孫繼平， 彭銘， 潘濤， 張高敏

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2. 國(guó)能信息技術(shù)有限公司，北京 100011）

0 引言

大功率無線電波會(huì)點(diǎn)燃爆炸性氣體。因此，需合理設(shè)置無線電發(fā)射器（以下簡(jiǎn)稱發(fā)射器）發(fā)射的無線電波防爆安全功率和能量閾值，限制發(fā)射器發(fā)射的無線電波功率和能量[1-8]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》和國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn) IEC 60079-0:2017《 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》直接引用歐洲標(biāo)準(zhǔn) CLC/TR 50427:2004《 Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的無線電波防爆安全功率和能量閾值，但錯(cuò)誤地將連續(xù)無線電波防爆安全點(diǎn)火功率閾值修改為發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積，從而造成連續(xù)無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值降低；在傳輸衰減和接收靈敏度一定的條件下，降低了無線傳輸距離，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等礦井無線通信系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[9-20]。因此，有必要進(jìn)行無線電波防爆安全閾值研究，提出合理的無線電波防爆安全閾值。

1 GB/T 3836.1—2021 規(guī)定的無線電波防爆安全閾值

GB/T 3836.1—2021 規(guī)定了無線電波工作頻率為9 kHz～60 GHz 的連續(xù)發(fā)射和脈沖時(shí)間超過熱起燃時(shí)間的脈沖發(fā)射的無線電波（以下簡(jiǎn)稱連續(xù)無線電波）防爆安全功率閾值（GB/T 3836.1—2021 稱為射頻閾功率），不應(yīng)超過表1 中的對(duì)應(yīng)值，同時(shí)規(guī)定發(fā)射器硬件的物理發(fā)射功率必須滿足要求，不得采用程序進(jìn)行設(shè)定或?qū)浖M(jìn)行控制的方式；規(guī)定了脈沖時(shí)間比熱起燃時(shí)間短的脈沖雷達(dá)或其他發(fā)射形式發(fā)射的無線電波（以下簡(jiǎn)稱脈沖式無線電波）防爆安全能量閾值（GB/T 3836.1—2021 稱為射頻閾能量），不應(yīng)超過表2 中的對(duì)應(yīng)值。在小于熱起燃時(shí)間內(nèi)，引燃與否取決于火花沉積的總能量，因此，脈沖式無線電波通過脈沖式無線電波防爆安全能量閾值來限制。超過熱起燃時(shí)間時(shí)，引燃與否取決于火花沉積能量的功率，因此，連續(xù)無線電波通過連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值來限制[21]。GB/T 3836.1—2021 第3 節(jié)“術(shù)語和定義”中規(guī)定：熱起燃時(shí)間為火花釋放出的能量積聚在其周圍小范圍的氣體中沒有明顯熱損耗的時(shí)間（平均功率閾值的時(shí)間）；脈沖式無線電波防爆安全能量閾值為脈沖式無線電波發(fā)射過程中從作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)中獲取的單個(gè)脈沖的最大能量；連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值定義為發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。

表1 GB/T 3836.1—2021 規(guī)定的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值Table 1 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

表2 GB/T 3836.1—2021 規(guī)定的脈沖式無線電波防爆安全能量閾值Table 2 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

I 類設(shè)備用于煤礦瓦斯氣體（主要是甲烷）環(huán)境；II 類設(shè)備用于除煤礦瓦斯氣體環(huán)境之外的其他爆炸性氣體環(huán)境（IIA 類，代表性氣體為丙烷；IIB 類，代表性氣體為乙烯；IIC 類，代表性氣體為氫氣和乙炔）；III 類設(shè)備用于除煤礦之外的爆炸性粉塵環(huán)境。由表1、表2 可以看出，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)將甲烷氣體環(huán)境中的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值規(guī)定為6 W；甲烷氣體環(huán)境中的脈沖式無線電波防爆安全能量閾值規(guī)定為1 500 μJ。由能量的計(jì)算公式W=Pt（P為功率，W；t為時(shí)間，s）可知，連續(xù)無線電波防爆安全能量閾值為1 200 μJ，略小于脈沖式無線電波防爆安全能量閾值。GB/T 3836.1—2021 將脈沖式無線電波防爆安全能量閾值定義為脈沖式無線電波發(fā)射過程中從作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)中獲取的單個(gè)脈沖的最大能量，卻將連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值定義為發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。脈沖式無線電波防爆安全能量閾值為接收能量，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為發(fā)射功率，且發(fā)射功率的等效發(fā)射能量小于接收能量，顯然不符合常理。

2 GB/T 3836.1—2021 無線電波防爆安全閾值溯源分析

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3836.1—2021 對(duì)國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）發(fā)布 的IEC 60079-0:2017《 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修改采用。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0:2017 參考了歐洲電 工 標(biāo) 準(zhǔn) 化 委 員 會(huì)（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC）發(fā)布的歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的相關(guān)內(nèi)容。CLC/TR 50427:2004 中規(guī)定了不同爆炸性氣體環(huán)境類別的代表性氣體（表3）；不同爆炸性氣體環(huán)境的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值和脈沖式無線電波防爆安全能量閾值的限定分別見表4 和表5。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0:2017第3 節(jié)“術(shù)語和定義（Terms and definitions）”中規(guī)定：脈沖式無線電波防爆安全能量閾值為脈沖式無線電波發(fā)射過程中從接收體獲取的單個(gè)脈沖的最大能量；連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值為發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。

表3 CLC/TR 50427:2004 規(guī)定的不同爆炸性氣體環(huán)境類別的代表性氣體Table 3 Representative gases of different explosive gas environment categories specified in CLC/TR 50427:2004

表4 CLC/TR 50427:2004 規(guī)定的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值Table 4 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave specified in CLC/TR 50427:2004

表5 CLC/TR 50427:2004 中規(guī)定的脈沖式無線電波防爆安全能量閾值Table 5 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in CLC/TR 50427:2004

3 CLC/TR 50427:2004 規(guī)定的無線電波防爆安全閾值

歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004 第3 節(jié)“術(shù)語和定義（Terms and definitions）”中規(guī)定可提取功率為作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)中的斷點(diǎn)之間連接的電阻負(fù)載中消耗的功率。從可提取功率的定義可看出，可提取功率即為作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的有效接收功率。CLC/TR 50427:2004 第10 節(jié)“確定含有危險(xiǎn)區(qū)域的工廠的潛在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（Methods of assessment for determining potential RF ignition hazards on a plant containing hazardous areas）”中給出了爆炸性氣體環(huán)境的潛在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)全面評(píng)估程序（圖1）：① 收集有關(guān)發(fā)射器和爆炸性氣體環(huán)境中能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的所有相關(guān)信息。② 計(jì)算爆炸性氣體環(huán)境中能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)所在位置處的有效場(chǎng)強(qiáng)。③ 計(jì)算來自作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)中的可提取功率或能量。④ 將作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)中的可提取功率或能量與表4 和表5 中詳細(xì)規(guī)定的無線電波防爆安全閾值進(jìn)行比較。CLC/TR 50427:2004 附錄G“完整評(píng)估程序的 工 作 示 例（Worked examples of full assessment procedure）”中給出了如何執(zhí)行全面評(píng)估程序的具體案例。

圖1 爆炸性氣體環(huán)境的潛在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)全面評(píng)估程序Fig. 1 Full assessment procedure for potential radio wave ignition hazards in explosive gas environment

歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004 中爆炸性氣體環(huán)境的潛在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)全面評(píng)估程序中明確指出了表4 和表5 中無線電波防爆安全功率和能量閾值為點(diǎn)火功率和能量閾值。因此，CLC/TR 50427:2004 中的無線電波防爆安全閾值為作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的有效接收功率和能量閾值。由于爆炸性氣體環(huán)境中還可能存在移動(dòng)式和便攜式發(fā)射器，移動(dòng)式和便攜式發(fā)射器與爆炸性氣體環(huán)境中能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的距離具有不確定性，CLC/TR 50427:2004 第12 節(jié)“特殊情況（Special cases）”規(guī)定了評(píng)估移動(dòng)式和便攜式發(fā)射器在爆炸性氣體環(huán)境的潛在無線電波點(diǎn)火危險(xiǎn)評(píng)估方法：對(duì)于輸出功率小于相關(guān)爆炸性氣體環(huán)境的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值（表4）的發(fā)射器，認(rèn)為不存在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于輸出功率大于相關(guān)爆炸性氣體環(huán)境的連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值（表4）的發(fā)射器，應(yīng)基于發(fā)射器與能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)之間的最小預(yù)期距離，采用與固定發(fā)射器相同的方式，確定能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)的可提取功率或能量，通過爆炸性氣體環(huán)境的潛在無線電波點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)全面評(píng)估程序進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)語

歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004 規(guī)定的無線電波防爆安全功率和能量閾值是點(diǎn)火功率和能量閾值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3836.1—2021 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0:2017 直接引用歐洲標(biāo)準(zhǔn)CLC/TR 50427:2004 規(guī)定的無線電波防爆安全功率和能量閾值，但在未見有相關(guān)理論分析和試驗(yàn)研究的情況下，錯(cuò)誤地將連續(xù)無線電波防爆安全點(diǎn)火功率閾值修改為發(fā)射功率閾值。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3836.1—2021 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60079-0:2017 規(guī)定的無線電波防爆安全功率和能量閾值應(yīng)是點(diǎn)火功率和能量閾值，其中，連續(xù)無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為點(diǎn)火功率閾值，而不是發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。