电路发展理论

1. 本安电路的基本原理

本质安全电气设备防爆基本原理是：通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆。
本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为ia和ib两个等级。ia等级是指电路在正常工作、一个或两个计数故障时，都不能点燃爆炸性混合物的电气设备。ib等级是指电路在正常工作或一个计数故障时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备。
电路放电火花的基本形式为：火花放电、弧光放电、辉光放电和由三种放电形式组成的 混合放电。火花放电是在接通和断开电容电路时，击穿放电间隙中的气体而产生的，其特点是低电压大电流放电。弧光放电是由某种形式的不稳定放电不断转化而产 生的，如高压击穿时产生的放电形式，特点是：可以产生持续的电弧、电流密度大、放电能量集中、点燃周围爆炸性混合物的能力强，电感性电路放电形式属弧光放电。辉光放电是在高电压小电流的条件下产生的放电形式，其特点是：放电能量不集中、能量散失大、点燃周围爆炸性混合物的能力差。由于弧光放电是最危险的放电形式，因此电感性电路是研究本质安全电路的重要内容。
模型的建立，是以线性本质安全电源为基础进行的理论研究。随着电子技术和电力电子元器件技术的进步，开关电源技术得到了飞速的发展。出现了开关型本质安全电源技术。
本质安全电路理论经过一百多年的进步和发展，电路的技术理论已经成熟。开关电路技 术同样经过几十年的发展，已经广泛应用于各个领域，开关电源技术无论是在理论还是在实际电路中都已经非常成熟。而本质安全电源电路却仍然停留在线性电源的 阶段，由于线性电源在煤矿井下应用存在着许多不足之处，尤其是输出功率很难提高，已经不能满足现阶段煤矿企业的发展需求。开关型本质安全电源可以弥补线性 本质安全电源的缺点，选择适当的电路拓扑结构和工作频率，能够有效提高本质安全电源的输出功率。因此，对于本质安全电路来讲，即是一种新的应用技术，同时 也是本质安全电路未来的发展方向。

2. 大学电路理论主要学习什么，研究对象是什么

邱关源的《电路》教材。

本书主要内容有：电路模型和电路定律、电版阻电路的等效变权换、电阻电路的一般分析、电路定理、含有运算放大器的电阻电路、一阶电路、二阶电路、相量法、正弦稳态电路的分析，含有耦合电感的电路、三相电路、非正弦周期电流电路和信号的频谱、拉普拉斯变换、网络函数、电路方程的矩阵形式、二端口网络、非线性电路简介、均匀传输线，另有磁路和铁心线圈及PSPICE简介两个附录。
研究对象是电路，就是对不同电路进行分析。

3. 物理 电路理论 割集

割集是支路的集合，是用一个封闭面把图分成两部分后，穿过这个封闭面的支路的集合,如果移除其中的任一条支路,图又将恢复连通。
割集至少包含一条树支，也可以多于一条树支，只包含一条树支的割集叫单树支割集，这个概念很重要，电路分析里就用它。

4. 电路理论中的有功功率,无功功率和视在功率的定义

有功功率：一个周期内瞬时功率的积分平均值。对于正弦电压及电流专，复功率的实部即有功功率：属。对于非正弦周期电压及电流，有功功率是直流分量功率及基波和谐波有功功率之总和。
无功功率：在正弦电流电路中，复功率的虚部： ，且供给电感的无功功率为正值。
在交流电路中，我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，即S=UI视在功率不表示交流电路实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路可能消耗的最大有功功率。

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简介：本书是面向21世纪课程教材、“十一五”国家级规划教材《电路分析（第2版）》的修订版。该教材定位于电子信息、通信工程、信息工程等专业，教材特色鲜明，以其独创的教学实验演示系统、计算机辅助教学系统和计算机解题系统著称，自出版以来一直深受读者喜爱，

基本内容包括：电路的基本概念和分析方法；用网络等效简化电路分析；网孔分析法和结点分析法；网络定理；理想变压器和运算放大器；双口网络；电容元件和电感元件；一阶电路分析；二阶电路分析；正弦稳态分析；正弦稳态的功率和三相电路；网络函数和频率响应；含耦合电感的电路分析；动态电路的频域分析。

6. 电路理论及相关科学技术的发展简史

电路理论是当代电气工程与电子科学技术的重要理论基础之一。电路理论与电磁学、电子科学与技术、通信、电气工程、自动控制、计算机科学技术等学科相互促进、相互影响。经历了一个多世纪的漫长道路以后，电路理论已经发展成一门体系完整、逻辑严密、具有强大生命力的学科领域。

人类对电磁现象的认识始于对静电、静磁现象的观察。

1729年，英国人 S.格雷 将 材料分为两类—— 导体和绝缘体 。

1749年，美国科学家 富兰克林 提出了正电荷和负电荷的概念。

1785——1789年，法国人 库仑 定量地研究了两个带电体间的相互作用，得出了历史上最早的静电学定律——库仑定律。

库仑定律（Coulomb's law）是 静止 点电荷相互作用力的规律 。1785年法国科学家C,-A.de库伦由实验得出， 真空 中两个静止的 点电荷 之间的相互作用力同它们的 电荷量 的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上，同名电荷相斥，异名电荷相吸。这是人类在电磁现象认识上的一次飞跃。

19世纪以前，电与磁的应用尚属凤毛麟角。1800年，意大利物理学家 伏特 发明了伏打电池，它能够 把化学能不断地转变为电能 ，维持单一方向的持续电流。这一发明具有划时代的意义，它为人们深入研究电化学、电磁学以及它们的应用打下了物质基础。以后很快发现了电流的化学效应、热效应以及利用电来照明等。

1820年，丹麦物理学家 奥斯特 通过实验发现了 电流的磁效应 ，在电与磁之间架起了一座桥梁，打开了近代电磁学的突破口。

1825年，法国科学家 安培 提出了著名的 安培环路定理 （ 在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率。安培环路定理可以由毕奥－萨伐尔定律导出。它反映了稳恒磁场的磁感应线和载流导线相互套连的性质）。他从1820年开始在测量电流的磁效应中，发现了两个载流导线可以互相吸引，又可以互相排斥。这一发现成为研究电学的基本定律，为电动机的发明做了理论上的基础。

1826年，德国人 欧姆 在多年实验基础上，提出了著名的 欧姆定律 ：在恒定温度下，导线回路中的电流等于回路中的电动势与电阻值比。欧姆又将这一定律推广于任意一段导线上，并得出导线中的电流等于这一段导线上的电压与电阻之比。

1831年，英国物理学家 法拉第 发现了 电磁感应现象 。当他继续奥斯特的实验时，他坚信 既然电能产生磁，那么磁也能产生电 。他终于发现在磁场中运动的导体会产生感生电动势，并能在闭合导体回路中产生电流。这一发现成为发电机和变压器的基本原理，从而使机械能变为电能成为可能。

1834年俄国人 楞次 提出 感应电流方向的定律 ，即著名的楞次定律。

1838年，画家出身的美国人 莫尔斯 发明了 电报 。1844年，他用电报机从华盛顿向40英里外的巴尔的摩发出电文。

1845年，德国科学家 基尔霍夫 在深入研究了欧姆的工作成果之后，提出了电路的两个基本定律—— 基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律(KVL) 。它是集总参数电路（其特点是电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端钮的电流完全确定，与器件的几何尺寸和空间位置无关。与其对应的是分布参数电路）中电压、电流必须服从的规律。

1853年， 汤姆逊 采用电阻、电感和电容的电路模型，分析了 莱顿瓶的放电过程 ，得出电震荡的频率 。

1853年， 亥姆霍兹 提出电路中的 等效发电机定理 (戴维南定理和 诺顿定理 是最常用的电路简化方法。由于戴维南定理和诺顿定理都是将有源二端网络等效为电源支路，所以统称为等效电源定理或等效发电机定理)。由于国际通信需求的增加，1850——1855年，欧洲建成了英国、法国、意大利、土耳其之间的海底电报电缆。电报信号经过远距离的电缆传送，产生了信号的衰减、延迟、失真等现象。1854年 汤姆逊 发表了 电缆传输理论 ，分析了这些现象。1857年 基尔霍夫 考虑到架空传输线与电缆不同，得出了包括自感系数在内的完整的传输线上电压及电流方程式，称之为 电报员方程或基尔霍夫方程 。至此，包括传输线在内的电路理论就基本建立起来了。

1864年英国物理学家 麦克斯韦 总结了当时所发现的种种电磁现象的规律，将它表达为 麦克斯韦方程组 ， 预言了电磁波的存在 ，为电路理论奠定了坚实的基础。1887年，德国物理学家 赫兹 经过艰苦的反复实验， 证明麦克斯韦所预言的电磁波确实存在 。

1866年，德国工程师 西门子 发现了 电动机原理 并用在了发电机的改进上。由于点在各方面的应用日益广泛，如照明、电解、电镀、电力拖动等，迫切需要更方便地获取电能，以提高效率、降低成本。1881年，直流高压输电试验成功。但由于直流高压不便于用户直接使用，同年在发明变压器的基础上又实现了远距离交流高压传输。从此，电气化时代开始了。

1876年，美国科学家 贝尔 发明了电话。当时电报已经很发达，贝尔在多路电报通信实验中，萌发了在电报线上通话的设想。在 T.A.沃森 的协助下，经过不懈的努力终于试验成功。经过不断改进，到1878年，他实现了从波士顿到纽约之间200英里的首次长途通话。

1879年，美国人 爱迪生 发明了 碳丝灯泡 。

1912年美国人 W.D. 库利奇 发明了 钨丝灯泡 ，成为最普及的照明用具。电灯的广泛使用，是电能应用的一次大普及，并改变了人们的生活。

1894年，意大利人 马可尼 和俄国的 波波夫 分别发明了 无线电 。没有受过正规大学教育的20岁的马可尼利用赫兹的火花振荡器作为发射器，通过电键的开、闭产生断续的电磁波信号。1895年，他发射的信号传送距离为1km以上，1897年发射的信号可在20km之外接收到，从此开始了无线电通信的时代。

1825年英国人 贝尔德 首先发明 电视 。几乎在同时，美国无线电公司的工程师 兹沃雷金 发明了 电视显像管 。1933年，他利用真空二极管、真空三极管和显像管，最早发明了电视机。1936年，黑白电视机正式问世了。

近代电路理论的主要特点之一是 吉尔曼 将 图论 引入电路理论之中。它为应用计算机进行电路分析和集成电路布线与板图设计等研究提供了有力的工具。特点之二是出现大量新的电路元件、有源器件，如使用低电压的MOS电路，摒弃电感元件的电路，进一步摒弃电阻的开关电容电路等。当前，有源电路的综合设计正在迅速发展之中。特点之三是在电路分析和设计中应用计算机后，使得对电路的优化设计和故障诊断成为可能，大大提高了电子产品的质量并降低了成本。

7. 本安电路的理论发展简介

在没有制定本质安全电路标准的时期，本质安全电气设备的设 计结果是否被接受，主要取决于鉴定机构的辨别力，这是由当时煤矿立法给予鉴定机构的权力。在英国，大部分提交本质安全电气设备的检验必须由“部长批准”； 随着本质安全设备的增加及其在采矿上的应用远远超出了需要“部长批准”的范围，社会各界都希望建立正式的本质安全鉴定程序。
1901年英国标准学会正式建立，1905年提出矿用设备使用安装 规程，1911年制定了煤矿法提出煤矿用电气设备安装与使用通用规程，并于1926年首次发表了英国标准229号，规定了隔爆外壳的要求，使本质安全电气 设备的检验必须由“部长批准”的形式于1928年宣告结束。1929年英国标准协会与皇家宪章（Royal Charter）合并为国家标准机构，1933年联邦德国制定了本质安全防爆国家标准VDE171。1945年英国国家标准机构颁布了本质安全方面国家标准“本质安全器件与电路” 标准代号BS1259:1945。1949年发布了关于“本质安全信号变压器(主要用于煤矿)”的标准，代号为BS1538:1949。1958年对标准 BS1259进行了修订，修订后的标准代号为BS1259:1958。
随着电子器件的更新和科学技术的进步，本质安全电 气设备的种类和形式发生了巨大的变化，英国国家标准机构于1945年再一次修订BS1259：1958。1967年在IEC31G委员会布拉格会议期间， 经过对火花放电提交的不同试验结论比较，决定采用联邦德国西门子公司一组工作人员设计的火花试验装置所作的试验结果，并将该试验装置推选为国际标准火花试 验装置。1978年国际电工委员会（IEC）发布了一系列相关标准，其中包括“本质安全和附属设备的构造和试验”标准，标准代号：IEC刊物79 -11。在此期间，欧洲标准化组织CENELEC也制定了一系列关于“可燃性环境中电气设备的构造与试验”欧洲标准，本质安全型标准代号为： EN50020。欧洲电工标准协调委员会于1981年制定有关本质安全系统结构与测试的欧洲标准，代号为：EN50039，与之相当的英国标准为： BS5501：1982。美国在本质安全电路设计方面，先后制定了本质安全国家电气规程（NEC504—2条），1995年保险商实验室（UL913）和美国仪表学会 （ISA），出版了用于检验和安装本质安全设计的标准（ANSI/ISA—PR12.6—1995）；在本质安全电器产品检验方面，世界各国都有 专门授权的防爆检验部门从事本质安全电路和电气设备及其关联设备的检验，例如英国的矿业安全研究院（SMRE）、德国的PTB、前苏联的马可尼安全研究 院、全速防爆电器设备研究所。美国没有官方检验机构，UL（Underwriters Laboratories Inc）和FM（Factory Mutual Research Corp）均是私人企业组织。
在本质安全理论创建后的几十年里，许多工业发达国家相继开始研究分析本质安全电路 及其理论。初期的研究主要集中在安全火花电路和火花试验装置设计方面，英国的R.V.Weeler教授在1915年发表了“关于蓄电池电铃信号系统内信号 线上火花试验点燃沼气－空气混合气体危险的报告”。R.V.Weeler和W.M.Thoronton于1925年再次发表报告“关于裸导线设备 信号线上火花试验点燃可燃性混合气体危险的报告”。1928年C.B.Platt和R.A.Bailey博士发表鉴定矿用信号电铃安全性能调研报 告。J.R.Hall在总结已经获得的相关理论基础上于1985年出版了专著“Intrinsic Safety”书中对本质安全电路基本原理、安全火花
电路基本概念以及火花试验装置进行了系统的研究。此外，英国矿业安全研究院（SMRE）也对安全火花电路理论进行了试验研究。
在此期间，前苏联在本质安全理论以及火花试验装置研究方面也进行了大量的试验。其 中，B.C.格拉夫钦克、B.A.邦达尔通过试验对电气放电和摩擦火花的防爆性进行了全面的研究； A.A.卡伊马科夫针对煤矿井下爆炸性混合物的形成、点燃源的种类、爆炸性混合物的一般概念以及弧光放电和脉冲放电条件下法兰式防爆壳防爆机理进行了大量 的试验研究；B.C.格拉夫钦克等人合编的专著“安全火花电路”系统分析了煤矿、石油、化工等行业各种可燃性混合物中电路安全火花性能的物理基础，并列举了有 关评价安全火花电路性能的计算方法、测量方法以及提高电路允许输出功率的研究成果，提出了安全火花电气设备的设计和试验的基本原则。参与本质安全 理论与试验研究的国家专门机构还有马可尼安全研究所和全苏防爆电器设备研究所。
对本质安全电路理论以及试验装置进行研究的还有德国、美国、日本等国家。德国工程 物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt简称PTB）是从事本质安全电路理论和试验研究的国家机构，直到2004年该机构还发表了一篇本质安全电路方面的文章。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先后在相关国际会议或专业杂志上发表本质安全电路方面的论文。分别运用不同的试验方法或测试手段从各个角度对本质安全电路进行研 究。日本在本质安全电路设计及理论研究相对比较保守，在电路参数设计上使用较高的安全系数，以此来提高本质安全电路的安全性能。