本質(zhì)安全型礦燈設(shè)計

摘要：近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人們安全意識及要求的提高。本質(zhì)安全型礦燈的定義已被人們提出。本質(zhì)安全即為從產(chǎn)品自身來講，發(fā)生失效或故障時不可能引起其它相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品及周圍環(huán)境的失效、故障及事故。本文主要論述本質(zhì)安全型礦燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計、相關(guān)聯(lián)零組件的設(shè)計等。從設(shè)計到試驗驗證的角度分析本安安全型礦燈具備生產(chǎn)制造的要求，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以市場推廣運用。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全型；礦燈；防爆型式；故障；設(shè)計

隨著礦燈的發(fā)展和應(yīng)用的需要，本質(zhì)安全型礦燈的概念應(yīng)運而生，逐步受到國家安監(jiān)總局、安標(biāo)國家中心等權(quán)威部門的廣泛關(guān)注和大力提倡，并明確寫入了煤礦安全規(guī)程要求高瓦斯及瓦斯突出礦井應(yīng)采用本安型礦燈。

從防爆安全角度出發(fā)，礦燈的防爆型式為“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，礦燈的安全性能都未能符合防爆要求。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測試，才使“礦用特殊型”礦燈的發(fā)展和應(yīng)用到了今天。因此，當(dāng)?shù)V燈可以設(shè)計成“本質(zhì)安全型”礦燈時 ，從管理、設(shè)計、制造、使用等多方面分析，將形成一種必然趨勢。

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非常大（10A以上），遠遠超過GB3836.1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可不進行火花點燃試驗的要求。如果不加限流保護，自身火花點燃能力肯定達不到本質(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電池組的輸出電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，并通過電子灌封膠把電池及限流元器件灌封后組成本安電池組件。限流元器件設(shè)計的原理大體可分以下三種方式。

（1） 在電池或是電池組外串聯(lián)功率滿足要求的可靠限流電阻進行本安處理限流電阻。其中電阻功率應(yīng)滿足：W≥1.5I2R。

（2） 在電池或是電池組外串接兩級過流保護電路措施進行本安處理，類似本安電源的處理方式。

（3） 在電池或是電池組外同時串接1個限流電阻和1個不可恢復(fù)式的保險管的復(fù)合保護的本安處理。其中，電阻的功率應(yīng)滿足：W≥1.5×1.7I2R。

上述三種保護方式第一種保護方式是最安全可靠的，可應(yīng)用于Ma等級即具有很高的保護級別；但缺點是電阻自身的功率要求高，電阻體積大占用空間，有輸出壓降，電阻損耗功率大，對整機的工作時間有很大影響。因此，此種結(jié)構(gòu)幾乎不被采用。第二種保護方式，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)體保護器件只能應(yīng)用于Mb等級。第三種保護方式現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛，亦可應(yīng)用于Ma等級，該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輸出壓降和電阻損耗的弊端，影響工作時間。對蓄電池充電時間有一定影響，需要對充電系統(tǒng)進行相應(yīng)的調(diào)整。

2 本安電路的設(shè)計

按照GB3836.4在線路板設(shè)計上應(yīng)滿足本安元器件選擇的要求以及電氣間隙和爬電距離的要求，并且在考慮故障的狀態(tài)下，其本安性能也應(yīng)達到要求。

（1） 從應(yīng)用范圍和安全的角度出發(fā)礦燈的本安設(shè)計應(yīng)按照Ma等級的要求進行，以避免Mb等級使用場所受限的問題。通常情況下，采用雙重保護，復(fù)合保護的本安處理。

（2） 鋰電池的澆封處理應(yīng)考慮到硬殼包裝的泄壓問題，軟包裝鋰電池的膨脹問題，從安全考慮，在鋰電池澆封進行前，鋰電池外部應(yīng)留出電池正常膨脹的物理空間。

（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。

3 排氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計

按MT 1162.1-2011《礦燈 第1部分：通用要求》要求蓄電池外殼防護等級不能低于IP54，蓄電池槽內(nèi)氣體壓力應(yīng)不大于30kPa。這一組數(shù)據(jù)的對立性給設(shè)計造成了較大的障礙。

（1）考慮單向排氣，可設(shè)置單獨的泄氣閥，或排氣栓等。這些方法對其原有結(jié)構(gòu)改動較大，并且增大結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用的不方便性。

（2）薄弱點泄氣的方法如下圖，采用密封膠柔性，在密封口開一切口，其切口的寬度通過氣壓測試確定，當(dāng)內(nèi)壓達到規(guī)定值時，密封膠被壓縮后形成泄氣口。如受外部灰塵或濺水的影響，因為其密封間隙在大于0.2mm，不可能引起密封膠圈的變形。

4 試驗檢驗要求及結(jié)果

本質(zhì)安全型礦燈除其基本產(chǎn)品性能符合要求外。其帶電電路與外殼之間絕緣電阻常態(tài)下應(yīng)不小于10ΜΩ。帶電電路與外殼之間常態(tài)和交變濕熱試驗后能承受交流50Hz、500V、歷時1min的耐壓試驗，無擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象，漏電電流不大于5mA。

通過相關(guān)的試驗與檢驗，產(chǎn)品基本性能與安全性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，按此設(shè)計思路所開發(fā)的產(chǎn)品目前已通過國家權(quán)威部門的檢驗，其產(chǎn)品已向市場推廣與運用。

參考文獻

【1】中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》

【2】北京電光源研究所，北京照明學(xué)會著，電光源實用手冊，中國物資出版社，2005。

作者簡介：靳盛，男，漢族，出生年月1976年10月，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)機械及自動化專業(yè)，工程師，工作單位：貴州黔聚源光電科技有限公司。1998年參加工作以來一直從事照明燈具的設(shè)計與制造，負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計、品質(zhì)及生產(chǎn)管理相關(guān)工作。