0　引言

危險的工作環(huán)境可能含有易燃?xì)怏w、煙霧、粉塵或易燃性纖維等,極易發(fā)生爆炸事故,對人身和財產(chǎn)安全造成極大危害。眾所周知,爆炸必須具備3個條件:可燃物、氧氣和點燃源。為了有效預(yù)防爆炸事故,需設(shè)法避免以上3個條件同時存在,即通過選用不同的防爆技術(shù)措施來保證爆炸性環(huán)境的安全。

在爆炸性環(huán)境中使用的電氣設(shè)備有多種防爆型式,如隔爆型、增安型、本質(zhì)安全(簡稱本安)型、澆封型、正壓型等。其中本安防爆型式是通過限制電路能量達(dá)到防爆的目的,其它型式都是采用機(jī)械手段實現(xiàn)防爆的目的。本安防爆型式與其它防爆型式相比具有適用范圍廣本安防爆型式是惟一可用于0區(qū)危險場所的防爆型式)、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價低、易操作維護(hù)等特點。因此,本安防爆型式已為眾多電氣設(shè)備制造廠及用戶所接受和歡迎。

目前大部分便攜式本安設(shè)備都由電池供電,其中鋰電池因其電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長而被自動化儀表廠商廣泛采用。但鋰電池的安全問題一直備受關(guān)注。近年來,屢屢發(fā)生鋰電池爆炸傷人事故,存在極大的安全隱患。鑒此,本文將探討本安電路中使用鋰電池的設(shè)計要求及注意事項。

1　鋰電池的安全性能要求

由于鋰電池自身結(jié)構(gòu)和原理方面的缺陷,在鋰電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路時,可能會產(chǎn)生

幾百安培的過大電流。發(fā)生外部短路時,鋰電池瞬間大電流放電,在內(nèi)阻上消耗大量能量,產(chǎn)生巨大熱量,會引起爆炸;鋰電池過充時,可能會析出金屬鋰,在殼體破裂的情況下,金屬鋰與空氣直接接觸導(dǎo)致其燃燒,同時引燃電解液,發(fā)生強(qiáng)烈火焰,氣體急速膨脹,最終導(dǎo)致爆炸發(fā)生。另外,某些鋰電池若使用不當(dāng),如擠壓、沖擊和進(jìn)水等會導(dǎo)致電池膨脹、變形和開裂,從而導(dǎo)致鋰電池短路,在放電或充電過程放熱引起爆炸事故。

對此,多個國家職能部門和國際權(quán)威的產(chǎn)品安全測試機(jī)構(gòu)都制定了嚴(yán)格的鋰電池檢驗規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),如美國安全檢測實驗室公司(UnderwritersLaboratories Inc.,UL)的《UL1642鋰電池安全標(biāo)準(zhǔn)》等。針對煤礦安全儀器儀表用鋰電池,我國國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心也制定了《煤礦安全儀器儀表用鋰原電池安全標(biāo)志檢驗規(guī)范》和《煤礦安全儀器儀表用鋰離子蓄電池安全標(biāo)志檢驗規(guī)范》,該規(guī)范規(guī)定各生產(chǎn)單位選用(生產(chǎn))的鋰電池應(yīng)符合規(guī)范中的相關(guān)安全性能要求,并取得由國家認(rèn)可的檢測檢驗機(jī)構(gòu)依據(jù)該規(guī)范或安全性能不低于該規(guī)范要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出具的檢測檢驗合格報告。

2　本安電路中電池和電池組的設(shè)計要求

(1)使用電池供電的本安設(shè)備(該設(shè)備在危區(qū)域使用,并且沒有其它的保護(hù)手段,如隔爆外殼)

中,電池應(yīng)具有電解質(zhì)不可能溢出的結(jié)構(gòu)或加以封,以防止電解質(zhì)損壞本安電路。可排放易燃?xì)怏w的電池盒應(yīng)通風(fēng),以防止易燃?xì)怏w濃度累加。

同一電池組中所有的電池應(yīng)具有同一個電化學(xué)系統(tǒng)、同樣的電芯設(shè)計和額定容量,并由同一個制造商生產(chǎn)。同一個電池組不能混合使用原電池和充電電池。在一個本安設(shè)備內(nèi)部,嚴(yán)禁隨意互換原電池和可充電電池(電池組)。原電池不得充電,如該設(shè)備內(nèi)部存在另一個電壓源可能和原電池互連,應(yīng)采取預(yù)防措施,以防止充電電流通過原電池。

在電池組需要使用限流器件保護(hù)其自身安全,且電池組擬在爆炸性環(huán)境使用并更換時,電池組

與限流器件通過澆封等方法構(gòu)成一個可整體替換組件,該組件應(yīng)能通過GB3836.1—2000[2]中規(guī)定的跌落試驗;如不在爆炸性危險環(huán)境場所更換電或電池組時,還可以將電池或電池組安置在一個有GB3836.1—2000規(guī)定的特殊緊固件腔體內(nèi),并符合以下要求:①電池或電池組支架或與設(shè)備連接方式應(yīng)設(shè)計成在安裝和更換時不會降低設(shè)備的本安性能的結(jié)構(gòu);②對于手持式電氣設(shè)備或處于待機(jī)狀態(tài)的攜帶式電氣設(shè)備,應(yīng)承受GB3836.1—2000中規(guī)定的跌落試驗;③設(shè)備應(yīng)具有符合GB3836.1—2000規(guī)定的警告標(biāo)志,如“在爆炸性環(huán)境中不得拆卸電池或電池組”。

對于帶外部充電觸點的可充電電池或電池組, 應(yīng)采取措施防止短路或防止單體電池和電池組點釋放足以點燃火花的能量。注意應(yīng)使用規(guī)定池組充電器充電,或用適當(dāng)額定值的熔斷器和用二極管、可靠限流電阻等保護(hù)電路。

(2)應(yīng)依據(jù)GB3836.4—2000表A1,限制電池及電池組的能量。在設(shè)計電路時,電池電壓可取表1中“對火花點燃危險評定值開路電壓”值。如果電池及電池組的最大短流小于GB3836.4—2000附錄A中的表A1中防爆等級1.5倍安全系數(shù)欄中所對應(yīng)的最小點流值,可直接作為電路供電電源使用。如果電電池組的最大短路電流大于最小點燃電流值,電池中串聯(lián)限流器件。需要注意的是,當(dāng)電池池組不適用表1時,則應(yīng)按GB3836. 4—第10.9條規(guī)定的試驗來測定最高開路電壓。

根據(jù)IEC60079-11:2006[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如果本安設(shè)備內(nèi)置不允許在爆炸性氣體環(huán)境中更換的電

池,當(dāng)滿足下列條件時,可以不要求在電池的端子處進(jìn)行火花點燃放電試驗:①單節(jié)電池的峰值開路電壓小于4.5 V;②電池端子處的最大電壓和瞬態(tài)電流的乘積不超過33 W。

上述放寬條件的理由是4.5 V的電壓太低,在缺少電感的情況下不能觸發(fā)電弧,并且在考慮1.5倍安全系數(shù)時,IEC60079-11:2006附錄A中ⅡC組電阻電路曲線允許的電壓和電流的乘積達(dá)到33 W。

3　本安電路電池設(shè)計中的常見問題及對策

(1)電池保護(hù)元件位置不對。如對于需要限制能量元件的電池,限流電阻和保險絲應(yīng)盡可能靠近電池終端。這些元件和電池應(yīng)通過封裝或其它方法構(gòu)成一個可以成套替換的集成保護(hù)單元。

(2)大多數(shù)電池供應(yīng)商會提供標(biāo)準(zhǔn)電池拆封套

管,但該套管太薄,不能滿足GB3836.4—2000中表4的相鄰電池間固體絕緣最小距離為0.5 mm的要求。使用該種薄套管時,很可能由于間隔不夠造成電池正負(fù)極間直接短路,使得限流元件失效。所以電池設(shè)計圖紙中應(yīng)明確指定最小厚度為0.25 mm的套管,使2個相鄰電池間套管的絕緣厚度達(dá)到0.5 mm。

(3)在電池正、負(fù)極之間存在環(huán)狀的絕緣體,該絕緣體提供了符合GB3836. 4—2000中規(guī)定的

0.5 mm隔離厚度的一部分。如果沒有這種絕緣體,那么正負(fù)極上間距就有問題,容易造成電池短路。

4　本安電路中鋰電池的設(shè)計要求

考慮到鋰電池在某些情況下爆炸的可能性較大,建議對鋰電池有更嚴(yán)格的本安要求,即取消用戶可替換的鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計,而設(shè)計為只能由專業(yè)技術(shù)人員替換的結(jié)構(gòu)。鋰電池應(yīng)焊接或者封裝在PCB板上,或設(shè)置在密封外殼或熱收縮包裝內(nèi),這樣做的目的是防止用戶自己更換鋰電池。同時,在鋰電池上或使用鋰電池供電的設(shè)備貼上標(biāo)牌,警告用戶不得擅自更換電池。

用于本安設(shè)備的鋰電池,即使其已經(jīng)通過了一些檢測機(jī)構(gòu)的安全性能測試,仍需要進(jìn)行本安火

花試驗,檢測其是否符合本安要求,例如若本安電路中除了鋰電池,還有另一個電源供電,該電源產(chǎn)生的電流可能進(jìn)入鋰電池。此時按GB3836.4—2000要求,鋰電池應(yīng)該能在1.5倍的最大電路故障電壓和電流下不會產(chǎn)生爆炸或造成火災(zāi)。

為了避免上述可能發(fā)生的爆炸,并建立符合要求的本安輸出,對鋰電池一般作以下要求(所有的保護(hù)元件應(yīng)與鋰電池封裝為一體或通過其它方法形成一個防篡改的集成塊):

(1)在鋰電池的輸出端加合適的限流電阻,以確保鋰電池的輸出具有本安特性;(2)使用2個阻塞二極管加限流電阻,防止回充電電流從其它電源進(jìn)入鋰電池;(3)若在本安電路設(shè)計中存在可以產(chǎn)生輔助電流的倒極性電源,可在限流電阻和阻塞二極管后面的鋰電池輸出端再連接2個并聯(lián)二極管用來分流。

5　電池供電的本安型設(shè)備的使用和維護(hù)要求

在危險場所安裝、使用和維護(hù)本安設(shè)備時,必須保持本安電路原設(shè)計狀態(tài)下的電氣參數(shù)和保護(hù)性能,不得改變設(shè)備本安電路和與本安電路有關(guān)的元器件的電氣參數(shù)、規(guī)格和型號。在電氣設(shè)備的銘牌上和使用說明書中注明該產(chǎn)品僅可使用指定型號容量的電池等,并增加相應(yīng)的警告用語,如:“警告:僅可適用某種規(guī)格型號電池!”、“警告:不得在危險場所充電!”、“警告:嚴(yán)禁在爆炸性環(huán)境更換電池!”等。

6　結(jié)語

依據(jù)本安電路原理,介紹了本安電氣設(shè)備中對電池或電池組的設(shè)計要求,指出了本安電路電池設(shè)計中的一些常見問題,并重點提出了對鋰電池的一些設(shè)計要求。設(shè)計人員應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,采取適當(dāng)有效的保護(hù)措施,保證電氣設(shè)備的本安性能,以確保生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備和人身安全。