淺談新型本質安全型礦燈的推廣與應用

張海鵬

【摘 要】本文通過分析礦燈的幾十年發展歷程，總結了不同時期使用的各類礦燈的優缺點，對新型本質安全型礦燈的設計和應用進行了詳細闡述，并對本安型礦燈的未來發展前景和應用推廣進行了展望。

【關鍵詞】本質安全型；礦燈；本安電池組件

0 引言

礦井下使用的電氣設備中，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備的礦燈不知不覺在煤礦安全生產領域的使用已歷經了幾十年。從最初的燈泡式鉛酸礦燈及堿性礦燈逐步發展到今天的LED光源鋰電礦燈，礦燈在不同時期均發揮著重要的作用，但隨著防爆安全性能的提高和技術的不斷發展，新型本質安全型礦燈的出現勢必會替代現有的礦燈而得到推廣和應用。

1 礦燈的主要分類及優缺點

目前，我國煤礦使用的礦燈，按蓄電池的性質劃分主要有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；國內礦燈采用的光源通常有兩種類型：普通白熾燈泡和LED發光二極管。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勢而得到廣泛使用，如：安全性好，不易破碎，壽命較長，節省電能。

KS型礦燈（鉛酸礦燈）是國內應用最早的礦燈類型，原貴陽礦燈廠、撫順礦燈廠等國內六大礦燈廠基本上包攬了全國煤礦使用礦燈的生產和銷售，那時期的鉛酸蓄電池生產線的發展空前的成熟和完善。但由于鉛酸蓄電池自身生產工藝復雜，成本高、體積大等原因慢慢淡出煤礦使用領域。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、無污染等優良特性，還仍在其他行業領域大規模地使用。

KJ型礦燈的存在自始至終使用的規模不是很大，其優點為鎳氫電池具有能量密度大、環保性能好、無污染、使用壽命長的特點；其缺點是受電池的結構及工藝的制約，過充電可能會造成電池內壓過高使電池安全閥開啟，導致電池漏液，電池性能下降、失效，嚴重時甚至會引起電池的外殼變形、爆炸。

KL型礦燈是近幾年發展最為迅猛的礦燈產業，最昌盛時國內礦燈生產企業一度達到400余家，是目前應用最為廣泛的礦燈。其優點是鋰離子電池具有免維護程度高，體積小、能量密度高、輸出電壓高、循環壽命長、環境污染小等優點；其缺點是礦燈在使用過程中，若遇高溫環境、過充電、針刺、擠壓、碰撞等情況都可能使電池出現外部短路、內部短路、隔膜被穿透或內部大電流等故障，從而引發電池內部的溫度上升，導致隔膜熔化、電池燃燒或爆炸的現象。

雖說三種類型的礦燈均存在優缺點，但隨著礦燈生產企業技術和工藝水平的不斷發展，電池自身的安全性能也在不斷提高。舉例來說，過去鋰電池內部偶爾會產生“晶枝”，其強度足以刺穿正負極隔膜，會發生電池內部短路產生局部高溫，促進電解液進一步化學反應而發生爆炸、噴液或是起火的現象，現在可通過鋰電池內部添加導電劑，提高反應深度和利用率，可避免“晶枝”的產生，減少電池內部因局部短路而產生的高溫和爆炸 。

2 新型本質安全型礦燈

2.1 本質安全型礦燈的推廣優勢

隨著礦燈的發展和應用的需要，本質安全型礦燈（包括信息化多功能礦燈）的概念應運而生。眾所周之，從防爆安全角度出發，現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“”本質安全型、“隔爆型”等電氣設備，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”礦燈的發展和應用走到了今天，當礦燈可以設計成“本質安全型”礦燈時，勢必會逐步受到國家局、安標國家中心等權威部門的廣泛關注和大力提倡，最終會影響到礦燈的進一步更新和推廣應用。

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

2.2 本質安全型礦燈的設計思想

“本質安全型礦燈”顧名思義，就是所有內部電路可以達到本安要求的礦燈，即本安型產品的設計，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，以保證在正常工作或發生短接和元器件損壞的故障情況下產生的電火花和熱效應不至于引起周圍可能存在危險氣體爆炸。如何設計本安型礦燈，應從以下幾個方面入手：

2.2.1 本安電池組件的設計

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

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定的范圍內并通過環氧樹脂灌封后組成本安電池組件的方法以達到本質安全的要求。通常的做法分為以下三種方式：

（2）串聯兩級過流保護電路的方式：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電路進行本安處理（如圖2所示）。但注意半導體器件的選擇應滿足標準本安元器件電壓、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方式的比較，第一種保護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。第二種保護方式，輸出壓降小，損耗功率低，可根據需要調節輸出的電壓和電流，但半導體保護器件只能應用于Mb保護等級的危險場所，不能應用于Ma保護等級的場所。第三種方式現在應用比較廣泛，在保留短路保護板和PTC的情況下，使用不可恢復式保險絲和限流電阻（通常選擇大于0.5Ω）復合保護的方式，可以避免電阻功率過大導致體積過大的問題，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。總之，企業可以根據實際情況選用合適的保護方式以達到電池組件的本質安全要求。

2.2.2 本安電路的設計

根據GB3836.4-2010的規定，應對影響本安性能的部件或回路的電壓、電流進行確認和分析，并進行評定，僅用半導體和可控半導體器進行限流保護的設備不能能判定為“ia”等級。對于與本質安全有關的元件的額定值應滿GB3836.4-2010中7.1條的要求，如限流電阻（電阻應為：繞線電阻，薄膜電阻，印制電阻器）、電源芯片、半導體限流電路中的采樣比較電路、MOS管、三極管、半導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施加技術故障和非技術故障情況下的最大電容，按照GB3836.4-2010的附錄的曲線進行評定，使之滿足安全系數≥1.5的要求，當電容按照GB3836.4-2010附錄F串聯電阻進行降低安全系數時，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，如果內部沒有升壓器件，從安全角度出發基本上電容可不考慮。

電感的評定：計算各電流等級在ia，ib施加技術故障和非技術故障情況下的最大電感，按照GB3836.4-2010的附錄的曲線進行評定，使之滿足安全系數≥1.5的要求，當電感并聯二極管時，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導線的最高表面溫度須不大于所規定的最高溫度的要求，以避免熱效應點燃爆炸性氣體混合物。限制元器件或導線的最高表面溫度一般是通過電路中元器件有足夠的功率，連接導線應有足夠截面來限制熱效應的產生。

3 本質安全型礦燈特殊注意事項

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

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

（3）澆封電池時應注意排氣孔的預留，可實現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，使用維護過程中應實現整體更換。

4 結論

隨著本質安全型礦燈及信息化多功能礦燈的出現，以及國家局和安標國家中心相關部門的大力支持，現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展將會迎來更為廣闊的天地。

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[責任編輯：劉展]