對(duì)煤礦無(wú)線通信系統(tǒng)電磁干擾相關(guān)問(wèn)題的探討

【摘要】介紹煤礦無(wú)線通信系統(tǒng)電磁干擾的現(xiàn)狀，分析電磁干擾的定義及分類，并舉例分析電磁干擾產(chǎn)生的原因，并提出一些解決干擾技術(shù)措施、解決辦法等。

【關(guān)鍵詞】煤礦；無(wú)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(guó)無(wú)線電通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，特別是近年來(lái)隨著煤炭生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)管理水平的不斷提高，對(duì)信息技術(shù)以及無(wú)線通信提出了越來(lái)越高的要求，智能化、高速化、綜合化已成為煤礦無(wú)線通信發(fā)展的必由之路。但在不斷地發(fā)展中各種無(wú)線設(shè)備迅速增多，適合煤礦的各種無(wú)線通信系統(tǒng)已經(jīng)基本在全國(guó)的各個(gè)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(shí)際使用的過(guò)程中給煤礦帶來(lái)了極大地便利和安全保障。在通信工程的安裝、調(diào)試、運(yùn)行過(guò)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(fù)雜多變，干擾問(wèn)題很突出，甚至有的時(shí)候能夠造成通信或數(shù)據(jù)中斷，有必要和大家一起來(lái)探討這方面的問(wèn)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在特定的空間內(nèi)有非法信號(hào)占據(jù)了合法信號(hào)的頻率和資源，影響合法信號(hào)的正常工作，是影響無(wú)線通信系統(tǒng)性能的重要因素。

2.1 電磁干擾的分類

無(wú)線通信系統(tǒng)往往存在各種各樣的干擾，可以用不同的角度對(duì)這些干擾進(jìn)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(diǎn)）分，可分為同頻干擾和非同頻干擾；

從干擾的來(lái)源分，可以分為固定頻率干擾、隨機(jī)寬帶干擾、強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的干擾以及互調(diào)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(diǎn)

我國(guó)煤炭生產(chǎn)長(zhǎng)期主要采用長(zhǎng)壁式采掘方式，這就帶來(lái)了井下電磁環(huán)境的復(fù)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(zhì)、彎曲、分支、傾斜、金屬支護(hù)、縱向?qū)w（電纜、水管、鐵軌等）、通風(fēng)設(shè)施影響著電磁干擾的耦合與傳播。

井下無(wú)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(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電磁噪聲，這些設(shè)備只要用電運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)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(jìn)入了運(yùn)行中的通信系統(tǒng)就變成了干擾噪聲。

2.3 井下電磁干擾的主要來(lái)源

電磁干擾噪聲對(duì)通信系統(tǒng)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(dǎo)體傳導(dǎo)。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(wú)線設(shè)備等。

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

（2）直線架線電機(jī)車受電弓與架空線電火花干擾嚴(yán)重，其雜散電流干擾也十分嚴(yán)重。受電弓與滑接饋電線間、電機(jī)車直流電機(jī)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(huì)產(chǎn)生大量的電火花。這些電火花干擾的頻譜相當(dāng)寬，而這些干擾的電平與頻譜取決于電火花的能量，即電機(jī)車的電壓等級(jí)、負(fù)載電流大小、接觸網(wǎng)敷設(shè)狀況等。

（3）變頻設(shè)備是目前井下電磁干擾的比較突出的問(wèn)題，變頻器是利用電力半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。但也帶了輻射干擾、傳導(dǎo)干擾等問(wèn)題。

3.案例分析

以xx省x礦為例：該礦地面和井下分別進(jìn)行了無(wú)線覆蓋，安裝調(diào)試完畢以后，就發(fā)現(xiàn)該通信系統(tǒng)就一直存在著電磁干擾的問(wèn)題，具體表現(xiàn)為間歇性地手機(jī)信號(hào)強(qiáng)，但是撥不出電話或通信鏈路容易掉線等問(wèn)題。

后期我們組織人力，通過(guò)下面的技術(shù)手段分析并判斷了電磁干擾的一部分原因：

（1）監(jiān)聽(tīng)：通過(guò)后臺(tái)軟件分析判斷干擾確實(shí)存在，找出干擾出現(xiàn)的時(shí)間、持續(xù)的時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度大小等，并用Excel表記錄下這些內(nèi)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(cè)波形和頻譜：通過(guò)觀看干擾信號(hào)的頻譜和波形，確定電磁干擾為同頻信號(hào)和帶外信號(hào)。

（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(diǎn)地監(jiān)測(cè)這些干擾信號(hào)是否存在，確認(rèn)這些干擾信號(hào)頻點(diǎn)多而雜。

該礦距離市區(qū)約為30km，周圍有多個(gè)大型的鋼廠、水泥廠、鐵路樞紐等場(chǎng)所，空中能夠接收過(guò)到的電磁頻譜雜、多、強(qiáng)，對(duì)本通信系統(tǒng)的電磁干擾問(wèn)題很突出，同時(shí)通過(guò)井下的排查我們發(fā)現(xiàn)井下有多個(gè)大型的變電站、水泵站、變頻直流電機(jī)車、大功率變頻器等設(shè)備。

最終經(jīng)過(guò)大家的討論分析，做出了以下的技術(shù)升級(jí)來(lái)緩解電磁干擾所帶來(lái)的問(wèn)題：

（1）在系統(tǒng)射頻前端到接收機(jī)的部分加入帶通濾波器，過(guò)濾一些帶外的雜波信號(hào)。

（2）降低天線的高度，并通過(guò)軟件設(shè)置減少無(wú)線接收機(jī)的接收靈敏度，從而降低外非法信號(hào)對(duì)系統(tǒng)上行信號(hào)的干擾強(qiáng)度。

（3）完善主機(jī)設(shè)備接線問(wèn)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(guò)大功率電機(jī)或變頻設(shè)備，部分電纜改為屏蔽同軸電纜，加強(qiáng)抗干擾能力。

（5）減少井下基站的接收機(jī)增益量，提高基站的抗干擾的門限值；根據(jù)基站安裝位置不同的情況，重新計(jì)算調(diào)整（手機(jī)——基站——系統(tǒng)）上、下行信號(hào)的大小以保持整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)平衡度。

4.解決辦法及方向

據(jù)電磁學(xué)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(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)等3個(gè)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(lái)抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。具體措施可在無(wú)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(kāi)來(lái)，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。

b.濾波

設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號(hào)從設(shè)備通過(guò)線路傳導(dǎo)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。基站盡量用金屬殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。信號(hào)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(jié)語(yǔ)

目前大量的無(wú)線設(shè)備已應(yīng)用于煤礦井下，電磁干擾問(wèn)題已成為影響井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，我們必須掌握一些電磁干擾技術(shù)的基本原理及防治技術(shù)措施，不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，保證通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。電磁干擾解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于前期工作是否做的扎實(shí)，例如在工程的前期就完成該礦的前期摸底，完成固定場(chǎng)所和移動(dòng)場(chǎng)所的空間頻譜測(cè)試，防患于未然。同時(shí)我們應(yīng)該在理論和經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下去排除干擾，做到快速準(zhǔn)確，增強(qiáng)排查干擾源的時(shí)效性。每一個(gè)步驟都應(yīng)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(chǔ)上注意理論分析，從中找出有規(guī)律的東西來(lái)。

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作者簡(jiǎn)介：王凱敏（1981—），男，江蘇丹陽(yáng)人，工程碩士，工程師，主要從事礦用產(chǎn)品檢測(cè)檢驗(yàn)工作。