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、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。故國家要求該類產(chǎn)品必須由安標(biāo)國家礦用產(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，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，鋰電池配以過充、過放、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。隨著國家要求的不斷提高，礦燈的本安化勢在必行。

2 礦燈本安化技術(shù)要求

（1）本安礦燈應(yīng)符合國標(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，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題就是燈頭光源電路的本安問題和電池組的本安問題。

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）的過流保護(hù)功能，當(dāng)電路電流過大，即當(dāng)鋰電池集成保護(hù)電路U1(S-8261)的電壓檢測腳（2pin)的電壓超過其保護(hù)值后，U1(S-8261)的1pin(OD,放電控制FET門限連接管腳）輸出低電平，控制集成保護(hù)電路Q1動(dòng)作，關(guān)斷電路，不對外供電。

鋰電保護(hù)集成電路（圖2中的U1）的檢測電壓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)部壓力超過泄壓閥的設(shè)定值30 kPa時(shí)，泄壓閥打開向電源盒外泄壓，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)語音對講、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、環(huán)境溫度檢測、各種氣體濃度的檢測等。

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)，見圖4。

圖4 本安信息礦燈電池槽結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

在本安礦燈的生產(chǎn)過程中，通過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)過反復(fù)試驗(yàn)、檢測，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）。