混合型本安电路短路瞬态能量分析.pdf
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1、混合型本安电路短路瞬态能量分析聂鸿霖1,2,许春雨1,2,宋建成1,2,田慕琴1,2,宋单阳1,2,杨永锴1,2,张晓海1,2(1.太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室,山西太原030024;2.太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室,山西太原030024)摘要:目前针对本安电路本安特性的研究大多以 IEC 火花实验装置为实验平台,仅对单一电容电路或电感电路的放电特性进行分析,存在适用性差、实验条件要求高等问题,缺少对混合型本安电路本安特性的研究。针对该问题,在 GB/T3836.42010爆炸性环境第 4 部分:由本质安全型“i”保护的设备的基础上,以截流型保护方式
2、下的混合型电路为实验对象进行短路瞬态能量实验,通过分析短路瞬态能量释放过程,建立了短路瞬态能量数学模型,分析了等效数学模型中电容、电感、电源电压和保护时间对短路瞬态能量的影响。Matlab 仿真结果表明:随着电容和电感的增大,短路瞬态能量会逐渐增大,最后趋于一个稳定值;增大电源电压会显著增加短路瞬态能量;缩短动作保护时间可有效降低瞬态能量,但只有当保护时间小于临界时间时其作用才明显。基于短路瞬态能量数学模型开发了本安电源,进行了短路实验。实验结果表明:短路电流和电压波形与理论分析基本吻合,短路瞬态能量为 33.22J,符合本安要求,可为本安电源的设计提供参考。关键词:混合型电路;本安电路;截流
3、型短路保护;短路瞬态能量;保护动作时间;本安电源中图分类号:TD60文献标志码:AShortcircuittransientpoweranalysisofhybridintrinsicallysafecircuitNIEHonglin1,2,XUChunyu1,2,SONGJiancheng1,2,TIANMuqin1,2,SONGDanyang1,2,YANGYongkai1,2,ZHANGXiaohai1,2(1.National&PronvincialJointEngineeringLaboratoryofMiningIntelligentElectricalApparatusTechn
4、ology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiKeyLaboratoryofMiningElectricalEquipmentandIntelligentControl,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)Abstract:Currently,researchontheintrinsicallysafefeaturesofintrinsicallysafecircuitsmostlyreliesontheIECsparkexperimentaldev
5、iceastheexperimentalplatform.Theresearchonlyanalyzesthedischargefeaturesofasinglecapacitororinductancecircuit.Thereareproblemssuchaspoorapplicabilityandhighrequirementsforexperimentalconditions.Thereisalackofresearchontheintrinsicallysafefeaturesofhybridintrinsicallysafecircuits.To solve this proble
6、m,based on GB/T 3836.4-2010 Explosive Atmospheres -Part 4:EquipmentProtected by Intrinsic safety Typei,ashortcircuittransientenergyexperimentiscarriedoutwiththehybridcircuitunderthecutofftypeprotectionmodeastheexperimentalobject.Byanalyzingthereleaseprocessofshortcircuittransientenergy,amathematical
7、modelofshortcircuittransientenergyisestablished.Thepaperanalyzestheeffectsofcapacitance,inductance,powersupplyvoltage,andprotectiontimeonshortcircuittransientenergyintheequivalentmathematicalmodel.TheMatlabsimulationresultsshowthatasthecapacitanceandinductanceincrease,thetransientenergyoftheshortcir
8、cuitwillgraduallyincreaseandeventuallyapproachastablevalue.Increasingthepowersupplyvoltagewillsignificantlyincreasetheshortcircuittransientenergy.Shorteningtheactionprotectiontimecaneffectivelyreducetransientenergy.Butitseffectisonlysignificantwhentheprotection收稿日期:2023-03-27;修回日期:2023-07-10;责任编辑:胡娴
9、。基金项目:山西省 1331 工程“提质增效建设计划”项目(晋教科 2021 4 号)。作者简介:聂鸿霖(1998),男,河南济源人,硕士研究生,研究方向为矿用智能电器,E-mail:。引用格式:聂鸿霖,许春雨,宋建成,等.混合型本安电路短路瞬态能量分析J.工矿自动化,2023,49(7):120-125.NIEHonglin,XUChunyu,SONGJiancheng,etal.ShortcircuittransientpoweranalysisofhybridintrinsicallysafecircuitJ.JournalofMineAutomation,2023,49(7):120-
10、125.第49卷第7期工矿自动化Vol.49No.72023年7月JournalofMineAutomationJul.2023文章编号:1671251X(2023)07012006DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2023030085timeislessthanthecriticaltime.Anintrinsicallysafepowersupplyisdevelopedbasedonamathematicalmodelofshortcircuittransientenergy.Theshortcircuitexperimentsareconducted.Thee
11、xperimentalresultsshowthatthewaveformofshortcircuitcurrentandvoltageisbasicallyconsistentwiththeoreticalanalysis.Thetransientenergyofshortcircuitis33.22J,whichmeetsintrinsicsafetyrequirementsandcanprovideareferenceforthedesignofintrinsicallysafepowersupplies.Key words:hybridcircuit;intrinsicallysafe
12、circuit;cutofftypeshortcircuitprotection;shortcircuittransientenergy;protectionactiontime;intrinsicallysafepowersupply 0引言本安电路广泛应用于煤矿井下等爆炸性危险环境中1,其本质是通过减小电路的短路火花能量来实现防爆2。直流电源等电子设备中常常设计一些大容量电容和电感,以保证输出电压平稳,这种设计增大了电路中的存储能量3。当电路发生故障时,如果电路的放电火花能量超标,会引起煤尘或瓦斯爆炸,造成重大生产事故,严重威胁人员生命安全4。因此,通过研究本安电路的放电特性,合理设计电感
13、、电容等电路参数,减小电路存储能量,降低电路故障时的火花放电能量,是本安电路研究的重要内容,对于保障煤矿安全具有重要意义。目前本安电路设计大部分是基于 IEC 火花实验装置进行的5,通过火花点燃实验,以电路放电是否可以引燃爆炸性气体为依据来判断电路是否达到本安要求6。刘树林等7将容性本安电路的火花放电过程分为介质击穿、火花产生、火花持续和火花熄灭 4 个阶段,详细阐述了火花放电的微观过程。刘建华8基于 IEC 火花实验,提出了简单电感电路的电流指数模型和简单电容电路的电压指数模型。于月森等9基于 IEC 火花实验,建立了截止型保护方式的容性电路火花放电模型,分析了不同因素对本安性能的影响。赵永
14、秀等10通过爆炸性试验对电感电路分断放电特性进行研究,提出了电弧放电阶段的电阻指数模型,得出了电感电路分断电弧放电电压和电流数学模型。上述研究推动了本安电路的发展,但都是针对单一容性电路或感性电路,缺少对混合型电路的全面分析,且通过 IEC 火花实验装置进行实验存在实验结果重复性差、可靠性低、要求高的缺点11。为解决上述问题,本文设计了短路瞬态能量实验,在此基础上对混合型本安电路的短路瞬态过程进行分析,建立短路瞬态能量数学模型,结合数学模型和仿真工具分析不同因素对瞬态能量的影响,并进行了实验验证。1本安电路短路瞬态过程分析截流型保护方式下,混合型本安电路的瞬态能R1R2S1RLS2i1i2ic
15、ucu0量实验等效原理如图 1 所示。E 为电源电压,为充电侧电阻,为放电侧回路等效电阻,C 为电容,L 为电感,为保护开关,为负载电阻,为短路开关。为电源输出的主电路电流,为输出电流,为电容电流,为电容电压,为输出电压。截止式保护电路S1R1R2S2ECLRLi1ici2+u0uc图1瞬态能量实验等效原理Fig.1ExperimentalequivalentprinciplediagramoftransientenergyS2S1短路瞬态能量实验依据 GB/T3836.42010爆炸性环境第 4 部分:由本质安全型“i”保护的设备规定设计。实验时,闭合短路开关,模拟发生短路故障,电流迅速升高
16、,超过了保护电路的保护阈值,经过延迟时间,保护电路开关关断,短路保护动作完成。使用数字示波器测量短路瞬态过程中的输出电流和电压波形(图 2),计算短路瞬态过程中向负载端传递的瞬态能量,若瞬态能量不高于 260J,可认为满足本安要求12。t10Iu0,i2IIIIIi2u0t2输出t3t图2短路瞬态过程输出电流与电压波形Fig.2Currentandvoltagewaveformsofshortcircuittransientenergyprocess短路瞬态过程可分为 3 个阶段:t11)短路故障前的稳定阶段(0)。在该阶段,电路处于正常工作状态下。t1t22)瞬态能量释放阶段()。在该阶段,
17、本安2023年第7期聂鸿霖等:混合型本安电路短路瞬态能量分析121保护电路未动作,电容主导了能量的释放,短路电流迅速上升,电感中开始储存能量。电容能量释放完后,电感储存的能量达到最大值,电感开始释放能量,电路电流开始减小。t2t33)电路关断阶段()。本安保护电路开始工作,保护开关在很短的时间内迅速关断,短路电流立即下降至 0。由上述分析可知:第阶段电路状态稳定,没有释放能量;第阶段保护电路未动作,短路电流迅速上升,是短路瞬态能量的集中释放阶段;第阶段保护电路动作,电路被关断,短路电流迅速下降至 0,能量释放小。本文主要研究第阶段的瞬态能量释放。2短路瞬态能量数学模型根据图 1 可得电路方程:
18、i1=ic+i2E=i1R1+ucic=Cducdtuc=R2i2+Ldi2dt+u0(1)uc由式(1)可得关于的二阶非齐次微分方程:d2ucdt2+R1R2C+LR1LCducdt+R1+R2R1LCuc=u0+ER2R1LC(2)式(2)可等效为d2ucdt2+A1ducdt+A2uc=A3(3)A1=R1R2C+LR1LC(4)A2=R1+R2R1LC(5)A3=u0+ER2R1LC(6)式(3)对应的齐次微分方程的特征方程为r2+A1r+A2=0(7)式中 r 为特征变量。特征方程的 2 个根为r1=A1+A214A22(8)r2=A1A214A22(9)=A124A200根据特征根
19、的种类可得电路的 2 种状态。令特征 方 程 的 特 征 根 判 别 式 为,当时,有 2 个实数特征根,电路处于非振荡状态;当时,有 2 个复数域根,电路处于振荡状态13。电路的短路状态过渡过程就是能量的转换过程,能量的释放受电路初始状态的电压和电流、电路结构及电路元件参数的影响。电路处于非振荡状态时,电容和电感等储能元件的能量消耗在电阻上14。在实际应用中,电路发生短路故障时大多处于非振荡状态15,因此本文仅讨论电路处于非振荡状态下的情况。E(1+R2)R1+R2式(3)的一个特解为,因此,当电路满足非振荡条件时,式(3)的齐次微分方程的通解为uc=B1exp(r1t)+B2exp(r2t
20、)+E(1+R2)R1+R2(10)式中B1B2,为常数。由于发生短路时电容电压和电感电流都无法突变16,根据电路状态方程可得初值条件为ic=0uc=Ei1R1(11)B1B2将初值条件代入式(10)和式(1)中可解得常数和:B1=r2r1r2E(R11)R1+R2(12)B2=r1r1r2E(R11)R1+R2(13)i2u0由式(1)可得输出电流 和输出电压:i2=EucR1Cducdt(14)u0=ucR2i2Ldi2dt(15)设短路保护动作时间为 tg,tg=t2t1,则短路瞬态能量为W=u0wtg0i2dt=u0(ER1tg1R1r1r2(B1exp(r1tg)+B2exp(r2t
21、g)B1r2B2r1)E(1+R2)R1(R1+R2)tgC(B1exp(r1tg)+B2exp(r2tg)B1B2)(16)3电路瞬态能量影响因素分析为了正确分析电路参数对瞬态能量的影响,需要在保证电路处于非振荡状态的基础上设置充电电阻、回路电阻、电源电压、电容和电感参数,同时使用 Matlab 软件进行计算分析17。3.1电容的影响R1R2设置电源电压为 12V,电感 L 为 1H,充电电阻为5,放电回路的等效电阻为 0.2,负载电流为 2A,保护阈值为 2.2A,保护电路动作时间为5s,在 Matlab 中进行仿真,分析不同电容下瞬态能量 W 的变化,结果如图 3 所示。122工矿自动化
22、第49卷2004006008001 000050100150W/JC/F图3不同电容下瞬态能量的变化Fig.3Transientenergychangesunderdifferentcapacitancevalues由图 3 可看出,随着电容的增大,短路瞬态能量随之增大,短路瞬态能量越来越接近于一个稳定值 Wst:Wst=E2R1tgE2(1+R2)R1(R1+R2)tg(17)由 式(17)可 得 短 路 瞬 态 能 量 的 稳 定 值 为110.77J,该值与电源电压和保护动作时间成正比,与放电回路电阻成反比,与电源端的充电电阻成反比。3.2电感的影响设置电容 C 为 120F,改变电感大
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