對煤礦無線通信系統電磁干擾相關問題的探討

【摘要】介紹煤礦無線通信系統電磁干擾的現狀，分析電磁干擾的定義及分類，并舉例分析電磁干擾產生的原因，并提出一些解決干擾技術措施、解決辦法等。

【關鍵詞】煤礦；無線通信；電磁干擾

Abstract：Introduce the situation of electromagnetic interference in coal Mine wireless communication system；analyse the definition and classification of electromagnetic interference，for example analyse the causes，and propose some solutions and interference measures.

Key words：coal mine；Wireless communication；electromagnetic compatibility

1.引言

隨著近十幾年中國無線電通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，無線通信系統已成為現代化煤炭生產中的重要環(huán)節(jié)之一，特別是近年來隨著煤炭生產技術的不斷發(fā)展和生產管理水平的不斷提高，對信息技術以及無線通信提出了越來越高的要求，智能化、高速化、綜合化已成為煤礦無線通信發(fā)展的必由之路。但在不斷地發(fā)展中各種無線設備迅速增多，適合煤礦的各種無線通信系統已經基本在全國的各個大、中、小型煤礦安裝、使用，它們具有不同的制式、頻率、終端模式等，實際使用的過程中給煤礦帶來了極大地便利和安全保障。在通信工程的安裝、調試、運行過程中，我們已不可避免地遇到各種干擾，有些煤礦的地面及井下的電磁頻譜復雜多變，干擾問題很突出，甚至有的時候能夠造成通信或數據中斷，有必要和大家一起來探討這方面的問題，也希望能夠得到一些解決的方向和辦法。

2.電磁干擾的定義

電磁干擾簡單來說就是在特定的空間內有非法信號占據了合法信號的頻率和資源，影響合法信號的正常工作，是影響無線通信系統性能的重要因素。

2.1 電磁干擾的分類

無線通信系統往往存在各種各樣的干擾，可以用不同的角度對這些干擾進行區(qū)分。

從干擾所處的頻段分，可以分為上行干擾與下行干擾；

從干擾源占有的頻率（頻點）分，可分為同頻干擾和非同頻干擾；

從干擾的來源分，可以分為固定頻率干擾、隨機寬帶干擾、強信號對弱信號的干擾以及互調干擾；

從干擾所處的空間上分，可以分為地面和井下。

2.2 井下電磁干擾的特點

我國煤炭生產長期主要采用長壁式采掘方式，這就帶來了井下電磁環(huán)境的復雜性、多變性。煤礦井下為限定性空間，電磁干擾的耦合與傳播和地面完全不同。巷道截面形狀、尺寸、介質、彎曲、分支、傾斜、金屬支護、縱向導體（電纜、水管、鐵軌等）、通風設施影響著電磁干擾的耦合與傳播。

井下無線通信的電磁干擾噪聲主要可分為兩大類，自然噪聲和工業(yè)噪聲。工業(yè)噪聲是指工業(yè)部門所使用的各類設備運行時所產生的電磁噪聲，這些設備只要用電運行，就會產生電流或電壓的突變，也就成為噪聲的發(fā)生源。這類噪聲進入了運行中的通信系統就變成了干擾噪聲。

2.3 井下電磁干擾的主要來源

電磁干擾噪聲對通信系統的傳播途徑主要有兩種，一種是電磁波輻射，另一種是沿金屬導體傳導。礦井里的主要干擾源是工業(yè)噪聲，主要包括高壓電力電纜、大功率變壓器、變頻裝置、其他無線設備等。

（1）煤礦井下電網電壓波動大，可達到75%～ 110%，其振幅圍繞著平均振幅不斷地上下波動，而頻率也在一定范圍內變化。電力電纜形成干擾的機理是由于電纜的漏磁場引起的感應輻射造成的。

（2）直線架線電機車受電弓與架空線電火花干擾嚴重，其雜散電流干擾也十分嚴重。受電弓與滑接饋電線間、電機車直流電機的電刷與整流子之間、車輪與軌道間、在軌道的接合處以及掛鉤之間都會產生大量的電火花。這些電火花干擾的頻譜相當寬，而這些干擾的電平與頻譜取決于電火花的能量，即電機車的電壓等級、負載電流大小、接觸網敷設狀況等。

（3）變頻設備是目前井下電磁干擾的比較突出的問題，變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。但也帶了輻射干擾、傳導干擾等問題。

3.案例分析

以xx省x礦為例：該礦地面和井下分別進行了無線覆蓋，安裝調試完畢以后，就發(fā)現該通信系統就一直存在著電磁干擾的問題，具體表現為間歇性地手機信號強，但是撥不出電話或通信鏈路容易掉線等問題。

后期我們組織人力，通過下面的技術手段分析并判斷了電磁干擾的一部分原因：

（1）監(jiān)聽：通過后臺軟件分析判斷干擾確實存在，找出干擾出現的時間、持續(xù)的時間、信號強度大小等，并用Excel表記錄下這些內容，方便判斷干擾源的位置及規(guī)律。

（2）用頻譜分析儀監(jiān)測波形和頻譜：通過觀看干擾信號的頻譜和波形，確定電磁干擾為同頻信號和帶外信號。

（3）同步跟蹤：用估算出的可能干擾頻率，在頻譜儀上分頻段或頻點地監(jiān)測這些干擾信號是否存在，確認這些干擾信號頻點多而雜。

該礦距離市區(qū)約為30km，周圍有多個大型的鋼廠、水泥廠、鐵路樞紐等場所，空中能夠接收過到的電磁頻譜雜、多、強，對本通信系統的電磁干擾問題很突出，同時通過井下的排查我們發(fā)現井下有多個大型的變電站、水泵站、變頻直流電機車、大功率變頻器等設備。

最終經過大家的討論分析，做出了以下的技術升級來緩解電磁干擾所帶來的問題：

（1）在系統射頻前端到接收機的部分加入帶通濾波器，過濾一些帶外的雜波信號。

（2）降低天線的高度，并通過軟件設置減少無線接收機的接收靈敏度，從而降低外非法信號對系統上行信號的干擾強度。

（3）完善主機設備接線問題，重新更換屏蔽電纜和接地工作。

（4）井下部分通信基站繞過大功率電機或變頻設備，部分電纜改為屏蔽同軸電纜，加強抗干擾能力。

（5）減少井下基站的接收機增益量，提高基站的抗干擾的門限值；根據基站安裝位置不同的情況，重新計算調整（手機——基站——系統）上、下行信號的大小以保持整個系統的信號平衡度。

4.解決辦法及方向

據電磁學基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統等3個要素。為防止電磁干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對無線通信系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。具體措施可在無線通信工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

a.隔離

隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯系。

b.濾波

設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從設備通過線路傳導干擾到通信基站及線路上。

c.屏蔽接地

屏蔽干擾源是抑制電磁干擾的最有效的方法?；颈M量用金屬殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。信號輸出線最好用盡可能短的屏蔽線纜。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。

5.結語

目前大量的無線設備已應用于煤礦井下，電磁干擾問題已成為影響井下安全生產的關鍵問題之一。因此，我們必須掌握一些電磁干擾技術的基本原理及防治技術措施，不斷的積累經驗，保證通信系統正常運行。電磁干擾解決問題的關鍵在于前期工作是否做的扎實，例如在工程的前期就完成該礦的前期摸底，完成固定場所和移動場所的空間頻譜測試，防患于未然。同時我們應該在理論和經驗的指導下去排除干擾，做到快速準確，增強排查干擾源的時效性。每一個步驟都應該有目的，注意觀察和記錄，從中了解干擾的變化情況，找到真正的干擾源和解決途徑，并且在此基礎上注意理論分析，從中找出有規(guī)律的東西來。

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作者簡介：王凱敏（1981—），男，江蘇丹陽人，工程碩士，工程師，主要從事礦用產品檢測檢驗工作。