本质安全电源电路理论综述

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。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；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；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，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。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。

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。

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。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。  





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。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。