無線電波發(fā)射功率防爆要求與檢測方法

摘要：現(xiàn)行國家標準GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》和國際標準IEC 60079-0：2017《Explosive atmospheres-Part 0：Equipment-General requirements》規(guī)定無線電發(fā)射器的閾功率為無線電發(fā)射器的有效輸出功率與天線增益的乘積。在無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值一定的條件下，天線增益越大，無線電發(fā)射器的有效輸出功率就越小，這將限制通過增大天線增益，提高無線傳輸距離。因此，有必要對國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 中規(guī)定的閾功率的正確性進行研究，提出合理的無線電波發(fā)射功率防爆要求與檢測方法。提出了無線電波防爆安全發(fā)射功率與天線增益無關(guān)，國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 規(guī)定的無線電發(fā)射器的閾功率是錯誤的。提出了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，且與天線增益無關(guān)；國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017 規(guī)定閾功率不得大于6 W，且與天線增益相關(guān)，是錯誤的。提出了無線電波防爆安全性能檢測方法——檢測無線電發(fā)射器輸出功率，這既可保證通過檢測的防爆無線電設(shè)備的防爆安全，又簡化了檢測方法，更提高了防爆無線電設(shè)備的無線電波發(fā)射功率，解除了對天線增益的限制，將大大提高煤礦井下防爆無線電設(shè)備的無線傳輸距離。

關(guān)鍵詞：礦井無線電波；防爆安全；天線增益；發(fā)射功率；輸出功率；防爆安全性能檢測

中圖分類號：TD655 文獻標志碼：A

0 引言

5G，5.5G，WiFi6，WiFi7，UWB，ZigBee 等礦井移動通信系統(tǒng)和車輛及人員定位系統(tǒng)等發(fā)射的大功率無線電波，被能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)吸收，并產(chǎn)生放電火花，有點燃爆炸性氣體的風(fēng)險[1-6]。因此，需要合理設(shè)置無線電發(fā)射器的無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值，限制無線電發(fā)射器的無線電波最大發(fā)射功率?，F(xiàn)行國家標準GB/T 3836.1—2021《爆炸性環(huán)境 第1 部分：設(shè)備 通用要求》[7]規(guī)定無線電發(fā)射器的閾功率不得大于6 W。

許多學(xué)者認為6 W 這一閾值限定得過低，導(dǎo)致通信基站的無線覆蓋半徑較小[8-10]，增大了系統(tǒng)建設(shè)成本和維護工作量，不利于礦井移動通信系統(tǒng)和車輛及人員定位系統(tǒng)等在煤礦井下應(yīng)用。文獻[11-12]對國家標準GB/T 3836.1—2021 進行了溯源分析，指出國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC60079-0：2017《Explosive atmospheres-Part 0：Equipment-General requirements》[13]直接引用歐洲標準CLC/TR50427：2004《Assessment of inadvertent ignition offlammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》[14]的相關(guān)內(nèi)容，但錯誤地將無線電波防爆安全功率閾值直接修改為6 W，并提出無線電波防爆安全功率閾值應(yīng)為8 W。文獻[15]指出國家標準GB/T3836.1—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，且無線電波防爆安全接收點火功率應(yīng)為8 W。文獻[16]分析了無線電波發(fā)射功率、接收總功率和接收點火功率之間的關(guān)系，得出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，提出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。文獻[17]通過搭建諧振耦合系統(tǒng)仿真了無線電波頻率為3.55 GHz、收發(fā)天線均為單環(huán)線圈的情形，結(jié)果表明，在無線電波發(fā)射功率為100 W 時，無法在斷點間距為0.4 mm 的單環(huán)接收線圈中產(chǎn)生擊穿放電。文獻[18-19]使用基于半波偶極子天線設(shè)計的射頻電磁能防爆專用試驗裝置進行試驗，結(jié)果表明，當發(fā)射射頻信號為700 MHz 正弦波時，測得未點燃瓦斯的臨界情況下最小正向功率為49.6 W、饋入最小功率為24.8 W，認為700 MHz頻段的無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值可以提高到20 W 以上，并指出了國家標準GB/T 3836.1—2021 中發(fā)射閾功率6 W 的限制來自于20 世紀80 年代英國的研究成果所存在的不足。文獻[20]將能作為接收天線的金屬結(jié)構(gòu)等效為單環(huán)接收線圈，以多物理場仿真得到的工作頻率為3.55 GHz 時最小擊穿電壓為200 V 為依據(jù)，使用電磁仿真軟件模擬了發(fā)射天線為八木天線、無線電波頻率為3.55 GHz 時在單環(huán)接收線圈斷點兩端產(chǎn)生的電壓，結(jié)果表明，在八木天線近場區(qū)、遠場區(qū)和沒有傳輸損耗時無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值分別為450，7 200，100 W，但僅考慮了無線電波頻率為3.55 GHz 時產(chǎn)生擊穿放電的特定情形。文獻[21]以GB/T 3836.1—2021 中規(guī)定可能堆積煤塵的電氣設(shè)備表面溫度不能超過150 ℃ 為依據(jù)，使用電磁仿真軟件模擬了無線電波在電氣設(shè)備表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)，結(jié)果表明，在無線電波發(fā)射功率不大于16.48 W 時，不會導(dǎo)致電氣設(shè)備表面溫度超過150 ℃。文獻[22]依據(jù)GB/T 3836.4—2021《爆炸性環(huán)境 第4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》[23]中規(guī)定的點燃甲烷–空氣混合氣體的最小能量為525 μJ，在不同無線電波發(fā)射功率下進行電磁仿真，結(jié)果表明，在安全距離為0.2 m 時，點燃甲烷?空氣混合氣體的無線電波最小發(fā)射功率為27.45 W。

綜上所述，僅筆者研究團隊[11-12，15-16]對國家標準GB/T 3836.1—2021 進行了溯源分析，指出了國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017錯誤地將歐洲標準CLC/TR 50427：2004 中規(guī)定的接收點火功率8 W 直接修改為發(fā)射閾功率6 W，提出了無線電波防爆安全發(fā)射功率閾值應(yīng)大于16 W。而其他文獻均是通過電磁仿真或試驗來驗證國家標準GB/T 3836.1—2021 中的無線電發(fā)射器的閾功率不得大于6 W 這一條款限定得過低，均沒有指出國家標準GB/T 3836.1—2021 和國際標準IEC 60079-0：2017的相關(guān)錯誤。