張子良

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、空間相對(duì)封閉且電氣設(shè)備多，安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器除受到環(huán)境溫濕度、煤塵、振動(dòng)等影響，還會(huì)受到電磁干擾[1]。隨著《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的實(shí)施[2-3]，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造工作接近尾聲，升級(jí)后的系統(tǒng)抗電磁干擾能力顯著提升，可以對(duì)浪涌、脈沖群、射頻電磁輻射等干擾形式起到一定的免疫效果。但在已經(jīng)完成安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的礦井中，仍然存在傳感器被干擾的情況[4]：部分氣體傳感器會(huì)時(shí)常出現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象，特別是布置在大型變頻設(shè)備附近的傳感器出現(xiàn)的頻次更高，初步判斷為傳感器受到變頻器發(fā)出的干擾所致。為明確傳感器受影響的具體原因，解決“上大數(shù)”問題，對(duì)該區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地測量，分析電磁騷擾特性，并借助ADS 軟件對(duì)現(xiàn)有傳感器的濾波效果仿真計(jì)算，查找問題原因，有針對(duì)性地采取整改措施。

1 礦井電磁干擾源

井下電磁環(huán)境具有一定的區(qū)域性，區(qū)域中的某些典型設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁騷擾[5]，干擾周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。

在問題區(qū)域，對(duì)“上大數(shù)”的傳感器進(jìn)行了2 項(xiàng)試驗(yàn)：①保持變頻器通電運(yùn)行，以變頻器為原點(diǎn)，將傳感器位置逐步遠(yuǎn)離觀察現(xiàn)象；②改變變頻器工作狀態(tài)，觀察傳感器現(xiàn)象。在試驗(yàn)1 中，將傳感器逐步挪至70 m 遠(yuǎn)的位置，始終會(huì)出現(xiàn)“上大數(shù)”現(xiàn)象，只不過頻次隨距離增加有所減弱；試驗(yàn)2 中，停止變頻器輸出驅(qū)動(dòng)，保持輸入側(cè)正常供電，整流單元正常運(yùn)行，此過程也會(huì)持續(xù)產(chǎn)生干擾，影響傳感器，只有在完全關(guān)閉變頻器時(shí)，傳感器才不會(huì)出現(xiàn)“上大數(shù)”的情況。因此可以確定，引發(fā)傳感器故障的干擾源就是變頻器，且變頻器作為典型的干擾源，在整流和逆變時(shí)都會(huì)產(chǎn)生干擾[6-8]，而且干擾傳輸距離較遠(yuǎn)。

為明晰為何已具備一定抗干擾能力的傳感器此時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)電磁干擾問題，進(jìn)一步對(duì)干擾源進(jìn)行了頻譜測量分析。礦井變頻器現(xiàn)場輻射測量示意圖如圖1。

圖1 礦井變頻器現(xiàn)場輻射測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-site radiation measurement of mine frequency converter

使用手持頻譜儀進(jìn)行現(xiàn)場電磁輻射騷擾測量，按照?qǐng)D1 標(biāo)識(shí)的方式對(duì)變頻器5 個(gè)方位點(diǎn)及其線纜進(jìn)行測量（測量頻譜圖略），結(jié)果發(fā)現(xiàn)變頻器線纜的輻射騷擾幅值最強(qiáng)。

將手持頻譜儀測量天線距離線纜d=0.2 m，進(jìn)行了2～50 MHz、20～200 MHz、70～1 000 MHz 3 個(gè)頻段的測量，測量值統(tǒng)一換算為dBμV，變頻器電磁騷擾峰值見表1。

表1 變頻器電磁騷擾峰值Table 1 Electromagnetic disturbance level values of frequency converter

綜合2～1 MHz 全頻段頻譜分析，939 MHz 頻率附近出現(xiàn)明顯發(fā)射信號(hào)，這部分頻率正好與井下GSM信號(hào)和對(duì)講機(jī)通信頻段相吻合，且在現(xiàn)場測試環(huán)境背景噪聲測量時(shí)檢測到該信號(hào)，而在整個(gè)頻率范圍內(nèi)除該頻點(diǎn)區(qū)域外，55 MHz 以上的頻率未出現(xiàn)其他明顯發(fā)射信號(hào)，故認(rèn)定939 MHz 頻點(diǎn)信號(hào)為正常礦井通信信號(hào)，與變頻器發(fā)射的電磁騷擾頻率無關(guān)。

從表1 可以看出，變頻器發(fā)出的電磁騷擾主要集中在50 MHz 以下，且低頻干擾分量較嚴(yán)重，在2.72 MHz 出現(xiàn)干擾峰值，達(dá)到了97.50 dBμV。當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，就形成了1 個(gè)中低頻干擾源，其連接的電纜可作為天線向外輻射，形成電磁輻射干擾。

傳感器的抗電磁干擾性能須滿足標(biāo)準(zhǔn)AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗干擾試驗(yàn)中，射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)的測試頻段僅為80～1 000 MHz，并沒有覆蓋到80 MHz 以下范圍。因此，當(dāng)傳感器部署在變頻器附近區(qū)域時(shí)，就有可能在其設(shè)計(jì)時(shí)未考量到的頻率范圍內(nèi)（80 MHz 以下）形成電磁干擾而出現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象。

需要指出的一點(diǎn)是，井下巷道多彎曲和分支[9-10]，空間有限，能在很大程度增加電磁波的衰減率[11-12]，大功率電器設(shè)備的金屬外殼也會(huì)屏蔽對(duì)外界的干擾[13-15]。理論上，變頻器自身發(fā)出的空間輻射干擾并不能較遠(yuǎn)距離傳輸，但實(shí)際試驗(yàn)中遠(yuǎn)離變頻器70 m的傳感器卻仍會(huì)受到干擾。

2 電磁干擾耦合途徑

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有測點(diǎn)多、分布廣、傳輸距離長等特點(diǎn)[16]，特別是傳感器與分站的距離從幾米到數(shù)千米不等。又因巷道為條狀分布、空間有限，傳感器線纜往往與高壓動(dòng)力電纜近距離平行敷設(shè)，共存長度可達(dá)幾公里。傳輸線的天線效應(yīng)以及可與干擾頻段波長相比擬的線纜長度使得傳感器可以感應(yīng)到的干擾頻段下限會(huì)降至很低，從而容易受到來自大型設(shè)備的啟停以及變頻設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。

線纜是系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，是高效的電磁波接收天線和輻射天線[17]，也是干擾傳導(dǎo)的良好通道。大量理論與工程實(shí)踐表明，大型設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾很少通過直接輻射的方式對(duì)外形成干擾，但其連接的線纜可提供另外的傳輸路徑和天線效應(yīng)。這一點(diǎn)在實(shí)際頻譜測量中也有所體現(xiàn)。

根據(jù)礦用變頻器的結(jié)構(gòu)及電路功能可知，變頻器的整流電路與逆變電路是其產(chǎn)生電磁干擾的主要源頭，其產(chǎn)生的騷擾能量通過傳導(dǎo)和輻射2 種途徑對(duì)傳感器產(chǎn)生了影響。其中，傳導(dǎo)干擾指變頻器的電磁能量以電壓或者電流的形式直接通過線纜耦合至傳感器；輻射干擾指變頻器產(chǎn)生的電磁干擾輻射，干擾能量通過空間電磁波的形式對(duì)傳感器產(chǎn)生干擾。傳感器耦合方式示意圖如圖2。

圖2 傳感器耦合方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor coupling mode

具體地，傳感器受到來自變頻器干擾的可能耦合路徑可概括為以下3 種：①傳感器本安電源箱的交流供電與變頻器的交流供電來自于同一條供電線路，那么變頻器發(fā)出的電磁騷擾就可以通過線纜以傳導(dǎo)的方式干擾到傳感器；②當(dāng)傳感器距離變頻器較近時(shí)，變頻器可以通過其線纜天線直接輻射影響到傳感器；③當(dāng)傳感器距離變頻器較遠(yuǎn)時(shí)，由于傳感器的線纜與變頻器的線纜近距離平行敷設(shè)了一段距離，根據(jù)傳輸線理論，傳感器線纜會(huì)感應(yīng)來自變頻器線纜的電磁發(fā)射，形成串?dāng)_，進(jìn)而又通過線纜傳導(dǎo)至傳感器形成干擾。

經(jīng)過實(shí)際傳感器及變頻器的布線勘查，該傳感器受到來自變頻器干擾的耦合路徑為第③種，這也解釋了遠(yuǎn)離變頻器70 m 的傳感器仍然會(huì)受到干擾可能性。

在明確變頻器輻射發(fā)射頻段及干擾傳感器的耦合路徑后，傳感器的優(yōu)化整改則會(huì)更加有的放矢。當(dāng)然，傳感器可以采用屏蔽線纜的方式來降低變頻器線纜串?dāng)_的幾率，但這無疑會(huì)大幅增加成本，而通過調(diào)整傳感器端口濾波器參數(shù)來解決干擾問題是比較經(jīng)濟(jì)可行的。

3 濾波器參數(shù)仿真分析與優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有濾波器參數(shù)仿真

利用ADS（Advanced Design System）仿真軟件對(duì)濾波器性能進(jìn)行仿真及優(yōu)化。濾波器的重要特性是插入損耗，插入損耗就是濾波器對(duì)傳導(dǎo)騷擾衰減的能力。

在ADS 仿真軟件中繪制傳感器現(xiàn)有濾波器電路，放置50 Ω 端口負(fù)載，進(jìn)行濾波器S 參數(shù)仿真，S21參數(shù)值即為濾波器的插入損耗，其絕對(duì)值越大表明對(duì)電磁騷擾的抑制作用就越強(qiáng)。優(yōu)化前濾波電路如圖3，現(xiàn)有濾波器電路由Y 電容C1、C2以及2 個(gè)串聯(lián)的共模電感L1、L2組成，Y 電容位于2 個(gè)共模電感之間，C1=C2=100 pF，L1=L2=1 μH，S-Param 設(shè)置初始頻率10 kHz，截止頻率1 GHz，步進(jìn)1 MHz。運(yùn)行S 參數(shù)控件進(jìn)行仿真，優(yōu)化前濾波器插入損耗分析結(jié)果如圖4。

圖3 優(yōu)化前濾波電路Fig.3 Filter circuit before optimization

圖4 優(yōu)化前濾波器插入損耗分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of filter insertion loss before optimization

從仿真分析結(jié)果可以看出，傳感器現(xiàn)有濾波電路的插入損耗在80 MHz 可達(dá)到27.57 dB，且隨頻率增加而增大，80 MHz 以下則較小，而在實(shí)際使用過程中受器件寄生參數(shù)影響，其真實(shí)插入損耗會(huì)比仿真值更小，也就是說該濾波器對(duì)于80 MHz 以下的傳導(dǎo)騷擾抑制能力較弱。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器進(jìn)行150 kHz～80 MHz 射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)時(shí)，傳感器會(huì)復(fù)現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象，此結(jié)果與傳感器在變頻器附近的現(xiàn)象相吻合。這也正說明了傳感器雖然可以通過80～1 000 MHz 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)，但對(duì)于變頻器發(fā)出的80 MHz 以下的電磁騷擾仍然沒有免疫能力，因此也就出現(xiàn)了“上大數(shù)”的現(xiàn)象。

針對(duì)這一問題，若能夠有效提高80 MHz 以下低頻段電磁騷擾的抑制能力，即可滿足實(shí)際需求。因此，需要對(duì)濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化后濾波器參數(shù)仿真

濾波電路及參數(shù)的優(yōu)化需要保證在原有80 MHz 以上濾波插入損耗不降低的基礎(chǔ)上，提高80 MHz 以下電磁騷擾的抑制能力。優(yōu)化后的濾波電路如圖5，將Y 電容C1、C2移動(dòng)至共模電感L1、L2最前端，并且將其參數(shù)調(diào)整為C1=C2=2 200 pF，L1=L2=10 μH，S-Param 設(shè)置不變，再次進(jìn)行S 參數(shù)仿真計(jì)算，優(yōu)化后濾波器插入損耗分析結(jié)果如圖6。

圖5 優(yōu)化后濾波電路Fig.5 Filter circuit after optimization

圖6 優(yōu)化后濾波器插入損耗分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of filter insertion loss after optimization

從仿真分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的濾波電路插入損耗在低頻段有明顯提高，對(duì)5 MHz 以上的干擾都具有明顯的濾波效果。將優(yōu)化后的濾波器實(shí)際制作并加入傳感器中再次進(jìn)行射頻傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)，可順利通過3 級(jí)測試。新整改的傳感器放置在現(xiàn)場同一位置，未再出現(xiàn)“上大數(shù)”等問題。

4 結(jié) 語

1）傳感器經(jīng)過數(shù)字化升級(jí)改造后，確實(shí)具備了一定的抗電磁干擾能力，但實(shí)際礦井電磁環(huán)境往往更加復(fù)雜，當(dāng)發(fā)生電磁兼容問題時(shí)，有效分析電磁干擾源特性及干擾耦合路徑，可使問題解決方案更加有針對(duì)性，也能夠在整改措施上保持一定的經(jīng)濟(jì)性。

2）井下變頻設(shè)備發(fā)射的電磁騷擾主要集中在80 MHz 以下，但目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中抗干擾能力測試項(xiàng)目尚未覆蓋這一頻段，建議增加射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)。

3）對(duì)于煤礦普遍采取的多線纜長距離平行敷設(shè)方式來講，文中提到的第③種干擾耦合路徑往往更為常見，但卻容易被忽略，在解決現(xiàn)場電磁兼容問題時(shí)應(yīng)引起重視。