一种具有定位功能的本安型矿灯的研究

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【摘要】矿灯是井下工作必备设备之一，本文根据新版矿灯标准MT1162-2011及爆炸性环境的相关标准GB3836-2010的要求，提出了一种具有井下人员定位功能的矿用本质安全型矿灯的设计方案，使矿灯的防爆等级由矿用特殊型ExsI提升到矿用本质安全型Ex iaⅠMa，并使矿灯与人员定位系统得到了有机结合，满足矿井现场应用的需求。

【关键词】煤矿；矿灯；定位；本质安全

1.引言

矿灯是矿井井下工作必需的照明设备，其安全性能和质量的好坏同矿井井下的安全生产息息相关，因矿灯而引起的矿井安全事故时有发生，对及矿井的安全生产造成了危害。

目前我国矿井使用的矿灯的防爆型式大多是矿用特殊型，即ExsI，这类矿灯在矿灯灯头光源、电池等关键部件达不到矿用本质安全型的要求，存在失爆的隐患；新版矿灯标准MT 1162.1～4-2011增加了对矿灯有效工作时间、发光强度和蓄电池槽内部压力的检验能力要求，安标国家中心要求矿灯相关生产单位积极选择执行新版标准。因此设计、研制符合新矿灯标准的本安型矿灯是当前矿灯研制的重要内容。本文提出了一种具有定位功能的本安型矿灯的设计方案，其各项技术指标满足了GB3836-2010及MT 1162对本安型矿灯的要求。[1～5]

2.本安型矿灯设计

本质安全电路是在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障条件下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。矿灯主要由灯头组件（含光源）、矿灯电缆、电池及电池盒组成，矿灯电缆及电池盒的防护等级完全能够满足标准对于本安型产品的要求。矿灯设计中采用的LED光源为冷光源，自身发热量小，其工作电压为5.5V～8V，工作电流为200～300mA，加上LED驱动电路线路板采用具有良好散热效果的铝基板，其电压、电流及工作温度均完全能够符合本质安全型的要求。因此对矿灯电池的本安化处理成为本安型矿灯设计的关键，包括锂电池的选择及锂电池保护电路的设计。

2.1 锂电池的使用

锂电池具有体积小、重量轻、能量密度大、自放电小、没有记忆效应等特点，在矿灯中的使用逐步得到普及。但是由于锂活性较高，在使用中过流、过压、冲击、挤压等都有可能引起电池的燃烧或爆炸，因此，矿灯中的锂电池必须采用质量较好、安全性能高的锰酸锂或磷酸铁锂电池；在矿灯结构设计中采用内外两层外壳，将电池及相关保护电路装入内层电池壳浇封后再安装在外层电池壳内，起到保护隔离的作用以保证矿灯的安全可靠工作。

2.2 锂电池保护电路的设计

GB3836.4-2010中规定“ia”保护等级电气设备中的本质安全电路在以下任意一种情况下应不能引起点燃：a）正常工作和施加最不利条件下的非计数故障；b）正常工作和施加一个计数故障加上最不利条件下的非计数故障；c）正常工作和施加二个计数故障加上最不利条件下的非计数故障[2]。目前我国的矿灯在对矿灯电池的保护处理上大多采用矿灯保护器+PTC的双重化保护模式，并且现有矿灯大多选用动作保护值在4A左右的PTC，难以满足本安火花试验的要求。本项目采取锂离子电池串保护器、过流保护板、PTC加限流电阻的三重化保护方案，在其他二重保护发生故障时，剩下的一重保护仍能起到保护作用，符合了GB3836标准对本安的要求。本安矿灯三重化保护电路如图1所示：

其中矿灯保护器符合MT/T395-2007标准的要求，具有短路保护、过流保护、过放电保护、过充电保护等功能。当矿灯出现短路或过流故障时，保护器内部S8621芯片通过采样、比较电路发现电流超过设定值时，通过CO引脚控制外部的FET（8205A）断开电池输出电路，起到短路保护或过流保护的作用，一般短路保护时间在1ms以内，过流保护时间在20ms以内。当矿灯电池电压超过过充电检测电压时，S8621通过CO引脚控制外部的FET断开电池充电电路。当电池放电至过放电保护电压以下时，S8621通过DO引脚控制外部的FET断开电池放电电路，起到保护电池的作用。

保护板的作用主要是过流保护，其电路原理与矿灯保护器类似，在过流保护的同时，也具有过充保护、过放保护功能。

第三重保护为在电池工作回路中串入PTC+限流电阻，限制电池的放电电流，即使矿灯出现故障时，矿灯放电电流也被控制在安全电流以内，以满足本质安全电路的要求。本项目设计的5Ah矿灯中PTC选用了最大不动作电流为1.3A，最小动作电流为2.6A，内阻为0.3Ω；限流电阻阻值为0.5Ω，端子处最大输出功率为4.2×4.2/（0.3+0.5）=22.05W，可以保证将电池输出端满足火花点燃试验的要求：峰值开路电压小于4.5V和端子处的最大电压和瞬态电流乘积不超过33W。限流电阻的功率要满足GB3836.4的要求，即1.5×（1.7×In）2×限流器件最大阻值。

3.定位模块设计

矿灯中的定位模块必须不能影响矿灯正常点灯时间大于11h的要求，并且在点灯11小时后，定位模块能继续工作7天，因此定位模块必须采用低功耗设计，在硬件设计中选用低功耗器件，如MCU采用TI生产的超低功耗芯片MSP430G2332，该芯片提供5种节电工作模式，在休眠状态下待机电流不超过1μA；无线发射芯片采用单片射频收发芯片NRF2401A，该芯片功耗非常低，发射时工作电流为10.5mA@-5dBm，接收时工作电流为18mA，待机状态的电流仅几十μA。NRF2401A支持ShockBurst工作模式，可将发射数据先送入堆栈，再高速发射，减少发射时间，降低功耗。在软件设计上，定位模块采用间隙工作的方式，每隔几秒MCU唤醒一次进行一次收发工作，每次收发工作时间仅几ms，其余大部分时间，定位模块均处于休眠状态，从而使整个模块的平均待机电流远小于1mA，很好的满足了模块低功耗设计的要求。

4.结语

本文研究的矿用本安型矿灯在矿灯电源部分采用了矿灯保护器、过流保护板及PTC+限流电阻三重化保护电路，并在结构上采用了内外两层电池盒设计，使矿灯满足了矿用本质安全型的要求。在此基础上，设计了安装于矿灯内部、采用矿灯电池供电的低功耗人员定位模块，使矿灯与人员定位系统得到了有机结合，满足矿井现场应用的需求。本项目设计的矿灯已完成煤安送审测试，性能、指标完全符合相关标准的要求。

参考文献

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