张海鹏
（中煤科工集团重庆研究院有限公司，中国 重庆 400037）
【摘 要】本文通过分析矿灯的几十年发展历程，总结了不同时期使用的各类矿灯的优缺点，对新型本质安全型矿灯的设计和应用进行了详细阐述，并对本安型矿灯的未来发展前景和应用推广进行了展望。
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关键词 本质安全型；矿灯；本安电池组件
0 引言
矿井下使用的电气设备中，随身携带的并且使用最为频繁的恐怕就是矿灯了，作为矿用特殊型电气设备的矿灯不知不觉在煤矿安全生产领域的使用已历经了几十年。从最初的灯泡式铅酸矿灯及碱性矿灯逐步发展到今天的LED光源锂电矿灯，矿灯在不同时期均发挥着重要的作用，但随着防爆安全性能的提高和技术的不断发展，新型本质安全型矿灯的出现势必会替代现有的矿灯而得到推广和应用。
1 矿灯的主要分类及优缺点
目前，我国煤矿使用的矿灯，按蓄电池的性质划分主要有KS型矿灯（酸性矿灯）、KJ型矿灯（碱性矿灯）和KL型矿灯（锂电矿灯）3种类型；国内矿灯采用的光源通常有两种类型：普通白炽灯泡和LED发光二极管。普通白炽灯泡由于耗电量大，易损坏，安全可靠性差，已基本被淘汰。LED光源比普通白炽灯泡显示出了更多的优势而得到广泛使用，如：安全性好，不易破碎，寿命较长，节省电能。
KS型矿灯（铅酸矿灯）是国内应用最早的矿灯类型，原贵阳矿灯厂、抚顺矿灯厂等国内六大矿灯厂基本上包揽了全国煤矿使用矿灯的生产和销售，那时期的铅酸蓄电池生产线的发展空前的成熟和完善。但由于铅酸蓄电池自身生产工艺复杂，成本高、体积大等原因慢慢淡出煤矿使用领域。然而铅酸电池自身具有的自放电小、寿命长、安全可靠、使用方便、无污染等优良特性，还仍在其他行业领域大规模地使用。
KJ型矿灯的存在自始至终使用的规模不是很大，其优点为镍氢电池具有能量密度大、环保性能好、无污染、使用寿命长的特点；其缺点是受电池的结构及工艺的制约，过充电可能会造成电池内压过高使电池安全阀开启，导致电池漏液，电池性能下降、失效，严重时甚至会引起电池的外壳变形、爆炸。
KL型矿灯是近几年发展最为迅猛的矿灯产业，最昌盛时国内矿灯生产企业一度达到400余家，是目前应用最为广泛的矿灯。其优点是锂离子电池具有免维护程度高，体积小、能量密度高、输出电压高、循环寿命长、环境污染小等优点；其缺点是矿灯在使用过程中，若遇高温环境、过充电、针刺、挤压、碰撞等情况都可能使电池出现外部短路、内部短路、隔膜被穿透或内部大电流等故障，从而引发电池内部的温度上升，导致隔膜熔化、电池燃烧或爆炸的现象。
虽说三种类型的矿灯均存在优缺点，但随着矿灯生产企业技术和工艺水平的不断发展，电池自身的安全性能也在不断提高。举例来说，过去锂电池内部偶尔会产生“晶枝”，其强度足以刺穿正负极隔膜，会发生电池内部短路产生局部高温，促进电解液进一步化学反应而发生爆炸、喷液或是起火的现象，现在可通过锂电池内部添加导电剂，提高反应深度和利用率，可避免“晶枝”的产生，减少电池内部因局部短路而产生的高温和爆炸 。
2 新型本质安全型矿灯
2.1 本质安全型矿灯的推广优势
随着矿灯的发展和应用的需要，本质安全型矿灯（包括信息化多功能矿灯）的概念应运而生。众所周之，从防爆安全角度出发，现有矿灯的防爆型式通常为“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，矿灯的安全性能大打折扣，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制约，才使“矿用特殊性”矿灯的发展和应用走到了今天，当矿灯可以设计成“本质安全型”矿灯时，势必会逐步受到国家局、安标国家中心等权威部门的广泛关注和大力提倡，最终会影响到矿灯的进一步更新和推广应用。
多功能信息化矿灯是本安矿灯下一步的发展方向，它是指集标识卡、自救器、呼叫通信等多功能为一体的本质安全型矿灯，可减少下矿时矿工自身的负重量。相信在技术成熟和使用条件充分的条件下，此类功能型矿灯也应会得到大力推广和应用。
2.2 本质安全型矿灯的设计思想
“本质安全型矿灯”顾名思义，就是所有内部电路可以达到本安要求的矿灯，即本安型产品的设计，必须从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证在正常工作或发生短接和元器件损坏的故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起周围可能存在危险气体爆炸。如何设计本安型矿灯，应从以下几个方面入手：
2.2.1 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十分大（10A以上），远远超过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可不要求进行火花点燃试验的要求。如果不加限流保护的话，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是电池组的输出电流限制在规定的范围内并通过环氧树脂灌封后组成本安电池组件的方法以达到本质安全的要求。通常的做法分为以下三种方式：
（1）串联可靠限流电阻的方式：在电池或是电池组外串联可靠限流电阻的方式进行本安处理（如图1所示）。其中电阻功率应满足：
（2）串联两级过流保护电路的方式：类似本安电源的处理方式，在电池或是电池组外串接两级过流保护电路进行本安处理（如图2所示）。但注意半导体器件的选择应满足标准本安元器件电压、电流和功率的2/3的要求。
（3）串联可靠限流电阻及保险管的方式：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（如图3所示）。其中，电阻的功率应满足：
通过对上述三种锂电池本安处理保护方式的比较，第一种保护方式是最安全可靠的，但缺点是电阻功率高，体积大，并有输出压降及电阻损耗，对整机的工作时间有很大影响。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保护等级的危险场所，不能应用于Ma保护等级的场所。第三种方式现在应用比较广泛，在保留短路保护板和PTC的情况下，使用不可恢复式保险丝和限流电阻（通常选择大于0.5Ω）复合保护的方式，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少量的输出压降和电阻损耗的弊端，影响工作时间。总之，企业可以根据实际情况选用合适的保护方式以达到电池组件的本质安全要求。
2.2.2 本安电路的设计
根据GB3836.4-2010的规定，应对影响本安性能的部件或回路的电压、电流进行确认和分析，并进行评定，仅用半导体和可控半导体器进行限流保护的设备不能能判定为“ia”等级。对于与本质安全有关的元件的额定值应满GB3836.4-2010中7.1条的要求，如限流电阻（电阻应为：绕线电阻，薄膜电阻，印制电阻器）、电源芯片、半导体限流电路中的采样比较电路、MOS管、三极管、半导体限压电路中的齐纳二极管、可控硅等。
电容的评定：计算各电压等级在ia，ib施加技术故障和非技术故障情况下的最大电容，按照GB3836.4-2010的附录的曲线进行评定，使之满足安全系数≥1.5的要求，当电容按照GB3836.4-2010附录F串联电阻进行降低安全系数时，电阻和电容必须浇封为一整体；矿灯电池最高输出电压为4.2V，如果内部没有升压器件，从安全角度出发基本上电容可不考虑。
电感的评定：计算各电流等级在ia，ib施加技术故障和非技术故障情况下的最大电感，按照GB3836.4-2010的附录的曲线进行评定，使之满足安全系数≥1.5的要求，当电感并联二极管时，电感必须和二极管浇封为一整体。
电气间隙和爬电距离的评定：本安电路中裸露的接线端子及本安电路涂层下的电气间隙和爬电距离应满足GB3836.4-2010中表5的要求。
最高表面温度评定：本安电路中所有元器件或导线的最高表面温度须不大于所规定的最高温度的要求，以避免热效应点燃爆炸性气体混合物。限制元器件或导线的最高表面温度一般是通过电路中元器件有足够的功率，连接导线应有足够截面来限制热效应的产生。
3 本质安全型矿灯特殊注意事项
（1）从安标管理角度出发，本安型矿灯既可以做成Ma保护等级的，也可以做成Mb保护等级的。但从应用范围和发展的角度出发，矿灯的本安设计最好从开始就按照Ma等级的要求进行，以避免Mb等级使用场所受限的问题。
（2）锂电池的浇封处理应考虑到软包装锂电池的鼓胀问题，从安全角度考虑，在锂电池浇封进行前，锂电池外部应缠绕几圈伸缩胶带以留出电池正常膨胀的空间。
（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。
（4）电池组件必须浇封，使用过程中不能拆装，注意防止短接，使用维护过程中应实现整体更换。
4 结论
随着本质安全型矿灯及信息化多功能矿灯的出现，以及国家局和安标国家中心相关部门的大力支持，现阶段大量使用的锂电池矿灯以及碱性矿灯等会随着时间的推移淡出历史舞台，相信矿灯的新一轮发展将会迎来更为广阔的天地。
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参考文献
［1］GB3836.1-2010 爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求[S]．
［2］GB3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S]．
［3］GB7957.2-2009 瓦斯环境用矿灯 第2部分：性能和其他相关安全事项[S]．
［4］MT1162.1-2011 矿灯 第1部分：通用要求[S]．
［5］李方儒.Ma级本质安全型矿灯设计与制造[J].煤矿安全，2013，02．
［6］陈国香.浅谈本质安全型矿灯[J].煤炭科技，2012，01．
［7］常广志.一种多功能矿灯的设计研究[J].山西煤炭，2011，12．
［责任编辑：刘展］