Головные светильники для подземных горных работ

Дата публикации: 
06.07.2014

угольная шахта

С повышением требований к уровню безопасности подземных горных работ, были ужесточены требования и к эксплуатационным и техническим характеристикам шахтным головным светильникам. Если раньше от светильника требовалось не больше, чем «светить, чтобы на смену хватало», то в настоящее время он должен не только освещать рабочее место, но и выполнять ряд других функций, причем в течение значительно более длительного времени, чем продолжительность одной рабочей смены. Какие это функции, в течение какого времени они должны выполняться и какие способы решения данных вопросов предлагаются производителями шахтных головных светильников — рассматривается ниже.

Работа шахтного головного светильника складывается из 2-х режимов — основного и аварийного. Основной режим характеризуется небольшим временем работы (10 ч) и необходимостью обеспечивать: качественное освещение рабочего места, в том числе и на значительном расстоянии от работающего; работоспособность встроенного сигнализатора метана и встроенной системы оповещения. В отличие от основного, аварийный режим работы светильника предусматривает значительно более долгий срок его функционирования (минимум 36 ч), достаточное для передвижения по подземным выработкам освещение окружающего пространства и работоспособность системы поиска и оповещения. Обеспечить полнофункциональную работу светильника с имеющимся запасом энергии его аккумуляторной батареи можно двумя путями: увеличением номинальной емкости аккумулятора и снижением энергопотребления светильника со встроенными дополнительными; устройствами как в основном, так и в аварийном режимах работы.

В основном режиме работы светильник с дополнительными устройствами потребляет ток около 500 мА, следовательно, для обеспечения его работы в течение 46 ч необходима емкость аккумулятора 23 Ач. В настоящее время на шахтах наиболее распространены герметичные аккумуляторы следующих типов:

  • никель-кадмиевые,
  • никель-металл-гидридные
  • литий-ионные.

Отечественным стандартом ГОСТ Р 52350.0—2005 п. 23.2 разрешено использование никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов, а применение литиевых аккумуляторов разрешалось при наличии соответствующего стандарта. С выходом ГОСТ Р МЭК 61960—2007 применение литиевых аккумуляторов во взрывозащищенном электрооборудовании приобрело легитимный характер. В сравнении с никелевыми аккумуляторами литиевые имеют рад преимуществ, основное из которых — более высокая удельная емкость по отношению к массогабаритньш показателям. Однако, что использование литиевых аккумуляторов в шахтных головных светильниках имеет ряд неоднозначных моментов.

Т.к. в данном случае имеются отдельные проблемы с определением емкости литиевого аккумулятора, в виду того что разные производители по-разному оценивают емкость выпускаемых аккумуляторов.

Для шахтного головного светильника минимально возможным напряжением, при котором он остается работоспособным, является 3 В, а многие производители аккумуляторов рассчитывают емкость, принимая минимальное напряжение 2,75 В или 2,5 В. Кроме того, отличается и ток разряда, при котором эта емкость рассчитывается. Как известно, при большем токе разряда аккумулятор отдает меньше энергии, чем при малом, и реально потребляемый светильником ток может в разы отличаться от тока разряда при испытаниях на определение отдаваемой емкости. Следовательно, во всех случаях применения литиевых аккумульторов необходимо корректировать реальную полезную емкость, которая отличается от номинальной емкости, заявленной изготовителем, и в подавляющем большинстве случаев — в сторону уменьшения.

Исходя из предположения о необходимой емкости аккумуляторной батареи 23 А-ч, рассмотрим способы получения такой батареи. Для никелевых аккумуляторных батарей с номинальным напряжением аккумулятора 1,2 В потребуется последовательное соединение трех аккумуляторов, каждый из которых имеет емкость 23 А-ч. Подходящих размеров таких аккумуляторов для переносных приборов нет. Литиевые аккумуляторы напряжением 3,7 В потребуют параллельного соединения нескольких аккумуляторов суммарной емкостью 123 А-ч. И тут возникает такое противоречие: ГОСТ Р 52350.0—2005 запрещает параллельное включение аккумуляторов в батарее, согласно п. 23.1 «Батареи внутри взрывозащищенного электрооборудования должны состоять только из элементов, соединенных последовательно», а ГОСТ Р 52065—2007 косвенно разрешает параллельное соединение в соответствии с п. 7.10 «при параллельном включении элементов информацию об этом, а также о том, что способ предотвращения перегрева или прохождения обратного тока через элемент безопасный и безотказный, включают в декларацию изготовителя головных светильников». Насколько этот способ безотказный и безопасный — остается на совести производителя и органа по сертификации, так как конкретно описанных технических решений обеспечения этой безотказности и безопасности (как, например, существующие требования по использованию только пассивных элементов или последовательного включения нескольких предохранительных устройств или элементов) в настоящее время нет.

Так же проблемным является определение ресурса литиевых аккумуляторов. И здесь нет единства среди производителей. Оценка долговечности литиевых АБ может быть допущена только лишь с определенной долей вероятности, и заявления некоторых производителей об их долговечности (более чем 1000 циклов) требуют весьма критичного отношения.

Как видно, единообразия в определении параметров и правомочности использования во взрывобезопасном электрооборудовании литиевых аккумуляторов  нет ни среди производителей, ни среди законодателей.

Теперь рассмотрим вопрос снижения потребляемой энергии светильником со встроенными дополнительными устройствами. В типичном светильнике три потребителя энергии: источник света, сигнализатор метана и радиоприемник-передатчик системы поиска и оповещения (радиометка). Снижение потребляемого тока источником света (на что идут некоторые производители) неизбежно приводит к ухудшению световых характеристик светильника. Снижение потребляемого тока радиометкой ограничено требованием правил безопасности обеспечивать такую мощность передатчика, чтобы радиосигнал проходил сквозь толщу породы не менее

20 м. Уменьшить потребляемую мощность сигнализатором метана можно только при использовании иных, чем ныне применяемых термокаталитических сенсоров метана. Полупроводниковые и фотометрические датчики имеют свои принципиальные недостатки: большие размеры, высокую зависимость точности показаний от переменных факторов (температура, влажность, давление), высокое напряжение питания и т.д. Следовательно, ресурсы экономии энергии в основном режиме работы себя практически исчерпали. Остается возможность экономии в аварийном режиме.

Все светильники имеют режим работы для аварийных ситуаций. Одни производители называют его «экономичный», другие — «аварийный». У всех светильников в таком режиме используется иной режим работы источника света: либо уменьшается сила тока, питающего основной источник света, либо вместо основного источника света включаются дополнительные, значительно меньшей мощности. Для вышеобозначенных отличий основного режима работы от аварийного в части качества освещения окружающего пространства такое снижение световых характеристик допустимо и оправдано.

Работа радиометки в основном и аварийном режимах принципиально не отличается, поэтому принимается равенство потребляемой электроэнергии для обоих режимов.

Рассмотрим необходимость сохранения работоспособности сигнализатора метана в аварийном режиме. В случае срабатывания его при превышении допустимой концентрации газа в атмосфере рабочий должен прекратить работу и выйти из опасной зоны. Аналогичные действия рабочий должен совершить и при аварии. Если же рабочий в результате аварии лишен способности передвигаться (изолированное пространство, травма и т.д.), то срабатывание сигнализатора метана не обеспечит ему выполнение необходимых действий. Так какой смысл в подобной сигнализации? С введением в правила безопасности требования оснащать всех подземных рабочих индивидуальными переносными газоанализаторами на три или четыре газа необходимость во встроенных в светильник сигнализаторах метана отпадает: зачем нужен дублирующий прибор со значительно худшими метрологическими характеристиками? Но эта проблема выходит за рамки настоящей статьи.

Таким образом, запас энергии в аккумулятре светильника складываете, из двух составляющих: необходимый объем для работы в основном режиме с большим потребляемы» током в течение непродолжительного времени и необходимый объем для работы в аварийном режиме с малым потребляемым током в течение длительного времени. Приоритетным для светильников в составе многофункциональных систем безопасности является вторая составляющая, поэтом усилия их производителей направлены на то, чтобы тем или иным образом обеспечить необходимый запас энергии для работы светильника в аварийном режиме. Достаточно давно используется защита аккумулятора от глубокого разряда, отключающая светильник при падении напряжения на ниже какого-то значения (как правило, 2,9 В ± 0,1 В). Учитывая, что радиометки подключаются напрямую к батареи, минуя все устройства защиты, можно предположить следующее. При увеличении порога отключения устройства защиты, например, до 3,5 В, можно обеспечить необходимый для работы радиометки запас энергии за счет отключения других потребителей (источник света, сигнализатор метана). Но при этом не учитываются как минимум два момента: светильник не выполняет одну из обязательных функций при работе в аварийном режиме (освещение горных выработок, достаточное для передвижения по ним) и то, что при снижении емкости батареи за время эксплуатации ниже какого-то значения время разряда! Время работы аккумуляторов номинальным напряжением 3,5 В до минимального рабочего напряжения радиометки может быть значительно меньше, чем требуемые 36 ч. Кроме того, существуют отличия в скорости разряда (а в нашем случае это время работы в аварийном режиме) в зависимости от тока разряда, температуры, типа АКБ. Следовательно, контроль минимального напряжения сам по себе не может в должной мере обеспечить безусловное выполнение требований по продолжительности и функционалности работы светильника в аварийном режиме.

Различные производители решают данную проблему по-разному. Например в устройстве предлагаемом «Электроточприбор», контроль времени работы светильника в основном режиме, происходит автоматически (переключение в аварийный режим по истечении 10,5 ч). Однако, данный метод не обеспечивает приоритета аварийного режима работы светильника, так как оставшаяся после функционирования в основном режиме емкость аккумулятора может быть недостаточной для обеспечения необходимой продолжительности работы в аварийном режиме.

Вторым вариантом является предложение ООО «Ингортех» -  создание так называемый неприкосновенный запас  емкости аккумулятора, предназначенный только для работы радиометки. Помимо того, что данное предложение аналогично первому из вышеупомянутых, исключает одно из обязательных требований к работе светильника в аварийном режиме — освещение окружающего пространства, возникает вопрос расчета необходимого запаса и его определения в процессе эксплуатации светильника. Если исходить из того, что должна обеспечиваться исключительно только работа радиометки без источника света и других дополнительных устройств, то у разных производителей многофункциональных систем безопасности значения потребляемого радиометками тока различаются. Даже у одной модели радиометок разница в потреблении тока достигает 20 %. Каким образом производитель светильников (а создание такого устройства сохранения запаса емкости возлагается именно на производителя светильников) должен определять этот «запас» при поставке своей продукции потребителям, если даже на различных шахтах одной угледобывающей компании модели многофункциональных систем безопасности могут быть разными? Следующий вопрос — определение размера резерва емкости в процессе эксплуатации светильника. Единственный из существующих способов определения реальной емкости батареи с достаточной степенью точности является контрольный цикл разряда стабилизированным током предварительно полностью заряженной АКБ до минимального напряжения разряда с фиксацией времени его продолжительности. Однако для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов своеобразный кпд  из особенности их зарядки. Для заряда литиевых АКБ доразряд не предусмотрен, и заряд осуществляется стабилизированным напряжением, при котором зарядный ток является переменной величиной. Следовательно, при эксплуатации светильников с литиевыми аккумуляторами отсутствует нулевая точка отсчета, значительно усложняется подсчет энергии, получаемой их при заряде, и не учитывается емкость, оставшаяся до начала заряда. Но при всех озвученных проблемах у данного метода сохранения резерва емкости присутствует безусловное достоинство: приоритет аварийного режима работы над основным.

Особенность всех вышеописанных методов — попытка исключить человеческий фактор, все устройства работают автоматически без участия человека.

Альтернативный метод был предложен ООО «Прокопьевский завод Светотехника» - установка датчика движения (акселерометра) и требование руководства по эксплуатации переключиться в аварийный режим в случае аварии или по истечении 10 ч работы в основном режиме. Акселерометр предназначен для автоматического отключения всех потребителей электроэнергии, кроме радиометки, в случае неподвижности светильника на протяжении определенного времени. То есть моделируется ситуация, когда попавший в аварию человек не может производить никаких манипуляций со светильником (травма, гибель и т.д.). Требование необходимости ручного переключения в аварийный режим при определенных условиях, помимо упомянутого человеческого фактора (необязательность исполнения), также не в полной мере соответствует приоритету аварийного режима перед основным (возможный недостаток оставшейся емкости батареи).

При оценке соответствия предлагаемых методов требованиям правил безопасности к светильникам в составе систем безопасности нельзя обделять вниманием и такой аспект, как регулярная проверка работоспособности применяемого метода (устройства), аналогичная той, которой подлежат блоки искрозащиты и сигнализаторы метана, встроенные в светильник. Проверить работоспособность акселерометра несложно: обеспечить 10—15 мин неподвижности светильника и проверить его автоматическое отключение можно в любое время. А вот каким образом должна проводиться в условиях ламповой, да еще и регулярно, проверка работоспособности таймера или устройства сохранения резерва батареи?

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1.  При разработке и сертификации светильников, работающих в составе многофункциональных систем безопасности, необходимо понимать разницу в требованиях к функциональности светильника при работе в основном и аварийном режимах и оценивать технические решения на их соответствие как требованиям нормативных документов, так и практическим требованиям.

2.   При выборе и эксплуатации светильников, работающих в составе многофункциональных систем безопасности, потребителям надо рассчитывать минимально необходимую емкость аккумуляторной батареи, исходя из данных о типе аккумуляторной батареи, потребляемом токе светильника и встроенных в него дополнительных устройствах как в основном, так и в аварийном режимах. Кроме того, необходимо регулярно проверять работоспособность устройств, обеспечивающих выполнение требований правил безопасности, и измерять фактическую емкость аккумуляторной батареи с заменой тех из них, емкость которых не удовлетворяет первоначальным требованиям.

3.   Предлагаемые и используемые в настоящее время технические решения обладают различными существенными недостатками.

головной светильник