Проектирование батареи для искробезопасного шахтного портативного прибора — это работа по ограничению энергии, а не по её максимизации, а правила IEC 60079-11 для элементов и батарей относятся к наиболее предписывающим во всём стандарте. Во второй статье разрабатывается герметичный никель-металлгидридный блок для головного светильника и персонального метан-детектора, которые должны быть сертифицированы как Ex ia I Ma. В ней проходятся батарейные требования стандарта — применение признанных типов элементов, контроль максимального напряжения и ожидаемого тока короткого замыкания, последовательная защита от неисправностей элементов и запрещение искрения при подключении или замене во взрывоопасной зоне, — и они превращаются в конкретный блок: согласованные элементы, безотказный последовательный предохранитель и токоограничивающие или блокирующие устройства, рассчитанные по кривым воспламенения метана, заливка или герметичный держатель, предотвращающий случайные короткие замыкания и утечку электролита, защита от обратного заряда отдельных элементов и механическая конструкция, выдерживающая шахту. Затем ёмкость рассчитывается на одиннадцатичасовую смену с гарантированным резервом питания для сигнализации, задаётся зарядное устройство — которое, как и бóльшая часть зарядки, работает только вне взрывоопасной зоны, — и NiMH честно ставится рядом с конкурентами: свинцово-кислотными блоками старых головных светильников, тяжёлыми и содержащими кислоту, и литиевыми химиями, энергоёмкими, но подлежащими гораздо более строгой оценке искробезопасности и теплового разгона. Статья намеренно честно говорит о том, где выигрывает литий и почему для многих носимых на теле устройств Группы I более низкое напряжение на элемент, устойчивое поведение при нарушениях режимов и более простое обоснование безопасности герметичного NiMH делают его взвешенным, благоприятным для сертификации выбором.
IEC 60079-11 жёстко ограничивает батареи: могут применяться только элементы и батареи типа, охваченного признанными спецификациями; максимальное напряжение холостого хода определяет кривые искробезопасности, по которым оценивается остальная часть цепи; а ожидаемый ток короткого замыкания должен быть ограничен так, чтобы глухое КЗ на выводах блока не могло дать воспламеняющую искру. Аккумуляторные блоки дополнительно требуют мер против обратного заряда любого элемента при разряде и против параллельного соединения элементов, допускающего неконтролируемый переток тока.
Стандарт также регламентирует, как батарея подключается и заменяется: разъём, который может быть разъединён во взрывоопасной зоне, сам должен быть невоспламеняющим, а в конструкциях с наивысшей защитой блок закреплён и залит, вскрываем только в безопасной зоне. Эти положения определяют архитектуру блока до начала любого расчёта ёмкости.
Искробезопасная конструкция отталкивается от отдачи батареи в наихудшем случае и идёт наружу. Последовательно соединённые элементы задают максимальное напряжение; для NiMH номинально 1,2 В на элемент означает умеренное напряжение блока для головного светильника или детектора, что удерживает конструкцию в благоприятной части кривых воспламенения Группы I. Безотказный последовательный предохранитель, часто дублированный или совмещённый с токоограничивающим резистором либо блокирующим устройством, ограничивает ожидаемый ток короткого замыкания ниже воспламеняющего порога даже при одной неисправности, а любая ёмкость или индуктивность в блоке и проводке удерживается ниже допустимых пределов запасённой энергии.
Защитные компоненты сами должны удовлетворять требованиям стандарта к безотказности — рассчитаны на ток неисправности, разнесены и при необходимости залиты, чтобы единичный отказ не мог их вывести из строя. Первая анимированная иллюстрация проходит этот проектный поток от выбора элементов до подтверждённого бюджета энергии неисправности; анализ всегда выполняется для свежезаряженного состояния с максимальным напряжением, что является наихудшим случаем для искрового воспламенения.
Шахтные портативные приборы заливаются компаундом или герметизируются, чтобы внутренние соединения нельзя было задеть, закоротить мусором или расшатать, и чтобы в редком случае срабатывания клапана элемента (venting) электролит не попал на пользователя или на проводящий путь. Заливка согласно соответствующим конструктивным требованиям скрепляет элементы, предохранитель и ограничивающие компоненты в одну оценённую сборку; любая смена поставщика элементов или компоновки тогда требует задокументированной оценки на соответствие сертификату.
Защита от переполюсовки элементов необходима для последовательных NiMH-цепочек: если один элемент разрядится раньше остальных, оставшаяся цепочка может пропустить через него обратный ток, поэтому это предотвращают согласованные, однородные по партии элементы, консервативный порог отключения в конце разряда и, где требует стандарт, шунтирующие или блокирующие элементы. Механически блок выдерживает сжатие, падение и температурные циклы носимого на теле прибора благодаря кодированному защёлкивающемуся соединению, которое невозможно неправильно собрать в темноте ламповой камеры.
Ёмкость рассчитывается по измеренному профилю нагрузки LED и датчиков, чтобы превышать сертифицированное время работы — одиннадцать часов с основным лучом выше требуемого порога освещённости головного светильника, непрерывное измерение с надёжной сигнализацией у детектора, — с запасами на низкую шахтную температуру, саморазряд между зарядками и ёмкость в конце срока службы после номинального числа циклов (сертифицированные светильники рассчитаны на более 500 циклов и заряд менее чем за десять часов). Отдельный резерв питания для сигнализации гарантирует, что метановая сигнализация и предупреждение о низком заряде остаются доступными после того, как оператору предложено зарядить прибор.
Поскольку зарядное устройство работает в ламповой камере вне взрывоопасной зоны, NiMH может использовать простой контролируемый профиль заряда — управляемый ток с завершением по −дельта-V или пику, подстраховка по температуре и таймеру, — без ограничений зарядки в зоне рудничного газа, а зарядное устройство парка может логировать тренды ёмкости и внутреннего сопротивления, чтобы выводить блоки из эксплуатации до падения времени работы ниже сертифицированного минимума.
Свинцово-кислотная — историческая химия головных светильников: дешёвая и неприхотливая, но тяжёлая для носимого на голове прибора, содержащая кислоту, слабая на холоде и относительно недолговечная, что противоречит целям эргономики и герметичной конструкции. Литий-ионные и литиевые первичные элементы обеспечивают наивысшую плотность энергии и наибольшее время работы на грамм, но обоснование их искробезопасности существенно сложнее: высокое напряжение на элемент сдвигает конструкцию вверх по кривым воспламенения, а оценщик должен также учесть внутренние неисправности элементов и тепловое распространение — с дополнительной защитой, резервированием, а иногда и более низкой достоверностью защиты оборудования, что является серьёзным бременем для устройства защиты жизни Ex ia Ma.
Герметичный NiMH занимает прагматичную золотую середину: его 1,2 В на элемент и ограниченный ожидаемый ток неисправности упрощают конструкцию ограничения энергии, он не содержит свободной кислоты, переносит шахтные температурные циклы и неглубокое ежедневное использование, механически прочен и отгружается по транспортным правилам для нелитиевых изделий. Вторая анимированная иллюстрация оценивает химии по осям, важным для портативных приборов Группы I; литий остаётся оправдан там, где минимальный вес имеет первостепенное значение и принимается дополнительная инженерная проработка безопасности, тогда как NiMH часто оказывается выбором с более быстрой сертификацией, большей устойчивостью к нарушениям режимов и меньшим риском на протяжении жизненного цикла для парка головных светильников и детекторов.
Перед сертификацией блок валидируется на стенде при реальной нагрузке «светильник-датчики» при заданной температуре и в конце срока службы; предохранитель и ограничивающие элементы испытываются намеренным внесением неисправности, чтобы подтвердить, что ток короткого замыкания и энергия искры остаются ниже порогов Группы I; испытания на переполюсовку и глубокий разряд подтверждают защиту; а падение, вибрация и температурные циклы проверяют заливку и соединения. Время работы измеряется по требованиям 11-часовой освещённости и резерва сигнализации, а не по паспортной ёмкости элементов.
Результат — охарактеризованный, с контролируемой конструкцией блок с документированным бюджетом энергии неисправности, кривой времени работы от температуры и сертифицированной спецификацией компонентов (BOM) — ровно то изделие, которое требует кампания типовых испытаний IECEx/ATEX в заключительной статье, и основание, на котором OEM может уверенно закладывать NiMH в прибор Ex ia I Ma.
Weijiang Power разрабатывает и производит герметичные никель-металлгидридные элементы и подобранные промышленные батареи для удалённого, автономного (вне сети) и связанного с безопасностью оборудования, а также поддерживает партнёров OEM файлами характеристик по IEC 61951-2, доказательствами безопасности по IEC 62133-2, определением импульсной нагрузки, испытаниями в широком диапазоне температур и совместной валидацией зарядного устройства и батареи. Сообщите нам ваш рабочий цикл, пиковый ток, температурный диапазон, целевую автономность и стандарты, которым должно соответствовать ваше изделие, и наши инженеры подберут комбинацию элемента и батареи, которая обеспечит время работы, надёжность и срок службы. Посмотреть ассортимент можно на странице продукции.
