煤礦監(jiān)控系統(tǒng)通訊電纜電磁兼容性技術(shù)

謝 浩，朱曉潔，高文平，謝俊生

（1.天地（常州）自動化股份有限公司,江蘇 常州213015；2.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；3.陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 陽泉045000）

目前的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要采用礦用通訊電纜作為煤礦井下監(jiān)控信號的傳輸媒介，礦用通訊電纜是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)重要的組成部分之一[1]，礦用通訊電纜的電氣性能直接影響著信號的傳輸質(zhì)量，并且礦用通訊電纜的費(fèi)用投資在整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用中占有較大的比重[2]，同時(shí)礦用通訊電纜也是導(dǎo)致電磁兼容問題的主要因素[3]。

2016 年12 月29 日，國家煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》的通知，通知要求“提升系統(tǒng)性能指標(biāo)，分站的最大遠(yuǎn)程供電距離（在設(shè)計(jì)工況條件下）實(shí)現(xiàn)分級管理；增加抗電磁干擾能力”。通知明確規(guī)定“煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)必須采用抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)，通過地面設(shè)備3 級靜電抗擾度試驗(yàn)，評價(jià)等級為A；2 級電磁輻射抗度試驗(yàn)，評價(jià)等級為A；2 級脈沖群抗度試驗(yàn)，評價(jià)等級為A；交流電源端口3 級、直流電源與信號端口2 級浪涌（沖擊）抗度試驗(yàn)，評價(jià)等級為B[4]?！弊鳛槊旱V監(jiān)控系統(tǒng)配套的各類傳感器、斷電報(bào)警器、井下防爆以太網(wǎng)交換機(jī)、井下工作站及配套電源等單個(gè)設(shè)備雖能順利通過上述試驗(yàn)，但經(jīng)過礦用通訊電纜連接起來以后，輻射干擾就存在，整個(gè)系統(tǒng)就不再合格；將設(shè)備上的外托電纜取下來，單個(gè)設(shè)備又可以順利地通過試驗(yàn)。顯而易見，礦用通訊電纜是電磁兼容性問題主要通道[5]。礦用的金屬隔爆外殼都具有屏蔽效能，一般屏蔽效能可達(dá)80 dB 以上，屏蔽機(jī)箱的屏蔽效能可達(dá)60 dB 以上，但是在應(yīng)用時(shí)因電纜處理不當(dāng)，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電磁干擾問題，使屏蔽效能降低，電纜成為高效的電磁波接收天線和輻射天線，是電磁兼容性問題的主要因素。為此，很有必要對礦用礦用通訊電纜的輻射問題，電磁場對通訊電纜的干擾問題、線路之間的信號串?dāng)_問題和礦用通訊電纜的分布參數(shù)對電磁兼容性的影響等進(jìn)行詳細(xì)分析研究[6]，提出解決的辦法。

1 礦用通訊電纜的電磁兼容性

1.1 礦用通訊電纜的電磁輻射

電纜輻射是設(shè)備遇到的最普遍的一種電磁干擾問題，產(chǎn)生電纜輻射有2 種情況：分別是差模輻射和共模輻射，電纜中信號電流回路產(chǎn)生差模輻射，電纜中導(dǎo)線上共模電流產(chǎn)生共模輻射。電纜的電磁輻射示意圖如圖1。

電纜輻射中差模輻射僅占一少部分，大部分是共模輻射。電纜中導(dǎo)線上共模電流產(chǎn)生共模輻射，而共模電流的產(chǎn)生主要有3 個(gè)原因：①差模電流轉(zhuǎn)換成共模電流、電路板的地線噪聲導(dǎo)致的共模電流和機(jī)箱內(nèi)電磁波空間感應(yīng)導(dǎo)致的共模電流; ②在一些頻率較高的場合中，當(dāng)連接2 個(gè)設(shè)備的電纜中包含了信號回線，從信號回線流回信號源的信號電流是不能夠完全流回信號源的，這時(shí)從地回路流回的電流就構(gòu)成了共模電流, 這種情況下的共模電流相對來說是很小的，但是它的輻射環(huán)路面積大，所以這部分輻射強(qiáng)度是不可以忽略的; ③當(dāng)信號地與導(dǎo)線所連接的時(shí)候，導(dǎo)線就起到了輻射天線的作用，會增加電路板的輻射，這就是地噪聲形成的原因,當(dāng)電流流過地線時(shí)，勢必會在地線上的2 點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓，根據(jù)地線的阻抗來確定電壓的大小,共模電壓是電纜與大地之間的電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動下，共?；芈罚ㄍǔＪ怯煞植茧娙輼?gòu)成的）中就產(chǎn)生了共模電流。

煤礦井下設(shè)備大多數(shù)都是有外殼的，在殼內(nèi)部分布了電磁波，殼內(nèi)的電路板、連接的電纜都是產(chǎn)生電磁輻射的源頭，一些I/O 電纜上會通過這些電磁波來感應(yīng)出共模電壓。在一些高頻電磁場的電路中，在電纜端口附近，電路與電纜之間會有電容性耦合和電感性互感，就會產(chǎn)生共模電壓，從而形成共模電流。

1.2 電磁場對電纜的影響

電磁波由2 部分組成，分別是近場和遠(yuǎn)場，近場屬于感應(yīng)場，遠(yuǎn)場屬于輻射場，近場不對外輻射能量，遠(yuǎn)場對外輻射能量。近場一般發(fā)生在低頻范圍內(nèi)，遠(yuǎn)場一般發(fā)生在頻率增大的時(shí)候。

電磁場會對電纜造成差模干擾和共模干擾。差模干擾體現(xiàn)在信號回路中直接產(chǎn)生的電壓和電流噪聲；而共模干擾是在電纜與大地之間產(chǎn)生的電壓噪聲。很多時(shí)候設(shè)備的干擾問題都是由于外拖電纜引起的，因?yàn)樵O(shè)備上的電纜如同天線一樣可以接收外界電磁場。信號回路中的差模電壓和電流噪聲在電路干擾中占主要原因，電磁場直接產(chǎn)生的差模成分是很少的，差模電壓的主要來源為電纜上的共模電流轉(zhuǎn)換成差模電壓導(dǎo)致的。所以，要削弱干擾有2種途徑：一種是減小共模電流:另一種是防止共模電流向差模電壓轉(zhuǎn)換。

1.3 通訊電纜及其端口電磁兼容處理

通過分析電纜的電磁輻射和電磁場對電纜的影響這2 個(gè)方面，發(fā)現(xiàn)提高電纜及其端口的抗干擾能力在電磁兼容性問題上會有明顯的改善。低頻傳輸時(shí)，可以采用雙絞線傳輸?shù)姆绞綔p少電流的差模輻射（減少回路面積），同時(shí)電纜端口處有共模電壓存在，電纜又是干擾傳導(dǎo)的通道，在共模電壓的作用下，就產(chǎn)生了共模輻射?？梢酝ㄟ^縮短電纜長度，減小高頻共模電流強(qiáng)度，來減小電纜的輻射。但是由于煤礦井下特殊的工作環(huán)境，電纜的長度往往是不能隨意改變的，又因?yàn)橐痣娎|抗擾度弱的主要原因是高頻共模電流的輻射效率很高，比較合適的處理手段是通過減少高頻共模電流的幅度來實(shí)現(xiàn)控制電纜共模輻射。一般情況是在電纜端口處會安裝濾波器，但是經(jīng)過這種方法處理后的濾波電纜信號線在機(jī)箱內(nèi)很容易被機(jī)箱內(nèi)部的電磁波感應(yīng)到同時(shí)濾波前的干擾信號也很容易在電纜端口上通過寄生電容直接耦合，會再次產(chǎn)生新的共模電流，造成新的電纜輻射。所以說減小高頻共模電流的方法可以通過在電纜的端口處使用抑制電路或設(shè)計(jì)合理的接口電路；但是最為有效的方法是在電纜的端口處加裝低通濾波器，解決高頻共模電流，同時(shí)也減小了濾波后暴露在機(jī)箱內(nèi)導(dǎo)線的長度。經(jīng)試驗(yàn)表明，在輻射發(fā)射測試中，采用屏蔽機(jī)箱時(shí)，輻射的主要來源是電纜線，分別通過普通的連接器和濾波連接器進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用濾波連接器的方式可以降低10～30 dB 的輻射發(fā)射強(qiáng)度。

建議煤礦井下多使用濾波連接器，首先，使用濾波連接器可以降低成本，因?yàn)槭褂昧藶V波連接器進(jìn)而避免了使用高質(zhì)量高價(jià)位的屏蔽電纜，從而降低了生產(chǎn)成本。其次，因?yàn)闉V波連接器的每1 個(gè)插針都含有1 個(gè)低通濾波器，可濾除掉每一個(gè)插針上的共模電流，可以很大程度上徹底消除電纜的輻射，并且濾波連接器的尺寸與外形都與普通連接器同符合契，在礦用電纜進(jìn)入機(jī)箱的端口處，安裝濾波連接器，可以很好的濾除掉礦用線纜上的干擾信號，同時(shí)干擾信號也不會再一次的感應(yīng)到濾波之后的線纜上。最后，屏蔽電纜抑制電纜輻射的效果沒有濾波連接器的效果穩(wěn)定。因?yàn)槊旱V井下特殊的工作環(huán)境，礦用通訊電纜安裝較長時(shí)間或者對電纜頻繁的拆裝都會導(dǎo)致連接處的氧化，使得端接阻抗增大，屏蔽效能的降低。而且屏蔽電纜主要是抑制干擾信號通過電纜輻射出來，但是實(shí)際上干擾信號還是存在于電纜之中，并沒有真正消除，解決電纜電磁兼容問題的關(guān)鍵是屏蔽層合理的接地。通過分析，濾波連接器能夠完全取代普通連接器[7]。

2 電纜之間的串?dāng)_

2.1 電纜串?dāng)_機(jī)理

在煤礦井下布線時(shí)，有時(shí)會采用成束的方式進(jìn)行布線，把相鄰的電纜通過扎帶捆在一起，這樣,不同的電纜之間形成了耦合干擾，也就是所謂的串?dāng)_。如果相鄰2 根導(dǎo)線靠得比較近，其中1 根在傳輸信號時(shí)會將能量感應(yīng)到另1 根導(dǎo)線上，并通過電磁耦合的方式對另1 根導(dǎo)線上的信號產(chǎn)生不期望的干擾，那么這2 根導(dǎo)線之間就發(fā)生了串?dāng)_現(xiàn)象[8]。

因?yàn)榉植茧娙莺突ジ惺谴嬖谟? 根導(dǎo)線之間的，從而導(dǎo)致電纜產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象，同時(shí)一定量的耦合電壓和耦合電流也會施加到受擾導(dǎo)線。因?yàn)閷?dǎo)線和地之間的電容構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，并且有效的減弱了串?dāng)_的影響，所以可以忽略不計(jì)2 根導(dǎo)線對地的電容影響。

被擾導(dǎo)線靠近施擾導(dǎo)線信號源端的時(shí)候，電容耦合與電感耦合2 部分相疊加，耦合電壓增加；當(dāng)被擾導(dǎo)線靠近施擾導(dǎo)線負(fù)載端的時(shí)候，電容耦合與電感耦合2 部分相減，耦合電壓較小。當(dāng)脈沖信號在施擾導(dǎo)線上傳輸時(shí)，耦合電壓僅在脈沖的上升沿或下降沿處出現(xiàn)，可以以此作為標(biāo)準(zhǔn)來分析噪聲信號的源頭來自哪路脈沖信號[9]。

2.2 電容性耦合和電感性耦合的干擾

電容性耦合是可以看作是發(fā)射導(dǎo)線通過兩導(dǎo)線間的互電容將能量耦合到接收導(dǎo)線上，兩線路之間的互阻抗耦合，互阻抗是兩導(dǎo)線間的互電容。電容性耦合模型和等效電路如圖2。

圖2 電容性耦合模型和等效電路Fig.2 Capacitive coupling model and equivalent circuit

根據(jù)等效電路圖，干擾電壓U2為：

式中：U2為干擾電壓；C2為互電容；R1為干擾線路對地電阻；C3為干擾線路對地電容；U1為施擾電壓。

當(dāng)導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化時(shí)周圍的磁場將發(fā)生變化。此時(shí)，若有其他的導(dǎo)線在這個(gè)變化的磁場中，則該導(dǎo)線上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。于是，1 根導(dǎo)線上的信號就耦合進(jìn)了另1 根導(dǎo)線，這就是電感性耦合。主要是低電壓、大電流干擾源產(chǎn)生電感性耦合干擾。電感性耦合模型和等效電路如圖3。

根據(jù)等效電路圖，干擾電壓U3為：

式中:U3為干擾電壓；M1為互電感；R3為干擾線路對地電阻；U1為施擾電壓；R1為施擾線路對地電阻；L1為施擾線路電感；R2為干擾線路對地電阻；L2為干擾線路電感。

圖3 電感性耦合模型和等效電路Fig.3 Inductive coupling model and equivalent circuit

從電容性耦合模型、電感性耦合模型可知，兩線路之間的耦合量與電路阻抗、干擾信號頻率、互電感以及互電容等因素有關(guān)，而互電感、互電容與導(dǎo)線離地高度、間距、屏蔽層接地方式以及有效耦合長度有關(guān)。顯而易見，降低導(dǎo)線間電磁耦合可增大線路間路、屏蔽接地等等，其中增大線路間距最為有效。

2.3 電容性耦合和電感性耦合同時(shí)存在的干擾

上述耦合模型以及其耦合電壓的表達(dá)式都是假定電場耦合、磁場耦合單獨(dú)存在的情形，但在實(shí)際中，電容性耦合和電感性耦合同時(shí)存在。由模型分析結(jié)果可知，在導(dǎo)線的每一端，由這2 個(gè)干擾源相加得到總干擾，磁場耦合電壓串聯(lián)于接電路中，電場耦合電壓并聯(lián)在接收電路中。在近端負(fù)載以及遠(yuǎn)端負(fù)載上，磁場耦合產(chǎn)生的電流方向相反電場耦合產(chǎn)生的電流方向一致。對于遠(yuǎn)端負(fù)載，電場耦合電壓減去磁場耦合電壓就是串?dāng)_耦合電壓；對于近端負(fù)載，電場耦合電壓與磁場耦合電壓的疊加就是串?dāng)_耦合電壓。在頻率較低時(shí)，串?dāng)_耦合電壓由電容性耦合以及電感性耦合2 部分組成。遠(yuǎn)端串?dāng)_耦合是2 種耦合的相減，近端串?dāng)_電壓則是2 種耦合的疊加，所以，遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓小于近端串?dāng)_電壓。

2.4 電容性耦合解決措施

通過對電纜串?dāng)_機(jī)理的分析，合理控制電容耦合與互感耦合（減少磁通量），可以有效減少電纜串?dāng)_的影響。

通過采用低輸入阻抗的電路，可以降低被擾電路的輸入阻抗，減少串?dāng)_電壓。

屏蔽電纜的屏蔽層需要和參考地電位低阻抗相連，并且屏蔽電纜兩端裸露出來的導(dǎo)線必須保證越短越好。

當(dāng)干擾信號導(dǎo)線采用單點(diǎn)接地時(shí)，低頻情況下，被擾導(dǎo)線的屏蔽層也需要采用單點(diǎn)接地，來抑制施擾信號的干擾。

當(dāng)被擾導(dǎo)線的長度超過干擾信號波長的1/20或頻率較高時(shí)，屏蔽電纜的屏蔽層采用多點(diǎn)接地方式，比較常用的接地方式為2 點(diǎn)接地，而且接地間隔要小于干擾信號波長的1/20。

兩導(dǎo)體間距離的增加，單位長度寄生電容減小，可抑制電容性耦合騷擾電壓；電纜距離地面高度增加，導(dǎo)線對地的電容減小，敏感電路電纜盡可能靠近巷道壁敷設(shè)。

2.5 電感性耦合解決方法

對于互感耦合，單純將屏蔽層接地不起作用，必須將屏蔽層雙端接地，屏蔽層雙端接地使被擾導(dǎo)線的屏蔽層與地構(gòu)成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而生成與原磁場方向相反的新磁場，可以減弱互感耦合。

根據(jù)磁場隨距離的增加而衰減，適當(dāng)?shù)脑黾颖粩_導(dǎo)線和施擾導(dǎo)線之間的距離或調(diào)整2 個(gè)回路之間的相對角度，可以有效地減小互感；條件允許的情況下，適度的減小施擾電路的電流和施擾電路的回路面積；被擾電路的信號線與信號地線盡量靠近。

3 電纜的分布參數(shù)對電磁兼容的影響

3.1 分布參數(shù)的概念

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，電纜在煤礦井下信息的傳輸中扮演著重要的角色。通過研究電路基礎(chǔ)知道無源網(wǎng)絡(luò)是由電阻、電容和電感組成的集中參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其中電容器和電感器分別占電場能量和磁場能量的絕大部分比重，并且電阻還把消耗的電磁能轉(zhuǎn)化成熱能。但是，通訊線纜卻不盡相同，傳輸線纜的每一部分都是存在電場和磁場的，而且可以發(fā)生能量的轉(zhuǎn)變，比如說電磁能向熱能的轉(zhuǎn)換。通過分析可以知道，電纜上是存在電阻、分布電容、分布電感和絕緣電導(dǎo)等參數(shù)的，而且在電纜的電磁兼容特性中，產(chǎn)品能否通過電磁兼容測試都會受這些因素的影響，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為:對直徑2 mm 以下的導(dǎo)線，其分布電容和電感分別是1 pF/inch 和1 nH/mm。

由相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：弱電電纜在巷道同一側(cè)布置時(shí)，電纜間距離增大，互電容減小較快，間距為5 cm 時(shí), 電容為9.77 pF；間距為10 cm 時(shí), 電容為7.85 pF；間距為50 cm 時(shí)，電容為5.40 pF。但隨著距離的進(jìn)一步增大，電纜間互電容變化變緩慢，當(dāng)電纜懸掛在巷道的兩側(cè)時(shí)，即電纜間距離在400 cm 左右時(shí)，電容約為3.85 pF。信號電纜隨距離地面高度增加，電纜對地電容減小，在開始10 cm 范圍內(nèi)，電纜對地電容減小較快，當(dāng)高度增大到一定程度后，電纜對地電容變化變緩。

《煤礦安全規(guī)程》第四百六十五條規(guī)定：“井筒和巷道內(nèi)的通信和信號電纜應(yīng)與電力電纜分掛在井巷的兩側(cè)，如果條件受限，在井筒內(nèi)，應(yīng)敷設(shè)在距電力電纜0.3 m 以外的地方，在巷道內(nèi)，應(yīng)敷設(shè)在距電力電纜上方0.1 m 以上的地方；高、低壓電力電纜敷設(shè)在巷道同一側(cè)時(shí)，高、低電壓電纜之間的距離應(yīng)大于0.1 m；高壓電纜之間、低壓電纜之間的距離不得小于50 mm[10]?！?/p>

3.2 電纜傳輸不同信號的電磁兼容解決措施

對電纜合理的進(jìn)行分類，也可以起到對電纜電磁干擾的抑制作用。根據(jù)電纜對信號傳輸?shù)姆绞?，一般對低壓電纜分為4 類：低電平模擬信號電纜或高速數(shù)字通信信號電纜、低速數(shù)字通信線纜或模擬信號電纜、直流電源線或控制信號電纜和傳輸強(qiáng)干擾信號的電纜。

第1 類電纜的傳輸信號特點(diǎn)為傳輸信號極其敏感，一般為放大器前端的毫伏級的電壓信號或網(wǎng)線，電纜應(yīng)該采用屏蔽的措施，條件允許可以采用屏蔽雙絞線電纜；第2 類電纜的傳輸信號特點(diǎn)為傳輸信號敏感，如煤礦井下常見的一般儀器儀表的信號、RS485 和RS422 等通信網(wǎng)絡(luò)；第3 類電纜的傳輸信號特點(diǎn)為能夠傳輸弱干擾信號的電纜，通常在使用此類電纜的同時(shí)只需采取合適的濾波措施，就能很好的抑制相關(guān)干擾；第4 類電纜的傳輸信號特點(diǎn)為能夠傳輸強(qiáng)干擾信號的電纜，如電動機(jī)、利用射頻發(fā)射技術(shù)的一些設(shè)備、變頻器等可以產(chǎn)生強(qiáng)干擾信號的設(shè)備所用的電纜，這些電纜都是沒有經(jīng)過相關(guān)濾波、屏蔽等干擾抑制措施的。

針對電纜存在的一些分布參數(shù)，不同類型的電纜在布線和安裝的時(shí)候，線與線之間應(yīng)當(dāng)保持一定的距離，不能交叉重疊，特殊情況下可以采用直角交叉走線；由于煤礦井下特殊環(huán)境因素的制約和影響，在布線的時(shí)候應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理布線，盡量避開開關(guān)設(shè)備與動力設(shè)備所在位置，而且在煤礦井下布置電纜時(shí)，應(yīng)以實(shí)際出發(fā)，控制線與線之間的間距，以避免干擾為前提的情況下走線，不同類型的電纜之間的間距也是不一樣的，需要注意得是，當(dāng)煤礦井下平行的電纜走線長度增加時(shí)，需要適當(dāng)?shù)脑黾泳€與線之間的距離；另外，形成電纜束的電纜一定是同類電纜，在其附近設(shè)置一條參考地電位，可以有效提高抗干擾能力，抑制輻射干擾。不同類型電纜之間的最小間距如圖4。

4 結(jié) 語

圖4 不同類型電纜之間的最小間距Fig.4 Minimum distance between different types of cables

對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)礦用通訊電纜的電磁輻射，礦用通訊電纜端口干擾，電磁場對電纜的干擾，煤礦井下相鄰電纜之間電容性耦合、電感性耦合的信號串?dāng)_以及礦用通訊電纜的分布參數(shù)對電磁兼容的影響等進(jìn)行了分析研究。通過采取有效的措施可對輻射干擾、差模干擾、共模干擾和電纜分布參數(shù)幾方面進(jìn)行合理控制，對煤礦井下系統(tǒng)中的傳輸線路和接地系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)可改善了因電纜所產(chǎn)生的電磁干擾影響，很好地提高了煤礦井下工作環(huán)境的安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。