一种新型矿用隔爆兼本质安全型电源的设计*

陈佩佩

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

1 引言

2016年末国家煤矿安监局印发《安全监控系统升级改造技术方案》煤安监函(2016)5号文件，要求大型矿井、煤与瓦斯突出矿井在用的安全监控系统完成升级改造工作。煤矿安全监控系统是防止瓦斯、火、煤尘等重特大事故的有效措施之一，在煤矿安全生产中发挥了重要作用[1]，煤矿井下监控系统所使用的电气设备都要依靠本质安全型电源来供电，本质安全型电源是煤矿监控系统中不可缺少的部分，其质量与可靠性直接影响后级负载设备的稳定性、可靠性与准确性，甚至关系到整个矿井的安全生产[2-3]。本质安全型电源的设计要确保在正常状态和故障状态下的本质安全输出所聚集的能量都不会点燃周围的爆炸性环境[4]，以确保井下工作环境的安全。

本文设计了一种矿用隔爆兼本质安全型电源，提供6路本质安全型电源输出信号，6路本质安全输出电源的电压和电流、蓄电池的工作状态，在液晶显示板上显示的同时可以上传，该电源采用模块化设计，提高了电源的带载能力，增强了抗电磁干扰能力，各项参数符合国家标准“GB3836.4—2010 爆炸性气体环境用电气设备 第 4 部分 :本质安全型 i”中的相关规定，可以应用到易燃、易爆等危险工作环境中。

1 电源工作原理及组成

矿用隔爆兼本质安全型电源主要用于为ib等级本质安全设备供电，采用并联式双重过流过压保护的本质安全保护电路，其电气部件主要由宽范围AC/DC开关电源、控制板、液晶屏、电源板、后备电池组组成，原理如图1所示。

图1 矿用隔爆兼多路本质安全型电源电气原理

宽压电源输入交流电压AC 95 V～AC 850 V， 经保险管进AC/DC开关电源输入端，开关电源能自动适应煤矿安全监控系统所需电压，输出稳定的直流电压，此直流电压一路经电池管理电路连接备用蓄电池，另一路经DC/DC和本质安全保护电路得到稳定的本质安全型电源输出。为满足本质安全性能要求，采用双重过流过压保护，使输出满足本质安全性能要求。当交流电停电时，蓄电池中贮存的电能通过DC/DC和本质安全处理电路放电，保持稳定的电源输出，实现不间断供电功能。液晶显示板可显示本质安全输出电源是否正常、电池状态信息、交直流供电状态信息，并将这些信息通过内部通信传输到控制板上，再通过RS-485通信电路实现这些信息的数据上传，接入到监控系统中，实现对电源信息的实时、不间断监测。

2 控制板功能

控制板直流电源输入后，端口加TVS、共模线圈、Y电容等EMC器件提高抗浪涌、群脉冲能力，经过电容实现电源输入滤波，用非隔离的DC/DC电源转换模块转换成可供MCU及外围电路供电的直流电压，控制板输入端口具有抑制浪涌、群脉冲的能力。控制板可实现AC/DC模块到电源板的电气转接，6路电源板、显示板均取电自控制板，实现电池的充放电管理，模拟量、开关量采集，数据存储，人机交互，RS-485链路控制等功能，其原理如图2所示。

图2 控制板原理

控制板提供标准的RS-485接口与外部设备通信，可显示本机的电源电流、电压、供电状态等信息，无需打开隔爆外壳，只需红外遥控器即可实现本机电源地址的设置。控制板可实现电源板保护模块、电源板DC/DC模块的故障诊断，当电池组充满并到放电结束，电池组完整放电周期的放电时间不足1.5 h时，则报告其容量为不足故障，当电源板的输入电压存在，而无输出电压时，则应报告该本质安全型电源板故障。

3 电源板功能

由控制器板输出的直流电压经电源板上的DC/DC电源模块输出18 V经过第一级、第二级电子器件的过流、过压保护电路，实现ib等级的本质安全输出。为了提高本质安全型电流值，对过流保护值进行分流处理，即最终输出本质安全型电流值由两路并联的保护电流分别承担，电路原理如图3所示。经过火花试验，其任意选择一路正常或者故障状态下的短路、通断试验均未出现点燃现象，最终的18 V输出本质安全参数分别Uo=18.5 V、Io=1 300 mA、Co=4.7 μF、Lo=80 μH，可以满足设计目标要求。该电流保护值在原有基础上增加了400 mA，增加了本质安全型电源的带载能力。

图3 电源板电路原理

电源板为本质安全设备提供本质安全型电源，具有双重过压过流保护功能，当电路发生故障时保护井下设备，当故障解除时，可以自动恢复，进入到正常保护状态，重新保护井下设备安全运行。

4 备用电源优化选型及充放电管理

4.1 备用电源优化选型

由于锂电池中的锂离子活性大，在过充电情况下电池内部膨胀并产生大量氢气，极易发生爆炸，安全性能有待提升。铅酸电池含有铅、硫酸等对人体有害的物质，在使用过程中可释放电解气体，而且其本身工作原理决定了不能在较高温度环境下使用，因此不建议使用。镍氢电池性能稳定、安全环保、能量较高、无记忆效应，故在煤矿井下恶劣的环境下，本电源选用镍氢电池作为后备电池，电池采用硅胶浇封，实现电池部件与其他部件的电气分腔，根据监控系统升级改造要求，电池应满足负载设备不间断供电4 h，本电源设计的镍氢电池可满足不间断供电6 h。

4.2 备用电源的充放电管理

备用电源的充放电管理主要包含充电保护功能、亏电保护功能和维护放电功能。

1) 充电保护功能。实现镍氢电池组充电管理，并具有三重充电保护，当交流电存在时自动对镍氢电池组进行脉冲式充电，当充电过流时自恢复保险丝将断开。当电池组电压出现-△特性(镍氢电池特性，当电池充满时出现电压下降的情况)自动转为浮充；当充电时间超过24 h可自动转入浮充状态，防止电池过充；当电池组出现镍氢电池温度超过50 ℃时自动切断充电回路，防止电池过充。

2) 亏电保护功能。实现镍氢电池组放电管理，防止电池组的过放电。交流断电时电池组自动放电，当电池组电压低于20 V时将切断电池放电回路，控制板只有比较器处于工作状态，防止电池组在亏电状态的过放电。

3) 维护放电功能。实现镍氢电池组在交流电时的放电管理，避免煤矿井下交流电长期存在造成镍氢电池组长达数月的长期浮充，应定期对电池组进行放电操作。

5 抗电磁干扰能力

《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》对煤矿安全监控系统及组成设备抗电磁干扰能力提出了更高的要求，要求设备通过二级电磁辐射抗扰度试验且评价等级为A和三级脉冲群抗扰度试验且评价等级为A[6]。由于电源为本质安全型设备，不具备对外界骚扰的能力，且能在煤矿井下电磁环境中正常工作，需要具备一定的抗干扰能力。根据GB 3836.4—2010要求，电源中本质安全电路对电容、电感容量有限制，与滤除干扰需要大的电容、电感相矛盾，同时本质安全型电路接线端子与外壳需承受500 V交流耐压，绝缘电阻不小于10 MΩ。隔爆兼本质安全型电源在本质安全电路设计时通过Y电容隔离接地，对地释放干扰信号，以增强抗干扰能力。由于本质安全型电源设计了过压、过流保护，产生的能量不足以引爆甲烷，故本质安全型电源在施加浪涌时，本质安全型输出会关断，造成负载设备重启。为了提高电源的抗浪涌干扰等级，采用电源短时自供电技术，采用电池、电容等蓄能原件，采取防爆措施，可有效提高本质安全型电源的抗浪涌干扰能力。

6 结论

本文的隔爆兼本质安全型电源主要采用宽范围交流电压输入，能自动适应煤矿井下的电压，实现其电池的充放电管理，具有专业的电池容量诊断功能，也具有预防式的后备电池提醒功能，便于事先采取措施，预防后备电池放电时间不满足要求的情况发生[5]。

电路中设计了过流、过压保护电路，可提高产品的抗电磁干扰能力和本质安全带载能力，大大提高了产品运行的可靠性。目前该电源已投入井下使用，具有安全程度高、体积小、质量轻、带载能力强、输出稳定等优点， 达到了本质安全型设计的要求，适应于煤矿井下及其它含有爆炸性混合物的环境，具有良好的应用前景。