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基于燃料危害角度进行电磁辐射分析
摘要：本文介绍了在评估HERF（电磁辐射对燃料危害）风险时需要考虑的一套系统性方法，详细分析了组成HERF风险的所有方面，并提供了降低风险的对策。
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1、概述
本文介绍了在评估HERF（电磁辐射对燃料危害）风险时需要考虑的一套系统性方法，详细分析了组成HERF风险的所有方面，并提供了降低风险的对策。
射频（RF）感应电弧可以点燃暴露的燃料蒸汽，其潜在的风险通常存在于军用的系统平台里（包括舰艇、飞行器和战术车辆）。
CENELECCLC/TR50427标准[1]可评估由射频辐射造成的易燃环境的误燃，指出下列四种情况存在危险:
1）有足够强度/能量的射频场；
2）结构必须形成接收天线；
3）此结构里必须存在某种机制，能够把接收的射频能量释放成火花或电弧；
4）以上几点的机制必须存在于可燃环境中。
HERF评估需要确定此四种情况是否同时出现，以验证存在的危险。
2、系统方法
是否是可燃环境可依据IEC60079-10-1:2015[2]确定，确定可燃性风险需要考虑的因素包括：
a.部署情况；
b.平台使用的燃料类型；
c.周围的温度情况；
d.大气环境；
e.平台的通风情况；
f.燃料与空气的混合情况。
评估可识别风险区域内潜在的、可燃气体的假设容积，具体步骤如下:
a.计算气体的流动是否阻塞；
b.计算气体释放的速率；
c.计算气体排出的速度；
d.计算气体扩散速率；
e.计算从假设容积的气体释放出的能量。
另外，可使用空气-燃料传感器/计量表检测大气，以确定燃料与空气的混合是否在可爆炸气体的范围。
可燃性气体有如下特点：
a.周围情况存在可燃温度；
b.最优化的燃料与空气混合物。
燃点有最低的温度要求。在此温度下，物质挥发成的气体可能被外部火源（比如射频电弧）所点燃。
只有当燃料与空气混合物（以气体/油气和空气的形式）达到某种浓度时，才会发生燃烧（如表1所示）。此浓度由燃料空气混合的限值来定义。这些限值定义如下：
表1空气混合物爆炸限值示例
a.爆炸下限（LEL）有时也称可燃下限（LFL);b.爆炸上限（UEL）有时也称可燃上限（UFL）。对于泄漏的气体，当燃料与空气的混合比例处于LEL和UEL之间（如图1所示），并且温度等于或高于燃点温度时，潜在的危害就会发生。
图1可燃温度的范围
爆炸上下限随着油气所处的气压而变化，如图2所示[3]。
图2可燃范围随气压变化的例子
常见可燃气体（燃气/油气）可分成四类：
a.最不易爆炸的是燃气类别I;
b.燃气类别IIA的构成有诸如F34/JP8（一种基于煤油）的燃料；
c.燃气类别IIB的构成有诸如乙烯的燃料；
d.燃气类别IIC是最易爆炸的，由诸如乙炔和氢气等燃料构成。
如果建筑物处于易燃气体环境中，则需要确定从附近发射机发出的辐射场的能量。
所有可燃气体，在燃点温度或高于燃点温度的情况下，只有达到最低限度的射频能量才会启动点火并燃烧。
表2是CENELECCLC/TR50427标准中，章节6.3.1给出的临界功率和热点火时间。
点火能量的要求取决于燃料空气混合的丰富程度，如图3所示（（摘自NASATM2000/2100-77））。
表2HERF燃气组的临界功率和热点火时间
图3点火能量与可燃气体的类型与浓度的关系
随着火花时间的延长，点火需要的能量随之降低，如图4所示[3]。
图4点火能量与点火时长的关系
随着气压的降低，点火需要的能量随之增加，如图5所示[3]。
CENELECCLC/TR50427详细描述了射频场强与理论上最大射频电弧功率之间的关系，它取决于所处的射频频率段。
对于30MHz以下的电磁波的有效连续传输,要造成危害，所需的最大功率（Pmax）必须大于可燃气体所需的最低临界功率（Pth）。
式中，E为能够造成危害的有效电场(V/m);f为频率（MHz）；λ为波长（m);p为结构的内部周长（m）。
图5点火能量与气压的关系
对于30MHz以上的电磁波的有效连续传输,要造成危害，所需的最大功率（Pmax）必须大于可燃气体所需的最低临界功率（Pth）。其中：
此结构体必须能够产生火花。当结构体的两部分有移动的间隙时，容易生成火花。
对于30MHz以下的电磁波，其波长比作战车辆的尺寸长得多。此时，环形结构体的周长会小于电磁波的波长且p/λ<0.4，应该使用式（1）。
对于较大的结构体，比如飞机、舰艇、高塔，环形结构体的周长或许远大于波长λ。此种情况下p/λ>0.4，通常式（2）适用。
在测量信号的能量时，可能还会加上对信号的调制。
然而，在军用航空里，幅度调制（AM）、频率调制（FM）或者相位调制（PM）通常受到限制，此时最大的RMS（均方根）值总是处于连续波的等效最大RMS值内。
因此，在进行最差情况下的连续波的计算时，可以忽略这些调制过程，尤其是幅度调制。对于其他的情况，则需要按照CLC/TR50427标准的指南，加入调制因子。
当非脉冲发射机的最大功率超过燃料蒸汽点火的临界功率时，就存在潜在的危险。为了降低风险，此时必须采取方法对情况进行评估。
对于脉冲发射机（脉冲长度小于热点火时长的1/2），其最大功率不能超过燃料油气混合物的热点火功率。
对于小于热点火时长（Tth)1/2的脉冲传输，只有脉冲能量（Zmax）大于可燃气体的最低临界能量时，才有潜在的危险。Zmax由式（4）计算得到：
式（4）中，Zmax是从单一脉冲中可提取的最大能量（μJ);
Pmax是式（1）、式（2）或式（3）里相关的可提取的最大功率（W);t是脉冲间隔时间（μs）。
Zth由Zmax=PthTth导出。
当脉冲的间隔大于热点火时长的3/4时，此脉冲信号可以假设等同于连续信号源。若热点火时间内有多个脉冲信号，且这些信号都短于热点火时长的1/2，则可以通过首先比较每个脉冲信号的Zmax与Zth来解决相关问题。如果此时表明没有风险，那么就合并热点火时长内所有提取的脉冲信号的功率，并将合并后的功率与最大功率Pmax相比较。
本文没有考虑来自多个发射机的能量。因为与一个具有足够能量的单一发射机相比，从多个波长传送所累积的能量感应到结构体上时，此能量不易出现问题。
对多个发射机问题的评估见CLC/TR50427中的10.4.5.2节。一旦确定存在可燃的环境，即需要考虑接收天线的结构。
对30MHz以下的环形结构、30MHz以上的垂直结构的分析，都要基于CLC/TR50427中的要求。
导体的作用类似天线，导电物体上的感应电压使断续接触产生火花。天线的布置可由任何金属/导电物体组成。
对于30MHz以上的频段，其布置通常分为：
a.环型天线；
b.单极天线。
频率进一步提高，当结构体的尺寸与电磁波的波长相当时，此时结构体如同一个非常有效的天线。
当频率小于30MHz时，环形结构体如同一个更加有效的天线，并且在最优化的周长（λ/2）时产生共振现象。较小的环形结构体仍然能够产生共振现象，而且其非连续处存在杂散电容。图6是环形结构体的示例。
垂直结构体包括：
a.通风道；
b.垂直燃烧的火焰；
c.波束。
火花的基本特征至关重要，因为它关系到射频点火是否生成。比如当结构体的两部分分开时，最易产生火花。
图6潜在的环形结构体
固定间隙的击穿需要相当高的电压，对此情况，人们认为不会产生问题。如果形成间隙的结构部分比较尖锐，则容易产生放电现象。
3、降低HERF风险的措施
可以采用一些机制来降低HERF的风险。
通风（自然风，或者机械通风比如风扇）能够降低气体释放源的浓度，并除去封闭场所里的有害物质。
对于30MHz下，一个降低有效最大功率的有效方法是缩短环形结构的周长。要实现这种方法，需要对结构体进行去谐处理，确切说是电子俘获或者对结构体进行分区。去谐处理的目的是最大程度降低造成干扰的结构体上的二次辐射或者电流。
降低环形结构体的波长也会降低吸收射频能量的效率。如果能把环形结构体的周长减半，则能够把结构体吸收射频能量的效率降低11倍（23.5由式（1）导出）。
把潜在的间断产生的间隙接地，也能够降低风险。
还有一个毫无疑问的办法就是避免可燃的气体环境。
在燃料存储容器罐里，可以通过降低氧气的含量来降低风险，比如：
a.实现容器90%的装载；
b.通过在存储空间内加入惰性气体比如氮气或者二氧化氮来除去氧气。
还有燃料添加剂或替代燃料（在设施部署时并不总是实用）可以增加燃气气体的燃点温度。
比如JP-8+100或者NATOF-37-JP-8加入+100改善热稳定的添加剂（NATOS-1749）,即燃点增加到约94℃。此添加剂融合了表面活性剂、金属离子去活性剂以及抗氧化剂。
在频率低于225MHz时，通常参考美国海军出版的电磁辐射危害标准，该标准提出以下限制。
对于工作在低于225MHz的固定、移动和航空通信系统：
a.对于辐射功率在250W及以下的天线，应当将其安装在距离加注燃料/燃料运作区不小于50英尺（15.24m）的地方；
b.对于辐射功率在250W以上的天线，应当将其与加注燃料/燃料运作区分离。分离后的加注燃料区的功率密度不得大于辐射功率250W的天线在50英尺（15.24m）处的功率密度（0.009mW/cm2）。
如果不能达到分离距离或者功率密度的要求，则应当在加注燃料或燃料运作的时候关闭发射机。
当频率高于225MHz时，标准NAVSEAOP3565/NAVAIR16-1-529Volume1[4]提出如下限制：
对于工作在225MHz及以上的雷达与通信系统，如果其主波束照射燃料运作区的功率密度的峰值在5W/cm2或者更高时，则应该：
a.在加注燃料时停止发送信号；
b.通过适当地切断相关器件或运作流程，避免照射燃料运作区；
c.放置在距离加注燃料区足够远的地方，使得燃料区的功率密度小于5W/cm2。
4、总结
导致HERF风险的条件是可以确定的，可以通过改变这些条件来降低燃料着火的可能性，避免灾难性的后果。这些因素取决于运作平台的部署，所以会随着平台的不同而变化。
作为去除危险的措施，审慎地使用标准里的操作流程并且关注影响HERF的因素，能够很大程度地降低风险。
MarkMifsud.电磁辐射对燃料危害的若干考虑[J].安全与电磁兼容,2020(02):21-24.
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