爆炸性环境用无线设备的防爆安全性研究现状*

李世光 王新华 秦静 张迎新 蒋漳河

（广州特种机电设备检测研究院）

0 引言

随着无线网络技术和电子技术的发展，无线设备已经被大量运用于工业和其它大规模数据传输系统。无线设备因其具有移动性、无线缆特性、可增加仪表可视性等优点，大大降低了安装和维护成本，并且基于大规模传输技术的设备支持更高级别的操作和维护。但是无线设备等含射频源设备的使用也存在一些问题，尤其是在石油、煤炭、化工等存在易燃易爆物质的工业生产场所，无线设备无疑成为危险点燃源之一。本文对目前爆炸性环境用无线设备的防爆安全性发展现状、标准发展情况、产品情况、无线防爆技术特点以及防爆无线设备的前景等方面进行分析。

1 国内外发展现状

国内针对无线设备等含射频源设备的防爆安全性研究主要有：文献[1]着重研究电磁场对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响，研究表明电磁场对火焰和爆轰波具有相互加剧的关系；文献[2]针对煤矿井中，在含射频源设备辐射的大型机械结构出现刮擦情况下点燃瓦斯，进行了点燃关键性因素研究，并且研制出相应的装置；文献[3]对电磁波与煤矿瓦斯爆炸的关系进行探讨，分别对电磁波高频火花放电和热效应点燃情况进行了研究；文献[4]研究了无线设备在矿井中使用时的功率限制，详细描述了不同频率下、不同物质最大允许发射功率，为煤矿井下选取无线通信系统频率提供了依据；文献[5]详细地阐述移动通信设计在易燃易爆气体环境中使用的安全性，提出了能量储存释放模型，该模型对移动通信设备电磁辐射能量吸收、存储和释放机理进行分析，对提高移动通信设备在爆炸性环境使用安全性进行研究；文献[6]报道了一种用于煤矿行业的非接触电磁辐射监测系统的开发，但并未就其防爆性能进行深入研究。

我国设计生产的无线防爆设备种类较为单一（主要集中在防爆手机和对讲机等产品），系统级过程工业防爆设备较少，主要以代理国外知名品牌产品为主，如摩托罗拉的防爆手机在石化行业中占有主导地位。我国相关的产品设计研发远滞后于国外，其原因之一在于标准化的滞后。

国外标准化的发展得益于其对电磁波安全性能研究起步较早。

1985年德国标准DIN VDE 0848 《电场、磁场和电磁场中的安全》第3部分就考虑到电磁波在潜在爆炸性环境中的安全性能，能辐射到危险区域的射频源的限制值被限定在2 W，但是该标准仅涉及到连续波的情况。在2001年再次发行了新的版本。目前只有德国出版国家级的标准DIN VDE 0848-5:2001-1，其中涉及到射频源安装在爆炸性环境外，但辐射到该区域的情况[7]；而安装于爆炸性环境内射频源的技术要求在EN 60079-14中提到[8]。但是这两项标准仅简短提到，电磁波能量须限制在某一个限值以下。

英国标准化组织于2002年发布BS 6656-2002《由射频辐射引起的易燃气体意外着火的评定指南》，对射频辐射在爆炸性环境的危险性评定做出了详细的要求，并于2004年发布PD CLC TR 50427:2004，对频率范围9 kHz～60 GHz的射频源设计、使用和检测进行了规定，其中包括连续波和脉冲波，并给出对高频感应电流进行检测的方法和仪器[9]。

2006年国际电工委发布的 CDV文件，IEC 60079-0 IEC Publication 31/635 CDV 2006-06征求意见稿中，对频率在10 kHz到300 GHz（表1和表2）之间的射频源在爆炸性环境使用进行了规定[10]；而IEC 60079-0 2007正式稿并未采用征求意见稿中频率的覆盖范围，频率范围仅在9 kHz～60 GHz的连续波和脉冲波等形式，并给出了不同爆炸性物质组别所对应的限制值，但文中提到大功率射频源直接参考 PD CLC TR 50427:2004中的规定。

表1 连续射频源在不同组别爆炸性环境下的域功率

表2 脉冲射频源在不同组别的爆炸性环境的域能量

国内研究机构对射频源的关注较少，防爆相关国家标准如 GB3836-2000系列和 GB12476-2000系列中，对射频源的防爆技术要求并未做出相关规定。直到2011年才发布新版标准GB3836.1-2010，等效采用了IEC 60079-0 2007中对射频源的规定。

2 无线设备在潜在爆炸性环境下安全性研究

2.1 点燃源的辨识

每种新设备应用于爆炸性环境必须考虑是否会成为点燃源，研究表明电磁场和电磁波是点燃源之一。电磁场直接点燃爆炸性环境被认为几乎不可能，在实验室条件下点燃辐射源需要上百瓦的功率[9]。最大的危险来源于电磁场在金属结构或者 EMI防护失效的电子电路上感应出的电流。感应电流将产生极高的表面温度和火花。这类点燃的发生需要满足3个要素：1)必须存在爆炸性环境；2)存在能量足够的射频源，根据IEC 60079-0或GB3836.1规定，连续波限制值为域功率，如表1所示，而脉冲波其限制值为域能量，如表2所示；3)必须存在环形金属结构且存在断开点或者接触点突然断开的情况。

考虑到电磁波在空间连续传播的特点，这些限制值并没有包括分区和与爆炸性环境出现的概率相关的情况。当周边的无线发射器发出大功率电磁波，且臂长约为波长的一半时，金属结构（燃料负载吊臂）将变成高效接收天线，此时火花点燃将发生在环状金属结构的物理分开处，如图1所示。

图1 射频源形成点燃源的原理图

2.2 适用于防爆领域的无线协议

无线通信协议射频能量分布图如图 2所示，WPAN、WLAN、WMAN和WWAN等几大类无线协议距离和发射功率的关系，可以分析无线设备所用的协议是否具有在爆炸性环境使用的可能性。WLAN，Bluetooth 和ZigBee通常应用在ISM窄带（例如2.4 GHz）上，这些频带只允许低功率传输。WLAN接入点在2.4 GHz频带被RF规范限制在100 mW以内；IEEE802.11 2.4 GHz的额定传输功率达2145 mW；Bluetooth和ZigBee设备大部分应用在传输功率为10 mW的范围[10]，因此这些协议的传输功率远低于标准所要求的域值。

图2 无线通信协议射频能量分布图[11]

点燃危险性通常取决于磁场强度的幅值，天线增益作为描述传输功率某一方向上聚中度的参数，因此GB3836.1-2010标准规定的限制值必须考虑天线的增益。

手机和便携式发射器出现比较特殊的情况，发射器与潜在爆炸性环境中的金属结构间的距离并不固定，并且手机和便携式发射器的发射频率、天线增益以及发射功率会根据所处环境而发生变化，因此手机和便携式发射器需要进行综合评定，如果发射能量超过标准规定的域值就必须按照标准规定进行安装和使用。

除上述情况以外，现场还存在其它协议，如厂房周边有大型通信基站、广播电视台等，此类情况也必须参考BS 5565和IEC 60079进行评定。

2.3 降低射频源危险性的方法

目前取得防爆区域1区以上认证的设备非常少，主要原因为新设备发展较快，而标准化工作滞后。通常让射频源处于隔爆结构或者其它类型的防爆型式。大部分隔爆外壳为金属结构，妨碍电磁波从天线发射出来，解决办法是将一个方向天线安装在玻璃后面，但信号丢失情况比较严重，且限制了使用的灵活性。另一种方法就是使用增安型外部天线，但是须保证电源与射频设备的输入输出短路时，没有过高的电流或电压出现。如果天线没有经过相应的检测是不允许使用爆炸性环境的。

随着本安技术和无线技术的发展，使用本安技术的无线设备具有明显技术优势。无线设备中的电路进行本安化设计，再通过对天线增益和发射能量进行安全评定后，确保射频源不能点燃爆炸性物质。本安型无线设备不仅具有足够的安全系数，还满足使用和维护的便捷性、灵活性等方面的需求。随着技术的分化和发展，无线防爆设备实现的形式也将越来越多，将出现更多根据不同爆炸物质组别和场所特有的无线设备，如以n型防爆型式为基础的无线防爆设备；以ic型防爆型式为基础的适用于2区的无线防爆设备。

根据国内外对无线设备相关防爆技术的研究现状，我国的无线设备防爆安全性必须进行深入的研究，并及时制订相关的标准。

3 无线设备在潜在爆炸性环境的应用

基于无线设备在过程工业中应用的优势，无线设备将越来越多地应用于工业自动化系统和通信系统。无线防爆设备在过程工业中应用的典型系统如图3 所示，上位机通过网络和I/O总线连接到危险区域用无线设备上，其中包括基于能量收集的开关、无线场设备、无线网关、WLAN接入点、移动工作终端、人员定位系统、视频系统以及GSM/GPRS调制解调器等。可见，无线设备已经覆盖了各种功能终端，像这样的系统因其特定的优势，将得到越来越多用户的认可。

根据VDC研究集团最近5年对本安型无线设备的市场调研表明，预估本安型无线设备的市场容量从2006年的27.15亿美元到2011年已增长到接近50亿美元，平均年增长率为9.8%[12]。

从无线防爆设备区域市场看，美国市场发展较为成熟，其本安型无线设备市场容量高达18.23亿美元；欧洲、中东、非洲市场，其市场容量约为6亿美元；而亚洲-太平洋市场容量仅为 3亿美元。从区域的发展程度来看，未来欧洲、中东、非洲和亚洲市场前景相当可观。

图3 无线防爆设备在过程工业中应用的典型系统

根据VDC对各种无线设备分类调研情况看，只有对讲机和寻呼机设备的市场规模较大，其次是发射器，2011年市场容量为9.5亿美元。手持式设备、网络设备和手机等虽然占总量比例较低，但是从图4可以看出与2006年相比，2011年的本安型无线设备市场容量的增长了一倍以上[12]。

图4 2006年和2011年本安型射频/微波无线设备装箱量

4 结语

无线传输在与传统的连接技术竞争的发展过程中，具有建立全新的、更有效的流程，提高生产过程的质量和安全以及提供额外测量点的潜力。无线传输系统在潜在爆炸性环境的使用安全性的深入研究，使得这一技术的优势，将在石油、煤炭、化工等过程工业领域中得到广泛应用。

[1]李静.电磁场对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响[J].煤炭学报,2008,33(1):51-54.

[2]彭霞.矿井电磁波辐射能量对瓦斯安全性的影响[J].煤炭学报,2013,38(4):542-547.

[3]柳玉磊.电磁波功率与煤矿瓦斯爆炸的关系探讨[D].北京:煤炭科学研究总院,2008.

[4]杨卫华.无线设备在矿井中使用时的功率限制研究[J].无线电工程,2008,38(1):47-48,61.

[5]李勇强.移动通信设计在易燃易爆气体环境中使用的安全性研究[D].西安:西安交通大学,2001.

[6]聂百胜,何学秋,王恩元,等.煤岩动力灾害非接触电磁辐射监测系统及应用[J].煤矿安全,2004,(10):144-148.

[7]DIN VDE 0848-5:2001-01 Sicherheit in elektrischen,magnetischen and elektromagnetischen Feldern (Safety in electrical,magnetic and electromagnetic fields).

[8]IEC/EN 60079-14 Electrical apparatus for explosive gas atmospheres –Part 14: Electrical installations in hazardous areas (other than mines).

[9]Stephan Schultz. The use of wireless technology in hazardous areas[J]. Ex-Magazine,2007: 20-21.

[10]IEC Publication 31/635 CDV 2006-06 Electrical apparatus for explosive atmospheres – Part 0: General requirements.

[11]Waqas Ikram & Nina F. Thornhill. Wireless Communication in Process Automation: A Survey of Opportunities,Requirements,Concerns and Challenges[C]. Presented at Control 2010,Coventry,UK,2010: 1-6.

[12]James K Taylor. An Executive Brief global markets for wireless intrinsically safe devices and equipment. 2007.