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第五代移动通信技术(5thGenerationMobileNetworks,5G)、大数据、物联网、人工智能、机器人、工业互联网、云计算、边缘计算、增强现实和虚拟现实等新技术促进了煤矿智能化。其中,5G是新一代蜂窝移动通信技术,具有传输速率高、时延小、可靠性高、容量大等优点,已在地面应用。2020年7月,安标国家矿用产品安全标志中心按照新产品审核发放模式,发放了我国第1个煤矿5G通信系统安全标志准用证(有效期2a)。该系统没有针对煤矿井下安全生产特点进行研发,仅将地面5G产品进行防爆改造,仅可用于矿井语音通信和视频图像传输。目前正在安标送审的矿用5G系统也没有针对煤矿井下特殊需求进行研发,仅将地面5G产品进行防爆改造,难以满足煤矿智能化建设需求。煤矿井下有瓦斯等易燃易爆气体,矿井无线传输衰减大等特殊性,制约着5G直接在煤矿井下应用。因此,需根据煤矿井下特殊需求,研究矿用5G技术和系统。
煤矿井下有瓦斯等爆炸性气体,用于煤矿井下的电气设备必须是防爆型电气设备。矿用防爆电气设备防爆型式主要有本质安全型、隔爆型、胶封型、增安型等。其中,本质安全型防爆性能最好,适用于煤矿井下所有场所和瓦斯超限等各种条件,具有防爆性能好、体积小、质量小等优点。因此,矿用5G应首选矿用本质安全型。但本质安全型防爆措施限制了大功率、高电压、大电流、大电容和大电感。功率超过25W的电气设备难以做成矿用本质安全型防爆电气设备。矿用隔爆及其复合型防爆5G基站体积大、质量大、防爆性能不如本质安全型,甲烷超限或停风后需停电,不能在甲烷超限和停风断电控制区域工作。
煤矿井下无线发射会在金属支护、机电设备金属外壳等产生感生电动势,引起瓦斯爆炸。为防止大功率无线发射引起瓦斯爆炸,GB3836.1—2010《爆炸性环境第1部分:设备通用要求》[4]规定,煤矿井下无线发射设备的射频阈功率(无线发射设备的有效输出功率与天线增益的乘积)不得大于6W。5G基站一般采用多天线,多个发射天线同时工作,发射功率叠加。因此,矿用5G基站应按同时工作的多个发射天线的最大总功率考核其防爆性能。
电气设备火花放电能量取决于放电时间、电源放电功率、负载中电容量和电感量等。放电时间越长、电源放电功率越大、负载中电容量和电感量越大,火花放电能量就越大,引爆瓦斯的概率就越大。天线的等效电感(含分布电感)和电容(含分布电容)会增加火花放电能量。因此,对于本质安全型、隔爆兼本质安全型矿用5G基站,应考核天线的等效电感(含分布电感)和等效电容(含分布电容)。
对于发射功率软件可调的矿用5G基站,调控发射功率的软件应固化,确保在正常工作和故障状态下,最大发射功率不增大;不得因设备停电重启、光缆断缆、基站控制器损坏、交换机/路由器损坏、电磁干扰等,造成最大发射功率增大。无法保证最大发射功率不增大的软件调控发射功率的矿用5G基站,应按硬件最大发射功率考核其防爆性能。
※用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力
煤矿井下空间狭小,大型机电设备相对集中,电磁干扰严重。采煤机、掘进机、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、水泵、提升机等大型机电设备启停,大功率变频设备工作,架线电机车火花,矿井人员和车辆定位系统等其他无线设备,均影响着矿用5G系统的正常工作。因此,用于控制的矿用5G应具有较强的抗干扰能力,通过GB/T17626.3—2016《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验》的严酷等级为2级的射频电磁场辐射抗扰度试验,评价等级为A;通过GB/T17626.4—2018《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》规定的严酷等级为2级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验,评价等级为A;交流端口通过GB/T17626.5—2019《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》规定的严酷等级为3级的浪涌(冲击)抗扰度试验,评价等级为B;直流端口和信号端口通过GB/T17626.5—2019《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》规定的严酷等级为2级的浪涌(冲击)抗扰度试验,评价等级为B。
使用电容和电感滤波是提高设备抗干扰能力的有效方法。但是,本质安全型防爆电气设备除限制最大工作电压、最大电流和最大功率外,还限制电路中的电容量和电感量。因此,在本质安全防爆的条件下,提高5G系统的抗干扰能力,是矿用5G急需解决的技术难题。
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