矿井无线电波防爆安全发射功率研究

孙继平，彭铭

（中国矿业大学（北京）人工智能学院，北京 100083）

0 引言

矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统等发射的大功率无线电波有点燃瓦斯和煤尘的风险[1-6]。因此，需要合理设置防爆无线电设备发射的无线电波防爆安全功率阈值，限制防爆无线电设备发射的无线电波功率。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[7]规定了爆炸性气体环境中金属结构作为等效接收天线时，所能允许的最大接收点火功率，但缺少爆炸性气体环境中无线电波防爆安全发射功率阈值的内容，难以指导防爆无线电设备设计、研发、生产和检测检验等。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1 部分：设备通用要求》[8]和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》[9]直接引用了欧洲标准CLC/TR 50427:2004 的无线电波防爆安全功率阈值，虽然对无线电波防爆安全发射功率阈值进行了规定，但错误地将欧洲标准CLC/TR 50427:2004 中的无线电波防爆安全接收点火功率阈值修改为无线电波防爆安全发射功率阈值（无线电设备的有效输出功率与天线增益的乘积），大大降低了无线电波防爆安全发射功率阈值[10-11]。在传输衰减和接收灵敏度一定的情况下，降低无线电波防爆安全发射功率阈值，就降低了矿用通信和定位等无线传输距离[12-14]，不利于无线电设备在煤矿井下推广应用[15]。因此，有必要对无线电设备的无线电波防爆安全发射功率进行研究，提出合理的无线电波防爆安全发射功率阈值。

1 无线电波防爆安全接收点火功率阈值

国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 直接引用了欧洲标准CLC/TR 50427:2004 的无线电波防爆安全功率阈值。欧洲标准CLC/TR 50427:2004 是对英国标准BS 6656:2002《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[16]的相关内容进行了等效采用。笔者在文献[17]中对英国标准BS 6656:2002 进行了溯源分析。BS 6656:2002 规定仅当爆炸性气体环境中存在起重机等细长结构物体时，无线电波防爆安全功率阈值为6 W；当爆炸性环境中没有这类细长结构物体时，无线电波防爆安全功率阈值为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]基础上修订的。BS 6656:1991 规定当无线电波工作频率为30 MHz 以下且爆炸性气体环境中存在起重机等细长结构物体时，无线电波防爆安全功率阈值为6 W；当无线电波工作频率为30 MHz 以上时，爆炸性气体环境中无论是否存在起重机等细长结构物体，无线电波防爆安全功率阈值均为8 W。煤矿井下不存在能作为接收天线的细长结构物体（如起重机），且现有5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统工作频率较高，均在30 MHz 以上。因此，煤矿井下无线电波防爆安全功率阈值应为8 W。

笔者在文献[10]中指出，国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 中规定的无线电波防爆安全功率阈值应为接收点火功率阈值，而不是发射功率阈值（发射器的有效输出功率与天线增益的乘积）。无线电波防爆安全接收点火功率阈值是无线电波能量耦合到能作为接收天线的金属结构在断点处产生放电火花点燃爆炸性气体的最小功率。因此，煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值应为8 W，而不是国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 规定的煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值6 W。

2 无线电波发射功率与接收点火功率

无线电设备发射的无线电波在空间中传播衰减[19]，被能作为接收天线的金属结构接收，可以将该金属结构等效为无线电波接收天线。若该金属结构（以下简称等效天线）存在断点，则会在断点处产生感应电压。在其他条件不变的情况下，无线电设备发射的无线电波功率越大，等效天线断点处产生的感应电压就越大。在断点处产生击穿放电需要非常高的电压[20]，矿井中现有无线电设备发射的无线电波能量不足以在等效天线断点处产生击穿放电。但在采煤机、掘进机、破碎机、转载机、带式输送机等大型机电设备的强振动环境下，等效天线可能会在断点处发生通断接触，并产生放电火花[21]，即刮擦放电，使聚集的能量在短时间内迅速释放，该放电火花相当于等效天线的等效负载。刮擦放电分为2 种，一种为闭合-断开的开路放电，另一种为断开-闭合的短路放电。闭合-断开的开路放电时，由于放电前电路为闭合状态，存在电流，当断点开始形成时，断点两端电压逐渐增大，增大到起弧电压时，在断点两端开始产生放电火花。断开-闭合的短路放电时，由于放电前为断开状态，不存在电流，断点两端存在电压，当断点逐渐闭合时，开始产生放电火花。因此等效天线接收的总功率等于接收点火功率与等效天线损耗功率之和。若等效天线的接收点火功率大于无线电波防爆安全接收点火功率阈值，就可能引起瓦斯爆炸。无线电波能量的传递关系如图1所示。

图1 无线电波能量的传递Fig.1 Transmission of energy by radio waves

无线电波发射功率、接收的总功率和接收点火功率之间的关系为

式中：Pi为接收点火功率，W；ε为金属结构产生放电火花的效率；Pr为接收的总功率，W；ξ为无线传输效率；τ为耦合效率，不同的等效天线在空间中吸收无线电波的效率不同，耦合效率 τ 不同；Pt为发射功率，W。

3 无线电波防爆安全发射功率阈值

为了保证无线电设备的防爆安全性能，发射功率阈值是防爆无线电设备设计、研发、制造、检测检验的重要依据。因此，提出合理的无线电波防爆安全发射功率阈值，在满足电气防爆安全的条件下，提高防爆无线电设备发射的无线电波功率，对减少基站布置，提高无线传输质量，具有十分重要的理论意义和实用价值。

煤矿井下的机电设备金属外壳、液压支架、电缆、水管、铁轨、钢丝绳、架空线、带式输送机支架和工字钢支护等金属结构可以等效为接收天线。金属结构作为接收天线时，其等效天线的等效电路如图2 所示。图2 中，U为等效天线感应出的感应电压；Ri+jX1为等效天线的内部阻抗；Ri为等效天线的内阻；+jX1为等效天线电抗；-jX2为断点两端的等效电容；Rs为产生放电火花时的等效电阻。

图2 产生放电火花时金属结构的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of a metal structure when generating an electrical discharge spark

由最大功率传输定理[22]可知，要使作为负载的放电火花功率达到最大，需要等效天线达到谐振状态。等效天线工作在谐振频率时呈纯阻性，其内阻与负载电阻上消耗的功率相等，此时接收点火功率Pi达到最大，为等效天线接收的总功率Pr的50%。

在最不利于无线电防爆的传输和耦合情况下（无线传输效率为1，耦合效率为1，发射天线发射的无线电波能量全部被等效天线吸收，等效天线接收的总功率等于发射功率），无线电设备工作频率为等效天线谐振频率时，接收点火功率达到最大，为等效天线接收的总功率的一半，即发射功率的一半。在实际工程中，无线传输效率不会为1，耦合效率也不会为1。因此，无线电波防爆安全发射功率阈值应是无线电波防爆安全接收点火功率阈值的2 倍以上。

煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值为8 W[17]，因此，煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W。

4 结论

1）煤矿井下不存在能作为接收天线的起重机这类细长结构物体，且现有5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统工作频率较高，均在30 MHz 以上。因此，煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值应为8 W。国家标准GB/T 3836.1—2021 和国际标准IEC 60079-0:2017 规定的煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值6 W 是错误的。

2）在最不利于无线电防爆的传输和耦合情况下（无线传输效率为1，耦合效率为1，发射天线发射的无线电波能量全部被等效天线吸收，等效天线接收的总功率等于发射功率），无线电设备工作频率为等效天线谐振频率时，接收点火功率达到最大，为等效天线接收的总功率的一半，即发射功率的一半。在实际工程中，无线传输效率不会为1，耦合效率也不会为1。因此，无线电波防爆安全发射功率阈值应是无线电波防爆安全接收点火功率阈值2 倍以上。煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值为8 W，因此，煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W。