0 引言

我国标准GB 3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》中对本质安全型电路的定义为：在规定条件(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。本质安全型仪表的防爆原理是主要是采用低功率的控制技术，通过限制能量的措施来达到防爆的目的。但本质安全型仪表在应用环境中很容易受到来自外部和内部的瞬间干扰，例如雷电、静电、动力电缆的感应以及仪表内部储能元件的放电等，尽管可燃性气体所需要的能量非常小(甲烷为0.028 mJ[1])，但这些干扰带给电路的附加能量不能忽视引发爆炸事故。因此，设计可靠的保护电路使瞬时高压与本质安全仪表可靠隔绝很有必要。

1 TVS器件原理及特性

瞬态电压抑制器(TVS)是一种新型高效电路保护器件,一般分双向和单向两种形式，其单向TVS器件多用于直流电路，双向多用于交流电路[2]。图1为单向TVS二极管的伏安特性曲线图，其正向特性与普通的稳压二极管并无明显不同。图2为TVS器件电压、电流的时间特性。

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图1 TVS器件的V-I特性图

  

图2 TVS器件电压、电流的时间特性图

TVS器件一般工作在反向偏置状态，对比图1和图2可以看出,TVS的反向击穿特性较普通的稳压二极管有明显区别：电路在正常工作条件下，由于TVS的最大反向工作电压(变位电压)VRWM等于或略高于电路最大工作电压，故TVS不影响电路的正常工作。在瞬时脉冲电压作用下，TVS两极间的电压由变位电压VRWM上升到击穿电压VBR，此时TVS被击穿，当流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，击穿电压值VBR也上升至最大箝位电压值VC max，并保持在这一水平上。随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来的状态。

由以上分析看出，电路在正常工作条件下, 瞬态抑制二极管是不工作的，其正向特性与普通二极管相当。当TVS器件承受一个反向高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能以极快的响应时间( 10-12 S)降低至很低的通道值，并将电压箝制到预定的数值，由于TVS器件具有相当高的浪涌能量吸收能力，从而有效地保护电路元件不受瞬态高压的冲击。TVS器件与稳压管的性能比较如表1所示，TVS器件在抑制浪涌电压方面有明显的优势。

 

表1 TVS器件与稳压管的性能比较

  

项目TVS器件稳压管电流吸收能力较大较小反应速度10-12S1mS静态电容较小较大箝位特性较理想较差价格较高较低

2 TVS器件在本质安全型仪表中的应用

TVS是一种高效的电路保护器件，可用于保护本质安全型设备或电路免受静电与电感性负载切换时产生的瞬变电压干扰, 以及感应雷所产生的过电压的危害。

2.1 抑制本质安全型电源中的瞬态干扰

由实验结果可知，从脉冲电压作用在稳压电路到电路输出达到稳定需要经过一个稳定的过程。稳压电路的输出电压从0上升到20 V后要经过Δt的时间才趋于稳定。由于Δt(大约为1 ms)远大于点燃所需要的最小时间(甲烷与空气混合气体的爆炸时间为150 μs左右[1])，而且时间Δt内的输出电压都远大于20 V，故该时间内作用在稳压电路上的瞬时电压完全有可能点燃危险气体。

在本质安全型仪表(图3)中应用最多的的电源包括变压器、整流滤波和稳压等环节。按照标准GB 3836.4—2000所提供的最小点燃电压、电流曲线，并考虑1.5倍的安全系数,通过计算该电路各项参数要求,均已达到本质安全型标准。

  

图3 本质安全型仪表的电源部分电路图

在正常情况下，TVS器件不影响安全栅的工作，在瞬时高压侵入时,TVS器件被迅速击穿而阻止多余的能量通过，对后面电路起到保护作用。T1和T2是场效应管，主要起限制电流作用。

  

图4 稳压管测试电路图

本质安全型电源为仪表提供能量，是雷电等干扰信号进入本质安全型仪表的主要途径。如果闪电直接击中供电电缆，将产生灾难性的后果，不过这种情况发生的概率非常小，但比较常见的是发生在裸露在开放空间中电缆附近的雷电现象，由此产生的感应电压决不可忽视。本质安全型电源附近的动力电缆在发生开关切换时,也可以产生比较明显的感应电压。所有这些现象都将对电源的本质安全性能产生严重威胁，一旦瞬时的浪涌电压侵入到本质安全系统中，将有可能产生灾难性的后果，因此对电源的防护尤为重要。

  

图5 稳压管的时间特性图

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为了改善稳压电源对瞬时干扰电压的防护性能，采用瞬态电压抑制器(TVS)的改善电路如图6所示。

  

图6 TVS保护的电源电路图

图6中,TVS1对包括变压器的整个电路进行保护，TVS2对整流电路后面的电路提供全面保护。在电压稳定程度要求不高的场合，DW1、DW2稳压管也可用合适的TVS器件代替，以提高整个电源电路的抗冲击能力。

2.2 本质安全型电缆的保护措施

本质安全型电缆在本质安全型仪表和本质安全型电源或安全栅之间起连接作用，传递信号和能量[3-4]。由于存在分布电感、分布电容而将电感视做储能元件，可以看作安全栅或本质安全型电源的负载。虽然在系统设计中的电缆按照相关的设计标准[5]达到了本质安全型的要求，但在实际工程当中，雷电、静电和大功率设备都会产生很强的电场和磁场，电缆敷设在这些环境中很容易受到干扰而产生附加的能量，这些能量与电路中原有的能量叠加起来就足以点燃爆炸性气体，尤其当电路的设计参数接近本质安全型所容许极限的情况下最为危险。因此,要采用正确的敷设方法和采取必要的电路设计来保证系统的本质安全。

齐纳式安全栅电气结构简单，具有良好的本质安全型性能，应用广泛。但对瞬时过电压的防护,主要是靠快速熔断器来完成的，要求在危险电压侵入时熔断时间在10 μs以内，因而对熔断器的制造工艺要求极高，并且无法对熔断器的性能进行逐一测试，因此，齐纳式安全栅的可靠性并不理想。

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为了改善齐纳式安全栅对瞬态高压的抑制能力，在稳压管电路的前面接入TVS器件，电路如图7所示。

2.3 安全栅的保护方案

(2014-北京理科-20) 对于数对序列P(a1,b1),(a2,b2),…,(an,bn)，记 T1(P)=a1+b1,Tk(P)=bk+max{Tk-1(P),a1+a2+…+ak}(2≤k≤n).其中max{Tk-1(P),a1+a2+…+ ak} 表示Tk-1(P) 和a1+a2+…+ak两个数中最大的数.

电缆在敷设中采用金属套管可以起到很好的静电屏蔽作用。克服电磁干扰的最主要的方法是使电缆远离干扰源，将本质安全型电缆与非本质安全型电缆分开敷设在不同的线槽里，并将线芯对绞，或在电缆芯线合适的位置接入TVS器件。由此,合理运用这些方法,可将对电缆的干扰降到最低程度。

  

图7 改进后的齐纳式安全栅电路图

分析表明，图3中由DW1、DW2组成的稳压电路将对干扰的瞬时电压起保护的作用，该电路对保证本质安全型仪表的安全性能至关重要。为了研究稳压电路对瞬时浪涌电压的抑制能力，利用脉冲发生器的输出脉冲来模拟外部的瞬间干扰电压，测试电路如图4所示，功率电阻RW=5 kΩ，得到的测试电压波形如图5所示。

3 结论

1) 雷电、静电等各种瞬时电磁干扰在本质安全型仪表中产生的附加能量严重威胁生产安全。由于甲烷等危险气体的点燃时间非常短，而本质安全型电源中稳压管对瞬时高压反应时间滞后而不具有防护能力。

2) TVS器件是一种高效的电路保护器件，可用于保护本质安全型设备或电路免受静电与电感性负载切换时产生的瞬变电压, 以及感应雷所产生的过电压的危害。利用TVS器件可对本质安全型电源、电缆和安全栅进行保护，保证其本质安全型性能的可靠性。实际应用中，需注意TVS器件应由低电阻、低电感的导体与接地线可靠连接。

参考文献：

[1] 张燕美,李维坚.本质安全电路设计[M].北京:煤炭工业出版社,1992.

[2] DETHLEFSEN R. Triggered vacuum switch testing for millisec pulses[J]. IEEE Intemational Pulsed Power Conference, 1991: 511-514.

[3] 刘洋,王建国,宋志国,等. 瞬态电压抑制器的雷电通流与箝压特性测试[J]. 高电压技术, 2007, 33(1): 83-85, 98.

[4] TOWEL L C. Intrinsic safety-the way forward[C]∥Fifth International Conference on Electrical Safety in Hazardous Environments.London: Institution of Engineering and Technology, 1994: 198-203.

作者简介：王振龙(1969—)，男，副教授，工学博士。研究方向：通信系统的本质安全技术。