体办法是利用一个信号变压器将电网电压转换较低的电压大约为15V，输出电流为1.6A (需串联非感性电阻)，将电源整体放入一个防爆壳内，从而提高其安全性能，满足安全生产的要求［9, 10, 11］。
2.3 本质安全标准及相关理论发展简介
在没有制定本质安全电路标准的时期，本质安全电气设备的设计结果是否被接受，主要取决于鉴定机构的辨别力，这是由当时煤矿立法给予鉴定机构的权力。在英国，大部分提交本质安全电气设备的检验必须由“部长批准”。随着本质安全设备的增加及其在采矿上的应用远远超出了需要“部长批准”的范围，社会各界都希望建立正式的本质安全鉴定程序。
transmission characteristic - 传输特性 （0） 投诉
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随着电子器件的更新和科学技术的进步，本质安全电气设备的种类和形式发生了巨大的变化，英国国家标准机构于1945年再一次修订BS1259：1958。1967年在IEC31G委员会布拉格会议期间，经过对火花放电提交的不同试验结论比较，决定采用联邦德国西门子公司一组工作人员设计的火花试验装置所作的试验结果，并将该试验装置推选为国际标准火花试验装置［14］。1978年国际电工委员会（IEC）发布了一系列相关标准，其中包括“本质安全和附属设备的构造和试验”标准，标准代号：IEC刊物79-11。在此期间，欧洲标准化组织CENELEC也制定了一系列关于“可燃性环境中电气设备的构造与试验”欧洲标准，本质安全型标准代号为：EN50020。欧洲电工标准协调委员会于1981年制定有关本质安全系统结构与测试的欧洲标准，代号为：EN50039，与之相当的英国标准为：BS5501：1982［15, 16］。美国在本质安全电路设计方面，先后制定了本质安全国家电气规程（NEC504—2条），1995年保险商实验室（UL913）和美国仪表学会（ISA），出版了用于检验和安装本质安全设计的标准（ANSI／ISA—PR12.6—1995）［17］。在本质安全电器产品检验方面，世界各国都有专门授权的防爆检验部门从事本质安全电路和电气设备及其关联设备的检验，例如英国的矿业安全研究院（SMRE）、德国的PTB、前苏联的马可尼安全研究院、全速防爆电器设备研究所。美国没有官方检验机构，UL（Underwriters Laboratories Inc）和FM（Factory Mutual Research Corp）均是私人企业组织。
在本质安全理论创建后的几十年里，许多工业发达国家相继开始研究分析本质安全电路及其理论。初期的研究主要集中在安全火花电路和火花试验装置设计方面，英国的R.V.Weeler教授在1915年发表了“关于蓄电池电铃信号系统内信号线上火花试验点燃沼气－空气混合气体危险的报告”［18］。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次发表报告“关于裸导线设备信号线上火花试验点燃可燃性混合气体危险的报告”［19］。1928年C.B.Platt和R.A.Bailey博士发表鉴定矿用信号电铃安全性能调研报告。J.R.Hall在总结已经获得的相关理论基础上于1985年出版了专著“Intrinsic Safety”书中对本质安全电路基本原理、安全火花
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在此期间，前苏联在本质安全理论以及火花试验装置研究方面也进行了大量的试验。其中，B.C.格拉夫钦克、B.A.邦达尔通过试验对电气放电和摩擦火花的防爆性进行了全面的研究［20］； A.A.卡伊马科夫针对煤矿井下爆炸性混合物的形成、点燃源的种类、爆炸性混合物的一般概念以及弧光放电和脉冲放电条件下法兰式防爆壳防爆机理进行了大量的试验研究［21, 22］；B.C.格拉夫钦克等人合编的专著“安全火花电路”系统分析了煤矿、石油、化工等行业各种可燃性混合物中电路安全火花性能的物理基础，并列举了有关评价安全火花电路性能的计算方法、测量方法以及提高电路允许输出功率的研究成果，提出了安全火花电气设备的设计和试验的基本原则［23］。参与本质安全理论与试验研究的国家专门机构还有马可尼安全研究所和全苏防爆电器设备研究所［9, 12］。
对本质安全电路理论以及试验装置进行研究的还有德国、美国、日本等国家。德国工程物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt简称PTB）是从事本质安全电路理论和试验研究的国家机构［9, 24］，直到2004年该机构还发表了一篇本质安全电路方面的文章［24］。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先后在相关国际会议或专业杂志上发表本质安全电路方面的论文［25～31］。分别运用不同的试验方法或测试手段从各个角度对本质安全电路进行研究。日本在本质安全电路设计及理论研究相对比较保守，在电路参数设计上使用较高的安全系数，以此来提高本质安全电路的安全性能。
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我国开始从事本质安全电路理论研究的时间要追溯到上个世纪五十年代，虽然我国起步比较晚，但是从目前国内的发展状况来看，无论在理论研究方面，还是本质安全产品设计方面发展的速度都很快。进入六十年代我国自行设计的矿用本质安全设备开始投入使用。七十年代初我国设计的本质安全产品开始在石油、化工等领域应用［32］。特别是最近几年国内在本质安全理论研究方面进步很快，已经接近国际水平。对电阻性电路的放电特性从理论上分析研究［7］；在此基础上，通过大量的具体试验对电感电路先后进行了全面的研究和分析［33＿40］；此后，一些专家和学者又对电容性电路以及复杂电路的放电特性与引燃特性做了深入的研究和理论分析［41＿44］，并且分别建立了相应的数学模型。在本质安全产品方面国内生产的相关产品与一些国家的同类产品相比，还存在着一定的差距。国内生产的隔爆兼本质安全电源产品及相关产品较多，如：KDW15／16／22隔爆兼本质安全型电源箱、MCDX-III隔爆兼本质安全型不间断电源、DXJ-24矿用隔爆兼本安电源、KDW17矿用隔爆兼本安电源、CK-26矿用隔爆兼本安电源、TK220矿用隔爆兼本质安全型电源等［45＿48］。但其输出功率一般都比较小，很难满足目前煤矿生产的需求。
3 本质安全电路基本原理、分类及火花放电形式
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［48］。
本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为ia和ib两个等级。ia等级是指电路在正常工作、一个或两个计数故障时，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一个计数故障时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备［49］。
电路放电火花的基本形式为：火花放电、弧光放电、辉光放电和由三种放电形式组成的混合放电。火花放电是在接通和断开电容电路时，击穿放电间隙中的气体而产生的，其特点是低电压大电流放电。弧光放电是由某种形式的不稳定放电不断转化而产生的，如高压击穿时产生的放电形式，特点是：可以产生持续的电弧、电流密度大、放电能量集中、点燃周围爆炸性混合物的能力强，电感性电路放电形式属弧光放电。辉光放电是在高电压小电流的条件下产生的放电形式，其特点是：放电能量不集中、能量散失大、点燃周围爆炸性混合物的能力差［29］。由于弧光放电是最危险的放电形式，因此电感性电路是研究本质安全电路的重要内容。
4 本质安全电路相关的数学模型
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4.1 电感性电路电弧放电数学模型
由于电感性电路中有储能元件，在电路断开时会释放大量的能量，感应电压比电源电压高出许多倍，从而形成弧光放电，对周围环境中的爆炸性混合物引燃能力很强。国内外专家学者对电感性电路做了大量的研究与理论分析得到相关数学模型。
（1）放电电流线性衰减模型
从能量释放的过程来看，认为放电电流是按照线性规律衰减。当电感电路断开时，假设放电电流经过计算放电时间为 从稳态工作电流 按线性衰减规律降到零，所以称为线性衰减模型（见图1）。电感电路实际放电时间与稳态工作电流和电路中电感量有关。
图1 简单电感电路及放电电流线性衰减模型
数学函数式为：
⑴
放电能量函数为：
⑵
放电能量函数为：
⑶
上述公式中各个符号代表的含义分别为：
i(t)－放电电流 (A)；
L－电感量 (H)；
I－稳态工作电流 (A)；
t－实际放电时间 (s)；
T－计算放电时间 (s)；
u(t)－放电电压 （V）；
E－电源电压 （V）；
R－限流电阻（Ω）；
W—电路释放的能量（J）。
从上述函数关系式可以看出：电路释放的能量分为两部分，一部分为电路中电感储存的能量，另一部分为电源提供的能量。
另一种假设为：电路中的电流经过计算放电时间 从稳态工作电流 衰减到某一个值
（有些资料称为：截弧电流），从而建立了放电电流衰减双直线模型（见图2）。
放电电流为：
⑷
放电电压为：
⑸
放电能量为：
⑹
式中各符号的含义同上。放电电流双直线模型表明：电路的放电能量同样是由两部分构成。其中
为电路中电感释放的能量；
为电源提供的能量［7］。利用放电电流线性衰减模型分析电路释放的能量，分析过程简单，但是与具体的电流、电压变化曲线不一致，存在一定的误差。
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假设放电电流经过计算放电时间为 从稳态工作电流 下降到截弧电流 ，则电流变化曲线为不完全抛物线模型［9, 23, 32—35］。
放电电流为：
⑺
放电能量为：
⑻
假设放电电流经过计算放电时间为T 从稳态工作电流I下降零I 1，则电流变化曲线为完全抛物线模型。
放电电流为：
⑼
放电能量为：
⑽
抛物线模型使得用于理论分析的电流变化趋势更加接近实际电流的变化衰减过程。
（3）放电电流幂函数模型
放电电流线性衰减和抛物线模型都可以写成幂函数的形式，也就是可以描述成放电电流幂函数模型［7, 36, 38］。
放电电流衰减到截弧电流 ：
放电电流为：
放电能量为：
⑾
放电电流衰减到零：
放电电流为：
⑿
放电能量为：
⒀
（4）静态伏安特性模型
由于本质安全电路属于低电压、小电流、放电电弧短的情形［7, 35, 39, 40］，所以电路伏安特性方程为：
⒁
（5）动态伏安特性模型
为了更加准确描述放电电流、电压的动态过程，对电感电路进行实际测试并绘制伏安特性曲线得出动态伏安特性模型［7］。伏安特性方程如下：
⒂
上式中 Vg－电弧电压（V）；
Vmax－电弧电压最大值（V）；
&nb
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ig －电弧电流（A）；
I －电路稳态工作电流（A）；
由动态伏安特性模型可以得出：起弧的瞬间电压即为最小建弧电压，流过的电流为电路稳态工作电流。当电弧电流衰减到零时，电弧电压达到最大值。
4.2 电阻性电路电弧放电数学模型
当电感性电路中的电感 为零时即转换为电阻性电路，其放电形式与电感性电路的放电形式类似，放电能量减小，引燃能量降低［7］。电阻性电路的放电能量公式为：
⒃
其中系数
电阻性电路形成放电电弧的条件为：电源电压大于最小建弧电压。在参考文献［7］中提到： 的数值应大于1的时，⒃式成立。否则，⒃式不成立。主要是由于电路断开瞬间断点处存在电弧电阻，形成最小建弧电压的缘故。
上述本质安全电路数学模型的建立，是以线性本质安全电源为基础进行的理论研究。随着电子技术和电力电子元器件技术的进步，开关电源技术得到了飞速的发展，出现了开关型本质安全电源技术。
5 开关型本质安全电源技术
所谓开关型本质安全电路技术即是将开关电路理论应用于本质安全电路当中的一种新技术，是安全火花电路理论与开关电源拓扑电路、PWM转换技术、以及软开关技术的有机结合。通过运用开关电路技术，可以使得本质安全电路中的电感、电容等储能器件数值大幅度降低，有效提高本质安全电源电路的输出功率［24, 50, 51］。
目前，应用于本质安全电路中的开关电源技术主要是DC/DC转换技术，其电路拓扑主要有：降压式Buck电路、升压式Boost电路、降压升压式Buck-Boost、升降压电路Boost-Buck、Zeta变换电路、Cuk变换电路和Sepic变换电路。上述DC/DC变换电路的显著特点是：开关器件工作在关断和闭合状态、电路工作频率高、电能转换效率高、输入电压范围宽等。因此，最近几年在本质安全电源电路中得到了应用，以开关调节方式控制电能流动，电路中的功率器件处于开关状态，通过调节功率器件的关断和闭合的时间－即调节开关占空比控制电路的输出电压［52, 53, 54］。除此之外，开关型本质安全电源与线性本质安全电源相比具有体积、重量、转换效率、宽电压输入范围等优势，非常适合应用在煤矿井下空间狭小的环境。
现以电感性电路为例，对开关电路的放电特性进行如下描述：当电路处于断路状态时，在电路断点处的能量主要有三部分组成，一部分能量来自电源，另一部分来自电感器件储存的能量，还有滤波电容器储存的能量。当开关电源电路处于较低的频率工作时，表现出来的特性与线性电源相似，随着电路开关频率的不断增加，电路中输出滤波电感以及滤波电容的取值很小，最终使电路中电感和电容储存的能量非常小，与DC/DC变换电路的供电电源能量相比可以忽略。这时DC/DC变换电路可以近似认为是纯阻性电路，电路中的能量不易点燃周围的爆炸性气体混合物，达到本质安全电路的条件。
DC/DC变换电路的供电能量可以分为两个阶段，第一个阶段是开关器件导通阶段，电源的能量和线性电源一样，施加在电路的故障点处，放电火花释放的能量中包含着部分能量，第二阶段是开关器件处于关断阶段，也就是说电路故障点处放电火花的能量不包括DC/DC变换电路电源的能量，从而是放电火花的能量大幅度降低，进而提高电路的本质安全性能。
对线性本质安全电源电路进行分析研究过程中，引入一个计算放电时间的概念，用来进行辅助计算，而在本质安全电源电路中，当开关频率达到一定的数值后，对电路进行分析和研究不需要借助于计算放电时间，直接运用开关电源频率进行计算即可，因为电路的开关周期已经小于设定的计算放电时间（计算放电时间是根据安全火花试验装置的转动周期和大量的试验得出的）。另外开关电源电路变换技术可以针对不同的工作环境，选用不同的电路拓扑和不同的开关频率，使本质安全电源电路满足用电设备的使用要求。
6 结论
本质安全电路理论经过一百多年的进步和发展，电路的技术理论已经成熟。开关电路技术同样经过几十年的发展，已经广泛应用于各个领域，开关电源技术无论是在理论还是在实际电路中都已经非常成熟。而本质安全电源电路却仍然停留在线性电源的阶段，由于线性电源在煤矿井下应用存在着许多不足之处，尤其是输出功率很难提高，已经不能满足现阶段煤矿企业的发展需求。开关型本质安全电源可以弥补线性本质安全电源的缺点，选择适当的电路拓扑结构和工作频率，能够有效提高本质安全电源的输出功率。因此，对于本质安全电路来讲，即是一种新的应用技术，同时也是本质安全电路未来的发展方向。
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