无线电波防爆安全阈值研究

孙继平， 彭铭， 潘涛， 张高敏

（1. 中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083；2. 国能信息技术有限公司，北京 100011）

0 引言

大功率无线电波会点燃爆炸性气体。因此，需合理设置无线电发射器（以下简称发射器）发射的无线电波防爆安全功率和能量阈值，限制发射器发射的无线电波功率和能量[1-8]。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1 部分：设备 通用要求》和国际标 准 IEC 60079-0:2017《 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》直接引用欧洲标准 CLC/TR 50427:2004《 Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的无线电波防爆安全功率和能量阈值，但错误地将连续无线电波防爆安全点火功率阈值修改为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积，从而造成连续无线电波防爆安全发射功率阈值降低；在传输衰减和接收灵敏度一定的条件下，降低了无线传输距离，不利于5G，WiFi6，UWB，ZigBee 等矿井无线通信系统和人员定位系统的推广应用[9-20]。因此，有必要进行无线电波防爆安全阈值研究，提出合理的无线电波防爆安全阈值。

1 GB/T 3836.1—2021 规定的无线电波防爆安全阈值

GB/T 3836.1—2021 规定了无线电波工作频率为9 kHz～60 GHz 的连续发射和脉冲时间超过热起燃时间的脉冲发射的无线电波（以下简称连续无线电波）防爆安全功率阈值（GB/T 3836.1—2021 称为射频阈功率），不应超过表1 中的对应值，同时规定发射器硬件的物理发射功率必须满足要求，不得采用程序进行设定或对软件进行控制的方式；规定了脉冲时间比热起燃时间短的脉冲雷达或其他发射形式发射的无线电波（以下简称脉冲式无线电波）防爆安全能量阈值（GB/T 3836.1—2021 称为射频阈能量），不应超过表2 中的对应值。在小于热起燃时间内，引燃与否取决于火花沉积的总能量，因此，脉冲式无线电波通过脉冲式无线电波防爆安全能量阈值来限制。超过热起燃时间时，引燃与否取决于火花沉积能量的功率，因此，连续无线电波通过连续无线电波防爆安全功率阈值来限制[21]。GB/T 3836.1—2021 第3 节“术语和定义”中规定：热起燃时间为火花释放出的能量积聚在其周围小范围的气体中没有明显热损耗的时间（平均功率阈值的时间）；脉冲式无线电波防爆安全能量阈值为脉冲式无线电波发射过程中从作为接收天线的金属结构中获取的单个脉冲的最大能量；连续无线电波防爆安全功率阈值定义为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。

表1 GB/T 3836.1—2021 规定的连续无线电波防爆安全功率阈值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 规定的脉冲式无线电波防爆安全能量阈值Table 2 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in GB/T 3836.1-2021

I 类设备用于煤矿瓦斯气体（主要是甲烷）环境；II 类设备用于除煤矿瓦斯气体环境之外的其他爆炸性气体环境（IIA 类，代表性气体为丙烷；IIB 类，代表性气体为乙烯；IIC 类，代表性气体为氢气和乙炔）；III 类设备用于除煤矿之外的爆炸性粉尘环境。由表1、表2 可以看出，我国标准将甲烷气体环境中的连续无线电波防爆安全功率阈值规定为6 W；甲烷气体环境中的脉冲式无线电波防爆安全能量阈值规定为1 500 µJ。由能量的计算公式W=Pt（P为功率，W；t为时间，s）可知，连续无线电波防爆安全能量阈值为1 200 µJ，略小于脉冲式无线电波防爆安全能量阈值。GB/T 3836.1—2021 将脉冲式无线电波防爆安全能量阈值定义为脉冲式无线电波发射过程中从作为接收天线的金属结构中获取的单个脉冲的最大能量，却将连续无线电波防爆安全功率阈值定义为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。脉冲式无线电波防爆安全能量阈值为接收能量，连续无线电波防爆安全功率阈值为发射功率，且发射功率的等效发射能量小于接收能量，显然不符合常理。

2 GB/T 3836.1—2021 无线电波防爆安全阈值溯源分析

国家标准GB/T 3836.1—2021 对国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布 的IEC 60079-0:2017《 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》的相关内容进行了修改采用。国际标准IEC 60079-0:2017 参考了欧洲电 工 标 准 化 委 员 会（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC）发布的欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》的相关内容。CLC/TR 50427:2004 中规定了不同爆炸性气体环境类别的代表性气体（表3）；不同爆炸性气体环境的连续无线电波防爆安全功率阈值和脉冲式无线电波防爆安全能量阈值的限定分别见表4 和表5。国际标准IEC 60079-0:2017第3 节“术语和定义（Terms and definitions）”中规定：脉冲式无线电波防爆安全能量阈值为脉冲式无线电波发射过程中从接收体获取的单个脉冲的最大能量；连续无线电波防爆安全功率阈值为发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。

表3 CLC/TR 50427:2004 规定的不同爆炸性气体环境类别的代表性气体Table 3 Representative gases of different explosive gas environment categories specified in CLC/TR 50427:2004

表4 CLC/TR 50427:2004 规定的连续无线电波防爆安全功率阈值Table 4 Explosion-proof safety power threshold of continuous radio wave specified in CLC/TR 50427:2004

表5 CLC/TR 50427:2004 中规定的脉冲式无线电波防爆安全能量阈值Table 5 Explosion-proof safety energy threshold of pulsed radio wave specified in CLC/TR 50427:2004

3 CLC/TR 50427:2004 规定的无线电波防爆安全阈值

欧洲标准CLC/TR 50427:2004 第3 节“术语和定义（Terms and definitions）”中规定可提取功率为作为接收天线的金属结构中的断点之间连接的电阻负载中消耗的功率。从可提取功率的定义可看出，可提取功率即为作为接收天线的金属结构的有效接收功率。CLC/TR 50427:2004 第10 节“确定含有危险区域的工厂的潜在无线电波点火风险评估方法（Methods of assessment for determining potential RF ignition hazards on a plant containing hazardous areas）”中给出了爆炸性气体环境的潜在无线电波点火风险全面评估程序（图1）：① 收集有关发射器和爆炸性气体环境中能作为接收天线的金属结构的所有相关信息。② 计算爆炸性气体环境中能作为接收天线的金属结构所在位置处的有效场强。③ 计算来自作为接收天线的金属结构中的可提取功率或能量。④ 将作为接收天线的金属结构中的可提取功率或能量与表4 和表5 中详细规定的无线电波防爆安全阈值进行比较。CLC/TR 50427:2004 附录G“完整评估程序的 工 作 示 例（Worked examples of full assessment procedure）”中给出了如何执行全面评估程序的具体案例。

图1 爆炸性气体环境的潜在无线电波点火风险全面评估程序Fig. 1 Full assessment procedure for potential radio wave ignition hazards in explosive gas environment

欧洲标准CLC/TR 50427:2004 中爆炸性气体环境的潜在无线电波点火风险全面评估程序中明确指出了表4 和表5 中无线电波防爆安全功率和能量阈值为点火功率和能量阈值。因此，CLC/TR 50427:2004 中的无线电波防爆安全阈值为作为接收天线的金属结构的有效接收功率和能量阈值。由于爆炸性气体环境中还可能存在移动式和便携式发射器，移动式和便携式发射器与爆炸性气体环境中能作为接收天线的金属结构的距离具有不确定性，CLC/TR 50427:2004 第12 节“特殊情况（Special cases）”规定了评估移动式和便携式发射器在爆炸性气体环境的潜在无线电波点火危险评估方法：对于输出功率小于相关爆炸性气体环境的连续无线电波防爆安全功率阈值（表4）的发射器，认为不存在无线电波点火风险；对于输出功率大于相关爆炸性气体环境的连续无线电波防爆安全功率阈值（表4）的发射器，应基于发射器与能作为接收天线的金属结构之间的最小预期距离，采用与固定发射器相同的方式，确定能作为接收天线的金属结构的可提取功率或能量，通过爆炸性气体环境的潜在无线电波点火风险全面评估程序进行评估。

4 结语

欧洲标准CLC/TR 50427:2004 规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值是点火功率和能量阈值。国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 直接引用欧洲标准CLC/TR 50427:2004 规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值，但在未见有相关理论分析和试验研究的情况下，错误地将连续无线电波防爆安全点火功率阈值修改为发射功率阈值。因此，国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 规定的无线电波防爆安全功率和能量阈值应是点火功率和能量阈值，其中，连续无线电波防爆安全功率阈值应为点火功率阈值，而不是发射器的有效输出功率与天线增益的乘积。