礦燈本安化過程中的問題及處理對策

侯中寅

（淄博愛科工礦機(jī)械有限公司，淄博 255120）

礦燈是煤礦井下作業(yè)過程中必不可少的裝備，對提升工作效率有著十分重要的作用。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，礦燈已經(jīng)不是單一的照明工具，還能檢測地下的甲烷，同時具有定位功能，可避免人員丟失。工人在開展礦井作業(yè)的時候，必須佩戴礦燈。礦燈質(zhì)量的好壞對礦井安全生產(chǎn)具有決定作用。

1 礦燈的發(fā)展背景和使用現(xiàn)狀

我國的礦燈事業(yè)發(fā)展歷史悠久。19 世紀(jì)60 年代，上海煤研所、礦燈廠和撫順礦燈廠聯(lián)合研發(fā)了KS8 型礦燈。19世紀(jì)六七十年代是我國礦燈事業(yè)的起步階段，在此期間完成了礦燈事業(yè)從無到有的飛躍。19 世紀(jì)八九十年代，礦燈事業(yè)迎來了發(fā)展新階段。在這個階段，礦燈在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，促使KS8 型單絲礦燈問世。它質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，受到了廣泛好評。19 世紀(jì)90 年代至今，鎳氫礦燈、鋰電礦燈等各種新型礦燈應(yīng)用廣泛。

從目前我國礦井作業(yè)的實際情況來看，大部分使用的礦燈類型都是ExSI 型。這種類型的礦燈在光源和電池等關(guān)鍵部位都存在一定的安全隱患，達(dá)不到國家的規(guī)定要求。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，錳酸鋰離子電池在礦燈領(lǐng)域的使用越來越廣泛，大大提升了礦燈的安全性。最新的LED 冷光源技術(shù)改善了礦燈光源，使礦燈達(dá)到了礦用本質(zhì)安全型的防爆要求。

2 礦燈本安化的技術(shù)要求

本安礦燈應(yīng)該符合國家的相關(guān)規(guī)定，滿足國家規(guī)定的防爆要求，保證工作人員的人身安全。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，本安電池必須安裝在帶有電池槽的內(nèi)盒中。礦燈的保護(hù)器需要滿足MT/T 395—2007 標(biāo)準(zhǔn)，錳酸鋰離子電池需要符合MT/T 1051—2007 標(biāo)準(zhǔn)[1]。本安電池組在原來的基礎(chǔ)上增加了PTC 限流電路，能夠增加電路的阻值，進(jìn)一步延長了充電時間。

3 礦燈本安化的解決方案

3.1 光源電路本安化

光源電路本安化采用LED 冷光源。該光源功率低，供電電壓穩(wěn)定在3.7V，輸出電流為60mA。使用過程中，它的散熱量小，光源的溫度較低。低電壓和低電流能夠最大程度上避免電路出現(xiàn)短路，確保在地下工作的時候不會因為光源溫度太高而引發(fā)瓦斯爆炸[2]。本安礦燈放電特性見表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

本安電池組的電氣原理見圖1。鋰電池組和本安保護(hù)電路共同組成了本安電池組。雙重保護(hù)能夠提升本安電池組的安全性。本安保護(hù)電路由PTC、礦燈保護(hù)器及電流保護(hù)系統(tǒng)組成。在保證光源能夠正常使用的前提下，保護(hù)系統(tǒng)的各個部位都處于導(dǎo)通狀態(tài)，且電路內(nèi)部的電阻比較低。如果礦燈光源發(fā)生故障或者電路出現(xiàn)短路情況，限流器會先進(jìn)入工作狀態(tài)，而器件內(nèi)部會自動升高電阻值，把電流限制在200 mA 以下，以防短路造成人員受傷。如果在使用過程中出現(xiàn)限流器故障，保護(hù)器會第一時間取代限流器的工作，停止礦燈內(nèi)部的供電系統(tǒng)。如果碰上極端條件如兩個問題同時出現(xiàn)，PTC 將是最后一道關(guān)卡。PTC 內(nèi)部電阻值會迅速上升，控制短路電流。如果上述所有部件全部發(fā)生故障或者失效，熔斷器就會斷裂，從而保護(hù)整個電路系統(tǒng)的安全[3]。因此，本安電池組的安全性非常高，在煤礦礦燈中的應(yīng)用廣泛。

圖1 本安電池組電氣原理圖

3.2.2 設(shè)計本安保護(hù)電路

本安保護(hù)電路一般使用CMOS 器件，采用了三級保護(hù)設(shè)計。按照GB 3836.4—2010 的10.5.3 章節(jié)相關(guān)規(guī)定，錳酸鋰離子電池的最大輸出電壓和瞬時電流的乘積不能超過33W，否則存在一定的危險。錳酸鋰離子電池的最大輸出電壓應(yīng)該控制在4.1V 以下，最高電流不高于7.7A。本安保護(hù)電路的工作原理見圖2。

保護(hù)器、PTC、電阻及內(nèi)部熔斷器等多個小部件共同組成了本安保護(hù)電路系統(tǒng)。礦燈保護(hù)器主要采用的標(biāo)準(zhǔn)件是BK3L（A）[4]。限流器的主要作用是控制電流所產(chǎn)生的能量，使得能量不足以引爆地下瓦斯，從而保證人員安全。如果突然出現(xiàn)較大電流，電子限流集成電路的反應(yīng)時間要比熔斷器的時間快，能夠減少更換熔斷器的情況。限流電路和保護(hù)器電路類似，如果瞬時電流過大超過了保護(hù)值，保護(hù)電路將發(fā)揮其特有的作用，關(guān)閉整條電路，不再對外供電，起到保護(hù)作用。

鋰電保護(hù)集成電路的檢查電壓一般都在0.18V 左右。不同型號的鋰電池電壓不同，但是差異不大。一般來說，MOS 的內(nèi)置電阻很小，MOS 的內(nèi)阻+輔助電阻綜合后的電阻大約在0.14 Ω。結(jié)合以上各個電阻值，可以計算限流電流為V/R=0.18 V/0.14 Ω=1.29 A。

PTC（自恢復(fù)熔斷器）的保護(hù)電流是0.75 A。如果電流太大超過了標(biāo)稱電流，PTC 就會阻斷電流；當(dāng)電流大于1.5 A，PTC 會完全阻斷[5]。

3.2.3 本安電池組膠封

一般不會出現(xiàn)正負(fù)極板短路的情況。如果工作人員在使用礦燈的過程中出現(xiàn)正負(fù)極板短路時，鋰電池會急劇發(fā)熱，礦燈電池會急劇膨脹出現(xiàn)形變進(jìn)而撐破電池盒，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)火花外漏而引發(fā)瓦斯爆炸而造成嚴(yán)重后果。這種由正負(fù)極短路而出現(xiàn)火花的現(xiàn)象在業(yè)內(nèi)被稱作電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象[6]。一般來說，鋰電池中有電解液。這類液體的活性非常高，具有易燃易爆特性。為了解決這個問題，需要對鋰電池的電解液進(jìn)行創(chuàng)新和改造。具體的，在其中加入適當(dāng)?shù)淖枞紕?，就可以使鋰電池在出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象時只冒煙不起火，降低引發(fā)瓦斯爆炸而出現(xiàn)人員傷亡的風(fēng)險。同時，可以采用內(nèi)外電源盒的設(shè)計結(jié)構(gòu)來避免鋰電池出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。在鋰電池生產(chǎn)過程中，可以把電池和本安保護(hù)電路一起澆封在內(nèi)盒中。澆封過程中需要注意，本安電池組所產(chǎn)生的最高溫度不能損壞膠[7]。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，本安電池組應(yīng)該在電氣接點、原件及電池處應(yīng)該實行澆封處理，澆層的厚度要大于3mm。作為本安礦燈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電池組和保護(hù)電路的澆封工作一定要保質(zhì)保量完成，避免出現(xiàn)任何形式的安全問題。澆封示意圖如圖3 所示。

圖2 本安保護(hù)電路工作原理圖

圖3 本安電池組澆封示意圖

4 本安礦燈的功能拓展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息化技術(shù)也應(yīng)用到了煤礦企業(yè)。礦燈作為工作人員的必備裝備受關(guān)注。本安礦燈在照明功能的基礎(chǔ)上，最大程度上實現(xiàn)了語音對講、信息交流、照片或視頻采集、人員定位以及礦石檢測等功能[8]。結(jié)合具體的煤礦工作需要，可以在本安礦燈中安裝不同種類的功能電路板，極大地滿足了工作人員的地下需要，從而保證工作順利開展。

5 結(jié)語

本安礦燈生產(chǎn)時應(yīng)按照國家規(guī)定的要求安裝LED 光源，配置電池組和保護(hù)電路，同時做好澆封工作，保護(hù)電池組的安全性，還可以利用信息技術(shù)拓展礦燈的其他功能。此外，要通過不斷的試驗和檢測，使礦燈的所有功能部件符合國家規(guī)定，確保其質(zhì)量經(jīng)得起嚴(yán)格檢驗。