本质安全型电气设备是如何防止瓦斯爆炸的？

瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害之一。煤矿事故调查表明，电气火源导致瓦斯爆炸最多，所以加强煤矿井下电气设备管理是避免和减少瓦斯爆炸事故的主要措施之一。本质安全型（通常称为本安型）电气设备是煤矿中使用的防爆电气设备之一，具有较好的安全性，适用于煤矿井下常规气体环境。

瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：一是瓦斯浓度在5%～16%的爆炸范围内；二是点燃火源的温度大于650℃，能量大于0.28mJ，且持续时间大于瓦斯的引燃最小感应期；三是瓦斯与空气的混合气体中的氧气浓度大于12%。由电气设备引起的瓦斯爆炸主要是电火花造成的，即电气设备由漏电、短路等原因造成了电器火花的温度和能量超过了爆炸的临界值。本质安全型电气设备就是通过控制电火花的产生或降低电火花的温度和能量，使其达不到瓦斯爆炸的点燃火源条件，从而防止瓦斯爆炸。

本质安全型电气设备能够控制电火花的原因是其电气部分采用的是本质安全电路。该电路要求在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环境气体。正常工作是指本质安全型电气设备在设计规定的条件下工作。规定的故障状态包括元件和连接的故障，导电部件之间隔离的故障，部分外部本质安全连接件的短路、断路和接地。例如，电气元件短接、晶体管或电容击穿、线圈匝间短路等均为规定的故障状态。电火花可能来自于电路中触点动作火花（包括按钮、开关、接触器接点、各种控制接点等产生的火花）、电路短路、断路、接地时产生的电火花，或者是静电和摩擦产生的火花。热效应指的是电气元件、导线过热形成的表面温度及热能量和电热体的表面温度及热能量。也就是说本质安全型电气设备与其他防爆电气设备相比，不是靠外壳防爆或充填物防爆，而是从预防层面出发，通过限制引起爆炸所需要的电火花和热效应这两个可能的点燃源来实现的，即考虑到了最低点燃温度和最小点燃能量。

本质安全型电气设备中控制电火花能量的方式有两种。第一种是在电路中串联多个电阻，把电流限制在较小的数值，从而使输出的电信号产生电火花的能量降低。这样的电路设计优点是控制了电火花，其缺点是限流电阻浪费了大量的电能，一般在简单的电路中常用。第二种是采用安全栅来控制电火花能量的输出，主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。齐纳式安全栅就是由熔断器、齐纳二极管和限流电阻组成的独立装置，它的工作原理如图1 所示。图1 中限流电阻R 的作用是限制电流，使正常工作时的输出电流在安全数值内；齐纳二极管D 的作用是限制电压，如果发生故障，电压超过了额定值，齐纳二极管被反向击穿并导通，其两段电压始终保持在安全限值以下。熔断器F 的作用是防止瞬态能量对齐纳二极管的损坏。所以齐纳式安全栅电路是利用电流的限流和齐纳二极管的稳压对电火花能量进行限制。

隔离式安全栅相比齐纳式安全栅具有更高的安全性。隔离式安全栅是将电信号通过光感或磁感器件进行隔离转换，转化为光信号或磁信号进行发送，接收端接收到光信号或磁信号，再把这些信号转化为电信号，从而实现了电信号的隔离传输。隔离式安全栅由限能单元、隔离单元、信号处理单元三部分组成，它的简易示意图如图2 所示。

检测端隔离式安全栅是用于限制大电流或高电压的危险信号窜入输出端，引起较大的电火花，图2 的隔离单元就是采用光电隔离元件或电磁隔离元件。

光电隔离元件采用的是光耦合器，包括光的发射、光的接收、信号放大三个部分。输入电信号驱动发光二极管（LED），使其发出一定特征波长的光。这些光信号被光探测元件接收到，产生光电流，再经过进一步放大输出，从而完成电—光—电的转换，实现了信号隔离；电磁隔离采用的是变压器进行隔离，变压器上有两个相互靠近的线圈，当一个通电线圈的电流发生变化时，产生了变化的磁通量，另一个线圈在变化的磁通量的感应下，产生了电流，从而实现了电流信号通过磁介质进行隔离传输。

总之，本质型电气设备就是通过在电路中通过一系列控制，使其无论在正常工作和故障状态下，其产生的电火花都不足以点燃瓦斯，从而达到了安全防爆的效果。

（责任编辑：韩瑜）