礦燈本安化過(guò)程中的問(wèn)題分析與處理

郭 剛

(山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同037003)

礦燈是從事煤礦井下作業(yè)的工作人員必須佩戴的照明設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤炭企業(yè)應(yīng)用的不斷深入，礦燈除了具有照明功能之外，已增加了諸如甲烷檢測(cè)、人員定位等功能。由于礦燈是井下工作人員隨身攜帶的設(shè)備，且功能越來(lái)越多，其防爆性能及工作穩(wěn)定性、質(zhì)量可靠度直接影響工作人員的正常工作和礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦燈使用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)大部分煤礦使用的礦燈，其防爆型式仍然是礦用特殊型，即ExSI型。這類礦燈在燈頭光源、電池等關(guān)鍵部件達(dá)不到礦用本質(zhì)安全的要求，存在失爆的隱患。故國(guó)家要求該類產(chǎn)品必須由安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心認(rèn)可的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，滿足防爆安全技術(shù)要求，合格后核發(fā)礦用特殊型產(chǎn)品煤安證和防爆證。

近年來(lái)，隨著錳酸鋰離子電池技術(shù)在礦燈領(lǐng)域的應(yīng)用，礦用特殊型礦燈的安全性能得到了極大提高，鋰電池配以過(guò)充、過(guò)放、短路保護(hù)電路。礦燈光源采用了LED冷光源，就整體而言，從技術(shù)上已經(jīng)可以達(dá)到礦用本質(zhì)安全型的防爆要求。

2016版煤礦安全規(guī)程明確規(guī)定，煤與瓦斯突出礦井應(yīng)當(dāng)采用本安型礦燈。隨著國(guó)家要求的不斷提高，礦燈的本安化勢(shì)在必行。

2 礦燈本安化技術(shù)要求

（1）本安礦燈應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB3836-2010規(guī)定，滿足防爆要求[1-2]。

（2）本安電池組要安裝在電池槽的內(nèi)盒中，內(nèi)盒要滿足煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT1162的要求[3]。

（3）礦燈保護(hù)器需要滿足MT395-2007標(biāo)準(zhǔn)的要求[4]。

（4）礦用錳酸鋰離子電池應(yīng)符合MT/T1051-2007標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

（5）本安礦燈保護(hù)級(jí)別應(yīng)達(dá)到MA級(jí)，“ia”的要求，即具有“很高的保護(hù)等級(jí)”[6]。

（6）本安礦燈的充電時(shí)間，要滿足煤礦企業(yè)三班倒工作制的要求。由于本安電池組增加了PTC和本安限流電路，使本安保護(hù)電路增加了約0.5 Ω的阻值，導(dǎo)致充電電流被減小，充電時(shí)間延長(zhǎng)，不能在10 h以內(nèi)充滿電。

3 礦燈本安化的解決方案

解決礦燈本安化的主要問(wèn)題就是燈頭光源電路的本安問(wèn)題和電池組的本安問(wèn)題。

3.1 燈頭光源電路本安化

采用低功率LED冷光源，供電電壓3.7 V；主燈工作電流最大200 mA，輔燈輸出電流60 mA，發(fā)熱小，光源溫度低；采用低電壓、低電流，具有外電路短路保護(hù)等，確保燈頭光源電路在正常和故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)的能量不大于0.28 mJ，均不能點(diǎn)燃瓦斯爆炸[7]。本安礦燈放電特性，見(jiàn)表1。

表1 本安礦燈放電特性

3.2 礦燈電池本安化

3.2.1 制作本安電池組

本安電池組電氣原理，見(jiàn)圖1。鋰電池組與本安保護(hù)電路連接組成本安電池。本安保護(hù)電路由PTC、礦燈保護(hù)器、限流器、熔斷器構(gòu)成過(guò)電流保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)等級(jí)要達(dá)到本質(zhì)安全級(jí)別“ia”級(jí)。當(dāng)?shù)V燈光源正常工作時(shí)，過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)器件均處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路內(nèi)阻較低，壓降??；當(dāng)?shù)V燈光源或電纜連線等電源外電路發(fā)生過(guò)電流或短路故障時(shí)，首先是限流器投入工作，器件內(nèi)部呈高阻狀態(tài)，將故障電流限制在200 mA以下；當(dāng)限流器發(fā)生短路故障時(shí)，礦燈保護(hù)器投入工作，迅速切斷短路電流；如果限流器和保護(hù)器同時(shí)發(fā)生短路故障時(shí)，PTC將投入工作，瞬間阻值上升，故障電流下降，使短路電流得到限制；當(dāng)上述器件均短路或失效時(shí)，熔斷器將熔斷，電源系統(tǒng)仍然得到過(guò)流保護(hù)。

圖1 本安電池組電氣原理

3.2.2 設(shè)計(jì)本安保護(hù)電路

本安保護(hù)電路利用cmos器件，采用三級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)。按GB 3836.4-2010的10.5.3的規(guī)定，錳酸鋰離子電池端子處的最大輸出電壓和瞬態(tài)電流的乘積不超過(guò)33 W，錳酸鋰離子電池最大輸出電壓4.2 V，最高電流7.8 A，最小限流電阻0.54 Ω，采用一次性熔斷器,實(shí)施短路保護(hù)[8]。本安保護(hù)電路的工作原理，見(jiàn)圖2。

圖2 礦燈本安保護(hù)電路電氣原理

本安保護(hù)電路由礦燈保護(hù)器、電子限流電路、自復(fù)熔斷器(PTC)、限流電阻、熔斷器(FU)組成。其中:礦燈保護(hù)器采用標(biāo)準(zhǔn)件BK3L(A)。電子限流電路主要起到限流的作用，達(dá)到電池輸出的能量不能引起瓦斯爆炸的目的。當(dāng)外界突發(fā)大電流出現(xiàn)時(shí)，電子限流集成電路Q1（XL58X22A）的動(dòng)作時(shí)間（毫秒級(jí)）快于熔斷器的熔斷時(shí)間，不至于使熔斷器動(dòng)作，以免經(jīng)常更換熔斷器。電子限流電路與保護(hù)器的電路一樣，主要是利用了集成電路Q1（XL58X22A）的過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)電路電流過(guò)大，即當(dāng)鋰電池集成保護(hù)電路U1(S-8261)的電壓檢測(cè)腳（2pin)的電壓超過(guò)其保護(hù)值后，U1(S-8261)的1pin(OD,放電控制FET門(mén)限連接管腳）輸出低電平，控制集成保護(hù)電路Q1動(dòng)作，關(guān)斷電路，不對(duì)外供電。

鋰電保護(hù)集成電路（圖2中的U1）的檢測(cè)電壓Vol1，一般是0.18 V（不同廠家不同型號(hào)的鋰電保護(hù)IC的值略有不同）；一般MOS的內(nèi)阻很小，這樣限流電流不大于熔斷器的瞬態(tài)熔斷電流，MOS管的內(nèi)阻+輔助電阻R3綜合后等效電阻R約0.14 Ω，于是限流電流為Vol1/R=0.18 V/0.14 Ω=1.29 A。

自恢復(fù)熔斷器(PTC)，標(biāo)稱保護(hù)電流0.75 A，當(dāng)電流超過(guò)標(biāo)稱電流時(shí)，高分子成份熱敏電阻發(fā)熱阻值急劇增大，阻斷電流，當(dāng)電流超過(guò)1.5 A時(shí)，基本完全阻斷。當(dāng)短路電流消除后，又恢復(fù)導(dǎo)通。限流電阻是3個(gè)1.5 Ω并聯(lián)，其等效電阻0.5 Ω，加電子限流電路的采樣電阻以及熔斷器(FU)和PCT的冷態(tài)電阻合計(jì)約0.2 Ω，總的等效電阻0.7 Ω，對(duì)應(yīng)鋰電礦燈電池4.2 V，其最大輸出電流=4.2/0.7=6.0 A，最大輸出功率=4.2×6.0=25.2 W，小于本安輸出功率33 W的要求。

采用3個(gè)1.5 Ω電阻并聯(lián)，等效值Ro為0.5 Ω，主要是分功率，使整體產(chǎn)品體積小，適用于礦燈電池盒，比選用單個(gè)大功率限流電阻好；熔斷器(FU)選用額定電流In為1 A，兼顧充電電流的要求，則每個(gè)限流電阻功率P為:

如果有短路或大電流過(guò)流發(fā)生，從反應(yīng)時(shí)間看，電子限流電路最先動(dòng)作（毫秒級(jí)），熔斷器（FU）和限流電阻還未發(fā)生被大電流損壞前，已經(jīng)保護(hù)。如果電子限流電路失效，則自恢復(fù)熔斷器(PTC)起動(dòng)，降低電流，當(dāng)過(guò)流解除后，PTC自動(dòng)恢復(fù)，起到保護(hù)熔斷器（FU）和限流電阻的作用。如果前兩級(jí)均失效，熔斷器（FU）動(dòng)作，切斷短路電路，實(shí)施短路保護(hù)。

3.2.3 本安電池組膠封

當(dāng)鋰電池內(nèi)部正負(fù)極板直接短路的罕見(jiàn)故障發(fā)生時(shí)，鋰電池內(nèi)阻在短路電流作用下，產(chǎn)生很大的熱效應(yīng)，電池內(nèi)部會(huì)急劇膨脹，導(dǎo)致電池盒破裂，火花外漏，引起瓦斯爆炸，此現(xiàn)象稱為電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象。由于鋰電池內(nèi)部電解液通常使用的溶劑為有機(jī)碳酸酯類化合物，具有高活性，極易燃燒。為解決這一問(wèn)題，要求鋰電池內(nèi)部的電解液添加阻燃劑，使活性化合物在發(fā)生熱失控現(xiàn)象時(shí)，只冒煙，不起火；同時(shí)，礦燈鋰電池應(yīng)采用內(nèi)、外電源盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將鋰電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象得到有效控制。生產(chǎn)過(guò)程中將整個(gè)鋰離子電池和本安保護(hù)電路一起澆封在內(nèi)盒中，形成膠封的本安電池組。膠封選用無(wú)腐蝕的彈性膠（如硅膠），被澆封的本安電池組產(chǎn)生的最高溫度不對(duì)膠造成任何使防爆型式失效的損壞。按照GB 3836.9-2010的7.4.4的規(guī)定，所有的電氣連接的接點(diǎn)、元件、電池均應(yīng)被澆封，澆封層厚度不應(yīng)小于3 mm；電池泄壓閥或鋁塑膜粘接位置不能澆封。電池組和保護(hù)電路的澆封是本安礦燈的關(guān)鍵工序，必須保證膠封質(zhì)量。

圖3 本安電池組澆封示意圖

本安電池組澆封，見(jiàn)圖3。礦燈電池槽主要由內(nèi)外兩個(gè)電源盒構(gòu)成，鋰離子電池、PTC、保護(hù)器、限流電路均澆封在內(nèi)層盒內(nèi)，正負(fù)電極由一次射注成型的接線端子引出。內(nèi)層電源盒采用耐高溫（熱變形溫度260℃）耐阻燃（V-0級(jí)）特制塑料材料；外層電源盒采用抗沖擊（沖擊強(qiáng)度≥20 J）抗靜電（表面電阻≤1 GΩ）特制塑料材料，電源盒內(nèi)部預(yù)留一定的緩沖空間，當(dāng)鋰電池內(nèi)部發(fā)生熱失控現(xiàn)象時(shí)，高溫高壓氣體將由內(nèi)盒擴(kuò)散到電池槽內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)有效隔離并冷卻，當(dāng)電源盒內(nèi)部壓力超過(guò)泄壓閥的設(shè)定值30 kPa時(shí)，泄壓閥打開(kāi)向電源盒外泄壓，不會(huì)導(dǎo)致本安電池組殼體的爆裂，同時(shí)保證電池槽中外泄的高溫高壓氣體不能點(diǎn)燃瓦斯爆炸。

4 本安礦燈的功能拓展

隨著煤礦企業(yè)信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷引入，礦燈作為一個(gè)具有蓄電池的，井下工作人員每人都必須佩戴的照明設(shè)備，越來(lái)越受到關(guān)注。本安礦燈在具備本質(zhì)安全性能的基礎(chǔ)上可以增加通訊或其他功能電路，實(shí)現(xiàn)礦燈的多功能拓展。信息化功能拓展可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音對(duì)講、短信互傳、圖片或視頻的采集和傳送；人員定位，跟蹤管理。數(shù)據(jù)采集功能可以實(shí)現(xiàn)人員所在地點(diǎn)的甲烷濃度檢測(cè)、環(huán)境溫度檢測(cè)、各種氣體濃度的檢測(cè)等。

本安信息礦燈由燈頭、本安電池槽、礦燈電纜、各種功能電路板（如人員定位卡電路）組成。其中各種功能電路可以裝在電池槽內(nèi)功能電路隔爆腔內(nèi)。本安信息礦燈電池槽結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4 本安信息礦燈電池槽結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

在本安礦燈的生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)配置滿足照度要求的LED光源，配置本安電池組、本安保護(hù)電路，膠封本安電池組，設(shè)置電池過(guò)充電或是短路時(shí)釋放氣體壓力的泄壓器件，同時(shí)考慮礦燈信息化功能拓展的需求，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、檢測(cè)，使所有技術(shù)參數(shù)均達(dá)到本質(zhì)安全的要求，將礦燈的防爆等級(jí)由防爆特殊型（ExsI）提升到本質(zhì)安全型（ExiaI）。