本安電路定義

作為通訊、監(jiān)控、檢測、報(bào)警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì) 安全電源主要應(yīng)用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。本質(zhì)安全電源電路必須符合本質(zhì)安全電路標(biāo)準(zhǔn)的要求，本質(zhì)安全電路是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條 件(包括正常工作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障條件)下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路;其特點(diǎn)是:電源電路內(nèi)部和引出線不論是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是安全的，所產(chǎn)生的電火花不會(huì)點(diǎn)燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合物。人們對(duì)本質(zhì)安全電 路理論研究已經(jīng)有一百多年的發(fā)展歷史，目前本質(zhì)安全產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了較為完整的體系。

1886年由普魯士瓦斯委員會(huì)委托亞琛(Aachen)工 業(yè)大學(xué)進(jìn)行了瓦斯爆炸方面的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，并在1898年的后續(xù)試驗(yàn)過程中得出了"任何電火花都能夠引起爆炸"重要結(jié)論。1911和1913年英國威 爾士(Welsh)和圣海德(Senghenydd)煤礦因電鈴信號(hào)線路產(chǎn)生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數(shù)百人死亡的嚴(yán)重后果。為此，當(dāng)時(shí)任英國內(nèi)政 部技術(shù)官員R.V.Wheeler教授開始研究電鈴信號(hào)電火花的引燃特性，并設(shè)計(jì)了火花試驗(yàn)裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項(xiàng)研究工 作，在1916年提出了本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)方法和理論，這一理論的提出標(biāo)志著本質(zhì)安全理論正式創(chuàng)立。

早期的本質(zhì)安全電源是由16個(gè)濕式里單齊 (Leclanche)電池串聯(lián)而成的蓄電池組，輸出電壓為24V，蓄電池之間串聯(lián)了一個(gè)大電阻用來限制短路電流，整體結(jié)構(gòu)上將電阻和蓄電池組封裝在一 起。由于用蓄電池作為信號(hào)電源非常不方便，容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護(hù)。所以人們開始試驗(yàn)采用交流電作為電源，具體辦法是利用一個(gè)信號(hào)變壓器將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn) 換較低的電壓大約為15V，輸出電流為1.6A (需串聯(lián)非感性電阻)。將電源整體放入一個(gè)防爆殼內(nèi)，從而提高其安全性能，滿足安全生產(chǎn)的要求。

在沒有制定本質(zhì)安全電路標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)期，本質(zhì)安全電氣設(shè)備的設(shè) 計(jì)結(jié)果是否被接受，主要取決于鑒定機(jī)構(gòu)的辨別力，這是由當(dāng)時(shí)煤礦立法給予鑒定機(jī)構(gòu)的權(quán)力。在英國，大部分提交本質(zhì)安全電氣設(shè)備的檢驗(yàn)必須由"部長批準(zhǔn)"; 隨著本質(zhì)安全設(shè)備的增加及其在采礦上的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了需要"部長批準(zhǔn)"的范圍，社會(huì)各界都希望建立正式的本質(zhì)安全鑒定程序。

1901年英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)正式建立，1905年提出礦用設(shè)備使用安裝 規(guī)程，1911年制定了煤礦法提出煤礦用電氣設(shè)備安裝與使用通用規(guī)程，并于1926年首次發(fā)表了英國標(biāo)準(zhǔn)229號(hào)，規(guī)定了隔爆外殼的要求，使本質(zhì)安全電氣 設(shè)備的檢驗(yàn)必須由"部長批準(zhǔn)"的形式于1928年宣告結(jié)束。1929年英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)與皇家憲章(Royal Charter)合并為國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，1933年聯(lián)邦德國制定了本質(zhì)安全防爆國家標(biāo)準(zhǔn)VDE171。1945年英國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)頒布了本質(zhì)安全方面國家標(biāo)準(zhǔn)"本質(zhì)安全器件與電路" 標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)BS1259:1945。1949年發(fā)布了關(guān)于"本質(zhì)安全信號(hào)變壓器(主要用于煤礦)"的標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)為BS1538:1949。1958年對(duì)標(biāo)準(zhǔn) BS1259進(jìn)行了修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為BS1259:1958。

隨著電子器件的更新和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，本質(zhì)安全電 氣設(shè)備的種類和形式發(fā)生了巨大的變化，英國國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)于1945年再一次修訂BS1259:1958。1967年在IEC31G委員會(huì)布拉格會(huì)議期間， 經(jīng)過對(duì)火花放電提交的不同試驗(yàn)結(jié)論比較，決定采用聯(lián)邦德國西門子公司一組工作人員設(shè)計(jì)的火花試驗(yàn)裝置所作的試驗(yàn)結(jié)果，并將該試驗(yàn)裝置推選為國際標(biāo)準(zhǔn)火花試 驗(yàn)裝置。1978年國際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括"本質(zhì)安全和附屬設(shè)備的構(gòu)造和試驗(yàn)"標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào):IEC刊物79 -11。在此期間，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織CENELEC也制定了一系列關(guān)于"可燃性環(huán)境中電氣設(shè)備的構(gòu)造與試驗(yàn)"歐洲標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為: EN50020。歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)于1981年制定有關(guān)本質(zhì)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測試的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)為:EN50039，與之相當(dāng)?shù)挠鴺?biāo)準(zhǔn)為: BS5501:1982。美國在本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)方面，先后制定了本質(zhì)安全國家電氣規(guī)程(NEC504-2條)，1995年保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL913)和美國儀表學(xué)會(huì) (ISA)，出版了用于檢驗(yàn)和安裝本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)(ANSI/ISA-PR12.6-1995);在本質(zhì)安全電器產(chǎn)品檢驗(yàn)方面，世界各國都有 專門授權(quán)的防爆檢驗(yàn)部門從事本質(zhì)安全電路和電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的檢驗(yàn)，例如英國的礦業(yè)安全研究院(SMRE)、德國的PTB、前蘇聯(lián)的馬可尼安全研究 院、全速防爆電器設(shè)備研究所。美國沒有官方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，UL(Underwriters Laboratories Inc)和FM(Factory Mutual Research Corp)均是私人企業(yè)組織。

在本質(zhì)安全理論創(chuàng)建后的幾十年里，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開始研究分析本質(zhì)安全電路 及其理論。初期的研究主要集中在安全火花電路和火花試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方面，英國的R.V.Weeler教授在1915年發(fā)表了"關(guān)于蓄電池電鈴信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)信號(hào) 線上火花試驗(yàn)點(diǎn)燃沼氣-空氣混合氣體危險(xiǎn)的報(bào)告"。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次發(fā)表報(bào)告"關(guān)于裸導(dǎo)線設(shè)備 信號(hào)線上火花試驗(yàn)點(diǎn)燃可燃性混合氣體危險(xiǎn)的報(bào)告"。1928年C.B.Platt和R.A.Bailey博士發(fā)表鑒定礦用信號(hào)電鈴安全性能調(diào)研報(bào) 告。J.R.Hall在總結(jié)已經(jīng)獲得的相關(guān)理論基礎(chǔ)上于1985年出版了專著"Intrinsic Safety"書中對(duì)本質(zhì)安全電路基本原理、安全火花

電路基本概念以及火花試驗(yàn)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。此外，英國礦業(yè)安全研究院(SMRE)也對(duì)安全火花電路理論進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

在此期間，前蘇聯(lián)在本質(zhì)安全理論以及火花試驗(yàn)裝置研究方面也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。其 中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達(dá)爾通過試驗(yàn)對(duì)電氣放電和摩擦火花的防爆性進(jìn)行了全面的研究; A.A.卡伊馬科夫針對(duì)煤礦井下爆炸性混合物的形成、點(diǎn)燃源的種類、爆炸性混合物的一般概念以及弧光放電和脈沖放電條件下法蘭式防爆殼防爆機(jī)理進(jìn)行了大量 的試驗(yàn)研究;B.C.格拉夫欽克等人合編的專著"安全火花電路"系統(tǒng)分析了煤礦、石油、化工等行業(yè)各種可燃性混合物中電路安全火花性能的物理基礎(chǔ)，并列舉了有 關(guān)評(píng)價(jià)安全火花電路性能的計(jì)算方法、測量方法以及提高電路允許輸出功率的研究成果，提出了安全火花電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的基本原則。參與本質(zhì)安全 理論與試驗(yàn)研究的國家專門機(jī)構(gòu)還有馬可尼安全研究所和全蘇防爆電器設(shè)備研究所。

對(duì)本質(zhì)安全電路理論以及試驗(yàn)裝置進(jìn)行研究的還有德國、美國、日本等國家。德國工程 物理研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt簡稱PTB)是從事本質(zhì)安全電路理論和試驗(yàn)研究的國家機(jī)構(gòu)，直到2004年該機(jī)構(gòu)還發(fā)表了一篇本質(zhì)安全電路方面的文章。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先后在相關(guān)國際會(huì)議或?qū)I(yè)雜志上發(fā)表本質(zhì)安全電路方面的論文。分別運(yùn)用不同的試驗(yàn)方法或測試手段從各個(gè)角度對(duì)本質(zhì)安全電路進(jìn)行研 究。日本在本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)及理論研究相對(duì)比較保守，在電路參數(shù)設(shè)計(jì)上使用較高的安全系數(shù)，以此來提高本質(zhì)安全電路的安全性能。

我國開始從事本質(zhì)安全電路理論研究的時(shí)間要追溯到上個(gè)世紀(jì)五十年代，雖然我國起步 比較晚，但是從目前國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r來看，無論在理論研究方面，還是本質(zhì)安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面發(fā)展的速度都很快。進(jìn)入六十年代我國自行設(shè)計(jì)的礦用本質(zhì)安全設(shè)備開 始投入使用。七十年代初我國設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全產(chǎn)品開始在石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用。特別是最近幾年國內(nèi)在本質(zhì)安全理論研究方面進(jìn)步很快，已經(jīng)接近國際水 平。對(duì)電阻性電路的放電特性從理論上分析研究;在此基礎(chǔ)上，通過大量的具體試驗(yàn)對(duì)電感電 路先后進(jìn)行了全面的研究和分析;此后，一些專家和學(xué)者又對(duì)電容性電路以及復(fù)雜電路的放電特性與引燃特性做了深入的研究和理論分析 ，并且分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在本質(zhì)安全產(chǎn)品方面國內(nèi)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品與一些國家的同類產(chǎn)品相比，還存在著一定的差距。國內(nèi)生產(chǎn)的隔爆兼 本質(zhì)安全電源產(chǎn) 品及相關(guān)產(chǎn)品較多.

本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理是:通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆。

本質(zhì)安全型電氣設(shè)備根據(jù)其安全程度不同分為ia和ib兩個(gè)等級(jí)。ia等級(jí)是指電路在正常工作、一個(gè)或兩個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，都不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。ib等級(jí)是指電路在正常工作或一個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。

電路放電火花的基本形式為:火花放電、弧光放電、輝光放電和由三種放電形式組成的 混合放電?；鸹ǚ烹娛窃诮油ê蛿嚅_電容電路時(shí)，擊穿放電間隙中的氣體而產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是低電壓大電流放電?；」夥烹娛怯赡撤N形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn) 生的，如高壓擊穿時(shí)產(chǎn)生的放電形式，特點(diǎn)是:可以產(chǎn)生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力強(qiáng)，電感性電路放電形式屬弧光放電。輝光放電是在高電壓小電流的條件下產(chǎn)生的放電形式，其特點(diǎn)是:放電能量不集中、能量散失大、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力差。由于弧光放電是最危險(xiǎn)的放電形式，因此電感性電路是研究本質(zhì)安全電路的重要內(nèi)容。

模型的建立，是以線性本質(zhì)安全電源為基礎(chǔ)進(jìn)行的理論研究。隨著電子技術(shù)和電力電子元器件技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。出現(xiàn)了開關(guān)型本質(zhì)安全電源技術(shù)。

本質(zhì)安全電路理論經(jīng)過一百多年的進(jìn)步和發(fā)展，電路的技術(shù)理論已經(jīng)成熟。開關(guān)電路技 術(shù)同樣經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，開關(guān)電源技術(shù)無論是在理論還是在實(shí)際電路中都已經(jīng)非常成熟。而本質(zhì)安全電源電路卻仍然停留在線性電源的 階段，由于線性電源在煤礦井下應(yīng)用存在著許多不足之處，尤其是輸出功率很難提高，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段煤礦企業(yè)的發(fā)展需求。開關(guān)型本質(zhì)安全電源可以彌補(bǔ)線性 本質(zhì)安全電源的缺點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作頻率，能夠有效提高本質(zhì)安全電源的輸出功率。因此，對(duì)于本質(zhì)安全電路來講，即是一種新的應(yīng)用技術(shù)，同時(shí) 也是本質(zhì)安全電路未來的發(fā)展方向。