本安電路

作為通訊、監控、檢測、報警以及控制系統的供電設備，本質安全電源主要應用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環境中。本質安全電源電路必須符合本質安全電路標準的要求，本質安全電路是指在標準規定的條件（包括正常工作和標準規定的故障條件）下產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路；其特點是：電源電路內部和引出線不論是在正常工作還是在故障狀態下都是安全的，所產生的電火花不會點燃周圍環境中的爆炸性混合物。人們對本質安全電路理論研究已經有一百多年的發展歷史，目前本質安全產品和標準已經形成了較為完整的體系。

1886年由普魯士瓦斯委員會委託亞琛（Aachen）工業大學進行了瓦斯爆炸方面的基礎性試驗，並在1898年的後續試驗過程中得出了“任何電火花都能夠引起爆炸”重要結論。1911和1913年英國威爾士（Welsh）和聖海德（Senghenydd）煤礦因電鈴信號線路產生放電火花先後發生瓦斯爆炸，造成數百人死亡的嚴重後果。為此，當時任英國內政部技術官員R.V.Wheeler教授開始研究電鈴信號電火花的引燃特性，並設計了火花試驗裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項研究工作，在1916年提出了本質安全電路設計方法和理論，這一理論的提出標誌著本質安全理論正式創立。

早期的本質安全電源是由16個濕式里單齊（Leclanche）電池串聯而成的蓄電池組，輸出電壓為24V，蓄電池之間串聯了一個大電阻用來限制短路電流，整體結構上將電阻和蓄電池組封裝在一起。由於用蓄電池作為信號電源非常不方便，容易出現故障，需要經常維護。所以人們開始試驗採用交流電作為電源，具體辦法是利用一個信號變壓器將電網電壓轉換較低的電壓大約為15V，輸出電流為1.6A(需串聯非感性電阻)。將電源整體放入一個防爆殼內，從而提高其安全性能，滿足安全生產的要求。

在沒有制定本質安全電路標準的時期，本質安全電氣設備的設計結果是否被接受，主要取決於鑒定機構的辨別力，這是由當時煤礦立法給予鑒定機構的權力。在英國，大部分提交本質安全電氣設備的檢驗必須由“部長批准”；隨著本質安全設備的增加及其在採礦上的應用遠遠超出了需要“部長批准”的範圍，社會各界都希望建立正式的本質安全鑒定程序。

1901年英國標準學會正式建立，1905年提出礦用設備使用安裝規程，1911年制定了煤礦法提出煤礦用電氣設備安裝與使用通用規程，並於1926年首次發表了英國標準229號，規定了隔爆外殼的要求，使本質安全電氣設備的檢驗必須由“部長批准”的形式於1928年宣告結束。1929年英國標準協會與皇家憲章（Royal Charter）合併為國家標準機構，1933年聯邦德國制定了本質安全防爆國家標準VDE171。1945年英國國家標準機構頒布了本質安全方面國家標準“本質安全器件與電路”標準代號BS1259:1945。1949年發布了關於“本質安全信號變壓器(主要用於煤礦)”的標準，代號為BS1538:1949。1958年對標準BS1259進行了修訂，修訂后的標準代號為BS1259:1958。

隨著電子器件的更新和科學技術的進步，本質安全電氣設備的種類和形式發生了巨大的變化，英國國家標準機構於1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會布拉格會議期間，經過對火花放電提交的不同試驗結論比較，決定採用聯邦德國西門子公司一組工作人員設計的火花試驗裝置所作的試驗結果，並將該試驗裝置推選為國際標準火花試驗裝置。1978年國際電工委員會（IEC）發布了一系列相關標準，其中包括“本質安全和附屬設備的構造和試驗”標準，標準代號：IEC刊物79-11。在此期間，歐洲標準化組織CENELEC也制定了一系列關於“可燃性環境中電氣設備的構造與試驗”歐洲標準，本質安全型標準代號為：EN50020。歐洲電工標準協調委員會於1981年制定有關本質安全系統結構與測試的歐洲標準，代號為：EN50039，與之相當的英國標準為：BS5501：1982。美國在本質安全電路設計方面，先後制定了本質安全國家電氣規程（NEC504—2條），1995年保險商實驗室（UL913）和美國儀錶學會（ISA），出版了用於檢驗和安裝本質安全設計的標準（ANSI/ISA—PR12.6—1995）；在本質安全電器產品檢驗方面，世界各國都有專門授權的防爆檢驗部門從事本質安全電路和電氣設備及其關聯設備的檢驗，例如英國的礦業安全研究院（SMRE）、德國的PTB、前蘇聯的馬可尼安全研究院、全速防爆電器設備研究所。美國沒有官方檢驗機構，UL（Underwriters Laboratories Inc）和FM（Factory Mutual Research Corp）均是私人企業組織。

在本質安全理論創建后的幾十年裡，許多工業發達國家相繼開始研究分析本質安全電路及其理論。初期的研究主要集中在安全火花電路和火花試驗裝置設計方面，英國的R.V.Weeler教授在1915年發表了“關於蓄電池電鈴信號系統內信號線上火花試驗點燃沼氣－空氣混合氣體危險的報告”。R.V.Weeler和W.M.Thoronton於1925年再次發表報告“關於裸導線設備信號線上火花試驗點燃可燃性混合氣體危險的報告”。1928年C.B.Platt和R.A.Bailey博士發表鑒定礦用信號電鈴安全性能調研報告。J.R.Hall在總結已經獲得的相關理論基礎上於1985年出版了專著“Intrinsic Safety”書中對本質安全電路基本原理、安全火花

電路基本概念以及火花試驗裝置進行了系統的研究。此外，英國礦業安全研究院（SMRE）也對安全火花電路理論進行了試驗研究。

在此期間，前蘇聯在本質安全理論以及火花試驗裝置研究方面也進行了大量的試驗。其中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達爾通過試驗對電氣放電和摩擦火花的防爆性進行了全面的研究；A.A.卡伊馬科夫針對煤礦井下爆炸性混合物的形成、點燃源的種類、爆炸性混合物的一般概念以及弧光放電和脈衝放電條件下法蘭式防爆殼防爆機理進行了大量的試驗研究；B.C.格拉夫欽克等人合編的專著“安全火花電路”系統分析了煤礦、石油、化工等行業各種可燃性混合物中電路安全火花性能的物理基礎，並列舉了有關評價安全火花電路性能的計算方法、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備的設計和試驗的基本原則。參與本質安全理論與試驗研究的國家專門機構還有馬可尼安全研究所和全蘇防爆電器設備研究所。

對本質安全電路理論以及試驗裝置進行研究的還有德國、美國、日本等國家。德國工程物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt簡稱PTB）是從事本質安全電路理論和試驗研究的國家機構，直到2004年該機構還發表了一篇本質安全電路方面的文章。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J.C.Cawley、W.G.Dill先後在相關國際會議或專業雜誌上發表本質安全電路方面的論文。分別運用不同的試驗方法或測試手段從各個角度對本質安全電路進行研究。日本在本質安全電路設計及理論研究相對比較保守，在電路參數設計上使用較高的安全係數，以此來提高本質安全電路的安全性能。

我國開始從事本質安全電路理論研究的時間要追溯到上個世紀五十年代，雖然我國起步比較晚，但是從目前國內的發展狀況來看，無論在理論研究方面，還是本質安全產品設計方面發展的速度都很快。進入六十年代我國自行設計的礦用本質安全設備開始投入使用。七十年代初我國設計的本質安全產品開始在石油、化工等領域應用。特別是最近幾年國內在本質安全理論研究方面進步很快，已經接近國際水平。對電阻性電路的放電特性從理論上分析研究；在此基礎上，通過大量的具體試驗對電感電路先後進行了全面的研究和分析；此後，一些專家和學者又對電容性電路以及複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，並且分別建立了相應的數學模型。在本質安全產品方面國內生產的相關產品與一些國家的同類產品相比，還存在著一定的差距。國內生產的隔爆兼本質安全電源產品及相關產品較多.

本質安全電氣設備防爆基本原理是：通過限制電氣設備電路的各種參數或採取保護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定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環境的爆炸性混合物，從而實現電氣防爆。

本質安全型電氣設備根據其安全程度不同分為ia和ib兩個等級。ia等級是指電路在正常工作、一個或兩個計數故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。ib等級是指電路在正常工作或一個計數故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。

電路放電火花的基本形式為：火花放電、弧光放電、輝光放電和由三种放電形式組成的混合放電。火花放電是在接通和斷開電容電路時，擊穿放電間隙中的氣體而產生的，其特點是低電壓大電流放電。弧光放電是由某種形式的不穩定放電不斷轉化而產生的，如高壓擊穿時產生的放電形式，特點是：可以產生持續的電弧、電流密度大、放電能量集中、點燃周圍爆炸性混合物的能力強，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生的放電形式，其特點是：放電能量不集中、能量散失大、點燃周圍爆炸性混合物的能力差。由於弧光放電是最危險的放電形式，因此電感性電路是研究本質安全電路的重要內容。

模型的建立，是以線性本質安全電源為基礎進行的理論研究。隨著電子技術和電力電子元器件技術的進步，開關電源技術得到了飛速的發展。出現了開關型本質安全電源技術。

本質安全電路理論經過一百多年的進步和發展，電路的技術理論已經成熟。開關電路技術同樣經過幾十年的發展，已經廣泛應用於各個領域，開關電源技術無論是在理論還是在實際電路中都已經非常成熟。而本質安全電源電路卻仍然停留在線性電源的階段，由於線性電源在煤礦井下應用存在著許多不足之處，尤其是輸出功率很難提高，已經不能滿足現階段煤礦企業的發展需求。開關型本質安全電源可以彌補線性本質安全電源的缺點，選擇適當的電路拓撲結構和工作頻率，能夠有效提高本質安全電源的輸出功率。因此，對於本質安全電路來講，即是一種新的應用技術，同時也是本質安全電路未來的發展方向。