本质安全型矿灯设计

摘要：近年来，科学技术的发展及人们安全意识及要求的提高。本质安全型矿灯的定义已被人们提出。本质安全即为从产品自身来讲，发生失效或故障时不可能引起其它相关联的产品及周围环境的失效、故障及事故。本文主要论述本质安全型矿灯的结构设计、相关联零组件的设计等。从设计到试验验证的角度分析本安安全型矿灯具备生产制造的要求，满足标准要求，可以市场推广运用。

关键词：本质安全型；矿灯；防爆型式；故障；设计

随着矿灯的发展和应用的需要，本质安全型矿灯的概念应运而生，逐步受到国家安监总局、安标国家中心等权威部门的广泛关注和大力提倡，并明确写入了煤矿安全规程要求高瓦斯及瓦斯突出矿井应采用本安型矿灯。

从防爆安全角度出发，矿灯的防爆型式为“矿用特殊型”，相对于其他的防爆型式如“本质安全型”、“隔爆型”等电气设备，矿灯的安全性能都未能符合防爆要求。但由于矿灯使用的必要性，相关的安全检测部门通过多方面的考虑和测试，才使“矿用特殊型”矿灯的发展和应用到了今天。因此，当矿灯可以设计成“本质安全型”矿灯时 ，从管理、设计、制造、使用等多方面分析，将形成一种必然趋势。

1 本安电池组件的设计

无论是锂电池还是碱性电池，由于自身内阻小的原因其直接短路电流都非常大（10A以上），远远超过GB3836.1标准中规定的单体电池的峰值开路电压低于4.5V，功率小于33W可不进行火花点燃试验的要求。如果不加限流保护，自身火花点燃能力肯定达不到本质安全型的要求，因此，电池自身本安处理至关重要。

电池的本安处理就是在输出电压一定的条件下，通过可靠限流的措施把电池或电池组的输出电流限制在规定的范围内，并通过电子灌封胶把电池及限流元器件灌封后组成本安电池组件。限流元器件设计的原理大体可分以下三种方式。

（1） 在电池或是电池组外串联功率满足要求的可靠限流电阻进行本安处理限流电阻。其中电阻功率应满足：W≥1.5I2R。

（2） 在电池或是电池组外串接两级过流保护电路措施进行本安处理，类似本安电源的处理方式。

（3） 在电池或是电池组外同时串接1个限流电阻和1个不可恢复式的保险管的复合保护的本安处理。其中，电阻的功率应满足：W≥1.5×1.7I2R。

上述三种保护方式第一种保护方式是最安全可靠的，可应用于Ma等级即具有很高的保护级别；但缺点是电阻自身的功率要求高，电阻体积大占用空间，有输出压降，电阻损耗功率大，对整机的工作时间有很大影响。因此，此种结构几乎不被采用。第二种保护方式，输出压降小，损耗功率低，可根据需要调节输出的电压和电流，但半导体保护器件只能应用于Mb等级。第三种保护方式现在应用比较广泛，亦可应用于Ma等级，该方式可以避免电阻功率过大导致体积过大的问题，但同时不可避免也存在有输出压降和电阻损耗的弊端，影響工作时间。对蓄电池充电时间有一定影响，需要对充电系统进行相应的调整。

2 本安电路的设计

按照GB3836.4在线路板设计上应满足本安元器件选择的要求以及电气间隙和爬电距离的要求，并且在考虑故障的状态下，其本安性能也应达到要求。

（1） 从应用范围和安全的角度出发矿灯的本安设计应按照Ma等级的要求进行，以避免Mb等级使用场所受限的问题。通常情况下，采用双重保护，复合保护的本安处理。

（2） 锂电池的浇封处理应考虑到硬壳包装的泄压问题，软包装锂电池的膨胀问题，从安全考虑，在锂电池浇封进行前，锂电池外部应留出电池正常膨胀的物理空间。

（3） 浇封电池时应注意排气孔的预留，可实现电池过充电或是短路时释放气体压力的排放。

3 排气结构的设计

按MT 1162.1-2011《矿灯 第1部分：通用要求》要求蓄电池外壳防护等级不能低于IP54，蓄电池槽内气体压力应不大于30kPa。这一组数据的对立性给设计造成了较大的障碍。

（1）考虑单向排气，可设置单独的泄气阀，或排气栓等。这些方法对其原有结构改动较大，并且增大结构的复杂性和使用的不方便性。

（2）薄弱点泄气的方法如下图，采用密封胶柔性，在密封口开一切口，其切口的宽度通过气压测试确定，当内压达到规定值时，密封胶被压缩后形成泄气口。如受外部灰尘或溅水的影响，因为其密封间隙在大于0.2mm，不可能引起密封胶圈的变形。

4 试验检验要求及结果

本质安全型矿灯除其基本产品性能符合要求外。其带电电路与外壳之间绝缘电阻常态下应不小于10ΜΩ。带电电路与外壳之间常态和交变湿热试验后能承受交流50Hz、500V、历时1min的耐压试验，无击穿和闪络现象，漏电电流不大于5mA。

通过相关的试验与检验，产品基本性能与安全性能完全满足标准要求，按此设计思路所开发的产品目前已通过国家权威部门的检验，其产品已向市场推广与运用。

参考文献

【1】中华人民共和国国家标准 GB3836.1-2010《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》

【2】北京电光源研究所，北京照明学会著，电光源实用手册，中国物资出版社，2005。

作者简介：靳盛，男，汉族，出生年月1976年10月，毕业于中国矿业大学机械及自动化专业，工程师，工作单位：贵州黔聚源光电科技有限公司。1998年参加工作以来一直从事照明灯具的设计与制造，负责产品设计、品质及生产管理相关工作。