摘要：本文针对我国目前矿山电气行业发展环境，提出发展矿用电气本质安全系统的必要性和合理性。本文概述了井下本质电气安全系统的发展历史，我国目前取得的成果及相关应用，找到其中不足，提出系统化统筹设计矿用本质安全电路的方法与框架，并提出了系统优化的方法，并对该系统存在的问题以及对前景的展望。

　　关键词：本质安全；能源生产；电气安全系统

　　我国是能源消费大国，据统计，2022年我国全国能源消费总量中，仅单一矿物资源消耗就已经达到54.1亿吨，占能源消费总量的56.2%，与往年相比同比增长4.3%，其中风能等清洁能源占比也有所上升。截至目前，矿产资源关系着我国的工业发展命脉。但矿产资源因为其独特的成因和特性，开采往往充满危险与不确定性。例如，矿井下大部分区域为风险区域，存在着甲烷、乙烷、乙炔或其他易燃易爆物。在这种环境下，若存在点燃源，极易引发灾难性的爆炸事故，严重威胁开采工作者的人身安全。例如2020年6月10日，陕西省某个矿业公司在矿山工程施工过程中发生突出事故，造成7人死亡、2人受伤，直接经济损失1666万元。同时，电气与自动化工业的发展使得越来越多的电气设备应用于井下开采，若缺乏科学的设计，这些设备在运行的过程中难免产生电火花和电弧，这无疑增加了爆炸事故的风险。如何解决井下电气设备的安全性成为一个亟需解决的问题。

　　1矿用本质安全型电气设备重要性

　　GB3836首先规定了我国井下使用的设备的防爆标准，其中就首次提出了本质安全（以下简称本安）的概念，大量关于矿井本质安全的研究如雨后春笋般涌现。目前，对本安系统的研究主要包括对本安电源、本安通信系统、本安电机、本安传感器等的研究。但由于矿井环境的复杂性，不同地质气候等条件下矿井环境的特殊性，加上对本安的研究本身横跨了矿业、电气工程、安全工程、管理学等，本安理论的发展目前缺少统一性与标准性，不同学科对本安的研究各有侧重，但鲜有统筹的系统的理论。但在工程实践中，矿井各设备往往以一个完整系统的方式存在，而安全性的保证需要所有暴露在风险环境中的电气设备都满足防爆要求，故要进一步提升井下安全水平，必须统筹考虑井下各设备关联性，从多学科交叉的角度入手，完成系统性的规划。

　　井下工人的健康和安全是矿山工程安全生产中最重要的考量因素，矿山行业发展理念应与我国所倡导的十四五规划中矿山安全生产的理念相契合。因此，大力发展本安技术，建立、发展并健全一套完善的本安技术体系，并应用于矿山生产领域，实现与时俱进，对确保安全生产，贯彻以人为本的思想具有重要的意义，对把矿用电气行业引入新的发展阶段，使得采矿行业沿着科技化、智能化、信息化、自动化的发展道路稳步前进也有里程碑式的意义。

　　2防爆区划分类型对本安系统的讨论

　　我国参考了国际电工委员会（IEC）划分的方法，依据防爆国家标准GB3836现行标准，将危险场所区域可以分为三种区域，其中大多数井下环境属于“0区”，即爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所；防爆类型可分为隔爆型、正压型、油浸型、本安型等，其中本安型指的是在正常运行或在标准试验条件下所产生的火花，或热效应均不能点燃爆炸性混合物的电气设备，相比其他防爆电气设备具有较高的安全水平，且具有结构简单、体积小、重量轻、成本相对低廉等优势，得到了越来越多矿山企业的青睐，相关的研究也蓬勃发展。

　　3本安电路系统发展

       3.1本安理论

　　对本安的研究首先起步于国外，在19世纪末20世纪初，能源发展工业的蓬勃发展刺激了许多学者对易燃易爆气体基础性质的研究，这一阶段基本奠定了本安理论发展的物理学和化学理论基础。在20世纪中叶，随着井下事故频发，前苏联、德国、美国的学者正式关注了井下安全领域的相关问题，本安技术得到了快速的发展。在这一时期，对本安理论的研究主要是对电路放电相关规律的研究。英国的J.R.Hall结合前人对本安理论的研究，出版了著作《本安全质》一书。该书阐明了电路主要的三种放电形式，即弧光放电、辉光放电和电火花放电，三种电路放电的数学模型都被建立起来，并且还考虑了其他例如电容、开关频率等影响。我国对本安理论的研究起步较晚，但发展速度较快，目前，在多个专业领域已有较为完善的研究，主要包括以下几个侧重点：本安电源、本安型隔爆电机、本安传感器、本安通信系统以及本安的电路与非本安电路隔离装置。

　　3.2本安电路原理及组成

　　本安电源的主要原理是将能量限制在安全临界值之下，即发生爆炸释放的能量也不足使易燃物到达其燃点，目前广泛应用于各种井下设备的供电，但存在功率低、储能少、便携性与容量无法兼顾等技术难点——基于反激变换器的本安电源研究；本安型隔爆电机是目前发展比较成熟的理论，本安型直流电机、异步电机、同步电机都是矿井中主要的动力源，各有其广泛的应用。目前本安永磁同步电机也是新兴的研究热点，但电机的启动、调速、停车都容易产生电火花的风险，其次本安电机维护成本高，相关发展很大程度上依赖于电力电子技术的发展——矿用隔爆兼本安型永磁同步变频调速一体机的设计及维护；本安传感器和本安通信系统都是较为新兴的技术，也是与计算机网络和人工智能结合紧密的领域，可大幅提高井下事故预警率以及事故救援效率，目前发展势头迅猛，且无明显缺点—一种矿用本安型自组网基站设计；基于本安摄像仪外挂式AI终端的安全帽识别的实现。一方面，本安隔离元件，承载了保证本安系统内部各连接元件的安全性的任务，另一方面，隔离了本安电路与非本安电路，其目的是防止非本安电路一侧的危险能量窜入到本安电路中,从而保证电路的本质安全。传统机械隔离和电气隔离也渐趋成熟，目前数字隔离芯片快速发展，但仍存在传输损耗大、延迟大、耐压不足等缺点。

　　由前文可知，目前各方学者对矿用本安电路系统的研究主要集中在对电路各个器件从物理层面如何实现本质安全性，却鲜有从整个系统的高度来设计本安电路系统。由此带来的问题也是显而易见的。一方面，本安器件各环节由不同学科的研究者以不同标准设计，产品虽然理论可行，但各方只对自身设计的本安元件负责，极少考虑元件之间的衔接与优化，在工程实践中应用困难；另一方面，工程实践中成本是很重要的考量因素，但对各个元件本身安全性能的过度关注往往会导致成本的不可控。为此笔者将在提出一种系统化统筹设计矿用本质安全电路的方法与框架，并将提出了系统优化的方法。

　　3.3本安风险控制方法

　　需要指出的是，本质安全（inherently safer）并不等于绝对无风险，更精确的表达是“本质更安全”，是在符合国家安全标准的前提下相对于普通的电气设备来说的。因此，本质安全这个策略需要用到风险评估与成本估算工具，并且根据工程实践实际状况在风险和成本之间找到一个平衡点。因此，本安电路系统设计时需要利用到多种风险控制的方法，包括避免、消除、最小化，替代或减缓、简化，并且在本质安全策略不适用的情况下，不在聚焦于风险源本身的控制，而是重视保护屏障的设计，这种情况通常包括：商用时需要成本预算尽可能降到最低；技术工艺路线上还无法实现。从矿用本安电路系统整体设计思路出发，出于技术可行性和成本控制的原因，在设计时需要将本安理念和保护层设计最佳实践结合起来考虑，从而实现风险和成本之间的平衡。将两者融合之后可以制定风险控制理念系统模型。

　　风险控制措施层级共分为四类风险控制方法，其中消除和替代源于本质安全理念，他们都是目前矿用本安研究者主要研究解决的方向，工程控制和行政管理源，ppe防护源于保护层概念，目前在矿用本安电路设计中尚未得到成熟的应用。设计时运用前两类源于本质安全理念的控制方式，即可实现因风险源存在而导致的风险进行有效的降低甚至消除。另外，三类与保护层有关的措施利用保护层的数量及可靠性，来降低风险发生的概率从而实现风险的降低。

　　不同本质安全方法在效率上差异很大，在技术上可行可靠，经济上处于合理可控时，遵循高效的设计方法十分重要。以下五种本安电路设计理念的效率依次递减，下面结合矿用本安电路，对五种方法做简要介绍。

　　（1）消除。即物理上移除危害源，或至少移除部分危害源，是一种彻底的风险控制方法，是最高效的。例如矿用本安电源的设计，利用基于GaN器件有源箝位反激变换器，将电源的输出功率控制在达到可燃物的最低燃点的能量之下；又如在井下变频器中使用低电压型元件、限压器、分流器限制输出功率，这些措施都是从根本上排除了可燃物燃爆的可能性，在成本可控的情况下应该优先考虑。

　　（2）替代。是物理上将不能被移除的危害源采用全部或部分替代的方法，实现减缓或最小化风险源数量和密度的方式，从而降低风险源可能造成的严重后果。在矿用本安电路系统中对变压器进行电气隔离，利用油浸或浇封隔离变压器与外界可燃物；采用本安电路与非本安电路的隔离元件，防止了非本安电路一侧的危险能量窜入到本安电路中，此类都属于替代理念。在实际的工程应用中，替代方法主要受制于技术的可行性和成本的可接受性。

　　以上两种都是目前矿用本安电路系统所采用的已经发展相对成熟的理念。以下三种却受关注较少，虽然效率不高，但应当引起足够的重视。

　　（3）工程控制。可以将人与危害源隔离，但是并不注重对系统本身的保护，而是对人的保护，且该控制一旦建立后不需要人的干预即可发挥作用。传统的措施例如提前建立隔离坝，在井下可燃物发生爆燃时，将爆炸控制在一定范围内，防止更大的波及，又如安装限流阀和过压保护装置。目前较新的在矿井的副井（主要用于工人的出入）的升降机安装壁爪，在失速时可以展开壁爪抓牢井壁固定降速，保护井下工人的生命安全。

　　（4）行政管理。旨在改变人们或电气设备的工作方式，且强调人的作用。例如电机的长时工作制会导致电机过热的风险使产生电火花，可适当减少电机的工作时间改成间歇工作制，降低电路系统的输出能量减少燃爆风险；或研究完善本安电路的风险预警系统，发现潜在的隐患及时解决，在事故发生前给出预警等临界报警，人为干预和应急响应都属于此类方法。

　　（5）PPE防护。PPE即个人防护用品，主要用于保护雇员免受由于接触化学腐蚀，电辐射等的伤害，在矿井这个特殊环境下尤指免受爆炸带来的伤害。传统PPE如护目镜，安全帽等防护效率较低，在一些情况看来是不得已的选择，但目前本安防护设备的创新一定程度上提高了PPE防护的效果。比如有公司研究了一种基于本安摄像仪与AI技术实现了一种矿用安全帽——基于本安摄像仪外挂式AI终端的安全帽识别的实现,针对井下特殊的环境增加了智能识别和声光报警系统，使传统安全帽更适应井下复杂的工作情况，提高了实用性和安全系数。

       消除与替代主要依赖于本安技术自身的革新；工程控制主要基于物理世界的硬件和软件逻辑，起保护的作用是不依赖于人为操作，以及人为的触发或者干预，即在投用后除了正常的检维修外，对风险源的保护作用是基于事先设计的程序自行启；行政管理的主要核心是“人”，但考虑到人是有思想有情绪且个体差异极大，因此要制定完善的管理制度和流程约束与标准化其行为，从而利用人的干预、检查、审核等行为来设置针对风险源的保护措施。PPE是效果最低的风险管控措施，在工程实际当中，往往先不考虑任何劳动保护用品在其中起的作用，往往是最后不得已的选择。在实践中，建议将个人劳动保护作为进入现场和现场作业时的最低安全要求，而不是保护措施，如果现场连个人劳动保护都无法保证，不建议考虑以上四类的本安措施，因为以上四类的本安措施本身需要较高的管理与技术水准，只有在个人劳动保护措施完善的情况下，才能取得良好的效果，否则再好的管理措施也会因为对人的管理不力而导致其不能起到应有的作用，因此，个人劳动保护是其他本安措施的前提与基础。

　　4结论

　　本文研究了矿用本安电气系统，对该系统发展历史和现状做了简要的概括和综述，针对目前离散化和独立化发展的问题，提出了一种综合优化系统的方法，主要包括如下。

　　（1）矿用本安电路发展的紧迫性必要性，其发展的历史和目前存在的不足之处。

　　（2）提出一种包含消除、替代、工程控制、行政管理、PPE防护的倒三角本安电路系统设计思路模型。

　　（3）各种矿用本安电路系统设计方法的效率是有差异的，也有不同的适用场景及优先级，需要结合井下生产实际来选择合适的方案。

　　同时，该系统初次提出，也有很多不足之处，例如，如何精确设计一套行之有效的行政管理办法，如何把个人劳动保护作为基础性防护措施，需要相关学科的深入研究，同时，许多问题还要在工程实践中去发现，并进行合理解决。