摘要：本文揭示了四种不同种类的本质安全栅的工作原理，并阐述了各自的优缺点，给设计工作者提供电路选型，同时对防爆电源本安栅的负载瞬态特性进行了分析，找到了设计防爆电源本安栅需重点权衡的关键因素，并提供了进行电路设计、负载瞬态特性测试的几点建议。
关键词：本安栅; 过压保护; 过流保护; 负载响应;
0 引言
矿用隔爆电源的本质安全栅，是一种安全保护电路，可以有效的将电源的输出能量限制在不点燃可燃性混合气体的范围内，因此在煤矿井下及其他含有爆炸性气体环境中得到广泛的应用。
然而随着技术的不断进步，大量的矿用设备也变得越来越复杂、多样，所需要的能量逐步增多，对供电电源提出了更高的要求，因此本文针对目前常用的多种安全栅进行原理分析，对本安栅的输出能量进行动态特性分析，结合GB3836-2010的标准，探究影响矿用防爆电源本质安全栅的稳定性及可靠性的因素。
1、本质安全栅工作原理
针对用于煤矿瓦斯气体环境的Ⅰ类电气设备，GB3836.4-2010的第10章节中明确了火花点燃试验标准及试验方法，同时也规定了急剧短路瞬间允许通过的能量，根据附录E采用的试验方法，输出波形如图1所示，Ⅰ类电气设备短路传输能量不超过260uJ，就应不会引起混合性爆炸气体失爆，即为本质安全电路，是本安栅设计的纲领。
图1 输出波形示意图
I——等于火花试验或者附录A允许的最大电流；
传输能量（焦耳）=V（伏特）*曲线的阴影部分面积（安培•秒）
常见的本质安全栅根据工作原理主要分为：齐纳安全栅、截流型安全栅、隔离型安全栅、集成电路型安全栅四大类，每类之中又因为电路设计的不同分为很多的形式。下面简单进行介绍：
1.1 齐纳安全栅
此种安全栅一般由齐纳稳压二极管、限流电阻组成，基本原理如图2所示，在实际应用中多采用限流电阻并联、齐纳管串联的形式，一方面降低限流电阻的阻值，以便减小安全栅上的压降，另一方面增加保护等级。
图2 齐纳安全栅基本原理图
图中：
R——限流电阻
D——齐纳二极管
F——熔断器
此种安全栅优点：动作迅速，电路简单，输出能量控制严格；缺点：压降大，多余的能量均由限流电阻、齐纳管以热量的形式损耗，因此需要设计散热部件。
1.2截流型安全栅
此种安全栅的衍生电路较多，一般多采用三极管、晶闸管等元器件组成，图3中所示的电路即是一种截流型安全栅，比较器、基准电压组成限压保护电路，当然也可由晶闸管、采样电阻组成限压保护电路，由采样电阻、三极管组成限流保护电路。
图3 截流安全栅基本原理图
图中：
实框内为限压保护电路
虚框内为限流保护电路
此种安全栅的优点：压降小，功耗低，效率高，缺点：元器件较多，电路差异性大，过流保护时三极管处于不断的开关状态，有耗散功率。
1.3隔离型安全栅
此种安全栅一般采用隔离变压器作为核心部件，原理框图如图4所示，此种安全栅转换效率是一大难题，因此一般前端的输出能量的富裕度较大。
图4 隔离型安全栅原理框图
此种安全栅优点：隔离度高，安全性高，无接地要求，抗干扰能力强；缺点：变压器设计复杂，要求严格（参见GB3836.4-2010第8、10、11章的规定），一致性差。
1.4集成电路型安全栅
此种安全栅多采用集成芯片，外部采用N通道的MOS管截止输出电压，采用采样电阻进行限流检测，典型的如热插拔芯片LT4211、浪涌保护芯片LT4356。
此种安全栅优点：设计简单，一致性好，；缺点：负载特性较差，输出能量限制主要依据选型的集成电路。
通过上述分析可知，防爆电源的本安栅有多种实现方式，各有优缺点，但归根结底，设计的原理是将输出的能量限制在一定范围内，确保输出的能量在故障状态下不引起混合气体爆炸，即是不超过GB3836规定的260uJ。
2、本安栅瞬态特性分析
通过上述一系列的分析，我们知道，任何一种本安栅只要设计合理，均可达到限制能量的目的，但什么样的本安栅才是我们真正需要的呢，下面我们从防爆电源的瞬态特性进一步分析本安栅的设计要求。
作为设备的供电电源，带载才是最终目的，任何阶跃变化均会导致输出的稳定性，源电压阶跃变化、环境温度阶跃变化主要作用于电源的AC-DC部分，在此我们不做深入的研究。负载阶跃变化时电源输出的稳定性直接作用于本安栅，非阻性负载上电瞬间，会带来巨大的冲击电流，从而引起本安栅动作或是本安栅无法正常带载启动，负载电流变化时的瞬态响应也侧面反应了本安栅的带载能力，下面我们分别进行阐述。
2.1上电冲击特性
我们先分析一下非阻性负载上电时的冲击。由于负载的入口有一定的容抗，在供电瞬间，容抗可以认为是短路的，这就导致输出电流的急剧上升，本安栅应该允许这种动作，否则将引起系统无法正常上电，如图5所示，这种上电冲击对本安栅是一种“考验”，在阻抗一定的条件下，负载入口处容抗值越小，引起的冲击电流将越大，动作时间越长，本安栅也越容易动作。
图5 负载上电冲击示意图
根据GB3836.4-2010表A.2关于容性负载的规定，按照1.5倍的安全系数，12V防爆电源一般允许的CO不超过35uF。针对上电瞬间产生的冲击我们建议在本安栅的出口增加PTC电阻或是使用感性器件，降低冲击幅度，缩短恢复时间。
2.2 负载瞬态响应
防爆电源在给负载供电时，拔插其他设备或是突然有负载需要较大的电流，这种电流的阶跃变化同样会导致本安栅动作，电源后方的设备均会重新启动，这就是负载电流变化时对应的瞬态响应。为了测试本安栅对这种阶跃的作用，我们建议采用电子负载模拟这种阶跃变化，如图6所示，设计了3级向上阶跃，2级向下阶跃，每个阶跃电流保持100mS，斜率1.2A/uS，组成连续的阶跃波形。
图6 负载电流阶跃变化示意图
另外，在电路设计时为了满足ib的防护等级，我们一般会采用两级本安栅串联的形式，这种电路架构造成两级电路动作时间不一致，从而降低本安栅的带载能力，因此在实际应用中，建议给两级本安栅一起供电，能量限制电路进行串联，从而解决动作时间不一致的问题。
经上述分析，由于本质安全栅能量限制的特性，负载瞬态响应特性要求严格，导致其带载能力方面受到诸多的限制，为了达到能量限制的目的，又要使本安栅有较强的带载能力，设计本安栅需要充分考虑和权衡两者的矛盾。
3、总结
本质安全栅是一种能量限制电路，从响应时间、输出幅值、热量等方面限制能量的输出。防爆电源的本安栅设计重点是权衡能量限制与带载能力两者的矛盾，既不会在上电瞬间本安栅动作，也不会由于负载电流的阶跃变化导致本安栅动作，更不会点燃爆炸性混合气体，这样的本安栅在实际应用中才是最受欢迎的。
参考文献：
[1]GB3836.4-2010, 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备 [S].
[2]SJ-T 11432-2012, 直流稳定电源通用规范 [S].
[3]吴长康.本质安全型安全栅原理简介[J].电工电气, 2009 NO.12.
[4]谢国军，王通生，王树丰，等. 基于LT4356的本质安全型电源保护模块设计[J]. 工矿自动化，2014，40（12）：80-82 .
[5]张燕美，李维坚. 本质安全电路设计[M], 北京：煤炭工业出版社，1992.
作者简介：孟祥涛（1986），河南省濮阳市范县人，安标专员.
论文作者:孟祥涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：负载论文; 安全栅论文; 能量论文; 电路论文; 电源论文; 电流论文; 本质论文; 《电力设备》2018年第33期论文;