较大电感或较大电容电路的本安保护设计

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1、1999年第3期电气防爆总第137期设计与制造较大电感或较大电容电路的本安保护设计国家防爆电气产品质量监督检验中心张刚[摘要]本文通过对电感器与电容器贮能原理的分析,提出了本安电路内电感器与电容器的本安保护措施以及电感器与电容器保护电路方面的有关要求,供本安电路设计人员及其他有关人员参考。[关键词]本安电路电感电容贮能保护元件一、问题的提出二、电感器与电容器的贮能众所周知,电火花是点燃爆炸性气体混合物电工学原理告诉我们,当电流流过电感线圈的危险源之一。早期的研究发现,当电路中释放的时,在线圈内部会产生磁场,磁场贮存能量,因而能量小到某一临界

2、值时,电路所产生的电火花便电感器是一种贮存磁场能的元件;而电容器在外不能点燃爆炸性气体混合物。正是基于这种发现,电源作用下,依靠电场力可在其两极板上聚积电才有了最初的本安理论的建立。进一步的研究证荷,因而电容器是一种贮存电场能的元件。虽然说实,电火花的引燃特性取决于电路的电气能量,当电感器和电容器都可以充电或放电,但理想状况电路闭合或切断时,以火花形式释放能量。本安科下它们都不是耗能器件(电感内阻除外),其本质学理论研究的目的,就是要控制电路产生的电火都是贮存能量而不是消耗能量,贮存的能量可以花能量,从而实现电路的安全防爆。以一定方式向外(

3、退还电源或电路的其他部分)释产生电火花的能量除了来自于电源或有源器放,在此过程中当电路闭合或断开时将产生放电件外,还有我们经常遇到的电容或电感等贮能器火花。件。许多时候,我们设计本安电路时,常受到电容量或电感量被过分约束的困扰。一方面电路的基本性能需要设计较大的电感或电容,例如,电磁兼容性要求等;另一方面,本安防爆性能又要求本安电路的电感、电容不能太大(参见GB383614—83标准附录A)。因此,如何保证含有较大电感或较大电容的电路符合本安防爆要求、以及寻求最佳的电路解决方案等,便成了众多本安电路设计者图1电感贮能十分关心的问题。如图1所

4、示的电感线圈L,假定它是线性的,本文从元件贮能与放能的原理出发,提出了设流经它的电流为i(t),则其端电压u(t)为:一些实际工作中常用的电路保护措施,供本安电di(t)u(t)=L(1)路设计人员及其他有关人员参考。dt本文所述的“较大电感”或“较大电容”是指在这时电感L消耗功率p(t)为:确定的电路系统内,考虑了正常工作或规定故障p(t)=u(t)·i(t)(2)情况后,这些将用于本安电路内的电感或电容参在0～t0时刻内电感L贮存的能量WL(t)数超过了GB383614—83标准中对应的最小点燃为:电流或最小点燃电压允许的值。t0WL(

5、t)=∫u(t)õi(t)dt0将式(1)结果带入上式得:·20·©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net1999年第3期电气防爆总第137期12力特强,但是消耗的磁场能也越大。而当电阻较大WL(t)=L·i(t0)(3)2时,分流作用便不明显。更为严重的是当电阻出现稳态时,电感贮满能量,此时设定i(t0)=I,断路故障时,抑制火花措施即告失败。则电感贮存的总能量WL为:2.在电感两端并接两只串接

6、的可靠电容12WL=LI(4)这种方式在早期的本安电路中经常应用。串2同理可得,电容器的充电电流为:接两只电容的目的是为了提高可靠性,当电路出du(t)现断路时,LC回路产生振荡性衰减,电容器的存i(t)=-C(5)dt在抑制了电感产生的反电动势。从而有效地起到电容器贮存的全部能量Wc为:了能量泄放作用。12Wc=CU(6)但是,LC回路易产生谐振,出现在电容器上2式中U——稳态时电容C两端电压的谐振电压甚至远超过供电电压,且电容本身也由式(1)和式(5)可知:施加在电容器两端的是贮能元件,也就是说这种方法没有从根本上解电压不可能发生跃变,

7、只能是连续变化的;流经电决安全问题。感器的电流不能发生跃变,也只能是连续变化的。3.在电感线圈两端并联压敏电阻这个结论是分析电感电路和电容电路的基础。压敏电阻是一种过压、过流保护用的非线性电感电流不能跃变、电容电压不能跃变也是半导体元件,在电压较小时呈高阻状态,在电压较这些元件贮能不能跃变的反映。由式(4)和式(6)高超过其动作电压时,呈现低阻通态,因而可用来可知:对于确定的电感元件,其贮存的能量与流经抑制电感电路所产生的反电动势。这种方法适用电流的多少有关;对于确定的电容元件,其贮存的于电感较大的交、直流电路,对小电感电路效果不能量与其端

8、电压高低有关。明显。电感器或电容器的放能过程分别是其贮能过4.在线圈上通过磁耦合增加短路环程的逆过程。根据上述电感及电容电路的性质可这种方式在主电路断开时,电感线圈上贮存以分析得