煤矿机器人电气安全技术研究(2)

　　铅酸蓄电池正常充放电情况下，不会发生燃烧和爆炸。铅酸蓄电池过充电时，会析出氢气，当析出的氢气达到一定量时，遇到火源就会燃烧和爆炸。铅酸蓄电池过充电时的析氢量，与过充电的安时数、电解液含水量、蓄电池电极材质和结构等有关。铅酸蓄电池过充电时的析氢量，与电池过充电的安时数成正比，即过充电电流越大、过充时间越长，析氢量越大。铅酸蓄电池过充电时的析氢量，与蓄电池电解液有关，电解液含水量越大，过充电时的析氢量越大。采用铅钙合金的免维护铅酸蓄电池过充电时的析氢量，远小于采用铅锑合金传统铅酸蓄电池过充电时的析氢量。因此，笔者认为不区分蓄电池容量、使用的材质和结构、是否有防过充保护等，全面禁止铅酸蓄电池用于隔爆外壳内是不科学的。隔爆外壳中的铅酸蓄电池已在煤矿井下使用数十年，正常使用(含充电)与维护的铅酸蓄电池，没有发生引起瓦斯和煤尘爆炸和火灾的案例；因此，笔者认为不区分蓄电池容量、使用的材质和结构、是否有防过充保护等，全面禁止铅酸蓄电池用于隔爆外壳内是错误的。因此，通过限制蓄电池容量，增加防止过充、过放、过载、过热等保护的免维护铅酸蓄电池，可以放置在隔爆外壳内，可以用于煤矿井下爆炸性环境。

　　因此，通过限制蓄电池容量，具有防止过充、过放、过载、过热等保护的磷酸铁锂、免维护铅酸、镍镉、镍氢蓄电池均可放置在隔爆外壳内，可以用于煤矿井下爆炸性环境。综合考虑比能量、寿命、安全性和性价比等，应优选磷酸铁锂和免维护铅酸蓄电池蓄。

　　3煤矿机器人蓄电池防爆

　　矿用防爆电气设备防爆型式主要有本质安全型、胶封型、增安型、隔爆型等[10-12]。

　　1)本质安全型防爆电气设备通过双重化或多重化电路，限制功率、电压、电流和故障时间等，进而限制火花能量，使电路在正常工作和规定的故障状态下，产生的电火花和温度其能量足够低，不足以点燃周围可燃性气体混合物。本质安全型防爆性能最好，可用于煤矿井下所有场所和瓦斯超限等各种条件。瓦斯超限后，必须切断非本质安全型电气设备的电源，但本质安全型电气设备可继续工作。但本质安全型防爆措施，限制了大功率、高电压、大电流电气设备采用本质安全型。本质安全型仅用于监控、定位、通信、监视和信号等小功率、低电压和小电流设备。磷酸铁锂等锂离子蓄电池，当充放电保护电路失效后，在充电和使用过程中，会发生爆炸事故。因此，磷酸铁锂等锂离子蓄电池难以制成本质安全型防爆蓄电池。

　　2)胶封型防爆电气设备将电气设备胶封在胶封剂中，将爆炸性气体混合物与电气设备隔离，使电气设备在正常工作情况下，不会点燃周围爆炸性混合物。胶封剂应具有一定的化学、热、电和机械稳定性。胶封体应具有一定的厚度、无孔隙和裂纹等。胶封型电气设备的防爆性能低于本质安全型和隔爆型，不能用于可能造成胶封体损坏的冲击、挤压、振动、跌落、高温等环境，例如有煤和岩跌落的采掘工作面。被胶封的电气设备不能产生造成胶封体损坏的高压、高温等。因此，短路、过充和过放等会产生高压和高温的蓄电池，难以采用胶封防爆型式。

　　3)增安型防爆电气设备通过提高电路和导线连接可靠性，加强外壳防护，限制设备温度、提高绝缘等级，加大电气间隙和爬电距离等，使其在正常运行条件下不产生电弧、电火花和危险温度。因此，短路、过充和过放等会产生爆炸和高温的蓄电池难以采用增安防爆型式。增安型防爆电气设备的防爆性能低于本质安全型、隔爆型和胶封型，应用场所受限，不能用于煤与瓦斯突出矿井，不能用于高瓦斯和低瓦斯矿井的总回风巷，主要采区回风巷，采掘工作面及其进、回风巷[13]。

　　4)隔爆型防爆电气设备将电气设备置于隔爆外壳内，隔爆外壳具有耐爆和不传爆性能。当隔爆外壳内发生燃烧和爆炸时，产生的高温和高压气体，不会使隔爆外壳爆破或产生影响隔爆性能的变形；逸出壳外的爆炸生成物，其温度足够的低，不足以点燃壳外爆炸性混合物。隔爆型防爆电气设备的关键是外壳强度和隔爆面等。隔爆型防爆电气设备的防爆性能仅次于本质安全型，可用于煤矿井下所有场所，不受功率、电压和电流限制，适用范围广，煤矿机器人蓄电池宜采用隔爆型防爆型式。

　　目前矿用隔爆型防爆电气设备的隔爆外壳强度和隔爆面宽度及间隙，是在隔爆外壳内除甲烷等爆炸性气体外，无其他易燃易爆物质的条件下，根据甲烷爆炸性气体混合物确定的。锂离子蓄电池具有燃烧和爆炸性，当隔爆外壳内有锂离子蓄电池时，其爆炸压力会大幅增加。此外，空气中甲烷气体爆炸迅速，锂离子蓄电池爆炸相对较慢，这增加了隔爆外壳耐高压和耐高温时间。因此，需根据隔爆外壳内锂离子蓄电池容量，提高隔爆外壳的耐爆和不传爆性能，并限制隔爆外壳内蓄电池容量。

　　4煤矿机器人蓄电池充电安全

　　2016版《煤矿安全规程》“第四百八十五条使用蓄电池的设备充电应符合下列要求：①充电设备与蓄电池匹配。②充电设备接口具有防反向充电保护措施。③便携式设备在地面充电。④机车等移动设备在专用充电硐室或者地面充电。⑤监控、通信、避险等设备的备用电源可以就地充电，并有防过充等保护措施[13]。

　　因此，煤矿井下机器人蓄电池需在专用充电硐室或者地面充电。距离地面较近的煤矿机器人，可以在地面充电。但远离地面(可达10km)的煤矿机器人到地面充电，将影响煤矿机器人的工作效率。

　　机器人专用充电硐室应建在进风巷；最好建在机器人作业区域内，以提高工作效率。难以建设机器人专用充电硐室的矿井，可设置机器人充电舱。煤矿机器人充电舱宜采用钢材制成；应设置在进风巷；设置在机器人作业区域内，以提高工作效率。机器人专用充电硐室和充电舱内必须设置足够数量的扑灭电气火灾的灭火器材；必须设置甲烷传感器，当甲烷浓度大于0.5%时，停电并闭锁。煤矿机器人蓄电池充电装置应具有防过充等保护。

　　煤矿机器人蓄电池充电可采用有线充电和无线充电。煤矿井下有线充电具有可大电流快速充电、安全等优点，但需专用充电硐室或机器人充电舱。有线充电宜采用隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池。隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池在对接状态、充电状态和分离状态均应保证形成独立的隔爆腔；在对接状态、充电状态和分离状态均有独立的安全闭锁机构，确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前，机器人及其充电装置的充电接口不带电，避免产生电弧、电火花和危险温度，引爆瓦斯。

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