張海鵬

【摘 要】本文通過分析礦燈的幾十年發(fā)展歷程，總結(jié)了不同時期使用的各類礦燈的優(yōu)缺點，對新型本質(zhì)安全型礦燈的設(shè)計和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對本安型礦燈的未來發(fā)展前景和應(yīng)用推廣進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】本質(zhì)安全型；礦燈；本安電池組件

0 引言

礦井下使用的電氣設(shè)備中，隨身攜帶的并且使用最為頻繁的恐怕就是礦燈了，作為礦用特殊型電氣設(shè)備的礦燈不知不覺在煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域的使用已歷經(jīng)了幾十年。從最初的燈泡式鉛酸礦燈及堿性礦燈逐步發(fā)展到今天的LED光源鋰電礦燈，礦燈在不同時期均發(fā)揮著重要的作用，但隨著防爆安全性能的提高和技術(shù)的不斷發(fā)展，新型本質(zhì)安全型礦燈的出現(xiàn)勢必會替代現(xiàn)有的礦燈而得到推廣和應(yīng)用。

1 礦燈的主要分類及優(yōu)缺點

目前，我國煤礦使用的礦燈，按蓄電池的性質(zhì)劃分主要有KS型礦燈（酸性礦燈）、KJ型礦燈（堿性礦燈）和KL型礦燈（鋰電礦燈）3種類型；國內(nèi)礦燈采用的光源通常有兩種類型：普通白熾燈泡和LED發(fā)光二極管。普通白熾燈泡由于耗電量大，易損壞，安全可靠性差，已基本被淘汰。LED光源比普通白熾燈泡顯示出了更多的優(yōu)勢而得到廣泛使用，如：安全性好，不易破碎，壽命較長，節(jié)省電能。

KS型礦燈（鉛酸礦燈）是國內(nèi)應(yīng)用最早的礦燈類型，原貴陽礦燈廠、撫順礦燈廠等國內(nèi)六大礦燈廠基本上包攬了全國煤礦使用礦燈的生產(chǎn)和銷售，那時期的鉛酸蓄電池生產(chǎn)線的發(fā)展空前的成熟和完善。但由于鉛酸蓄電池自身生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高、體積大等原因慢慢淡出煤礦使用領(lǐng)域。然而鉛酸電池自身具有的自放電小、壽命長、安全可靠、使用方便、無污染等優(yōu)良特性，還仍在其他行業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模地使用。

KJ型礦燈的存在自始至終使用的規(guī)模不是很大，其優(yōu)點為鎳氫電池具有能量密度大、環(huán)保性能好、無污染、使用壽命長的特點；其缺點是受電池的結(jié)構(gòu)及工藝的制約，過充電可能會造成電池內(nèi)壓過高使電池安全閥開啟，導(dǎo)致電池漏液，電池性能下降、失效，嚴(yán)重時甚至?xí)痣姵氐耐鈿ぷ冃?、爆炸?/p>

KL型礦燈是近幾年發(fā)展最為迅猛的礦燈產(chǎn)業(yè)，最昌盛時國內(nèi)礦燈生產(chǎn)企業(yè)一度達(dá)到400余家，是目前應(yīng)用最為廣泛的礦燈。其優(yōu)點是鋰離子電池具有免維護(hù)程度高，體積小、能量密度高、輸出電壓高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點；其缺點是礦燈在使用過程中，若遇高溫環(huán)境、過充電、針刺、擠壓、碰撞等情況都可能使電池出現(xiàn)外部短路、內(nèi)部短路、隔膜被穿透或內(nèi)部大電流等故障，從而引發(fā)電池內(nèi)部的溫度上升，導(dǎo)致隔膜熔化、電池燃燒或爆炸的現(xiàn)象。

雖說三種類型的礦燈均存在優(yōu)缺點，但隨著礦燈生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)和工藝水平的不斷發(fā)展，電池自身的安全性能也在不斷提高。舉例來說，過去鋰電池內(nèi)部偶爾會產(chǎn)生“晶枝”，其強度足以刺穿正負(fù)極隔膜，會發(fā)生電池內(nèi)部短路產(chǎn)生局部高溫，促進(jìn)電解液進(jìn)一步化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生爆炸、噴液或是起火的現(xiàn)象，現(xiàn)在可通過鋰電池內(nèi)部添加導(dǎo)電劑，提高反應(yīng)深度和利用率，可避免“晶枝”的產(chǎn)生，減少電池內(nèi)部因局部短路而產(chǎn)生的高溫和爆炸 。

2 新型本質(zhì)安全型礦燈

2.1 本質(zhì)安全型礦燈的推廣優(yōu)勢

隨著礦燈的發(fā)展和應(yīng)用的需要，本質(zhì)安全型礦燈（包括信息化多功能礦燈）的概念應(yīng)運而生。眾所周之，從防爆安全角度出發(fā)，現(xiàn)有礦燈的防爆型式通常為“礦用特殊型”，相對于其他的防爆型式如“”本質(zhì)安全型、“隔爆型”等電氣設(shè)備，礦燈的安全性能大打折扣，但由于礦燈使用的必要性，相關(guān)的安全檢測部門通過多方面的考慮和制約，才使“礦用特殊性”礦燈的發(fā)展和應(yīng)用走到了今天，當(dāng)?shù)V燈可以設(shè)計成“本質(zhì)安全型”礦燈時，勢必會逐步受到國家局、安標(biāo)國家中心等權(quán)威部門的廣泛關(guān)注和大力提倡，最終會影響到礦燈的進(jìn)一步更新和推廣應(yīng)用。

多功能信息化礦燈是本安礦燈下一步的發(fā)展方向，它是指集標(biāo)識卡、自救器、呼叫通信等多功能為一體的本質(zhì)安全型礦燈，可減少下礦時礦工自身的負(fù)重量。相信在技術(shù)成熟和使用條件充分的條件下，此類功能型礦燈也應(yīng)會得到大力推廣和應(yīng)用。

2.2 本質(zhì)安全型礦燈的設(shè)計思想

“本質(zhì)安全型礦燈”顧名思義，就是所有內(nèi)部電路可以達(dá)到本安要求的礦燈，即本安型產(chǎn)品的設(shè)計，必須從限制能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個允許的范圍內(nèi)，以保證在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞的故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不至于引起周圍可能存在危險氣體爆炸。如何設(shè)計本安型礦燈，應(yīng)從以下幾個方面入手：

2.2.1 本安電池組件的設(shè)計

無論是鋰電池還是堿性電池，由于自身內(nèi)阻小的原因其直接短路電流都十分大（10A以上），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的單體電池的峰值開路電壓低于4.5V，功率小于33W可不要求進(jìn)行火花點燃試驗的要求。如果不加限流保護(hù)的話，自身火花點燃能力肯定達(dá)不到本質(zhì)安全型的要求，因此，電池自身本安處理至關(guān)重要。

電池的本安處理就是在輸出電壓一定的條件下，通過可靠限流的措施把電池或是電池組的輸出電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)并通過環(huán)氧樹脂灌封后組成本安電池組件的方法以達(dá)到本質(zhì)安全的要求。通常的做法分為以下三種方式：

（2）串聯(lián)兩級過流保護(hù)電路的方式：類似本安電源的處理方式，在電池或是電池組外串接兩級過流保護(hù)電路進(jìn)行本安處理（如圖2所示）。但注意半導(dǎo)體器件的選擇應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)本安元器件電壓、電流和功率的2/3的要求。

通過對上述三種鋰電池本安處理保護(hù)方式的比較，第一種保護(hù)方式是最安全可靠的，但缺點是電阻功率高，體積大，并有輸出壓降及電阻損耗，對整機的工作時間有很大影響。第二種保護(hù)方式，輸出壓降小，損耗功率低，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出的電壓和電流，但半導(dǎo)體保護(hù)器件只能應(yīng)用于Mb保護(hù)等級的危險場所，不能應(yīng)用于Ma保護(hù)等級的場所。第三種方式現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛，在保留短路保護(hù)板和PTC的情況下，使用不可恢復(fù)式保險絲和限流電阻（通常選擇大于0.5Ω）復(fù)合保護(hù)的方式，可以避免電阻功率過大導(dǎo)致體積過大的問題，但同時不可避免也存在有少量的輸出壓降和電阻損耗的弊端，影響工作時間?？傊髽I(yè)可以根據(jù)實際情況選用合適的保護(hù)方式以達(dá)到電池組件的本質(zhì)安全要求。

2.2.2 本安電路的設(shè)計

根據(jù)GB3836.4-2010的規(guī)定，應(yīng)對影響本安性能的部件或回路的電壓、電流進(jìn)行確認(rèn)和分析，并進(jìn)行評定，僅用半導(dǎo)體和可控半導(dǎo)體器進(jìn)行限流保護(hù)的設(shè)備不能能判定為“ia”等級。對于與本質(zhì)安全有關(guān)的元件的額定值應(yīng)滿GB3836.4-2010中7.1條的要求，如限流電阻（電阻應(yīng)為：繞線電阻，薄膜電阻，印制電阻器）、電源芯片、半導(dǎo)體限流電路中的采樣比較電路、MOS管、三極管、半導(dǎo)體限壓電路中的齊納二極管、可控硅等。

電容的評定：計算各電壓等級在ia，ib施加技術(shù)故障和非技術(shù)故障情況下的最大電容，按照GB3836.4-2010的附錄的曲線進(jìn)行評定，使之滿足安全系數(shù)≥1.5的要求，當(dāng)電容按照GB3836.4-2010附錄F串聯(lián)電阻進(jìn)行降低安全系數(shù)時，電阻和電容必須澆封為一整體；礦燈電池最高輸出電壓為4.2V，如果內(nèi)部沒有升壓器件，從安全角度出發(fā)基本上電容可不考慮。

電感的評定：計算各電流等級在ia，ib施加技術(shù)故障和非技術(shù)故障情況下的最大電感，按照GB3836.4-2010的附錄的曲線進(jìn)行評定，使之滿足安全系數(shù)≥1.5的要求，當(dāng)電感并聯(lián)二極管時，電感必須和二極管澆封為一整體。

電氣間隙和爬電距離的評定：本安電路中裸露的接線端子及本安電路涂層下的電氣間隙和爬電距離應(yīng)滿足GB3836.4-2010中表5的要求。

最高表面溫度評定：本安電路中所有元器件或?qū)Ь€的最高表面溫度須不大于所規(guī)定的最高溫度的要求，以避免熱效應(yīng)點燃爆炸性氣體混合物。限制元器件或?qū)Ь€的最高表面溫度一般是通過電路中元器件有足夠的功率，連接導(dǎo)線應(yīng)有足夠截面來限制熱效應(yīng)的產(chǎn)生。

3 本質(zhì)安全型礦燈特殊注意事項

（1）從安標(biāo)管理角度出發(fā)，本安型礦燈既可以做成Ma保護(hù)等級的，也可以做成Mb保護(hù)等級的。但從應(yīng)用范圍和發(fā)展的角度出發(fā)，礦燈的本安設(shè)計最好從開始就按照Ma等級的要求進(jìn)行，以避免Mb等級使用場所受限的問題。

（2）鋰電池的澆封處理應(yīng)考慮到軟包裝鋰電池的鼓脹問題，從安全角度考慮，在鋰電池澆封進(jìn)行前，鋰電池外部應(yīng)纏繞幾圈伸縮膠帶以留出電池正常膨脹的空間。

（3）澆封電池時應(yīng)注意排氣孔的預(yù)留，可實現(xiàn)電池過充電或是短路時釋放氣體壓力的排放。

（4）電池組件必須澆封，使用過程中不能拆裝，注意防止短接，使用維護(hù)過程中應(yīng)實現(xiàn)整體更換。

4 結(jié)論

隨著本質(zhì)安全型礦燈及信息化多功能礦燈的出現(xiàn)，以及國家局和安標(biāo)國家中心相關(guān)部門的大力支持，現(xiàn)階段大量使用的鋰電池礦燈以及堿性礦燈等會隨著時間的推移淡出歷史舞臺，相信礦燈的新一輪發(fā)展將會迎來更為廣闊的天地。

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[責(zé)任編輯：劉展]