爆炸性環境用無線設備的防爆安全性研究現狀*

李世光 王新華 秦靜 張迎新 蔣漳河

（廣州特種機電設備檢測研究院）

0 引言

隨著無線網絡技術和電子技術的發展，無線設備已經被大量運用于工業和其它大規模數據傳輸系統。無線設備因其具有移動性、無線纜特性、可增加儀表可視性等優點，大大降低了安裝和維護成本，并且基于大規模傳輸技術的設備支持更高級別的操作和維護。但是無線設備等含射頻源設備的使用也存在一些問題，尤其是在石油、煤炭、化工等存在易燃易爆物質的工業生產場所，無線設備無疑成為危險點燃源之一。本文對目前爆炸性環境用無線設備的防爆安全性發展現狀、標準發展情況、產品情況、無線防爆技術特點以及防爆無線設備的前景等方面進行分析。

1 國內外發展現狀

國內針對無線設備等含射頻源設備的防爆安全性研究主要有：文獻[1]著重研究電磁場對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的影響，研究表明電磁場對火焰和爆轟波具有相互加劇的關系；文獻[2]針對煤礦井中，在含射頻源設備輻射的大型機械結構出現刮擦情況下點燃瓦斯，進行了點燃關鍵性因素研究，并且研制出相應的裝置；文獻[3]對電磁波與煤礦瓦斯爆炸的關系進行探討，分別對電磁波高頻火花放電和熱效應點燃情況進行了研究；文獻[4]研究了無線設備在礦井中使用時的功率限制，詳細描述了不同頻率下、不同物質最大允許發射功率，為煤礦井下選取無線通信系統頻率提供了依據；文獻[5]詳細地闡述移動通信設計在易燃易爆氣體環境中使用的安全性，提出了能量儲存釋放模型，該模型對移動通信設備電磁輻射能量吸收、存儲和釋放機理進行分析，對提高移動通信設備在爆炸性環境使用安全性進行研究；文獻[6]報道了一種用于煤礦行業的非接觸電磁輻射監測系統的開發，但并未就其防爆性能進行深入研究。

我國設計生產的無線防爆設備種類較為單一（主要集中在防爆手機和對講機等產品），系統級過程工業防爆設備較少，主要以代理國外知名品牌產品為主，如摩托羅拉的防爆手機在石化行業中占有主導地位。我國相關的產品設計研發遠滯后于國外，其原因之一在于標準化的滯后。

國外標準化的發展得益于其對電磁波安全性能研究起步較早。

1985年德國標準DIN VDE 0848 《電場、磁場和電磁場中的安全》第3部分就考慮到電磁波在潛在爆炸性環境中的安全性能，能輻射到危險區域的射頻源的限制值被限定在2 W，但是該標準僅涉及到連續波的情況。在2001年再次發行了新的版本。目前只有德國出版國家級的標準DIN VDE 0848-5:2001-1，其中涉及到射頻源安裝在爆炸性環境外，但輻射到該區域的情況[7]；而安裝于爆炸性環境內射頻源的技術要求在EN 60079-14中提到[8]。但是這兩項標準僅簡短提到，電磁波能量須限制在某一個限值以下。

英國標準化組織于2002年發布BS 6656-2002《由射頻輻射引起的易燃氣體意外著火的評定指南》，對射頻輻射在爆炸性環境的危險性評定做出了詳細的要求，并于2004年發布PD CLC TR 50427:2004，對頻率范圍9 kHz～60 GHz的射頻源設計、使用和檢測進行了規定，其中包括連續波和脈沖波，并給出對高頻感應電流進行檢測的方法和儀器[9]。

2006年國際電工委發布的 CDV文件，IEC 60079-0 IEC Publication 31/635 CDV 2006-06征求意見稿中，對頻率在10 kHz到300 GHz（表1和表2）之間的射頻源在爆炸性環境使用進行了規定[10]；而IEC 60079-0 2007正式稿并未采用征求意見稿中頻率的覆蓋范圍，頻率范圍僅在9 kHz～60 GHz的連續波和脈沖波等形式，并給出了不同爆炸性物質組別所對應的限制值，但文中提到大功率射頻源直接參考 PD CLC TR 50427:2004中的規定。

表1 連續射頻源在不同組別爆炸性環境下的域功率

表2 脈沖射頻源在不同組別的爆炸性環境的域能量

國內研究機構對射頻源的關注較少，防爆相關國家標準如 GB3836-2000系列和 GB12476-2000系列中，對射頻源的防爆技術要求并未做出相關規定。直到2011年才發布新版標準GB3836.1-2010，等效采用了IEC 60079-0 2007中對射頻源的規定。

2 無線設備在潛在爆炸性環境下安全性研究

2.1 點燃源的辨識

每種新設備應用于爆炸性環境必須考慮是否會成為點燃源，研究表明電磁場和電磁波是點燃源之一。電磁場直接點燃爆炸性環境被認為幾乎不可能，在實驗室條件下點燃輻射源需要上百瓦的功率[9]。最大的危險來源于電磁場在金屬結構或者 EMI防護失效的電子電路上感應出的電流。感應電流將產生極高的表面溫度和火花。這類點燃的發生需要滿足3個要素：1)必須存在爆炸性環境；2)存在能量足夠的射頻源，根據IEC 60079-0或GB3836.1規定，連續波限制值為域功率，如表1所示，而脈沖波其限制值為域能量，如表2所示；3)必須存在環形金屬結構且存在斷開點或者接觸點突然斷開的情況。

考慮到電磁波在空間連續傳播的特點，這些限制值并沒有包括分區和與爆炸性環境出現的概率相關的情況。當周邊的無線發射器發出大功率電磁波，且臂長約為波長的一半時，金屬結構（燃料負載吊臂）將變成高效接收天線，此時火花點燃將發生在環狀金屬結構的物理分開處，如圖1所示。

圖1 射頻源形成點燃源的原理圖

2.2 適用于防爆領域的無線協議

無線通信協議射頻能量分布圖如圖 2所示，WPAN、WLAN、WMAN和WWAN等幾大類無線協議距離和發射功率的關系，可以分析無線設備所用的協議是否具有在爆炸性環境使用的可能性。WLAN，Bluetooth 和ZigBee通常應用在ISM窄帶（例如2.4 GHz）上，這些頻帶只允許低功率傳輸。WLAN接入點在2.4 GHz頻帶被RF規范限制在100 mW以內；IEEE802.11 2.4 GHz的額定傳輸功率達2145 mW；Bluetooth和ZigBee設備大部分應用在傳輸功率為10 mW的范圍[10]，因此這些協議的傳輸功率遠低于標準所要求的域值。

圖2 無線通信協議射頻能量分布圖[11]

點燃危險性通常取決于磁場強度的幅值，天線增益作為描述傳輸功率某一方向上聚中度的參數，因此GB3836.1-2010標準規定的限制值必須考慮天線的增益。

手機和便攜式發射器出現比較特殊的情況，發射器與潛在爆炸性環境中的金屬結構間的距離并不固定，并且手機和便攜式發射器的發射頻率、天線增益以及發射功率會根據所處環境而發生變化，因此手機和便攜式發射器需要進行綜合評定，如果發射能量超過標準規定的域值就必須按照標準規定進行安裝和使用。

除上述情況以外，現場還存在其它協議，如廠房周邊有大型通信基站、廣播電視臺等，此類情況也必須參考BS 5565和IEC 60079進行評定。

2.3 降低射頻源危險性的方法

目前取得防爆區域1區以上認證的設備非常少，主要原因為新設備發展較快，而標準化工作滯后。通常讓射頻源處于隔爆結構或者其它類型的防爆型式。大部分隔爆外殼為金屬結構，妨礙電磁波從天線發射出來，解決辦法是將一個方向天線安裝在玻璃后面，但信號丟失情況比較嚴重，且限制了使用的靈活性。另一種方法就是使用增安型外部天線，但是須保證電源與射頻設備的輸入輸出短路時，沒有過高的電流或電壓出現。如果天線沒有經過相應的檢測是不允許使用爆炸性環境的。

隨著本安技術和無線技術的發展，使用本安技術的無線設備具有明顯技術優勢。無線設備中的電路進行本安化設計，再通過對天線增益和發射能量進行安全評定后，確保射頻源不能點燃爆炸性物質。本安型無線設備不僅具有足夠的安全系數，還滿足使用和維護的便捷性、靈活性等方面的需求。隨著技術的分化和發展，無線防爆設備實現的形式也將越來越多，將出現更多根據不同爆炸物質組別和場所特有的無線設備，如以n型防爆型式為基礎的無線防爆設備；以ic型防爆型式為基礎的適用于2區的無線防爆設備。

根據國內外對無線設備相關防爆技術的研究現狀，我國的無線設備防爆安全性必須進行深入的研究，并及時制訂相關的標準。

3 無線設備在潛在爆炸性環境的應用

基于無線設備在過程工業中應用的優勢，無線設備將越來越多地應用于工業自動化系統和通信系統。無線防爆設備在過程工業中應用的典型系統如圖3 所示，上位機通過網絡和I/O總線連接到危險區域用無線設備上，其中包括基于能量收集的開關、無線場設備、無線網關、WLAN接入點、移動工作終端、人員定位系統、視頻系統以及GSM/GPRS調制解調器等。可見，無線設備已經覆蓋了各種功能終端，像這樣的系統因其特定的優勢，將得到越來越多用戶的認可。

根據VDC研究集團最近5年對本安型無線設備的市場調研表明，預估本安型無線設備的市場容量從2006年的27.15億美元到2011年已增長到接近50億美元，平均年增長率為9.8%[12]。

從無線防爆設備區域市場看，美國市場發展較為成熟，其本安型無線設備市場容量高達18.23億美元；歐洲、中東、非洲市場，其市場容量約為6億美元；而亞洲-太平洋市場容量僅為 3億美元。從區域的發展程度來看，未來歐洲、中東、非洲和亞洲市場前景相當可觀。

圖3 無線防爆設備在過程工業中應用的典型系統

根據VDC對各種無線設備分類調研情況看，只有對講機和尋呼機設備的市場規模較大，其次是發射器，2011年市場容量為9.5億美元。手持式設備、網絡設備和手機等雖然占總量比例較低，但是從圖4可以看出與2006年相比，2011年的本安型無線設備市場容量的增長了一倍以上[12]。

圖4 2006年和2011年本安型射頻/微波無線設備裝箱量

4 結語

無線傳輸在與傳統的連接技術競爭的發展過程中，具有建立全新的、更有效的流程，提高生產過程的質量和安全以及提供額外測量點的潛力。無線傳輸系統在潛在爆炸性環境的使用安全性的深入研究，使得這一技術的優勢，將在石油、煤炭、化工等過程工業領域中得到廣泛應用。

[1]李靜.電磁場對瓦斯爆炸過程中火焰和爆炸波的影響[J].煤炭學報,2008,33(1):51-54.

[2]彭霞.礦井電磁波輻射能量對瓦斯安全性的影響[J].煤炭學報,2013,38(4):542-547.

[3]柳玉磊.電磁波功率與煤礦瓦斯爆炸的關系探討[D].北京:煤炭科學研究總院,2008.

[4]楊衛華.無線設備在礦井中使用時的功率限制研究[J].無線電工程,2008,38(1):47-48,61.

[5]李勇強.移動通信設計在易燃易爆氣體環境中使用的安全性研究[D].西安:西安交通大學,2001.

[6]聶百勝,何學秋,王恩元,等.煤巖動力災害非接觸電磁輻射監測系統及應用[J].煤礦安全,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.