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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。

1901年英国标准学会正式建立，1905年提出矿用设备使用安装规程，1911年制定了煤矿法提出煤矿用电气设备安装与使用通用规程，并于1926年首次发表了英国标准229号，规定了隔爆外壳的要求，使本质安全电气设备的检验必须由"部长批准"的形式于1928年宣告结束。1929年英国标准协会与皇家宪章（Royal Charter）合并为国家标准机构，1933年联邦德国制定了本质安全防爆国家标准VDE171［12, 13］。1945年英国国家标准机构颁布了本质安全方面国家标准"本质安全器件与电路" 标准代号BS1259:1945。1949年发布了关于"本质安全信号变压器(主要用于煤矿)"的标准，代号为BS1538:1949。1958年对标准BS1259进行了修订，修订后的标准代号为BS1259:1958。

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、安全火花电路基本概念以及火花试验装置进行了系统的研究。此外，英国矿业安全研究院（SMRE）也对安全火花电路理论进行了试验研究。

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。

2.4 我国本质安全理论、产品及相关标准发展状况

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

本质安全理论创建以来，国内外许多专家学者对本质安全电路进行了大量的试验研究。为了更好地描述本质安全电路的放电特性及其能量释放过程，借助以下相关的数学模型进行理论分析。

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。