基于多導(dǎo)體傳輸線理論的煤礦電磁干擾研究

王鶴曉，張曉冬，李春敏

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京　100044）

基于多導(dǎo)體傳輸線理論的煤礦電磁干擾研究

王鶴曉，張曉冬，李春敏

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044）

針對(duì)煤礦井下電磁干擾嚴(yán)重，電力線與信號(hào)線鋪設(shè)距離較近，當(dāng)電力線產(chǎn)生浪涌電壓時(shí)會(huì)對(duì)信號(hào)線傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生較大干擾，導(dǎo)致接收器接收信號(hào)錯(cuò)誤，引起誤報(bào)或錯(cuò)報(bào)問題，應(yīng)用多導(dǎo)體傳輸線理論，對(duì)電力線、信號(hào)線和參考大地建立模型；同時(shí)由于傳輸線重力相差較大，以及煤礦下非線性大型設(shè)備眾多，應(yīng)用FDTD（時(shí)域有限差分法）求解不平行多導(dǎo)體傳輸線在各時(shí)空離散點(diǎn)處的電壓、電流迭代計(jì)算式；通過MATLAB編程研究了當(dāng)電力線產(chǎn)生浪涌電壓時(shí)對(duì)信號(hào)線的干擾，探討了當(dāng)傳輸線長度改變，電力線與信號(hào)線之間距離改變，信號(hào)線離地高度改變時(shí)，信號(hào)線終端電壓的變化情況，為提高安監(jiān)系統(tǒng)的可靠性提供依據(jù)，對(duì)保障煤礦安全具有重大意義。

煤礦；電磁干擾；多導(dǎo)體傳輸線；時(shí)域有限差分法

煤礦工業(yè)的安全健康發(fā)展是關(guān)系到國計(jì)民生的大事，而煤礦監(jiān)控系統(tǒng)又是關(guān)系到安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。因此如果通信故障，會(huì)出現(xiàn)冒大數(shù)、冒假數(shù)問題[1]，將對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸及故障信息的及時(shí)發(fā)送和處理造成很大延誤，甚至造成極大的安全生產(chǎn)事故[2]；而我國煤礦井下供電系統(tǒng)中，面臨的主要問題是電能質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是采掘工作面，電氣設(shè)備移動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化大，大型采掘設(shè)備直接啟動(dòng)[2]，導(dǎo)致動(dòng)力線上產(chǎn)生較高浪涌電壓，從而對(duì)信號(hào)線產(chǎn)生較大的電磁干擾。同時(shí)，由于煤礦礦井狹窄，導(dǎo)致大型電氣設(shè)備的動(dòng)力線和安監(jiān)信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)線很難較大距離分開鋪設(shè)。由此可見研究電力線浪涌對(duì)信號(hào)線的電磁干擾程度十分必要。

文中基于多導(dǎo)體傳輸線理論對(duì)電力線、信號(hào)線、參考線路（理想大地）分析，同時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況合理取值建模。由于信號(hào)線電壓較低，只有幾伏到幾十伏，電力線則電壓較高，為了減少電能損耗，而且適合架設(shè)，一般懸掛弛度為1.05到1.1之間，兩者材質(zhì)不同，截面積不同，重量差別較大，因此信號(hào)線與大地可以近似看作平行，而電力線則有一定松弛度，與信號(hào)線以及參考線路不再平行，因此考慮不平行傳輸線的終端響應(yīng)情況。；同時(shí)由于煤礦下大型電氣設(shè)備眾多，不斷有新的電力電子裝置和其他非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)[3]，電力線激勵(lì)信號(hào)采用典型浪涌電壓信號(hào)，分別探討了1）傳輸線長度2）傳輸線與信號(hào)線之間距離3）信號(hào)線距離地面高度3個(gè)方面對(duì)干擾的影響，為煤礦電磁兼容研究提供理論支持。

1　不平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD算法

由于重力作用，懸掛的較重的動(dòng)力線與較輕的信號(hào)線不再平行，L，C參數(shù)矩陣與三導(dǎo)體間的距離有關(guān)，不再是一個(gè)常數(shù)矩陣，因此，平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD算法不再適用，需要建立不平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD算法。

由微分思想，可以把傳輸線分割成若干微元弧段，當(dāng)傳輸線曲率比較小時(shí)，可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)的微元弧段相互平行，每個(gè)微元弧段的L，C參數(shù)矩陣可看作常數(shù)矩陣，但不同微元弧段的L，C參數(shù)矩陣不同，因此就可以針對(duì)每個(gè)微元弧段使用平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD算法求解；并且第i個(gè)微元弧段的終端信號(hào)即為第i+1個(gè)微元弧段的始端信號(hào)，由此得到不平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD算法的電壓和電流的迭代計(jì)算公式。

不平行多導(dǎo)體傳輸線FDTD差分公式：

終端條件：

Ck為第k段起點(diǎn)處的分布參數(shù)，k=1，2，…，NDZ；CNDZ+1為第NDZ段終點(diǎn)處的分布參數(shù)。

為了保持算法的穩(wěn)定性，這里Δz和Δt須滿足Δt≤Δz/v[4]，當(dāng)兩者取等號(hào)時(shí)，Δt為最佳時(shí)間步長，v為電磁波傳播的最大模式速度，

2　不同參數(shù)條件下干擾的數(shù)值預(yù)測

根據(jù) “國家煤礦安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)級(jí)辦法”及“AQ6201-2006 5煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求”，部分參數(shù)如表1所示。

表1　煤礦傳輸線參數(shù)Tab.1　The parameters of transmission lines in coal mine

信號(hào)線位于上方，平行于大地；電力線位于下方，本文取松弛度1.1，則兩掛鉤間傳輸線長度為3.3 m。傳輸線始端，終端負(fù)載均為50 Ω。為控制變量，下述討論，改變某一變量時(shí)，其余參數(shù)按照表中所給值計(jì)算。

井下傳導(dǎo)干擾主要來自各種強(qiáng)電傳輸線[5]，由于井下供電系統(tǒng)中的電容、電感均為儲(chǔ)能原件，當(dāng)工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將有過渡過程產(chǎn)生，在過渡過程中，可產(chǎn)生數(shù)倍于工作電壓的操作過電壓[6]。這些開關(guān)操作瞬間產(chǎn)生的浪涌過電壓具有脈沖上升時(shí)間短、脈沖下降時(shí)間長、幅值高、能量大等特點(diǎn)，其由設(shè)備動(dòng)力線耦合到安監(jiān)信號(hào)線上，對(duì)安監(jiān)系統(tǒng)的正常工作造成了嚴(yán)重的干擾。在進(jìn)行理論分析時(shí)，實(shí)際浪涌電壓與環(huán)境密切相關(guān)，因此選取典型浪涌即可。選取標(biāo)準(zhǔn)的1.2/ 50 μs浪涌電壓作為干擾源進(jìn)行研究[1]，浪涌電壓為圖1為浪涌電壓激勵(lì)波形。

圖1　浪涌電壓激勵(lì)波形Fig.1　The surge voltage waveform of 1.2/50μs

2.1傳輸線長度

根據(jù)煤礦實(shí)際情況，選取傳輸線長度分別為 300 m，1 000 m，1 600 m，浪涌電壓激勵(lì)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2　變長度浪涌電壓激勵(lì)波形Fig.2　The excitation waveform of surge voltage when the lengths of lines change

通過仿真結(jié)果可以看出，1）當(dāng)電力線產(chǎn)生浪涌電壓時(shí)，信號(hào)線受到較大干擾，經(jīng)過L/c（c為電磁波傳播速度）的時(shí)間，干擾傳輸?shù)叫盘?hào)線末端，接收器會(huì)收到錯(cuò)誤信號(hào)；2）由于電磁波的反射作用，反向波與前行波疊加，干擾波形出現(xiàn)較大波動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間干擾回歸于零消失；3）干擾波形變化速率小于浪涌電壓上升速率；4）隨著傳輸線長度增加，干擾反射時(shí)間增加，干擾波疊加時(shí)間延遲，干擾電壓隨之增大，但當(dāng)長度增大到一定距離，再繼續(xù)增大時(shí)，干擾電壓趨于穩(wěn)定不再增大，此后基本保持不變。

2.2電力線與信號(hào)線距離

根據(jù)煤礦實(shí)際情況，電力線與信號(hào)線距離分別取0.3 m，0.5 m，1.0 m，浪涌電壓激勵(lì)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　變間距浪涌電壓激勵(lì)波形Fig.3　The excitation waveform of surge power when distance changes

通過仿真結(jié)果可以看出，電力線與信號(hào)線距離的改變，影響了兩者間的電磁耦合，在計(jì)算過程中改變L、C矩陣，電感、電容串?dāng)_改變，干擾隨電力線與信號(hào)回路間距離的增大而逐漸減小，且減幅越來變小，最終干擾趨近于零，這也符合電磁場干擾理論，被干擾設(shè)備距離干擾源越遠(yuǎn)，干擾越小。

2.3信號(hào)線距離地面高度

根據(jù)煤礦實(shí)際情況，信號(hào)線距離地面高度分別取1.5 m，2.5 m，3.5 m，浪涌電壓激勵(lì)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　變高度浪涌電壓激勵(lì)波形Fig.4　The excitation waveform of surge voltage when the height of signal line changes

通過仿真結(jié)果可以看出，隨著信號(hào)線距離地面高度的增加，影響了電力線與信號(hào)線對(duì)大地的電磁場耦合，改變L、C矩陣，電感、電容串?dāng)_改變，干擾增強(qiáng)，但當(dāng)高度增大到一定距離，再繼續(xù)增大時(shí)，干擾電壓趨于穩(wěn)定不再增大，此后基本保持不變。

3　結(jié)　論

文中是基于多導(dǎo)體傳輸線理論的煤礦電力線與信號(hào)線電磁干擾研究，選取典型浪涌電壓信號(hào)，探討了傳輸線長度、電力線與信號(hào)線距離、信號(hào)線距離地面高度3個(gè)因素對(duì)信號(hào)線上干擾的影響情況。隨著傳輸線長度的增加，信號(hào)線距離地面高度的增加，干擾逐漸加強(qiáng)，但當(dāng)距離到達(dá)某一數(shù)值后，干擾波形趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加對(duì)波形影響不大；隨著兩者間距離的增加，干擾逐漸減小[7-9]。因此在架設(shè)電纜時(shí)，要盡量減小傳輸線長度，信號(hào)線距離地面高度，在礦井有限的空間里，盡量增加信號(hào)線與電力線之間的距離，減少兩者間的耦合。本文對(duì)煤礦電纜的選擇具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)煤礦電磁兼容的研究具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

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Research on electromagnetic interference in coal mine based on MTL theory

WANG He-xiao，ZHANG Xiao-dong，LI Chun-min
（School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper focused on serious electromagnetic interference in coal mine，and the close distance of power line and signal line.When there is surge voltage on power line，the signal line will be severely interfered，leading to fault signals received by receiver，then causing false positives or misstatement.Then use MTL（multiconductor transmission line）theory to set up a model of power line，signal line，and the ground.Moreover，because the lines are of large difference in gravity，and there are many nonlinear large equipment in coal mine，F(xiàn)DTD（finite difference time domain）is applied to deduce voltage/ current iteration expressions at discrete points of time and space.Then three kinds of situation is discussed with MATLAB programming，which are the length change of transmission lines，the distance change between power line and signal line；the height of signal line.By analyzing the voltage response at the end of signal line，this paper provides basis for improving reliability of monitoring system，and has significance in security of coal mine safety.

coal mine；electromagnetic interference；MTL；FDT

TM15

A

1674－6236（2016）01-0089-03

2015-04-12稿件編號(hào)：201504116

國家國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（2013DFR10530）

王鶴曉（1991—），女，河北滄州人，碩士研究生。研究方向：電磁場與電磁兼容。