无线电波防爆安全阈值研究_孙继平.pdf

无线电波防爆安全阈值研究孙继平1，彭铭1，潘涛2，张高敏1（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）摘要：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发射的无线电波防爆安全功率和能量阈值，限制无线电发射器发射的无线电波功率和能量。欧洲标准 CLC/TR50427:2004Assessmentofinadvertentignitionofflammableatmospheresbyradio-frequencyradiation-Guide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/T3836.12021爆炸性环境第 1 部分:设备通用要求和国际标准 IEC60079-0:2017Explosiveatmospheres-Part0:Equipment-Generalrequirements直接引用欧洲标准CLC/TR50427:2004 规定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，不利于矿井无线通信系统和人员定位系统的推广应用。因此，国家标准 GB/T3836.12021 和国际标准 IEC60079-0:2017 规定的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。关键词：无线电波；防爆安全；能量阈值；功率阈值；点火功率中图分类号：TD655文献标志码：AResearchonthesafetythresholdofradiowaveexplosion-proofSUNJiping1,PENGMing1,PANTao2,ZHANGGaomin1(1.SchoolofMechanicalElectronicandInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology-Beijing,Beijing100083,China；2.CHNEnergyInformationTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100011,China)Abstract:Thepowerfulradiowavescanigniteexplosivegases.Therefore,itisnecessarytoreasonablysettheradiowaveexplosion-proofsafetypowerandenergythresholdemittedbytheradiotransmittertolimittheradiowavepowerandenergyemittedbytheradiotransmitter.Theradiowaveexplosion-proofsafetypowerandenergythresholdsspecifiedinEuropeanStandardCLC/TR50427:2004Assessment of inadvertent ignition offlammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guidearetheignitionpowerandenergythreshold.ThenationalstandardGB/T3836.1-2021Explosive atmospheres-Part 1:Equipment-General requirementsandtheinternational standard IEC 60079-0:2017 Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements收稿日期：2023-01-11；修回日期：2023-01-26；责任编辑：盛男。基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0801800）。作者简介：孙继平（1958），男，山西翼城人，教授，博士，博士研究生导师，中国矿业大学（北京）原副校长；获国家科技进步奖和技术发明奖二等奖 4 项（第 1 完成人 3 项）；作为第 1 完成人获省部级科技进步特等奖和一等奖 8 项；作为第完成人主持制定中华人民共和国煤炭行业、安全生产行业和能源行业标准 38 项；作为第发明人获国家授权发明专利 100 余件；主持制定煤矿安全规程第十一章“监控与通信”；被 SCI 和 EI 检索的第 1 作者或独立完成论文 100 余篇；作为第 1 作者或 独 立 完 成 著 作 12 部；作 为 国 务 院 煤 矿 事 故 调 查 专 家 组 组 长 参 加 了 10 起 煤 矿 特 别 重 大 事 故 调 查 工 作；E-mail:。引用格式：孙继平，彭铭，潘涛，等.无线电波防爆安全阈值研究J.工矿自动化，2023，49（2）：1-5.SUNJiping,PENGMing,PANTao,etal.Researchonthesafetythresholdofradiowaveexplosion-proofJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：1-5.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023编委学术专栏文章编号：1671251X（2023）02000105DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18072directlycitetheradiowaveexplosion-proofsafepowerandenergythresholdspecifiedintheEuropeanstandardCLC/TR50427:2004.Butthecontinuousradiowaveexplosion-proofsafeignitionpowerthresholdisincorrectlymodifiedastheproductoftheeffectiveoutputpowerofthetransmitterandtheantennagain.Thisleadstothereduction of the continuous radio wave explosion-proof safe transmission power threshold.Under certaintransmissionattenuationandreceptionsensitivityconditions,thewirelesstransmissiondistanceisreduced.Thisisnotconducivetothepromotionandapplicationofminewirelesscommunicationsystemandpersonnelpositioningsystem.Therefore,the safe power threshold for continuous radio wave explosion-proof specified in nationalstandardGB/T3836.1-2021andinternationalstandardIEC60079-0:2017shouldbetheignitionpowerthreshold,nottheproductoftheeffectiveoutputpowerofthetransmitterandtheantennagain.Key words:radiowave;explosion-proofsafety;energythreshold;powerthreshold;ignitionpower 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/T3836.12021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-Part0:Equipment-Generalrequirements直接引用欧洲标准 CLC/TR 50427:2004 Assessment of inadvertentignition of flammable atmospheres by radio-frequencyradiation-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。1GB/T 3836.12021 规定的无线电波防爆安全阈值GB/T3836.12021 规定了无线电波工作频率为 9kHz60GHz 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/T3836.12021 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/T3836.12021 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 3836.12021 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1GB/T3836.12021 规定的连续无线电波防爆安全功率阈值Table1Explosion-proofsafetypowerthresholdofcontinuousradiowavespecifiedinGB/T3836.1-2021设备类别连续无线电波防爆安全功率阈值/W热起燃时间（平均时间）/sI6200IIA6100IIB3.580IIC220III6200表2GB/T3836.12021 规定的脉冲式无线电波防爆安全能量阈值Table2Explosion-proofsafetyenergythresholdofpulsedradiowavespecifiedinGB/T3836.1-2021设备类别脉冲式无线电波防爆安全能量阈值/JI1500IIA950IIB250IIC50III15002工矿自动化第49卷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 6W；甲烷气体环境中的脉冲式无线电波防爆安全能量阈