礦燈是地下工作的必備設備之一。根據新版礦燈標準MT1162-2011的要求和爆炸環境GB3836-2010的相關標準，提出了一種具有井下人員定位功能的礦用本安礦燈設計方案，接下來小編簡單介紹一篇礦業論文發表。

　　1.引言

　　礦燈是礦井井下工作必需的照明設備，其安全性能和質量的好壞同礦井井下的安全生產息息相關，因礦燈而引起的礦井安全事故時有發生，對及礦井的安全生產造成了危害。

　　目前我國礦井使用的礦燈的防爆型式大多是礦用特殊型，即ExsI，這類礦燈在礦燈燈頭光源、電池等關鍵部件達不到礦用本質安全型的要求，存在失爆的隱患;新版礦燈標準MT1162.1～4-2011增加了對礦燈有效工作時間、發光強度和蓄電池槽內部壓力的檢驗能力要求，安標國家中心要求礦燈相關生產單位積極選擇執行新版標準。因此設計、研制符合新礦燈標準的本安型礦燈是當前礦燈研制的重要內容。本文提出了一種具有定位功能的本安型礦燈的設計方案，其各項技術指標滿足了GB3836-2010及MT1162對本安型礦燈的要求。[1～5]

　　2.本安型礦燈設計

　　本質安全電路是在規定的試驗條件下，正常工作或規定的故障條件下產生的電火花和熱效應均不能點燃規定的爆炸性混合物的電路。礦燈主要由燈頭組件(含光源)、礦燈電纜、電池及電池盒組成，礦燈電纜及電池盒的防護等級完全能夠滿足標準對于本安型產品的要求。礦燈設計中采用的LED光源為冷光源，自身發熱量小，其工作電壓為5.5V～8V，工作電流為200～300mA，加上LED驅動電路線路板采用具有良好散熱效果的鋁基板，其電壓、電流及工作溫度均完全能夠符合本質安全型的要求。因此對礦燈電池的本安化處理成為本安型礦燈設計的關鍵，包括鋰電池的選擇及鋰電池保護電路的設計。

　　2.1鋰電池的使用

　　鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度大、自放電小、沒有記憶效應等特點，在礦燈中的使用逐步得到普及。但是由于鋰活性較高，在使用中過流、過壓、沖擊、擠壓等都有可能引起電池的燃燒或爆炸，因此，礦燈中的鋰電池必須采用質量較好、安全性能高的錳酸鋰或磷酸鐵鋰電池;在礦燈結構設計中采用內外兩層外殼，將電池及相關保護電路裝入內層電池殼澆封后再安裝在外層電池殼內，起到保護隔離的作用以保證礦燈的安全可靠工作。

　　2.2鋰電池保護電路的設計

　　GB3836.4-2010中規定“ia”保護等級電氣設備中的本質安全電路在以下任意一種情況下應不能引起點燃：a)正常工作和施加最不利條件下的非計數故障;b)正常工作和施加一個計數故障加上最不利條件下的非計數故障;c)正常工作和施加二個計數故障加上最不利條件下的非計數故障[2]。目前我國的礦燈在對礦燈電池的保護處理上大多采用礦燈保護器+PTC的雙重化保護模式，并且現有礦燈大多選用動作保護值在4A左右的PTC，難以滿足本安火花試驗的要求。本項目采取鋰離子電池串保護器、過流保護板、PTC加限流電阻的三重化保護方案，在其他二重保護發生故障時，剩下的一重保護仍能起到保護作用，符合了GB3836標準對本安的要求。本安礦燈三重化保護電路如圖1所示：

　　其中礦燈保護器符合MT/T395-2007標準的要求，具有短路保護、過流保護、過放電保護、過充電保護等功能。當礦燈出現短路或過流故障時，保護器內部S8621芯片通過采樣、比較電路發現電流超過設定值時，通過CO引腳控制外部的FET(8205A)斷開電池輸出電路，起到短路保護或過流保護的作用，一般短路保護時間在1ms以內，過流保護時間在20ms以內。當礦燈電池電壓超過過充電檢測電壓時，S8621通過CO引腳控制外部的FET斷開電池充電電路。當電池放電至過放電保護電壓以下時，S8621通過DO引腳控制外部的FET斷開電池放電電路，起到保護電池的作用。

　　保護板的作用主要是過流保護，其電路原理與礦燈保護器類似，在過流保護的同時，也具有過充保護、過放保護功能。

　　第三重保護為在電池工作回路中串入PTC+限流電阻，限制電池的放電電流，即使礦燈出現故障時，礦燈放電電流也被控制在安全電流以內，以滿足本質安全電路的要求。本項目設計的5Ah礦燈中PTC選用了最大不動作電流為1.3A，最小動作電流為2.6A，內阻為0.3Ω;限流電阻阻值為0.5Ω，端子處最大輸出功率為4.2×4.2/(0.3+0.5)=22.05W，可以保證將電池輸出端滿足火花點燃試驗的要求：峰值開路電壓小于4.5V和端子處的最大電壓和瞬態電流乘積不超過33W。限流電阻的功率要滿足GB3836.4的要求，即1.5×(1.7×In)2×限流器件最大阻值。

　　3.定位模塊設計

　　礦燈中的定位模塊必須不能影響礦燈正常點燈時間大于11h的要求，并且在點燈11小時后，定位模塊能繼續工作7天，因此定位模塊必須采用低功耗設計，在硬件設計中選用低功耗器件，如MCU采用TI生產的超低功耗芯片MSP430G2332，該芯片提供5種節電工作模式，在休眠狀態下待機電流不超過1μA;無線發射芯片采用單片射頻收發芯片NRF2401A，該芯片功耗非常低，發射時工作電流為10.5mA@-5dBm，接收時工作電流為18mA，待機狀態的電流僅幾十μA。NRF2401A支持ShockBurst工作模式，可將發射數據先送入堆棧，再高速發射，減少發射時間，降低功耗。在軟件設計上，定位模塊采用間隙工作的方式，每隔幾秒MCU喚醒一次進行一次收發工作，每次收發工作時間僅幾ms，其余大部分時間，定位模塊均處于休眠狀態，從而使整個模塊的平均待機電流遠小于1mA，很好的滿足了模塊低功耗設計的要求。

　　4.結語

　　本文研究的礦用本安型礦燈在礦燈電源部分采用了礦燈保護器、過流保護板及PTC+限流電阻三重化保護電路，并在結構上采用了內外兩層電池盒設計，使礦燈滿足了礦用本質安全型的要求。在此基礎上，設計了安裝于礦燈內部、采用礦燈電池供電的低功耗人員定位模塊，使礦燈與人員定位系統得到了有機結合，滿足礦井現場應用的需求。本項目設計的礦燈已完成煤安送審測試，性能、指標完全符合相關標準的要求。

　　參考文獻

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　　閱讀期刊：采礦與安全工程學報

　　《采礦與安全工程學報》(季刊)創刊于1984年，被“中國科技論文在線來源期刊”、中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊收錄。是由中國礦業大學和中國煤炭工業勞動保護科學技術學會聯合主辦的一級學術期刊。