安标国家中心张勇研究员：5G射频电磁波瓦斯引燃机理与功率安全阈值研究

2021年6月，国家发展和改革委员会、国家能源局等四部委联合编制《能源领域5G应用实施方案》，要求大力推进煤矿5G通信系统建设。随着煤矿智能化建设的不断推进，煤矿对5G技术的应用需求日益增加，煤矿5G通信技术需要通过基站进行数据传输、信息交互或场景感知（图1）。

 

图1　基于5G的远程控制场景

 

电磁波是携带能量的载体，在煤矿井下瓦斯煤尘爆炸性环境中传播时，当电磁能以某种方式释放出来的能量大于瓦斯最小点燃能量时，存在引发瓦斯爆炸的风险，由此带来安全隐患。因此，如何解决防爆安全和使用性能之间的矛盾一直是煤矿井下大功率无线发射设备研究的热点和难点。

 

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

第一作者：张勇，研究员，硕士，现任安标国家矿用产品安全标志中心有限公司防爆与电气安全技术标准研究院院长

通讯作者：郭子文，研究实习员，硕士，现任安标国家矿用产品安全标志中心有限公司专职研发人员

作者单位：安标国家矿用产品安全标志中心有限公司

引用格式：张勇，孟积渐，郭子文，等.5G射频电磁波瓦斯引燃机理与功率安全阈值研究[J].智能矿山，2024，5（3）：53-58.

 

防爆标准GB/T3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》（等同采用IEC60079.0相应条款，IEC技术条款依据为20世纪80年代英国的研究成果）中对于煤矿井下使用的电磁能辐射设备有最大阈功率不得超过6W的限制，因此煤矿5G无线基站发射功率严格受限。根据标准要求，阈功率的测算方式为将基站发射的有效输出功率与天线增益的乘积、多天线基站无线发射阈功率叠加。在这种测算方式下，煤矿井下5G基站普遍采用的是通常作为民用领域室内信号补盲、标称发射功率为250mW或500mW的室分设备，经防爆改造后作为煤矿通信系统的主基站使用，若考虑馈线损耗和隔离元器件的损耗，实际发射功率更小，信号覆盖范围有限。因此，5G技术在煤矿井下实际应用中存在以下2点局限性：

（1）通信距离短，边缘传输速度低

实际使用中测试，5G最大通信距离仅为200~300m，采掘工作面的通信距离不足30m，边缘传输速率仅能到达10Mbit/s左右，远不能发挥5G通信大带宽、广连接和低时延的优势。

（2）井下5G设备布设密度大，组网成本高，维护工作量大

以国内某矿的5G系统建设为例，为建成5G全覆盖矿井，该矿井下设备超过1000台，设备数量多、组网系统复杂，给5G技术在煤矿大面积推广应用带来较大困难。

由于电磁能防爆阈功率的限制，5G通信技术在煤矿井下远未实现高效使用。为提高传输速率和通信距离，必须增大无线发射设备的发射功率。因此，煤矿井下5G电磁能瓦斯点燃机制与安全功率阈值研究已成为当前煤矿智能化发展亟需突破的重点和难点问题。笔者对大功率射频电磁能引燃瓦斯的影响因素、作用机理进行理论建模仿真与实际测试，开展了5G防爆核心技术的科技攻关，突破现有防爆标准中的6W限值，提出了大功率5G基站阈值及防爆安全评估方案。

 

主要研究内容

 

标准适用性分析

 

根据Friis传输公式可知，工作频率越高，波长越短，其他条件一定的情况下通信距离越近。由于5G通信系统主流的载波频率逐步升高，随着频率的升高，5G通信距离短的问题日益凸显。GB/T3836.1-2021中电磁能防爆阈功率限值源自20世纪七八十年代英国射频电磁波辐射点燃爆炸性气体安全性的早期研究成果。一方面，由于当时的技术水平限制，缺少高效的数值仿真手段，主要评估方式仍采用等效电路方式和经验公式近似计算，等效电路的方式仅能适用于30MHz以下的低频电路，高频电路应采用场理论的分析方法；另一方面，其主要研究频段为低频段和中频段，研究对象为FM、AM等传统的调制方式，而现有的通信技术主要采用5G（NR）调制方式；此外，其功率阈值采用的评价标准存在争议，造成了过大的安全系数。经过前期与IEC/TC31（爆炸性环境）技术委员会相关专家的技术研讨，普遍认为6W的电磁波功率限值不适用于现有的5G通信所采用617MHz~5GHz的频段和TDD/FDD工作模式。笔者利用目前最新的多物理场分析手段和先进的电磁场数值仿真软件，研究了电磁场能量点燃瓦斯气体的原理，结合5G通信技术井下实际应用场景重新评估了电磁场能量的安全性问题，研究具有重要的理论意义和工程价值。

 

国内外研究现状

 

现有电磁能防爆研究多数采用电路的分析方法，重点对低频段电磁波的点燃功率阈值进行了分析和试验，在电磁场与火花放电方面的研究也不甚明确。20世纪七八十年代后，国内外对该领域的研究几乎为空白，但随着5G通信技术在各行各业的落地应用，尤其是在矿山行业的推广应用，对井下无人化、少人化意义重大，且国内外对于5G无线通信设备的电磁场能量点燃瓦斯的机理及防护手段缺乏系统性研究。因此，为全面准确评估电磁波在煤矿井下的安全性，笔者攻克了以下4个关键问题：

（1）电磁波瓦斯引燃的宏观机理比较明确，但其微观层面的物理现象尚不明确，如电磁波瓦斯引燃的微观过程、电磁波功率与电火花功率的函数关系。

（2）高频电磁波瓦斯气体引燃试验方法及功率安全阈值。

（3）是否采用阈功率对基站发射功率进行限制。

（4）针对多基站或单基站多端口的使用场景，如何进行多源叠加评价，即：何种场景考虑多源叠加，何种场景无需考虑。

 

关键技术难点

 

5G射频电磁波瓦斯引燃机理与功率安全阈值研究融合了通信工程、电磁理论、等离子体物理及防爆科学等多个学科领域，形成了多维度知识结构。在这一跨学科的尖端领域内，如何制定行之有效的研究路线，面临着较大的理论复杂性和实践上的挑战。

首次采用等离子体放电现象描述超高频环境下Air/CH4混合气体的微观放电过程，包括5G（NR）调制方式下的持续作用，这要求对放电过程中的微观碰撞反应进行精细筛选并深入解析放电机理，技术难度颇高。

目前，等离子体放电理论局限于确定Air/CH4混合气体的最小引燃电压，如何在此基础上建立起引燃电压与功率安全阈值的科学关联，确保理论研究与应用实践的紧密结合，是一项具有挑战性的工作。

当前，亟需研发针对射频信号的防爆测试装置，特别是在实现射频能量安全导入电极放电点的过程中面临技术障碍，是一个待解的技术问题。煤矿井下环境对射频设备的使用提出了复杂的要求，尤其是在多源能量叠加作用下，系统地探索多源能量叠加规律，并制定评估方法，是一项任务艰巨的研究课题。

 

关键技术

 

为了满足国内智能化煤矿建设的实际应用需求，5G射频电磁波瓦斯引燃机理与功率安全阈值研究内容如下。

 

电磁波瓦斯引燃宏观过程与微观机理

 

用于信号传输的射频信号在空间中分布的电磁波强度基本没有直接点燃瓦斯气体的可能，射频天线发出的电磁波能量经过一能量中转的媒介，才可以产生引燃瓦斯气体的可能性 。针对电磁能引燃瓦斯气体的安全性问题需要分2个步骤进行研究：①研究能量的转移过程。当煤矿井下金属结构的固有频率与电磁波频率相近时，金属结构作为能量转移的媒介起到了接收天线的作用，并与射频天线之间出现了磁共振现象，射频天线发射的电磁波部分能量转移到了金属结构上；②能量的释放过程。当金属结构上存在间隙并满足相应的电压间隙击穿条件时，聚集的电磁波能量就会击穿间隙并产生火花放电，当电火花在一定时间内产生的能量满足瓦斯的最小引燃能量（0.28mJ）时，射频电磁能产生点燃瓦斯气体的可能性。综上所述，可以将电磁波瓦斯引燃条件，总结为以下4条：

（1）煤矿井下的金属构件可以与空间中的电磁波产生谐振。

（2）金属构件上具有非连续点。

（3）间隙电压满足放电击穿条件。

（4）电火花能量大于瓦斯所需的最小点燃能量。基于等离子体动力学（图2）建立仿真模型，可以得到放电过程中电子密度的时空分布相图，通过电子密度反演获得满足宏观引燃条件所需的电磁波强度。

 

图2 Air/CH4环境下电磁波微观放电机制（电子密度−放电间隙）

 

射频电磁能防爆试验方法

 

针对IEC标准火花台仅适用于低频（不高于1.5MHz）电路的情况，笔者提出了射频电磁能防爆专用试验装置设计原则，设计制造了首台射频电磁能防爆试验装置，高重复性的实验实现了多种爆炸性气体（甲烷、丙烷、乙烯、氢气等）的引燃（图3），实现了理论阈值与试验阈值的相互印证。

 

图3　射频电磁能防爆试验装置及试验过程

 

多源叠加规律与评价方法

 

针对煤矿井下多个基站或者单个基站具有多根天线的实际应用场景，笔者总结了多源叠加规律，明确了多源叠加评价方法，进一步释放了5G通信功率阈值，同时为5GMIMO天线下井提供了可能。采用CST仿真软件进行自由空间进行多源叠加仿真分析（图4）。设置单天线发射、单天线接收作为对照组（图4a），设置多天线发射、单天线接收作为实验组（图4b），改变发射天线相对位置关系（图4c），探索发射天线相对位置关系对多源叠加的影响规律，用于模拟煤矿井下多基站同时工作的情况。

 

图4　考虑多源天线相对位置关系对多源叠加的影响仿真分析

 

考虑极化方式、相位和频率对多元叠加的影响（图5），用于模拟同一基站具有多根天线的情况。

 

图5　考虑极化、相位和频率对多源叠加的影响

 

基于上述仿真模型，考虑电磁波在煤矿井下的多径效应影响，仿真发现：某些场景多源同时工作会造成能量叠加；某些场景同源同时工作时，不但不会造成能量叠加，反而会造成能量相消。因此，可以通过天线分集或相关性系数计算来评判是否需要考虑多源叠加现象。

 

技术优势和创新点

 

主要成果

 

5G射频电磁波瓦斯引燃机理与功率安全阈值研究建立了仿真模型14套（包括Air/8.4%CH4等离子体放电、电磁波近远场能量耦合模型、自由空间多源叠加模型、煤矿井下实际场景电磁波传输和电磁场分布模型等），应用COMSOL、HFSS、CST、WirelessInsite、Winprop等专业软件，累计仿真时间超20000h；设计了试验技术方案4套；设计研发了射频电磁能专用引燃试验装置4台；开展射频电磁能防爆试验1000余次，其中700MHz频段瓦斯引燃试验500余次；累计组织召开技术研讨会议20余次；获得授权中国发明专利4项，申请PCT专利2项，已公开中国发明专利1项，在编专利8项；总结形成3点成果：①射频电磁能瓦斯引燃机理；②射频电磁能防爆测试方法；③射频电磁能防爆安全评估方法。

 

技术创新点

 

（1）明晰多物理场耦合作用下的5G射频电磁能瓦斯引燃机理

电火花只有在一定时间内释放出足够大的能量才会引燃煤矿井下瓦斯气体。5G射频放电是涉及爆炸学、电磁学、电学、等离子体学和热力学等多物理场耦合的复杂物理过程，感应电压、放电间距、信号频率和调制方式等都是放电过程的重要影响因素。笔者研究总结的5G射频电磁能引燃瓦斯的机理，充分考虑了各物理过程之间的协同效应，在最易燃瓦斯浓度条件下，研究放电频率、间距和调制方式对气隙击穿阈值的影响，通过仿真分析模拟了暂态击穿过程中的能量分配。

（2）确定煤矿井下5G射频电磁能安全功率阈值及评价方法

非预期金属导体处于近场区和远场区，其耦合能量大小情况不同，火花放电的原始输入条件也随着馈入能量变化而变化。笔者通过研究火花能量满足可燃性气体最小点火能量的激励条件，反演金属构件处于不同位置时对射频源的功率要求变化情况，确定了不同场景下5G射频源的功率阈值。针对现行标准采用EIRP作为评价指标的现状，进行了适用性分析与验证，重新明确了5G射频电磁能安全评价方法。保守估计，5G基站在煤矿井下的通信距离至少可放大为现有要求下的2~3倍。

（3）设计了射频电磁能防爆专用试验装置

弥补了传统IEC火花台不适用于高频电磁波的缺陷，开发了适用于全频段的、高一致性的射频电磁能防爆专用试验装置。

（4）明确了多源叠加规律和多源叠加方法

基于相关性系数明确了多源叠加评价方法，满足一定要求的多天线系统，可以不考虑多源叠加对安全系数的影响。

 

结语

 

由于相关研究的不足，现行国标采用了非常保守的直接在发射端限制发射功率阈值的方式。笔者从电磁场产生火花的微观机理入手，结合煤矿实际工况建立巷道中的电磁场分析模型，确定了电磁场点燃瓦斯的安全阈值和评价指标，为制定大功率射频设备安全策略提供基础，对保证射频电磁能防爆安全的情况下充分发挥5G技术的优异性能，填补了国内外高频连续电磁波点燃瓦斯研究相关领域空白，为矿山5G建设提供系统的基础理论依据和基本指导原则，对提高我国煤矿的智能化水平有重要意义。

 

来源：智能矿山杂志