煤礦監控系統通訊電纜電磁兼容性技術

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.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州213015；3.陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉045000）

目前的煤礦監控系統主要采用礦用通訊電纜作為煤礦井下監控信號的傳輸媒介，礦用通訊電纜是煤礦監控系統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量，并且礦用通訊電纜的費用投資在整個系統的費用中占有較大的比重[2]，同時礦用通訊電纜也是導致電磁兼容問題的主要因素[3]。

2016 年12 月29 日，國家煤礦安全監察局印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》的通知，通知要求“提升系統性能指標，分站的最大遠程供電距離（在設計工況條件下）實現分級管理；增加抗電磁干擾能力”。通知明確規定“煤礦安全監控系統必須采用抗干擾技術設計，通過地面設備3 級靜電抗擾度試驗，評價等級為A；2 級電磁輻射抗度試驗，評價等級為A；2 級脈沖群抗度試驗，評價等級為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，評價等級為B[4]?！弊鳛槊旱V監控系統配套的各類傳感器、斷電報警器、井下防爆以太網交換機、井下工作站及配套電源等單個設備雖能順利通過上述試驗，但經過礦用通訊電纜連接起來以后，輻射干擾就存在，整個系統就不再合格；將設備上的外托電纜取下來，單個設備又可以順利地通過試驗。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80 dB 以上，屏蔽機箱的屏蔽效能可達60 dB 以上，但是在應用時因電纜處理不當，會產生較為嚴重的電磁干擾問題，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、線路之間的信號串擾問題和礦用通訊電纜的分布參數對電磁兼容性的影響等進行詳細分析研究[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

電纜輻射是設備遇到的最普遍的一種電磁干擾問題，產生電纜輻射有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生差模輻射，電纜中導線上共模電流產生共模輻射。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。電纜中導線上共模電流產生共模輻射，而共模電流的產生主要有3 個原因：①差模電流轉換成共模電流、電路板的地線噪聲導致的共模電流和機箱內電磁波空間感應導致的共模電流; ②在一些頻率較高的場合中，當連接2 個設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，這時從地回路流回的電流就構成了共模電流, 這種情況下的共模電流相對來說是很小的，但是它的輻射環路面積大，所以這部分輻射強度是不可以忽略的; ③當信號地與導線所連接的時候，導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,當電流流過地線時，勢必會在地線上的2 點之間產生電壓，根據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，在這個電壓的驅動下，共?；芈罚ㄍǔＪ怯煞植茧娙輼嫵傻模┲芯彤a生了共模電流。

煤礦井下設備大多數都是有外殼的，在殼內部分布了電磁波，殼內的電路板、連接的電纜都是產生電磁輻射的源頭，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，分別是近場和遠場，近場屬于感應場，遠場屬于輻射場，近場不對外輻射能量，遠場對外輻射能量。近場一般發生在低頻范圍內，遠場一般發生在頻率增大的時候。

電磁場會對電纜造成差模干擾和共模干擾。差模干擾體現在信號回路中直接產生的電壓和電流噪聲；而共模干擾是在電纜與大地之間產生的電壓噪聲。很多時候設備的干擾問題都是由于外拖電纜引起的，因為設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換成差模電壓導致的。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 個方面，發現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，可以采用雙絞線傳輸的方式減少電流的差模輻射（減少回路面積），同時電纜端口處有共模電壓存在，電纜又是干擾傳導的通道，在共模電壓的作用下，就產生了共模輻射?？梢酝ㄟ^縮短電纜長度，減小高頻共模電流強度，來減小電纜的輻射。但是由于煤礦井下特殊的工作環境，電纜的長度往往是不能隨意改變的，又因為引起電纜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現控制電纜共模輻射。一般情況是在電纜端口處會安裝濾波器，但是經過這種方法處理后的濾波電纜信號線在機箱內很容易被機箱內部的電磁波感應到同時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計合理的接口電路；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，同時也減小了濾波后暴露在機箱內導線的長度。經試驗表明，在輻射發射測試中，采用屏蔽機箱時，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行研究，結果發現采用濾波連接器的方式可以降低10～30 dB 的輻射發射強度。

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，因為使用了濾波連接器進而避免了使用高質量高價位的屏蔽電纜，從而降低了生產成本。其次，因為濾波連接器的每1 個插針都含有1 個低通濾波器，可濾除掉每一個插針上的共模電流，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，在礦用電纜進入機箱的端口處，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，同時干擾信號也不會再一次的感應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定。因為煤礦井下特殊的工作環境，礦用通訊電纜安裝較長時間或者對電纜頻繁的拆裝都會導致連接處的氧化，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 電纜之間的串擾

2.1 電纜串擾機理

在煤礦井下布線時，有時會采用成束的方式進行布線，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，也就是所謂的串擾。如果相鄰2 根導線靠得比較近，其中1 根在傳輸信號時會將能量感應到另1 根導線上，并通過電磁耦合的方式對另1 根導線上的信號產生不期望的干擾，那么這2 根導線之間就發生了串擾現象[8]。

因為分布電容和互感是存在于2 根導線之間的，從而導致電纜產生串擾現象，同時一定量的耦合電壓和耦合電流也會施加到受擾導線。因為導線和地之間的電容構成了一個低通濾波器，并且有效的減弱了串擾的影響，所以可以忽略不計2 根導線對地的電容影響。

被擾導線靠近施擾導線信號源端的時候，電容耦合與電感耦合2 部分相疊加，耦合電壓增加；當被擾導線靠近施擾導線負載端的時候，電容耦合與電感耦合2 部分相減，耦合電壓較小。當脈沖信號在施擾導線上傳輸時，耦合電壓僅在脈沖的上升沿或下降沿處出現，可以以此作為標準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射導線通過兩導線間的互電容將能量耦合到接收導線上，兩線路之間的互阻抗耦合，互阻抗是兩導線間的互電容。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。

當導線上的電流發生變化時周圍的磁場將發生變化。此時，若有其他的導線在這個變化的磁場中，則該導線上會產生感應電動勢。于是，1 根導線上的信號就耦合進了另1 根導線，這就是電感性耦合。主要是低電壓、大電流干擾源產生電感性耦合干擾。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，而互電感、互電容與導線離地高度、間距、屏蔽層接地方式以及有效耦合長度有關。顯而易見，降低導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存在的干擾

上述耦合模型以及其耦合電壓的表達式都是假定電場耦合、磁場耦合單獨存在的情形，但在實際中，電容性耦合和電感性耦合同時存在。由模型分析結果可知，在導線的每一端，由這2 個干擾源相加得到總干擾，磁場耦合電壓串聯于接電路中，電場耦合電壓并聯在接收電路中。在近端負載以及遠端負載上，磁場耦合產生的電流方向相反電場耦合產生的電流方向一致。對于遠端負載，電場耦合電壓減去磁場耦合電壓就是串擾耦合電壓；對于近端負載，電場耦合電壓與磁場耦合電壓的疊加就是串擾耦合電壓。在頻率較低時，串擾耦合電壓由電容性耦合以及電感性耦合2 部分組成。遠端串擾耦合是2 種耦合的相減，近端串擾電壓則是2 種耦合的疊加，所以，遠端串擾電壓小于近端串擾電壓。

2.4 電容性耦合解決措施

通過對電纜串擾機理的分析，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擾的影響。

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，減少串擾電壓。

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線必須保證越短越好。

當干擾信號導線采用單點接地時，低頻情況下，被擾導線的屏蔽層也需要采用單點接地，來抑制施擾信號的干擾。

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

兩導體間距離的增加，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，導線對地的電容減小，敏感電路電纜盡可能靠近巷道壁敷設。

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線的屏蔽層與地構成的回路產生感應電流，從而生成與原磁場方向相反的新磁場，可以減弱互感耦合。

根據磁場隨距離的增加而衰減，適當的增加被擾導線和施擾導線之間的距離或調整2 個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 電纜的分布參數對電磁兼容的影響

3.1 分布參數的概念

在煤礦安全監控系統中，電纜在煤礦井下信息的傳輸中扮演著重要的角色。通過研究電路基礎知道無源網絡是由電阻、電容和電感組成的集中參數網絡，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，而且可以發生能量的轉變，比如說電磁能向熱能的轉換。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等參數的，而且在電纜的電磁兼容特性中，產品能否通過電磁兼容測試都會受這些因素的影響，經驗數據為:對直徑2 mm 以下的導線，其分布電容和電感分別是1 pF/inch 和1 nH/mm。

由相關試驗數據可知：弱電電纜在巷道同一側布置時，電纜間距離增大，互電容減小較快，間距為5 cm 時, 電容為9.77 pF；間距為10 cm 時, 電容為7.85 pF；間距為50 cm 時，電容為5.40 pF。但隨著距離的進一步增大，電纜間互電容變化變緩慢，當電纜懸掛在巷道的兩側時，即電纜間距離在400 cm 左右時，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，電纜對地電容減小較快，當高度增大到一定程度后，電纜對地電容變化變緩。

《煤礦安全規程》第四百六十五條規定：“井筒和巷道內的通信和信號電纜應與電力電纜分掛在井巷的兩側，如果條件受限，在井筒內，應敷設在距電力電纜0.3 m 以外的地方，在巷道內，應敷設在距電力電纜上方0.1 m 以上的地方；高、低壓電力電纜敷設在巷道同一側時，高、低電壓電纜之間的距離應大于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

對電纜合理的進行分類，也可以起到對電纜電磁干擾的抑制作用。根據電纜對信號傳輸的方式，一般對低壓電纜分為4 類：低電平模擬信號電纜或高速數字通信信號電纜、低速數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干擾信號的電纜。

第1 類電纜的傳輸信號特點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線，電纜應該采用屏蔽的措施，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 等通信網絡；第3 類電纜的傳輸信號特點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只需采取合適的濾波措施，就能很好的抑制相關干擾；第4 類電纜的傳輸信號特點為能夠傳輸強干擾信號的電纜，如電動機、利用射頻發射技術的一些設備、變頻器等可以產生強干擾信號的設備所用的電纜，這些電纜都是沒有經過相關濾波、屏蔽等干擾抑制措施的。

針對電纜存在的一些分布參數，不同類型的電纜在布線和安裝的時候，線與線之間應當保持一定的距離，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境因素的制約和影響，在布線的時候應當根據實際情況進行合理布線，盡量避開開關設備與動力設備所在位置，而且在煤礦井下布置電纜時，應以實際出發，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，當煤礦井下平行的電纜走線長度增加時，需要適當的增加線與線之間的距離；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 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

對煤礦監控系統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擾以及礦用通訊電纜的分布參數對電磁兼容的影響等進行了分析研究。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幾方面進行合理控制，對煤礦井下系統中的傳輸線路和接地系統進行日常維護可改善了因電纜所產生的電磁干擾影響，很好地提高了煤礦井下工作環境的安全系數和生產效率。