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/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-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/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/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017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：A
Research on the safety threshold of radio wave explosion-proof
SUN Jiping 1, PENG Ming 1, PAN Tao 2, ZHANG Gaomin 1
(1. School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing,
Beijing 100083, China ； 2. CHN Energy Information Technology Co., Ltd., Beijing 100011, China)
Abstract : The powerful radio waves can ignite explosive gases. Therefore, it is necessary to reasonably set the radio wave explosion-proof safety power and energy threshold emitted by the radio transmitter to limit the radio wave power and energy emitted by the radio transmitter. The radio wave explosion-proof safety power and energy thresholds specified in European Standard CLC/TR 50427:2004 Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide are the ignition power and energy threshold. The national standard GB/T 3836.1-2021 Explosive atmospheres -Part 1: Equipment -General requirements and the international 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１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１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 :sjp@cumtb .edu 。
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.
SUN Jiping, PENG Ming, PAN Tao, et al . Research on the safety threshold of radio wave explosion -proof [J ]. Journal of Mine Automation ，2023，49（2）：1-5
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第 49 卷 第 2 期工 矿 自 动 化
Vol .49 No .22023 年 2 月
Journal of Mine Automation
Feb . 2023
编委学术专栏
文章编号：1671−251X （2023）02−0001−05
DOI ：10.13272/j.issn.1671-251x.18072
directly cite the radio wave explosion-proof safe power and energy threshold specified in the European standard CLC/TR 50427:2004. But the continuous radio wave explosion-proof safe ignition power threshold is incorrectly modified as the product of the effective output power of the transmitter and the antenna gain. This leads to the reduction of the continuous radio wave explosion-proof safe transmission power threshold. Under certain transmission attenuation and reception sensitivity conditions, the wireless transmission distance is reduced. This is not conducive to the promotion and a
pplication of mine wireless communication system and personnel positioning system. Therefore, the safe power threshold for continuous radio wave explosion-proof specified in national standard GB/T 3836.1-2021 and international standard IEC 60079-0:2017 should be the ignition power threshold, not the product of the effective output power of the transmitter and the antenna gain.
Key words: radio wave; explosion-proof safety; energy threshold; power threshold; ignition power
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
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）/µs I6200
IIA6100
IIB 3.580
IIC220
III6200
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设备类别脉冲式无线电波防爆安全能量阈值/µJ I1 500
IIA950
IIB250
IIC50
III1 500
• 2 •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 5
00 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 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
环境类别
连续无线电波防爆
安全功率阈值/W
热起燃时间
（平均时间）/µs I
6（对于细长结构，例如起重机）；
8（对于其他所有结构）
200 IIA6100
IIB 3.580
IIC220
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
环境类别脉冲式无线电波防爆安全能量阈值/µJ I1 500
IIA950
IIB250
IIC50
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 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
环境类别代表性气体
I甲烷
IIA丙烷
IIB乙烯
IIC氢气
2023 年第 2 期孙继平等： 无线电波防爆安全阈值研究• 3 •
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。
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2023 年第 2 期
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