图1 常规浪涌防护电路
Fig.1 Conventional surge protection circuit
张子良1,2,3
(1.煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京 100013)
摘要：介绍了常规浪涌防护技术，基于煤矿安全监控系统电磁兼容浪涌防护技术的理论研究和标准试验测试，指出常规浪涌防护技术对煤矿产品存在一定的不适用性，重点就常规浪涌防护设计与煤矿设备绝缘耐压要求及常规系统级浪涌防护设计与煤矿电气设备本质安全要求两大冲突问题进行了研究，并结合实际进行了原理性分析，最后给出了冲突问题解决方案。
关键词：煤矿安全监控系统； 电磁兼容； 本质安全； 浪涌防护； 系统级浪涌防护； 绝缘耐压； 过流保护
随着煤矿井下大型电气设备逐步增多，井下电磁环境日趋复杂，对煤矿电气设备特别是安全监控系统设备的抗电磁干扰性能提出了更高要求。《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》(煤安监函〔2016〕5号)已正式将增强抗电磁干扰能力列入煤矿安全监控系统升级改造技术。
浪涌冲击作为常见的井下电磁干扰形式，可导致煤矿安全监控系统设备重启复位、通信中断等现象，严重时可造成设备损坏，甚至整个系统瘫痪，对煤矿安全生产造成严重影响。本文着重对煤矿安全监控系统的浪涌防护技术进行研究，提出常规浪涌防护技术与文献[1-3]等(以下简称煤矿安规)要求的冲突点，并针对这些冲突点提出相应的解决方案。
常规浪涌防护技术包括浪涌抑制器件、浪涌接地技术、浪涌过流保护技术等[4-9]。
(1) 浪涌抑制器件。当电子设备受到大能量浪涌冲击时，为了避免其损坏，可采用浪涌抑制器件。浪涌抑制器件并联在被保护设备两端，可对浪涌冲击进行有效吸收或能量转移，防止其进入设备内部对电路形成危害。
常见的浪涌抑制器件有TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态抑制二极管)、GDT(Gas Discharge Tubes，气体放电管)、MOV(Metal Oxide Varistor，金属氧化物压敏电阻)等，选择合适的参数，将其设计在被保护设备电源和信号端口处，可有效抑制浪涌冲击。
(2) 浪涌接地技术。浪涌接地技术是防止浪涌共模干扰的重要技术。EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)中接地的主要目的是改变共模电流方向，即改变共模干扰传输路径，避免干扰电流流过敏感电路。
任何信号都会选择最小阻抗路径返回信号源端，因此，浪涌接地技术要保证入地阻抗足够小，并需注意选择接地位置。
(3) 浪涌过流保护技术。浪涌防护措施中除了过压保护，过流防护也不可缺少。在电路中串入保险丝、PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻等限流器件，或者设计基于MOS管的限流保护电路等，都可起到有效的过流保护作用。
民用产品的浪涌防护技术已非常成熟，甚至一些惯用的方法或成型的防浪涌电路可在一般的工业产品设计中直接借鉴。但煤矿井下环境特殊，所有下井设备都必须符合煤矿安规的要求，常规浪涌防护技术往往表现出一定的不适用性。
以煤矿安全监控系统中分站的直流电源端口浪涌防护设计为例，说明常规浪涌防护设计与煤矿安全监控系统绝缘耐压之间的冲突。常规浪涌防护电路如图1所示。电源正负极并联的D11，R，D01，D04等实现了差模浪涌防护，电源正负极与外壳PE(参考接地平面)之间分别并联D03，D02，以实现共模浪涌防护。
图1 常规浪涌防护电路
Fig.1 Conventional surge protection circuit
煤矿安全监控系统中的分站属于煤矿本质安全(以下简称本安)设备，须满足本安设备绝缘耐压试验要求：本安电路与外壳间应能承受交流50 Hz，500 V，历时1 min的工频耐压试验，且无击穿和闪络现象，其漏电流不大于5 mA。试验方法是将正极和负极接在一起为一极，外壳为另一极，在两极间加500 V测试电压，测试其漏电流。在试验过程中如果没有发生绝缘击穿、表面闪络、泄漏电流明显增大或电压突然下降等现象，则认为合格[7-10]。
若常规浪涌防护电路直接用于分站电源端口，在进行绝缘耐压试验时，其共模TVS会因施加的500 V测试电压而瞬间导通，导致试验失败。因此，常规浪涌防护电路不具备煤矿本安设备要求的绝缘耐压性能。从原理上分析，浪涌防护电路的作用是将浪涌能量在产品的端口处泄放或转移，是“主通”的；而绝缘耐压则需要电路与外壳之间有一定的耐压性能，是“主隔”的。浪涌泄放的“主通”与绝缘耐压的“主隔”形成了矛盾。
系统级浪涌抗扰度试验不同于单机设备试验，其关联设备作为辅助设备时的反应往往会影响试验结果。其常规浪涌防护设计是在被试设备端口加入浪涌防护电路的同时，利用储能元件解决因反射引起的短时断电等问题。本文以煤矿安全监控系统系统级浪涌抗扰度试验项目中分站电源端口的浪涌抗扰度试验为研究对象进行分析，其示意如图2所示。分站作为被试设备，隔爆兼本安电源箱作为辅助设备提供直流电源。试验施加的浪涌干扰方式为发生器直接注入，按照文献[11-12]要求进行试验。
图2 煤矿安全监控系统分站电源端口浪涌抗扰度试验
Fig.2 Surge immunity test for power supply port of substation in coal mine safety monitoring system
隔爆兼本安电源箱的设计符合MT/T 1078—2008《矿用本质安全输出直流电源》要求，其本安输出具有过压、过流和短路保护功能。
对分站电源端口进行浪涌抗扰度试验时，发生器模拟浪涌高压注入，分站电源端口的浪涌防护器件TVS瞬间钳位，引起回路大电流，从而引发电源箱本安端过压或过流保护，使得本安输出短时不予供电，造成分站短时断电重启。常规方法是在分站电路中加入储能电容或电感续流，以维持用电设备短时供电。
分站及传感器均为本安设备。根据GB 3836.4—2010要求，本安设备对内部电容或电感的参数有一定限制，并且对短路电流也有相应限制。本文介绍的煤矿安全监控系统直流供电电压为22.5 V，允许的最大储能电容为5.4 μF，最大电感为1.5 mH，最大允许短路电流为800 mA。在浪涌冲击干扰过程中，电源供电暂时中断。假设分站完全依靠储能电容维持工作，分站电源模块最小输入电压为9 V，则储能电容最大可用容量为
(1)
式中：Cmax为允许的最大储能电容；Umax，Umin分别为储能电容最大、最小供电电压。
将相关数值代入式(1)，得
设电容在不考虑其他损耗的理想状态下储能为
WC=UIt
(2)
式中：U为电容供电电压；I为允许的最大电流；t为维持时间。
令式(1)与式(2)相等，得t≈64 μs。
电源箱过流保护从断电到恢复供电需要500 ms，理想状态下最大储能电容供电仅能维持用电设备工作64 μs，所以依靠储能元件维持设备短时供电的方案不适用于煤矿本安设备。以下尝试从过流保护电路上进行分析，寻找解决方案。
目前隔爆兼本安电源箱常用的过流、过压保护电路多采用电源保护芯片来实现。就过流保护电路而言，设计者多追求保护芯片的响应速度。现有的电源保护芯片响应速度已达1 μs[13]。对于本安性能来说，这是有利的。而对于本安设备的浪涌防护设计来说，电源保护芯片微秒级的快速瞬间响应，在遭受浪涌干扰时会造成用电设备短时断电。受本安要求限制，不能使用大的储能元件实现续流。可见，常规系统级浪涌防护设计与煤矿电气设备本安要求是冲突的。
煤矿产品在设计时需同时满足浪涌防护和绝缘耐压要求，需要调和“主通”和“主隔”这一矛盾。本安电路设计的关键是如何在满足500 V工频耐压的前提下，更好地实现浪涌能量的泄放。
对常规浪涌防护电路进行改造，得到煤矿安全监控系统专用浪涌防护电路，如图3所示。该电路实现了浪涌两级防护。第1级防护采用大功率TVS并联于电源两极之间实现差模防护，VCC和GND分别接MOV R1,R2，之后与GDT串联后接外壳PE，实现共模防护，C1为X电容，C2，C3为Y电容且采用煤矿安规电容。第2级防护采用TVS继续降低残压，采用自恢复保险丝F进行过流保护。第1级与第2级防护之间采用差模电感L1，L2做缓冲延时，控制导通时序。
图3 煤矿安全监控系统专用浪涌防护电路
Fig.3 Dedicated surge protection circuit for coal mine safety monitoring system
图3中，MOV和GDT的耐压加起来超过500 V即可同时实现工频耐压和浪涌抗扰度测试。
在无法利用储能元件等措施弥补本安电源箱短时中断的前提下，电源箱要求快速响应的本安过流保护措施导致浪涌冲击时系统重启，难以实现判据A(试验期间，被试系统功能和性能水平无任何异常)。要解决该问题，必须缓解常规本安过流保护设计与浪涌防护设计的冲突，进行整体综合平衡设计。
首先对电源箱本安电路进行改造，降低其过流保护电路的敏感性，将电源保护芯片响应敏感度从微秒级调整至毫秒级，使其对微秒级的过流干扰不予响应。其次采用小电容吸收瞬态微秒级过压干扰。最后采用软件滤波方式进一步处理微秒级及以下干扰。
采用上述综合平衡设计方案既能够实现对浪涌冲击的防护，又可满足本安要求。电源箱本安过流保护电路经改造后，配合后级设备的浪涌防护电路，即可以性能判据A通过浪涌抗扰度试验。
针对煤矿设备的特殊性，从煤矿安规要求出发，重点说明了常规浪涌防护设计与绝缘耐压要求、常规系统级浪涌防护设计与煤矿电气设备本安要求的冲突问题，并通过分析给出了解决方案，实现了煤矿安规与EMC防护兼顾。相关浪涌防护技术已在KJ83N(A)煤矿安全监控系统中得到应用，并通过了安标认证，以性能判据A通过了浪涌抗扰度严酷等级三级(±2 kV)[12-14]试验。
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SUN Jiping. Harsh classification on electromagnetic compatibility of mine monitoring and mine communication equipment[J].Coal Science and Technology,1999,27(6):23-24.
ZHANG Ziliang1,2,3
(1.China Coal Research Institute， Beijing 100013, China; 2.National Key Laboratory of High Efficient and Clean Utilization of Coal Resources, Beijing 100013, China; 3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China)
Abstract:The conventional surge protection technology was introduced. Based on theoretical research and standard test of electromagnetic compatibility surge protection technology in coal mine safety monitoring system, it was indicated that the conventional surge protection technology had certain unsuitability to coal mine products. Two major conflicts were focused on, which were between the conventional common-mode surge protection technology and insulation withstand voltage requirements of coal mine equipments as well as the conventional system-level surge protection design and intrinsic safety requirements of coal mine electrical equipments. The two conflicts were analyzed in principle and corresponding solutions were given finally.
Key words:coal mine safety monitoring system; electromagnetic compatibility; intrinsic safety; surge protection; system-level surge protection; insulation withstand voltage; overcurrent protection
收稿日期：2017-09-28；
修回日期：2017-12-01；
责任编辑：李明。
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801405)。
作者简介：张子良(1985-)，男，河北邢台人，助理研究员，硕士，主要从事煤矿安全监控技术、电磁兼容等方面的研发工作,E-mail：15158414@qq.com。
引用格式：张子良.煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究[J].工矿自动化，2018,44(1)：40-43.
ZHANG Ziliang.Research on surge protection technology of coal mine safety monitoring system[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：40-43.
文章编号：1671-251X(2018)01-0040-04
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.17275
中图分类号：TD76
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-15 17:25
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171215.0924.002.html