本質安全型礦燈設計

摘要：近年來，科學技術的發展及人們安全意識及要求的提高。本質安全型礦燈的定義已被人們提出。本質安全即為從產品自身來講，發生失效或故障時不可能引起其它相關聯的產品及周圍環境的失效、故障及事故。本文主要論述本質安全型礦燈的結構設計、相關聯零組件的設計等。從設計到試驗驗證的角度分析本安安全型礦燈具備生產制造的要求，滿足標準要求，可以市場推廣運用。

關鍵詞：本質安全型；礦燈；防爆型式；故障；設計

隨著礦燈的發展和應用的需要，本質安全型礦燈的概念應運而生，逐步受到國家安監總局、安標國家中心等權威部門的廣泛關注和大力提倡，并明確寫入了煤礦安全規程要求高瓦斯及瓦斯突出礦井應采用本安型礦燈。

從防爆安全角度出發，礦燈的防爆型式為“礦用特殊型”，相對于其他的防爆型式如“本質安全型”、“隔爆型”等電氣設備，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”礦燈的發展和應用到了今天。因此，當礦燈可以設計成“本質安全型”礦燈時 ，從管理、設計、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非常大（10A以上），遠遠超過GB3836.1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電池組的輸出電流限制在規定的范圍內，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個不可恢復式的保險管的復合保護的本安處理。其中，電阻的功率應滿足：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，此種結構幾乎不被采用。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等級。第三種保護方式現在應用比較廣泛，亦可應用于Ma等級，該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，需要對充電系統進行相應的調整。

2 本安電路的設計

按照GB3836.4在線路板設計上應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下，其本安性能也應達到要求。

（1） 從應用范圍和安全的角度出發礦燈的本安設計應按照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，復合保護的本安處理。

（2） 鋰電池的澆封處理應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，鋰電池外部應留出電池正常膨脹的物理空間。

（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。

3 排氣結構的設計

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，蓄電池槽內氣體壓力應不大于30kPa。這一組數據的對立性給設計造成了較大的障礙。

（1）考慮單向排氣，可設置單獨的泄氣閥，或排氣栓等。這些方法對其原有結構改動較大，并且增大結構的復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，當內壓達到規定值時，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 試驗檢驗要求及結果

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

通過相關的試驗與檢驗，產品基本性能與安全性能完全滿足標準要求，按此設計思路所開發的產品目前已通過國家權威部門的檢驗，其產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準 GB3836.1-2010《爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》

【2】北京電光源研究所，北京照明學會著，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，畢業于中國礦業大學機械及自動化專業，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計與制造，負責產品設計、品質及生產管理相關工作。