淺析礦用電纜的電磁干擾分析

全勝

摘要：礦用電纜對(duì)電磁干擾性能有著較高的要求，其不僅影響著井下安全生產(chǎn)，而且影響著礦井的正常供電。電纜作為電子系統(tǒng)間的信息傳輸和供電傳輸載體，可以連接電力系統(tǒng)各個(gè)分工不同的部件，通過(guò)規(guī)劃線路在系統(tǒng)內(nèi)部讓大量電纜有序布局。本文介紹了減小干擾的幾種辦法，并在此基礎(chǔ)上，分析了濾波防護(hù)措施，以期有效降低電磁干擾。

關(guān)鍵詞：屏蔽電纜;電磁干擾;濾波防護(hù)

一、減小電纜電磁干擾的常用方法

電纜是連接電子設(shè)備不同功能元器件的主要部件，通過(guò)電纜連接，可以實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)、信息電流的傳輸與流通。但是，當(dāng)電纜受到電流或電壓干擾時(shí)，必定會(huì)對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)作產(chǎn)生不利影響。

1、減小差模干擾

差模干擾指的是干擾電壓存在于信號(hào)線及其回線（一般稱為信號(hào)地線）之間，干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)。導(dǎo)致電纜出現(xiàn)差模干擾電流的因素很多，其主要原因在于電路或元器件運(yùn)作時(shí)，產(chǎn)生噪聲電流直接向電纜傳輸，通過(guò)傳導(dǎo)作用到其他設(shè)備，進(jìn)而受到很大影響。這些雜波電流的出現(xiàn)，極易影響設(shè)備運(yùn)行效果，因此，需采取一定措施予以消除。其一，通過(guò)改變電路結(jié)構(gòu)，或者采用高電磁兼容性器件從源頭上避免噪聲出現(xiàn)，達(dá)到有效抑制的作用;其二，通過(guò)濾波消除方式，阻止干擾電流傳導(dǎo)到其他電路、設(shè)備。

2、減小共模干擾

共模干擾指的是干擾電壓在信號(hào)線及其回線（一般稱為信號(hào)地線）上的幅度相同，這里的電壓以附近任何一個(gè)物體（大地、金屬機(jī)箱、參考地線板等）為參考電位，干擾電流回路則是在導(dǎo)線與參考物體構(gòu)成的回路中流動(dòng)。通常來(lái)講，電纜上出現(xiàn)共模電流的原因主要在于3點(diǎn)，第一，外界電磁場(chǎng)在電纜中所有導(dǎo)線上感應(yīng)出來(lái)的電壓（這個(gè)電壓相對(duì)于大地是等幅同相的），這個(gè)電壓產(chǎn)生電流;第二，電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同，在這個(gè)地電位的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流;第三，設(shè)備上的電纜與大地之間的電位差，這樣電纜上會(huì)有共模電流。一旦設(shè)備在其電纜上出現(xiàn)共模電流，將會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的電磁輻射，進(jìn)而對(duì)電子設(shè)備造成電磁干擾，不利于產(chǎn)品性能指標(biāo)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。除此之外，若電路不平衡的情況下，共模電流將會(huì)向差模電流轉(zhuǎn)化，這種情況下，差模電流同樣會(huì)干擾電路。對(duì)于電子設(shè)備電路中的信號(hào)線及其回路來(lái)講，差模電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，必定會(huì)引起差模輻射，這種環(huán)路基本等同于小環(huán)天線，能向空間輻射磁場(chǎng)，或接收磁場(chǎng)。為此，應(yīng)對(duì)環(huán)路大小、面積進(jìn)行限制。

二、濾波防護(hù)措施

作為有效降低電磁干擾的方式，濾波防護(hù)可以有效抗干擾能力。電纜耦合的電磁干擾沿線傳導(dǎo)，抑制這種傳導(dǎo)干擾的方式即被稱為濾波。相比工作頻率，干擾源發(fā)出的電磁頻譜較寬，通過(guò)濾波器，可以有效控制端接的電子系統(tǒng)輸入帶寬，對(duì)帶外頻譜能量進(jìn)入電子系統(tǒng)起到良好的抑制效果，進(jìn)而有效提升電子系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

1、濾波防護(hù)設(shè)計(jì)

（1）對(duì)電源線濾波防護(hù)

電源線的主要特點(diǎn)是將能量源源不斷地輸送給設(shè)備，一般為低頻能量，比如直流電源和50Hz交流電。因此，將濾波防護(hù)用于電源線上，需要考慮濾波器的運(yùn)行額定電流。通過(guò)大量分析可知，能夠與屏蔽電纜發(fā)生電磁耦合作用的電磁脈沖頻率相對(duì)于電源線上的工作頻率略高，在濾波器設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，一般采用低通濾波器。除此之外，還要將非線性器件加設(shè)至濾波電路當(dāng)中，比如壓敏電阻等，從而有效提升濾波器對(duì)脈沖的防護(hù)能力。

（2）對(duì)信號(hào)線濾波防護(hù)

信號(hào)線的主要特點(diǎn)是承受能量小，根據(jù)不同信號(hào)其工作頻率從低到高都有不同分布。因此在信號(hào)線上使用濾波防護(hù)時(shí)，需要考慮濾波器對(duì)工作頻率的信號(hào)影響，因此設(shè)計(jì)濾波器的阻帶應(yīng)避開信號(hào)線上的工作頻率。根據(jù)工作頻率與干擾頻率的相對(duì)大小，設(shè)計(jì)相應(yīng)的高通濾波器、低通濾波器甚至帶通濾波器。同樣，可在濾波電路中加入瞬態(tài)抑制二極管（TVS）等限幅器件，進(jìn)一步限制輸出電壓以保護(hù)內(nèi)部電路。

2、濾波防護(hù)分析

（1）架空單導(dǎo)線。第一步，計(jì)算電纜不接濾波器時(shí)，在電纜終端負(fù)載Z1上強(qiáng)電磁脈沖的電壓響應(yīng)情況。設(shè)1m電纜長(zhǎng)度L，半徑r為1.52mm，3cm為電纜架設(shè)高度，端接Z1、Z2的50Ω負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)核電磁脈沖為入射波，垂直照射電纜。第二步，將π型低通濾波器接在電纜上，2MHz為濾波器的截止頻率。第三步，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，可獲取截止頻率為2MHz的π型低通濾波器的S參數(shù)，進(jìn)而獲取π型濾波防護(hù)下的時(shí)域響應(yīng)電壓和頻譜分布情況，最終得出，僅有0～2MHz的干擾信號(hào)通過(guò)了濾波器，其他頻率成分均被濾除。

（2）架空屏蔽電纜。第一步，計(jì)算電纜不接濾波器時(shí)，在電纜終端負(fù)載上強(qiáng)電磁脈沖的電壓響應(yīng)情況。同樣設(shè)1m電纜長(zhǎng)度L，半徑r為1.52mm，3cm為電纜架設(shè)高度，屏蔽層端接0.10Ω負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)核電磁脈沖為入射波，垂直照射電纜。由于本次測(cè)試采用的是RG-58 112編電纜作為屏蔽電纜，因此，分為內(nèi)外傳輸線系統(tǒng)，其中外傳輸線系統(tǒng)的分布參數(shù)為L(zhǎng)=0.735μH/m、C=15.135pF/m。內(nèi)傳輸線系統(tǒng)的分布參數(shù)為L(zhǎng)in=0.245μH/m、Cin=83.78pF/m。通過(guò)計(jì)算的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納相關(guān)參數(shù)則主要如下：Zd=14.5mΩ/m、Lt=0.28nH/m、Ct=0.039pF/m。第二步：通過(guò)對(duì)比架空單導(dǎo)線無(wú)濾波防護(hù)下時(shí)域響應(yīng)中負(fù)載Z1電壓和架空屏蔽電纜無(wú)濾波防護(hù)下時(shí)域響應(yīng)中負(fù)載Z3電壓，響應(yīng)規(guī)律趨勢(shì)基本相同，但是峰值相差了3000倍左右，由此表明，在屏蔽層防護(hù)當(dāng)中屏蔽電纜具有顯著的效果，但并非絕對(duì)的。第三步：在無(wú)濾波器情況下，通過(guò)分析可知，0～200MHz為屏蔽電纜端接負(fù)載電壓響應(yīng)的頻譜分布范圍，同樣使用2MHz截止頻率的π型濾波器進(jìn)行仿真分析?？梢钥闯觯?fù)載Z3上的電壓響應(yīng)時(shí)域波形、頻譜幅值在經(jīng)過(guò)π型濾波器濾波之后，均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，通過(guò)濾波器的僅有0～2MHz干擾信號(hào)，其他頻率成分則被濾除。由無(wú)濾波防護(hù)下的頻譜分布情況可知，200MHz頻率以下的幅值相對(duì)較高，當(dāng)此屏蔽電纜用于傳輸200MHz以上信號(hào)頻率傳輸時(shí)，應(yīng)采用高通濾波器設(shè)計(jì)，即200MHz為截止頻率的濾波器，通過(guò)π型高通濾波器進(jìn)行防護(hù)分析。通過(guò)分析通過(guò)π型高通濾波器濾波之后的負(fù)載Z3上的電壓響應(yīng)時(shí)域波形和頻譜可知，200MHz以下的干擾信號(hào)都得到了有效抑制，僅保留了200MHz以上的頻率成分。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電纜多處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，為了減少電纜的受擾程度，往往采用具有屏蔽設(shè)計(jì)的電纜。在實(shí)際應(yīng)用中，由于屏蔽電纜的屏蔽效果并非完全理想，很多時(shí)候由于成本等因素，往往會(huì)適當(dāng)降低電纜屏蔽的效果。同時(shí)，由于單純的屏蔽手段很難完全消除電磁干擾的影響和電磁耦合的威脅，因此，本文提出了濾波防護(hù)方案，希望通過(guò)多種防護(hù)方式的組合應(yīng)用，進(jìn)一步降低電磁耦合的干擾影響。

參考文獻(xiàn)

[1]吉蘭.長(zhǎng)距離交流控制電纜電容電流電氣故障分析及處理[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，2016（5）：72-74.

河南沈纜電纜有限責(zé)任公司，河南平頂山?467000