礦井無線電波防爆安全發(fā)射功率研究

孫繼平，彭銘

（中國礦業(yè)大學（北京）人工智能學院，北京 100083）

0 引言

礦井移動通信系統(tǒng)、人員和車輛定位系統(tǒng)等發(fā)射的大功率無線電波有點燃瓦斯和煤塵的風險[1-6]。因此，需要合理設(shè)置防爆無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波防爆安全功率閾值，限制防爆無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波功率。歐洲標準CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[7]規(guī)定了爆炸性氣體環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)作為等效接收天線時，所能允許的最大接收點火功率，但缺少爆炸性氣體環(huán)境中無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值的內(nèi)容，難以指導(dǎo)防爆無線電設(shè)備設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)和檢測檢驗等。國家標準GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境第1 部分：設(shè)備通用要求》[8]和國際標準IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》[9]直接引用了歐洲標準CLC/TR 50427:2004 的無線電波防爆安全功率閾值，雖然對無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值進行了規(guī)定，但錯誤地將歐洲標準CLC/TR 50427:2004 中的無線電波防爆安全接收點火功率閾值修改為無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值（無線電設(shè)備的有效輸出功率與天線增益的乘積），大大降低了無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值[10-11]。在傳輸衰減和接收靈敏度一定的情況下，降低無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值，就降低了礦用通信和定位等無線傳輸距離[12-14]，不利于無線電設(shè)備在煤礦井下推廣應(yīng)用[15]。因此，有必要對無線電設(shè)備的無線電波防爆安全發(fā)射功率進行研究，提出合理的無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值。

1 無線電波防爆安全接收點火功率閾值

國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0:2017 直接引用了歐洲標準CLC/TR 50427:2004 的無線電波防爆安全功率閾值。歐洲標準CLC/TR 50427:2004 是對英國標準BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[16]的相關(guān)內(nèi)容進行了等效采用。筆者在文獻[17]中對英國標準BS 6656:2002 進行了溯源分析。BS 6656:2002 規(guī)定僅當爆炸性氣體環(huán)境中存在起重機等細長結(jié)構(gòu)物體時，無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當爆炸性環(huán)境中沒有這類細長結(jié)構(gòu)物體時，無線電波防爆安全功率閾值為8 W。而BS 6656:2002 是在BS 6656:1991《Guide to prevention of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation》[18]基礎(chǔ)上修訂的。BS 6656:1991 規(guī)定當無線電波工作頻率為30 MHz 以下且爆炸性氣體環(huán)境中存在起重機等細長結(jié)構(gòu)物體時，無線電波防爆安全功率閾值為6 W；當無線電波工作頻率為30 MHz 以上時，爆炸性氣體環(huán)境中無論是否存在起重機等細長結(jié)構(gòu)物體，無線電波防爆安全功率閾值均為8 W。煤礦井下不存在能作為接收天線的細長結(jié)構(gòu)物體（如起重機），且現(xiàn)有5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等礦井移動通信系統(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)工作頻率較高，均在30 MHz 以上。因此，煤礦井下無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為8 W。

筆者在文獻[10]中指出，國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0:2017 中規(guī)定的無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為接收點火功率閾值，而不是發(fā)射功率閾值（發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積）。無線電波防爆安全接收點火功率閾值是無線電波能量耦合到能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)在斷點處產(chǎn)生放電火花點燃爆炸性氣體的最小功率。因此，煤礦井下無線電波防爆安全接收點火功率閾值應(yīng)為8 W，而不是國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0:2017 規(guī)定的煤礦井下無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值6 W。

2 無線電波發(fā)射功率與接收點火功率

無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波在空間中傳播衰減[19]，被能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)接收，可以將該金屬結(jié)構(gòu)等效為無線電波接收天線。若該金屬結(jié)構(gòu)（以下簡稱等效天線）存在斷點，則會在斷點處產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在其他條件不變的情況下，無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波功率越大，等效天線斷點處產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就越大。在斷點處產(chǎn)生擊穿放電需要非常高的電壓[20]，礦井中現(xiàn)有無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波能量不足以在等效天線斷點處產(chǎn)生擊穿放電。但在采煤機、掘進機、破碎機、轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機等大型機電設(shè)備的強振動環(huán)境下，等效天線可能會在斷點處發(fā)生通斷接觸，并產(chǎn)生放電火花[21]，即刮擦放電，使聚集的能量在短時間內(nèi)迅速釋放，該放電火花相當于等效天線的等效負載。刮擦放電分為2 種，一種為閉合-斷開的開路放電，另一種為斷開-閉合的短路放電。閉合-斷開的開路放電時，由于放電前電路為閉合狀態(tài)，存在電流，當斷點開始形成時，斷點兩端電壓逐漸增大，增大到起弧電壓時，在斷點兩端開始產(chǎn)生放電火花。斷開-閉合的短路放電時，由于放電前為斷開狀態(tài)，不存在電流，斷點兩端存在電壓，當斷點逐漸閉合時，開始產(chǎn)生放電火花。因此等效天線接收的總功率等于接收點火功率與等效天線損耗功率之和。若等效天線的接收點火功率大于無線電波防爆安全接收點火功率閾值，就可能引起瓦斯爆炸。無線電波能量的傳遞關(guān)系如圖1所示。

圖1 無線電波能量的傳遞Fig.1 Transmission of energy by radio waves

無線電波發(fā)射功率、接收的總功率和接收點火功率之間的關(guān)系為

式中：Pi為接收點火功率，W；ε為金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生放電火花的效率；Pr為接收的總功率，W；ξ為無線傳輸效率；τ為耦合效率，不同的等效天線在空間中吸收無線電波的效率不同，耦合效率 τ 不同；Pt為發(fā)射功率，W。

3 無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值

為了保證無線電設(shè)備的防爆安全性能，發(fā)射功率閾值是防爆無線電設(shè)備設(shè)計、研發(fā)、制造、檢測檢驗的重要依據(jù)。因此，提出合理的無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值，在滿足電氣防爆安全的條件下，提高防爆無線電設(shè)備發(fā)射的無線電波功率，對減少基站布置，提高無線傳輸質(zhì)量，具有十分重要的理論意義和實用價值。

煤礦井下的機電設(shè)備金屬外殼、液壓支架、電纜、水管、鐵軌、鋼絲繩、架空線、帶式輸送機支架和工字鋼支護等金屬結(jié)構(gòu)可以等效為接收天線。金屬結(jié)構(gòu)作為接收天線時，其等效天線的等效電路如圖2 所示。圖2 中，U為等效天線感應(yīng)出的感應(yīng)電壓；Ri+jX1為等效天線的內(nèi)部阻抗；Ri為等效天線的內(nèi)阻；+jX1為等效天線電抗；-jX2為斷點兩端的等效電容；Rs為產(chǎn)生放電火花時的等效電阻。

圖2 產(chǎn)生放電火花時金屬結(jié)構(gòu)的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of a metal structure when generating an electrical discharge spark

由最大功率傳輸定理[22]可知，要使作為負載的放電火花功率達到最大，需要等效天線達到諧振狀態(tài)。等效天線工作在諧振頻率時呈純阻性，其內(nèi)阻與負載電阻上消耗的功率相等，此時接收點火功率Pi達到最大，為等效天線接收的總功率Pr的50%。

在最不利于無線電防爆的傳輸和耦合情況下（無線傳輸效率為1，耦合效率為1，發(fā)射天線發(fā)射的無線電波能量全部被等效天線吸收，等效天線接收的總功率等于發(fā)射功率），無線電設(shè)備工作頻率為等效天線諧振頻率時，接收點火功率達到最大，為等效天線接收的總功率的一半，即發(fā)射功率的一半。在實際工程中，無線傳輸效率不會為1，耦合效率也不會為1。因此，無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值應(yīng)是無線電波防爆安全接收點火功率閾值的2 倍以上。

煤礦井下無線電波防爆安全接收點火功率閾值為8 W[17]，因此，煤礦井下無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值應(yīng)大于16 W。

4 結(jié)論

1）煤礦井下不存在能作為接收天線的起重機這類細長結(jié)構(gòu)物體，且現(xiàn)有5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等礦井移動通信系統(tǒng)及人員和車輛定位系統(tǒng)工作頻率較高，均在30 MHz 以上。因此，煤礦井下無線電波防爆安全接收點火功率閾值應(yīng)為8 W。國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0:2017 規(guī)定的煤礦井下無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值6 W 是錯誤的。

2）在最不利于無線電防爆的傳輸和耦合情況下（無線傳輸效率為1，耦合效率為1，發(fā)射天線發(fā)射的無線電波能量全部被等效天線吸收，等效天線接收的總功率等于發(fā)射功率），無線電設(shè)備工作頻率為等效天線諧振頻率時，接收點火功率達到最大，為等效天線接收的總功率的一半，即發(fā)射功率的一半。在實際工程中，無線傳輸效率不會為1，耦合效率也不會為1。因此，無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值應(yīng)是無線電波防爆安全接收點火功率閾值2 倍以上。煤礦井下無線電波防爆安全接收點火功率閾值為8 W，因此，煤礦井下無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值應(yīng)大于16 W。