孟積漸，陳永冉

（安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京100013）

無線充電技術(shù)是一種利用電磁場或電磁波實現(xiàn)電能非接觸傳輸?shù)男滦图夹g(shù)，以其獨特的結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢，近年來在航空航天、通信等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。在20 世紀(jì)初，尼古拉·特斯拉首次提出了無線電能傳輸?shù)母拍?，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用趨勢開始于2006 年美國麻省理工學(xué)院（Massachsetts Institute of Technology， MIT）對于諧振耦合技術(shù)的應(yīng)用[3]。隨著無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，無線充電設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用探索研究也逐步深入。傳統(tǒng)充電方式充電設(shè)備與用電設(shè)備之間采用有線連接，在煤礦井下移動作業(yè)環(huán)境中有較大局限性，無線充電技術(shù)則可突破這些限制，為獨立運行設(shè)備供電提供新的技術(shù)路線。

在煤礦井下爆炸性環(huán)境中無線電能傳輸技術(shù)的安全使用涉及諸多方面，充電和受電設(shè)備之間在電能感應(yīng)過程中不應(yīng)產(chǎn)生危險溫度和危險火花。目前無線充電的防爆安全方面沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，多引用IEC60079 標(biāo)準(zhǔn)中對爆炸性環(huán)境中許用電磁能的要求，射頻天線的輻射功率不得超過6 W。然而，各方對標(biāo)準(zhǔn)有不同理解，且標(biāo)準(zhǔn)中未對點燃源給出明確辨識，也并未規(guī)定不同類別射頻能量的檢測方法[4]。如若在充電過程中采取有效的安全防護措施，避免產(chǎn)生危險溫度和危險火花，是否有可能突破標(biāo)準(zhǔn)中對射頻功率6 W 的限制，以適應(yīng)當(dāng)前煤礦智能化裝備和機器人對無線充電技術(shù)的需求。為此，對在目前常用的3 種無線充電方式、煤礦無線充電安全策略、射頻電磁波防爆3 個方面做詳細論述。

1 無線充電方式

電磁波本質(zhì)是電磁場激發(fā)出的能量，電磁波的傳輸主要取決于輻射能量的大小。麥克斯韋方程組以數(shù)學(xué)形式概括了宏觀電磁場的基本性質(zhì)，表明變化的磁通會成為電場的漩渦源，感應(yīng)出環(huán)繞它的有漩渦的電場，變化的電通量也會成為磁場的漩渦源，感應(yīng)出環(huán)繞它的有漩渦的磁場[1]。描述能量轉(zhuǎn)移情況的電磁能留矢量，即坡印廷矢量描述了電磁波的能量大小，即S＝E×H，式中：S 為坡印廷矢量方向為能量流動的方向，大小為單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的功率，單位為W/m2；E、H 分別為電場強度和磁場強度。麥克斯韋方程組表明電磁場和它的能量向各個方向擴散。理論上，能夠使用所有的電磁波進行無線電能傳輸。根據(jù)這一理論，無線電能傳輸發(fā)展出電磁感應(yīng)式、磁耦諧振式及無線電波式等主要技術(shù)路徑[5-6]。

1）電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)。電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)是當(dāng)前最穩(wěn)定、最普及、應(yīng)用最為成熟的充電方式。其基本工作原理是在發(fā)射器線圈中制造交變磁場（磁通量），并在接收器線圈中將該磁通量轉(zhuǎn)換成電流，實現(xiàn)電能的傳輸。電磁感應(yīng)式無線充電和受電設(shè)備之間的距離在毫米級別，屬于緊耦合無線充電技術(shù)。當(dāng)前，電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)成熟，已開始進入大規(guī)模普及階段。緊耦合系統(tǒng)由于效率高，產(chǎn)熱量少，使用過程中的最高表面溫度有所限制，該技術(shù)方案有先天技術(shù)優(yōu)勢。

2）磁耦諧振式無線充電技術(shù)。磁耦諧振式無線充電技術(shù)是通過共振效應(yīng)進行電能傳輸，即由發(fā)射端發(fā)射能量，當(dāng)接收端的共振頻率與發(fā)射端相同時，即產(chǎn)生共振，從而實現(xiàn)電能的傳輸。根據(jù)定義，發(fā)射線圈與接收線圈之間距離較大的應(yīng)用會作為松耦合系統(tǒng)運行。在松耦合系統(tǒng)中，只有小部分傳輸通量會被接收器捕獲。松耦合系統(tǒng)以較低的電能傳輸效率和較高的電磁輻射為代價換取了更長的傳輸距離。磁耦諧振式無線傳輸距離可在數(shù)厘米至數(shù)米范圍，但松耦合系統(tǒng)具有更高的電磁輻射，在煤礦井下的使用具有局限性。

3）無線電波式無線充電技術(shù)。無線電波式無線充電技術(shù)是通過波長的改變實現(xiàn)遠距離無線電能傳輸，無線距離可超過10 m。該技術(shù)的裝備由無線微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，通過接收裝置的接收天線捕獲無線電波能量。無線電波式無線充電技術(shù)微波頻率分布在0.3～300 GHz 之間，波長分布在毫米～厘米之間，電波能量在隨負(fù)載調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓輸出。但無線電波式無線充電技術(shù)電能轉(zhuǎn)換效率低，在煤礦井下瓦斯煤塵環(huán)境中能量耗散過多，保證防爆要求的發(fā)射能量傳輸?shù)截?fù)載的極少，無法應(yīng)用在對充電功率有較高要求的礦用設(shè)備中。

2 煤礦無線充電影響因素及安全策略

為在煤礦井下安全使用無線充電設(shè)備，需從“最惡劣情況”角度出發(fā)，研究無線充電設(shè)備使用過程中可能存在的危險溫度和危險火花，分析各種可能引起瓦斯點燃的情況。

煤礦井巷空間狹小、凹凸不平，加之管線布置、設(shè)備存放、軌道鋪設(shè)、水溝設(shè)置等，環(huán)境條件較差[7]?，F(xiàn)有國內(nèi)防爆檢測檢驗機構(gòu)對設(shè)備進行防爆檢驗時，主要依據(jù)GB 3836—2014 標(biāo)準(zhǔn)，適用于有CO、CH4等易燃易爆氣體，有礦塵，有淋水，空間狹長等最嚴(yán)酷條件的環(huán)境?，F(xiàn)階段煤礦井下無線電通訊、雷達探測器等電磁波設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，井下電磁環(huán)境復(fù)雜，一些高大金屬構(gòu)件由于高頻感應(yīng)會產(chǎn)生火花放電，這種放電能量可能引爆周圍的爆炸性氣體環(huán)境。因此，在研究煤礦無線充電的使用及其安全技術(shù)的過程中，考慮煤礦井下特殊環(huán)境要求是及其重要和必要的。

2.1 基本要求

1）煤礦井下無線充電設(shè)備應(yīng)滿足GB 3836 系列標(biāo)準(zhǔn)要求，進行防爆的專門設(shè)計，由本安設(shè)備組成的本安系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)關(guān)聯(lián)檢驗方可使用。

2）GB 3836.1 中5.3.2 明確規(guī)定“I 類電氣設(shè)備，當(dāng)電氣設(shè)備表面可能堆積煤塵時，最高表面溫度不應(yīng)超過150 ℃”，當(dāng)超過150 ℃時，有發(fā)生爆炸的危險，因此無線充電設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行該條款的規(guī)定。

3）按照GB 3836.1 中8.1.1 中規(guī)定當(dāng)設(shè)備存在被撞擊的可能時，I 類電氣設(shè)備的外殼材質(zhì)中的鋁、鎂、鈦等輕金屬材質(zhì)按照質(zhì)量百分比應(yīng)滿足相應(yīng)要求，對于固定安裝，且不易受到外力沖擊的設(shè)備，可使用上述輕金屬材料，但應(yīng)按GB/T 13813 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的摩擦火花實驗考核合格。無線充電設(shè)備的金屬外殼和外殼的金屬部件應(yīng)滿足相關(guān)要求。

4）無線充電設(shè)備的線纜應(yīng)滿足MT 818 系列標(biāo)準(zhǔn)要求，并固定且保護可靠。

5）無線充電設(shè)備非金屬材料的阻燃、抗靜電性能需滿足MT 113 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。

2.2 安全距離因素

位于射頻輻射區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件都具有接收天線的作用。煤礦井下有非常多的金屬導(dǎo)體和導(dǎo)線，如金屬支架、錨桿和架線電機車的供電線路等。如果輻射這些金屬導(dǎo)體或?qū)Ь€所處區(qū)域的功率或場強足夠大，且接收天線能夠滿足接收輻射區(qū)射頻的要求，這些導(dǎo)電部件就能夠在爆炸性環(huán)境中引起點燃，而造成煤礦安全事故[8]。在電磁波輻射環(huán)境下，設(shè)備的金屬構(gòu)件可能形成接收結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生感生電流，當(dāng)電磁能量足夠大時，可能在此構(gòu)件的縫隙或缺口處產(chǎn)生電火花，在爆炸性氣體中將會起火或爆炸。

在滿足GB 3836 標(biāo)準(zhǔn)要求的發(fā)射能量條件下，接收天線是否能導(dǎo)致點燃，主要取決于發(fā)射器和接收天線之間的距離，因此在爆炸性環(huán)境中的發(fā)射部件和可能作為接收天線的金屬構(gòu)件，應(yīng)保持一個安全距離，減少因射頻輻射帶來的危害。

文獻[9]分析了依據(jù)磁耦共振原理的無線電能傳輸系統(tǒng)最大能量傳輸效率的條件和計算方式，得到井下結(jié)構(gòu)特別是線圈結(jié)構(gòu)之間的安全距離與線圈半徑和導(dǎo)線半徑的關(guān)系，得出在最壞情況下，電磁感應(yīng)式無線充電的安全距離為2 m。對于根據(jù)磁偶諧振原理的無線電能傳輸系統(tǒng)，考慮到礦用設(shè)備或金屬結(jié)構(gòu)尺寸、方向性系數(shù)、增益、有效口徑以及射頻設(shè)備輸出功率和工作頻率等因素，分析安全距離與射頻源發(fā)射功率，工作頻率等因素的關(guān)系，在最壞情況下，電磁波遠場輻射能量的安全距離為25 m。但計算、仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)存在差距，安全距離的確定尚需研究確定。

2.3 電磁波熱輻射因素

在爆炸性氣體環(huán)境里，電磁場傳播過程中，無線電能傳輸系統(tǒng)中的磁能存在被瓦斯粉塵等顆粒物吸收的可能，介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生熱效應(yīng)。在一定條件下，粉塵顆粒能夠吸收電磁波輻射能量，這些微粒可能成為爆炸性氣體或沉積粉塵的點燃源。在煤礦井下當(dāng)電磁輻射能量被充電與受電設(shè)備電能轉(zhuǎn)換部件表面上沉積的粉塵顆粒吸收時，也會出現(xiàn)發(fā)熱過程。在無線充電設(shè)備設(shè)計使用時，應(yīng)充分考慮上述情況。

2.4 蓄電池充電安全因素

目前采用無線充電方式的電池一般為鋰電池。但鋰電池在一些極限情況下，如過充、過流或超溫等情況，其內(nèi)部會發(fā)生不可逆的化學(xué)和物理變化，若不對過充、過流、超溫等進行監(jiān)測和控制，極易出現(xiàn)安全事故，因此應(yīng)對鋰電池設(shè)計合理、有效的管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備充電過壓、過流、超溫、漏電等保護功能，此外還應(yīng)具備充電均衡等控制報警功能。

2.5 安全控制策略

1）系統(tǒng)保護控制。為保證無線充電系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端的有效電能傳輸，發(fā)射端與接收端之間應(yīng)保持穩(wěn)定的通信。傳統(tǒng)通信方式，被傳送的信息加載在無線電能的發(fā)射上，具有一定的局限性，采用帶外通信可以使在發(fā)射端與接收端之間傳遞的信息完全獨立于無線電能傳輸過程。且系統(tǒng)通信協(xié)議應(yīng)具備必要的保護控制功能，如收發(fā)數(shù)據(jù)包時序檢測、通信失效保護等，避免發(fā)射端因誤判而開啟能量傳輸。

2）溫度保護。無線充電系統(tǒng)應(yīng)具備對充電過程中發(fā)射端及接收端的溫度檢測及保護功能，發(fā)射端或接收端外殼表面溫升超過一定數(shù)值時應(yīng)能自動切斷能量傳輸過程。

3）異物防護自檢測。無線電磁感應(yīng)充電原理是通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。當(dāng)充電設(shè)備充電端的線圈通入高頻交流電并靠近充電設(shè)備受電端時，受電端就會產(chǎn)生同樣頻率的電動勢，從而達到充電的目的，但是由于煤礦井下的惡劣環(huán)境條件，不排除在充電的時候，充電端和受電端中間出現(xiàn)金屬異物，從而改變充電設(shè)備的耦合參數(shù)，造成渦流損耗，設(shè)備異常發(fā)熱，造成安全事故隱患。因此，異物自檢測功能是煤礦井下無線充電系統(tǒng)設(shè)計十分重要的安全策略。

3 射頻電磁波防爆

根據(jù)麥克斯韋方程組，場源隨時間的變化引起交變場的相應(yīng)變化，電場能量密度和磁場能量密度也隨時間產(chǎn)生變化，從而形成能量的流動。然而，煤礦井下爆炸性環(huán)境中無線充電射頻能量的安全性卻亟待探討。在礦井密布金屬支護材料的復(fù)雜受限空間電磁環(huán)境下，多天線設(shè)備密集傳輸有可能產(chǎn)生能量疊加釋放，如果電磁波在傳播過程中，由于信號疊加等方式釋放出來的能量大于瓦斯氣體的最小點火能量，可能引發(fā)瓦斯爆炸。盡管目前煤礦井下使用的通信系統(tǒng)也有能量發(fā)射，但二者傳輸方式不同，在無線通信系統(tǒng)中，信息通過調(diào)制加載到傳輸無線電波上，無線電波僅作為信息載體，而無線電能傳輸技術(shù)關(guān)注的是無線電波自身， 考慮無線電能傳輸?shù)陌踩允直匾猍10-12]。

英國頒布了全球第1 個有關(guān)射頻電磁波輻射引燃爆炸性氣體安全性的國家標(biāo)準(zhǔn)。2002 年發(fā)布的英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6656:2002[13]，該標(biāo)準(zhǔn)提出在爆炸危險性環(huán)境中使用的射頻設(shè)備的系統(tǒng)評估方法，包括對點燃各種易燃氣體所需的最小功率和能量的測量。歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會電氣分會于2004 年發(fā)布的CLC/TR 50427:2004，替代了BS 6656:2002，定義了有關(guān)評估天線傳播至易燃易爆氣體環(huán)境中的無線射頻能量的危險評估。該標(biāo)準(zhǔn)被IEC60079 系列標(biāo)準(zhǔn)采納，依據(jù)IEC60079.0 標(biāo)準(zhǔn)修訂發(fā)布的GB 3836.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)進一步完善了與其他電磁能相關(guān)技術(shù)要求，并規(guī)定了相應(yīng)的能量限值要求。

GB 3836.1—2010 中規(guī)定用于煤礦瓦斯氣體環(huán)境中的I 類電氣設(shè)備采用9 kHz～60 GHz 范圍內(nèi)的射頻源能量或功率限值。其中，射頻閾功率限值為6 W，閾能量限值為1 500 μJ。為考慮最不利因素，對于能量持續(xù)時間短于1/2 熱起燃時間的，火花能量是點燃可燃性氣體的決定能量。對于長于1/2 熱起燃時間的，點燃需考慮射頻放電能量。上述2 種情況都需要考慮熱起燃時間內(nèi)的平均功率。如果是由脈沖引起的射頻，脈沖時間短于1/2 熱起燃時間，且脈沖間隔長于熱起燃時間的，點燃峰值功率會大于熱起燃時間與脈沖時間之比的平均功率，此時應(yīng)考慮閾能量是否滿足限值要求。

雖然標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定，各方對標(biāo)準(zhǔn)中對電磁能的限制卻有著不同的理解。大多數(shù)研究者認(rèn)為6 W的限制針對的是調(diào)制頻譜信號，閾值應(yīng)為遠場輻射能量，無線電能傳輸與通信信號傳輸機理不同，不應(yīng)一概而論。且為滿足當(dāng)前煤礦智能化裝備和機器人對無線充電技術(shù)的需求，6 W 的功率限值將極大的制約電能傳輸速率。如若在充電過程中采取有效的安全防護措施，避免充電和受電設(shè)備在正常使用及各種惡劣條件下產(chǎn)生危險溫度和危險火花。如采用電磁感應(yīng)原理的緊耦合系統(tǒng)，在前期通信中保障可靠連接的情況下才允許進行能量傳輸，當(dāng)發(fā)生瓦斯超限、溫度超限等情況下采取自動斷電的防護原則等方式。通過各種安全策略保障無線充電設(shè)備的使用，是否有突破標(biāo)準(zhǔn)中對射頻功率6 W 限制的可能，尚需進行大量的探索性實驗研究。

4 結(jié) 語

目前，煤礦井下無線充電技術(shù)作為煤礦智能化裝備和機器人供電方案的可能性之一而廣受重視，對無線充電技術(shù)應(yīng)用的需求逐漸增大。通過前期研究，認(rèn)為優(yōu)先選擇電磁感應(yīng)式無線充電方式。在滿足煤礦井下防爆要求的前提下，無線充電技術(shù)的應(yīng)用需在安全距離、熱能、充電保護及安全控制策略等方面采取一系列安全措施。在此基礎(chǔ)上探索突破標(biāo)準(zhǔn)中對射頻功率限值的可能。