Projektowanie akumulatora dla iskrobezpiecznego przenośnego przyrządu górniczego polega na ograniczaniu energii, a nie na jej maksymalizacji, a przepisy IEC 60079-11 dotyczące ogniw i akumulatorów należą do najbardziej nakazowych w całej normie. W tym drugim artykule opracowano uszczelniony pakiet niklowo-wodorkowy (NiMH) dla lampy hełmowej i osobistego detektora metanu, które muszą być certyfikowane jako Ex ia I Ma. Przechodzi przez wymagania normy dotyczące akumulatorów — stosowanie uznanych typów ogniw, kontrolę maksymalnego napięcia i spodziewanego prądu zwarciowego, zabezpieczenie szeregowe przed uszkodzeniami ogniw oraz zakaz iskrzenia podczas łączenia lub wymiany w strefie zagrożenia — i przekłada je na konkretny pakiet: dopasowane ogniwa, niezawodny bezpiecznik szeregowy oraz elementy ograniczające prąd lub blokujące, zwymiarowane względem krzywych zapłonu metanu, zalanie lub uszczelniony nośnik zapobiegający przypadkowym zwarciom i wyciekowi elektrolitu, ochronę przed odwrotnym ładowaniem pojedynczych ogniw oraz konstrukcję mechaniczną przetrwającą kopalnię. Następnie dobiera pojemność na jedenastogodzinną zmianę z gwarantowaną rezerwą alarmową, określa ładowarkę — która, podobnie jak większość ładowania, jest używana wyłącznie poza strefą zagrożenia — i stawia NiMH szczerze obok konkurentów: bloków ołowiowo-kwasowych starszych lamp hełmowych, ciężkich i kwasonośnych, oraz chemii litu, o dużej gęstości energii, ale podlegających znacznie bardziej wymagającej ocenie iskrobezpieczeństwa i niekontrolowanego wzrostu temperatury. Artykuł celowo uczciwie pokazuje, gdzie lit wygrywa i dlaczego dla wielu noszonych na ciele urządzeń Grupy I niższe napięcie na ogniwo, odporność na niewłaściwe użytkowanie i prostsze uzasadnienie bezpieczeństwa uszczelnionego NiMH czynią go obronnym, sprzyjającym certyfikacji wyborem.
IEC 60079-11 ściśle ogranicza akumulatory: wolno stosować wyłącznie ogniwa i akumulatory typu objętego uznanymi specyfikacjami; maksymalne napięcie obwodu otwartego wyznacza krzywe iskrobezpieczeństwa, względem których ocenia się resztę obwodu; a spodziewany prąd zwarciowy musi być ograniczony tak, by pewne zwarcie na zaciskach pakietu nie mogło dać iskry zapalającej. Pakiety akumulatorowe wymagają ponadto środków przeciw odwrotnemu ładowaniu dowolnego ogniwa podczas rozładowania oraz przeciw łączeniu ogniw równolegle w sposób pozwalający na niekontrolowaną wymianę prądu.
Norma reguluje także sposób łączenia i wymiany akumulatora: złącze, które mogłoby zostać rozłączone w strefie zagrożenia, samo musi być niezapłonowe, a w konstrukcjach o najwyższym poziomie ochrony pakiet jest zamocowany i zalany, otwieralny wyłącznie w bezpiecznej strefie. Te klauzule określają architekturę pakietu przed rozpoczęciem jakichkolwiek obliczeń pojemności.
Konstrukcja iskrobezpieczna zaczyna od mocy akumulatora w najgorszym przypadku i przechodzi na zewnątrz. Ogniwa szeregowe wyznaczają napięcie maksymalne; dla NiMH nominalne 1,2 V na ogniwo oznacza umiarkowane napięcie pakietu dla lampy hełmowej lub detektora, co utrzymuje projekt w korzystnej części krzywych zapłonu Grupy I. Niezawodny bezpiecznik szeregowy, często zdwojony albo połączony z rezystorem ograniczającym prąd lub elementem blokującym, ogranicza spodziewany prąd zwarciowy poniżej progu zapalającego nawet przy jednym uszkodzeniu, a pojemność i indukcyjność w pakiecie i okablowaniu są utrzymywane poniżej dopuszczalnych granic zmagazynowanej energii.
Te elementy zabezpieczające same muszą spełniać wymagania normy dotyczące niezawodności — zaprojektowane na prąd uszkodzeniowy, oddzielone i w razie potrzeby zalane, by pojedyncza awaria nie mogła ich pokonać. Pierwsza animowana ilustracja przeprowadza przez ten przepływ projektowy od wyboru ogniw do zwalidowanego budżetu energii uszkodzenia; analizę zawsze wykonuje się dla stanu świeżo po naładowaniu, przy maksymalnym napięciu, co jest najgorszym przypadkiem dla zapłonu iskrowego.
Górnicze przyrządy przenośne są zalewane lub uszczelniane, tak by wewnętrzne połączenia nie mogły zostać dotknięte, zwarte przez zanieczyszczenia lub poluzowane przez wstrząsy, oraz by w rzadkim przypadku uwolnienia gazu z ogniwa elektrolit nie dotarł do użytkownika ani na ścieżkę przewodzącą. Zalanie zgodnie z odpowiednimi wymaganiami konstrukcyjnymi spaja ogniwa, bezpiecznik i elementy ograniczające w jeden oceniony zespół; każda zmiana dostawcy ogniw lub układu wymaga wtedy udokumentowanej oceny względem certyfikatu.
Ochrona przed odwróceniem ogniwa jest niezbędna dla szeregowych ciągów NiMH: jeśli jedno ogniwo wyczerpie się przed innymi, pozostały ciąg może wpędzić je w odwrócenie, dlatego zapobiegają temu dopasowane, jednorodne partiami ogniwa, konserwatywny punkt odcięcia przy końcu rozładowania oraz, tam gdzie wymaga norma, elementy obejściowe lub blokujące. Mechanicznie pakiet wytrzymuje zgniecenie, upadek i cykle termiczne urządzenia noszonego na ciele, z kluczowanym, zatrzaskowym złączem, którego nie da się źle złożyć w ciemności lampowni.
Pojemność dobiera się na podstawie zmierzonego profilu obciążenia LED i czujników, by przekraczać certyfikowany czas pracy — jedenaście godzin z wiązką główną powyżej wymaganego progu oświetlenia w lampie hełmowej, ciągłe pomiary z niezawodnymi alarmami w detektorze — z odliczeniami za niską temperaturę kopalnianą, samorozładowanie między ładowaniami i pojemność końca życia po znamionowej liczbie cykli (certyfikowane lampy celują w powyżej 500 cykli i ładowanie poniżej dziesięciu godzin). Oddzielna rezerwa alarmowa gwarantuje, że alarm metanowy i ostrzeżenie o niskim stanie naładowania pozostają dostępne po poleceniu operatorowi ładowania.
Ponieważ ładowarka działa w lampowni poza strefą zagrożenia, NiMH może stosować prosty, nadzorowany profil ładowania — sterowany prąd z zakończeniem -delta-V lub szczytowym, zabezpieczenia temperaturowe i czasowe — bez ograniczenia ładowania w strefie metanowej, a ładowarka flotowa może rejestrować trendy pojemności i rezystancji wewnętrznej, by wycofywać pakiety zanim ich czas pracy spadnie poniżej certyfikowanego progu.
Ołowiowo-kwasowa to historyczna chemia lamp hełmowych: tania i wybaczająca błędy, ale ciężka dla urządzenia noszonego na głowie, kwasonośna, słaba na zimnie i stosunkowo krótko żyjąca, co kłóci się z celami ergonomii i konstrukcji uszczelnionej. Ogniwa litowo-jonowe i litowe pierwotne oferują najwyższą gęstość energii i najdłuższy czas pracy na gram, lecz ich uzasadnienie iskrobezpieczeństwa jest znacznie trudniejsze: wysokie napięcie na ogniwo przesuwa konstrukcję w górę krzywych zapłonu, a oceniający musi też uwzględnić wewnętrzne uszkodzenia ogniw i propagację termiczną, z dodatkowym zabezpieczeniem, redundancją, a niekiedy niższym poziomem pewności zabezpieczenia urządzenia — poważne obciążenie dla urządzenia bezpieczeństwa życia Ex ia Ma.
Uszczelniony NiMH zajmuje pragmatyczny punkt środkowy: jego 1,2 V na ogniwo i ograniczony spodziewany prąd uszkodzeniowy ułatwiają projektowanie ograniczania energii, nie zawiera wolnego kwasu, toleruje cykle temperaturowe kopalni i płytkie codzienne użytkowanie, jest mechanicznie wytrzymały i transportowany jest na zasadach dla produktów niebędących litem. Druga animowana ilustracja ocenia chemie na osiach istotnych dla urządzeń przenośnych Grupy I; lit pozostaje uzasadniony tam, gdzie minimalna waga jest najważniejsza, a dodatkowa inżynieria bezpieczeństwa akceptowalna, podczas gdy NiMH jest często wyborem szybszym do certyfikacji, bardziej odpornym na niewłaściwe użytkowanie i o niższym ryzyku w całym cyklu życia dla floty lamp hełmowych i detektorów.
Przed certyfikacją pakiet jest walidowany na stanowisku względem rzeczywistego obciążenia lampa-czujniki, w temperaturze i pod koniec życia; bezpiecznik i elementy ograniczające bada się przez celowe zadanie uszkodzenia, by potwierdzić, że prąd zwarciowy i energia iskry pozostają poniżej progów Grupy I; testy odwrócenia ogniwa i głębokiego rozładowania potwierdzają zabezpieczenie; a upadek, wibracje i cykle termiczne weryfikują zalanie i połączenia. Czas pracy mierzy się względem wymagań jedenastogodzinnego oświetlenia i rezerwy alarmowej, a nie pojemności z karty katalogowej ogniwa.
Wynikiem jest scharakteryzowany, kontrolowany konstrukcyjnie pakiet z udokumentowanym budżetem energii uszkodzenia, krzywą czasu pracy względem temperatury i certyfikowanym wykazem materiałów (BOM) — dokładnie ten artefakt, którego wymaga kampania badań typu IECEx/ATEX w ostatnim artykule, oraz podstawę, na której producent OEM może z pewnością określić NiMH w przyrządzie Ex ia I Ma.
Weijiang Power projektuje i produkuje szczelne ogniwa niklowo-wodorkowe oraz dopasowane pakiety przemysłowe dla sprzętu zdalnego, poza siecią i związanego z bezpieczeństwem, a także wspiera partnerów OEM plikami wydajnościowymi IEC 61951-2, dowodami bezpieczeństwa IEC 62133-2, charakteryzacją obciążenia impulsowego, badaniami w szerokim zakresie temperatur oraz wspólną walidacją prostownika i pakietu. Podaj nam swój cykl pracy, prąd szczytowy, zakres temperatur, cel autonomii i normy, które musi spełniać Twój produkt, a nasi inżynierowie dobiorą kombinację ogniwa i pakietu chroniącą czas pracy, niezawodność i żywotność. Zobacz asortyment na stronie produktów.
