CN104410059A - 一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法，属于防爆电气安全技术领域。本发明中的本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，电阻通过第二线路与电感电连接，电感通过第三线路与电源的反向端电连接，电感的两端反向并联二极管，第一、第二和第三线路的两端分别并联由二极管和PCB放电间隙电路并联构成的灭弧电路。本发明通过在线路两端反向并联二极管和PCB放电间隙电路，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段，放电火花能够自动熄灭，与其并联的二极管反向偏置将电源自动切断，从而显著地提高了电感电路的安全性能。

Description

一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法

技术领域

本发明涉及防爆电气安全技术领域，特别涉及一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法。

背景技术

应用于爆炸性气体环境的本质安全电路，按GB3836.4-2000标准定义为：在本标准规定条件(包括正常工作和规定的故障条件)下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路，其具体表现为：在IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)火花试验装置上进行规定条件的检测试验，电路的任何一处出现短路、开路和接地三种情况下均不能点燃规定浓度的爆炸性气体。

对于典型本质安全电感电路，最危险的放电形式是开路火花放电(也称为电弧放电)，如图1所示。由图1可以看出，开路处的火花放电能量来源于两处：一是电源、二是储能元件电感。目前，为减小电火花能量，提高电路本质安全性能，常采用如下三种技术解决方案：第一种是通常使用的能量限制方法，在电感的两端反并联二极管D，如图2所示；第二种是采用动态电弧火花识别及终止方法，简称DART(Dynamic Arc Recognition and Termination)方法，其原理是通过识别放电火花的电弧电压、电弧电流和电流变化率，快速切断电源，熄灭放电火花；第三种是采用MOS管旁路的方法，发生开路时控制MOS管导通，如图3所示。第一种方法简单，但却忽略了电源作用的一直存在；第二种和第三种方法可大幅提高本质安全性能，但均需要采用电力电子器件和复杂的检测控制电路。考虑到本质安全的实质定义，如果能够控制火花放电能量或者火花放电功率在一定范围内，就不足以点燃规定浓度的爆炸性气体，进而达到本质安全性。因此就提出是否存在一种方法，当火花放电发生后能够分配这种火花放电，使得每处火花放电能量或者火花放电功率均达到本质安全。

发明内容

为了解决现有本质安全电感电路的开路电弧放电灭弧方法控制电路复杂等问题，本发明提供了一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法，所述本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，所述电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，所述电阻通过第二线路与电感电连接，所述电感通过第三线路与电源的反向端电连接，所述电感的两端反向并联二极管，所述第一、第二和第三线路的两端分别并联一灭弧电路；所述灭弧电路由二极管和PCB放电间隙电路并联构成；所述二极管反向并联在对应线路的两端，所述二极管的阳极与对应所述PCB放电间隙电路的输出端电连接，所述二极管的阴极与对应所述PCB放电间隙电路的输入端电连接。

所述PCB放电间隙电路为一组完全镜像的PCB印刷线路板，所述PCB印刷线路板中间包括放电间隙；所述PCB印刷线路板在所述间隙一侧为由锥形、半球形和矩形构成的组合放电电极结构，以形成放电端部。

本发明通过在线路两端反向并联二极管和PCB放电间隙电路，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段，放电火花能够自动熄灭，与其并联的二极管反向偏置将电源自动切断，从而显著地提高了电感电路的安全性能。

附图说明

图1是现有技术本质安全电感电路原理示意图；

图2是现有技术本质安全电感电路电感反向并联二极管的电路原理示意图；

图3是现有技术本质安全电感电路线路正向并联二极管和MOS晶体管的电路原理示意图；

图4是本发明实施例本质安全电感电路线路反向并联二极管和PCB放电间隙电路的电路原理示意图；

图5是本发明实施例本质安全电感电路的第一种灭弧工作原理示意图；

图6是本发明实施例本质安全电感电路的第二种灭弧工作原理示意图；

图7是本发明实施例本质安全电感电路的第三种灭弧工作原理示意图；

图8是本发明实施例PCB放电间隙电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步描述。

本发明实施例是在图2所示的本质安全电感电路能量限制方法的基础上，分别在每条线路的两端反向并联二极管和PCB放电间隙电路，从而避免了弧光放电的产生，达到了自动熄灭开路火花，与其并联的二极管反向偏置将电源自动切断，显著地提高了电感电路的安全性能。

如图4所示，本实施例中的本质安全电感电路由电源E、电阻R和电感L串联构成，其中：A1、A2为电源E的接线端子，A3、A4为电阻R的接线端子，A5、A6为电感L的接线端子。电源E的正向端通过第一线路A2A3与电阻R电连接，电阻R通过第二线路A4A5与电感L电连接，电感L通过第三线路A6A1与电源E的反向端电连接，电感L的两端反向并联二极管D，线路A2A3、线路A4A5和线路A6A1的两端分别并联一灭弧电路。其中，灭弧电路由二极管和PCB放电间隙电路并联构成，具体是：线路A2A3两端反向并联二极管D1和PCB放电间隙电路MH1，线路A4A5两端反向并联二极管D2和PCB放电间隙电路MH2，线路A6A1两端反向并联二极管D3和PCB放电间隙电路MH3；二极管D1的阳极与PCB放电间隙电路MH1的输出端电连接，二极管D1的阴极与PCB放电间隙电路MH1的输入端电连接；二极管D2的阳极与PCB放电间隙电路MH2的输出端电连接，二极管D2的阴极与PCB放电间隙电路MH2的输入端电连接；二极管D3的阳极与PCB放电间隙电路MH3的输出端电连接，二极管D3的阴极与PCB放电间隙电路MH3的输入端电连接。

PCB放电间隙电路为一组完全镜像的PCB印刷线路板，PCB印刷线路板的中间包括放电间隙，PCB印刷线路板在间隙一侧为由形状不同、大小不同及放电间隙距离不同的放电电极并联组合而成，以保证放电击穿的实现。本实施例中，PCB印刷线路板在间隙一侧为由锥形、半球形和矩形构成的组合放电电极结构，以形成放电端部，如图8所示。放电间隙的间距最小距离为PCB印刷线路板可加工的最小距离，并且间距可以根据具体电路进行修正，以达到能满足本质安全的放电要求。PCB放电间隙电路可放电电极的形状是可以变的，每个形状的大小是可以变化的，每个形状间的间隙距离也是可以变的；但考虑到击穿场强与距离的反比关系，每个形状间的间隙距离不宜变化过大，形状的并联是考虑到放电途径的随机性。

当发生开路故障或者在IEC火花试验装置上进行开路火花放电试验时，开路处可以为A2A3、A4A5和A6A1三条线路中的任意一条线路，开路处将产生放电火花G，分别如图5、图6、图7所示。不失一般性，以图5为例，当在线路A6A1上出现开断时，开路处将形成放电火花G，一方面由于二极管D3的反向偏置作用，导致电源E的通路被自动切断，使得放电火花G只能通过PCB放电间隙电路MH3进行放电，但由于二极管D3的存在，使得放电火花的电压为二极管D3的导通电压值，是本质安全的；另一方面电感L的储能会通过自身的反并联二极管D予以减小。由此可见，放电火花的放电功率和电感能量均被维持在本质安全放电范围以内，电路达到了本质安全。

图6、图7分别描述了电路其它位置开路时的情况，其电路工作原理与图5所示的电路工作原理基本相同。

需要特别说明的是：从理论上来说，在线路两端反向并联二极管和PCB放电间隙电路，表面上看这两个元件是被线路短路的，但对于检测环节而言，却被认为是一种保护，因为线路一旦断开，放电火花电流被分流到PCB放电间隙电路，反并联二极管自动切断电源，从而避免产生弧光放电，并且自动熄灭开路火花。

本发明实施例通过在线路两端反向并联二极管和PCB放电间隙电路，使得开路放电火花不能形成最危险的电弧放电阶段；由于PCB放电间隙电路的强分流作用，使开路处的火花电流被减小到几乎为零，反并联二极管能自动切断电源，从而显著地提高了电感电路的安全性能。此外，本发明实施例的电路结构简单，安全保障性能好，提高了本质安全电感电路的功率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法，所述本质安全电感电路由电源、电阻和电感串联构成，所述电源的正向端通过第一线路与电阻电连接，所述电阻通过第二线路与电感电连接，所述电感通过第三线路与电源的反向端电连接，所述电感的两端反向并联二极管，其特征在于，所述第一、第二和第三线路的两端分别并联一灭弧电路；所述灭弧电路由二极管和PCB放电间隙电路并联构成；所述二极管反向并联在对应线路的两端，所述二极管的阳极与对应所述PCB放电间隙电路的输出端电连接，所述二极管的阴极与对应所述PCB放电间隙电路的输入端电连接。

2.如权利要求1所述的本质安全电感电路的放电间隙灭弧方法，其特征在于，所述PCB放电间隙电路为一组完全镜像的PCB印刷线路板，所述PCB印刷线路板中间包括放电间隙；所述PCB印刷线路板在所述间隙一侧为由锥形、半球形和矩形构成的组合放电电极结构，以形成放电端部。