摘 要：近年來，伴隨著煤礦生產設備在井下的廣泛使用，在電源線路出現(xiàn)線路老化或者使用不當?shù)那闆r下，產生短路、漏電或者電火花等事故的機率明顯增加，對煤礦生產以及工人的生命安全造成極大隱患。因此，必須高度重視煤礦井下安全開關電源設計工作，采取有效措施，確保電路安全運行和煤礦的安全生產。

關鍵詞：煤礦；安全開關；電源；設計

煤炭在我國的能源結構中占有重要地位，我國的煤炭產量占世界煤炭總產量的35%以上。但是，在煤炭的生產過程中，由于各種因素的影響，礦井下會產生大量的易燃易爆氣體以及粉塵等，極易引發(fā)爆炸以及火災等事故，對煤礦生產以及工人的生命財產安全造成嚴重影響。近年來，隨著科學技術的快速發(fā)展，很多檢測儀器、通訊設備、監(jiān)控系統(tǒng)以及報警裝置等被廣泛運用到煤礦井下生產過程中。這些用電設備在煤礦生產中，由于各種因素的影響，可能會產生短路、漏電以及電火花等事故，煤炭井下用電安全問題已經引起社會的高度關注。

1 煤礦井下安全開關電源電路放電特性分析

在當前我國的能源結構中，煤礦仍然是支撐我國經濟社會發(fā)展的重要組成部分。在煤礦井下生產過程中，由于各種因素的影響，難免會發(fā)生爆炸等危險，造成嚴重的人員傷亡以及財產損失等。因此，在煤礦井下生產中，應當高度重視安全開關電源設計。根據(jù)煤礦井下安全開關電源的要求，應當嚴格控制電路的火花放電能量，包括電路放電的電流、電壓以及放電時間等。同時，煤礦井下安全開關電源還應當具有穩(wěn)壓、限流等功能，并且能夠在特殊情況下采取快速切斷保護措施，確保滿足煤礦安全生產的相關要求。而由于煤礦井下安全開關電源電路中含有很多電容、電感等儲能元器件，這些元器件會對電源電流的輸出產生直接影響。因此，在對煤礦井下安全開關電源進行設計的時候，首先應當熟悉電容、電感放電等過程，掌握其放電的基本原理，在此基礎上，才能設計出符合安全要求的煤礦井下安全開關電源。

1.1 煤礦井下電路產生電火花的規(guī)律

在易燃、易爆的環(huán)境下，電氣設備在運行過程中產生出大量的電火花，在達到爆炸性氣體臨界值的狀態(tài)下，會引燃周圍爆炸性物質，造成嚴重的后果。因此，必須要重視研究煤礦井下電路電火花的規(guī)律，努力從源頭消除其危害。大量研究表明，煤礦井下電路放電主要包括三種類型：電弧放電、輝光放電以及火花放電，或者這三種類型同時出現(xiàn)。一般來說，電弧放電是在電壓以及電流都不高的情況下出現(xiàn)的，由于某種不穩(wěn)定的放電經過轉化產生。在電流很小而且處于低電壓的狀態(tài)下，因為開關器件所具有的特殊性質，電路發(fā)生切換時會產生電弧放電現(xiàn)象。而輝光放電則是在高電壓、小電流的情況下產生的。由于這種情況很特殊，在實際的煤礦井下電路運行中非常少見。由于煤礦井下電源電路在一般情況下帶有電容和電感的，電路在導通以及斷開的過程中，由于擊穿了放電間隙，會發(fā)生電火花放電現(xiàn)象，這就是火花放電產生的主要原因。

1.2 電容性電路放電特性

煤礦井下安全開關電源應當充分滿足電氣設備性能指標的要求，確保電氣設備的安全運行。其中，電容、電感的影響較大。如果取值太大，那么相應的輸出短路釋放出的能量就會顯著增加，而如果取值太小，就會增加開關管中的電流應力，導致輸出紋波電壓變大，嚴重影響到輸出電壓的穩(wěn)定性。所以，在取值過程中，應當充分考慮到電氣設備性能指標的要求，合理的取值是影響煤礦井下安全開關電源設計的關鍵性因素。在一般情況下，煤礦井下安全開關電源的輸出端，會存在較大的輸出電容，當出現(xiàn)輸出短路等問題時，就會對電源安全性能產生較大危害。一般來說，要想在電容性電路放電過程中點燃氣體混合物，就必須要同時滿足能量、功率等要求，如果僅僅滿足單個條件，即使放電時間很長，也無法點燃氣體混合物。在很多時候，人們把電容性電路放電過程分為火花放電、放電維持以及極間放電結束等階段。大量研究成果表明，在電容性電路整個放電過程中，第一階段的能量變化最大，因而也是最有威脅性的。隨著放電間隙的擊穿，放電電流以及瞬時功率幾乎在同一時達到最大值?？梢姡捎陔娙菪噪娐返姆烹娋哂须妷鹤兓?、電流變化顯著以及放電能量集中等特征，因此，放電引爆混合性氣體的破壞后果非常嚴重。

1.3 電感在電容火花放電中的影響

由于煤礦井下安全電源線路回路中同時存在電容、電感這兩種儲能元器件，而電感的存在會對煤礦井下安全開關電源的設計產生出一定的影響。因此，要高度重視電感及其在電容火花放電中的影響進行研究。研究表明，煤礦井下安全電源電路中的初始電壓以及所選取的電感數(shù)值的不同，都會對電容火花放電過程中電流的變動情況產生出明顯的影響。而由于電阻的存在，會對電容火花放電造成一定的能量損耗，因此，通過串聯(lián)電感能夠在一定程度上減緩電容火花放電的電流增長速率，使其延遲達到電流峰值的時間，從而避免煤礦井下危險環(huán)境中可燃氣體的爆炸。

2 煤礦井下安全開關電源的設計

由于在煤礦井下的易燃易爆的危險環(huán)境下工作，因此，與一般的開關電源相比，安全開關電源具有特殊要求。首先，必須有安全保護電路限制能量。依靠安全保護電路，煤礦井下安全開關電源可以有效限制故障狀態(tài)下火花放電能量，包括限制放電電壓、電流以及放電時間等。在安全開關電源的輸出功率小，對電壓的穩(wěn)定性要求不高的時候，可以通過在電源輸出端進行串聯(lián)限流電阻的方式降低放電能量。如果安全開關電源的輸出功率較大，就應當加入過流、過壓多重保護電路，確保安全開關電源的安全輸出。其次，重視電氣隔離。電氣隔離指的是安全開關電源的輸出端與輸入端要有電氣隔離，防止能量由非本安的輸入端傳遞至輸出端，對輸出端的安全性能產生不利影響。在多路輸出時，一定要進行隔離處理，以限制火花放電的能量，充分滿足電源線路的安全運行要求。再次，確保不間斷供電。在煤礦井下承擔著檢測、監(jiān)控以及報警等職能的電器設備必須能夠在電網斷電之后可以繼續(xù)工作。然而，煤礦井下的供電質量比較差，經常會出現(xiàn)電網斷電的情況，這就要求安全開關電源能夠不間斷供電，以確保礦井下電氣設備的正常工作與運行，提高煤礦生產安全性能。最后，煤礦井下電源電路能夠提供多重化保護。電源的隔離、保護以及可靠性組件的設計要確保安全等級的雙重化或多重化，根據(jù)相關國家標準，煤礦井下電氣設備必須滿足ib等級要求，保護電路要進行多重化設計。

2.1 煤礦井下安全開關電源技術指標及結構設計

根據(jù)煤礦井下安全開關電源的工作需要，其設計技術指標主要包括：額定輸入電壓127VAC，頻率50HZ；額定輸出電壓12V；紋波電壓小于2%Vo；開關頻率200kHZ。煤礦井下安全開關電源將交流電127V轉變成直流電12V。電源結構圖如圖1所示。交流電經過整流、濾波等環(huán)節(jié)，成為紋波較大的直流電。在Buck-Boost變換器的作用下，經雙重過壓、過流保護電路之后，輸出12V直流電。由于安全開關電源主要是在煤礦井下這種危險性的條件下使用，因此，為了安全的需要，必須要有雙重過壓、過流保護電路。煤礦井下安全開關電源結構主要包括輸入濾波電路、整流濾波電路、備用電源、Buck-Boost變換器、多重過壓、過流保護電路等，最終實現(xiàn)安全輸出。其總體結構框圖如圖1所示。

圖1 電源總體結構框架圖

2.2 電路參數(shù)設計及選型分析

電路參數(shù)設計的主要內容包括功率器件的選型、備用電源以及控制芯片的選取等

首先，功率器件的選型包括開關管和二極管的選型。開關管在進行選型時，Buck-Boost變換器的開關管S選型必須符合下列要求：首先，開關管輸出電流的額定值Ivt>ILp=1.1A；其次，開關管漏極與源極之間所承受的最大電壓UDS，max>1.5（Vi，max+Vo）。而Buck-Boost變換器中二極管的選型應當滿足下列條件：峰值電流必須大于變換器的輸出電流（1A）；反向最大耐壓值應大于輸出電壓的最大值1.5 （Vimax+Vo）≈50V。

其次，關于備用電源的選取。對于煤礦井下安全防爆電源來說，備用電源與主電路之間有很多不同的接線方法，備用電源的種類也非常多，比較常見的是鋰電池和鉛蓄電池。在很多煤礦井下安全開關電源設計中，電路選用的是額定電壓為24V，容量2Ah的蓄電池，這種蓄電池在充電完成之后，可達到2小時的工作時長。

最后，在選取控制芯片過程中，通過電壓控制技術實現(xiàn)PWM，這只是通過輸出電壓進行信號反饋，是一個單環(huán)控制。在此基礎上，通過電流控制型PWM，采用電流控制技術來調節(jié)脈寬，在電路結構上增加了電流反饋環(huán)，達到控制開關管峰值電流的目的。如果在運行中出現(xiàn)故障，可以限制瞬時峰值電流。由于采用電壓和電流兩種控制手段，所以，對于電壓調整率、負載調整率以及瞬態(tài)響應等進行了改善與處理，這是一種比較有效的控制器件。

2.3 電容、電感的選取

在煤礦井下安全開關電源的設計過程中，使用到了很多電容和電感，這些電容電感會對電源的安全穩(wěn)定運行起到極為重要的作用。因此，要高度重視電容、電感的選取。電容有很多類型，包括安規(guī)電容、滌綸電容、云母電容以及電解電容等。不同類型的電容會對煤礦井下安全開關電源的性能產生直接影響。例如，使用濾波電容，將會影響到安全開關電源輸出電壓的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。因此，應該根據(jù)容量、特點以及應用場合等的需要選擇不同的電容。在電感的設計中，由于電感是煤礦井下安全開關電源常用的元件，一般用作蓄能元件，或者與電容一起用在濾波電路中。煤礦井下安全開關電源設計，在輸入整流濾波電路和輸出整流電路中，都會使用到電感元件，主要用于平滑電流，避免產生較大電壓。

3 結束語

安全開關電源是煤礦井下生產的關鍵性設備，其安全、高效以及穩(wěn)定等特點，成為煤礦井下供電的重要供電電源。因此，在設計煤礦井下安全開關電源時，應當充分考慮到電路放電特性，研究安全開關電源技術指標，分析電路參數(shù)，合理選擇電容和電感，確保電路安全運行和煤礦的安全生產。

參考文獻

[1]周亞夫，許辰雨.礦用本安電源保護電路的優(yōu)化設計[J].中國煤炭，2015（1）.

[2]林引.礦用高可靠性本安型傳感器電源電路設計與實現(xiàn)[J].煤炭科學技術，2013（6）.

[3]劉亞輝，等.礦用寬電壓自適應防爆本質安全型電源設計[J].工礦自動化，2013（4）.

作者簡介：李超（1978-），男，四川江津人，涼山州益門煤礦機電科，助理工程師，大學本科學歷，研究方向：煤礦機電技術。