淺析礦用電纜的電磁干擾分析

全勝

摘要：礦用電纜對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，而且影響著礦井的正常供電。電纜作為電子系統間的信息傳輸和供電傳輸載體，可以連接電力系統各個分工不同的部件，通過規劃線路在系統內部讓大量電纜有序布局。本文介紹了減小干擾的幾種辦法，并在此基礎上，分析了濾波防護措施，以期有效降低電磁干擾。

關鍵詞：屏蔽電纜;電磁干擾;濾波防護

一、減小電纜電磁干擾的常用方法

電纜是連接電子設備不同功能元器件的主要部件，通過電纜連接，可以實現各種信號、信息電流的傳輸與流通。但是，當電纜受到電流或電壓干擾時，必定會對電子設備的正常運作產生不利影響。

1、減小差模干擾

差模干擾指的是干擾電壓存在于信號線及其回線（一般稱為信號地線）之間，干擾電流回路則是在導線與參考物體構成的回路中流動。導致電纜出現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作時，產生噪聲電流直接向電纜傳輸，通過傳導作用到其他設備，進而受到很大影響。這些雜波電流的出現，極易影響設備運行效果，因此，需采取一定措施予以消除。其一，通過改變電路結構，或者采用高電磁兼容性器件從源頭上避免噪聲出現，達到有效抑制的作用;其二，通過濾波消除方式，阻止干擾電流傳導到其他電路、設備。

2、減小共模干擾

共模干擾指的是干擾電壓在信號線及其回線（一般稱為信號地線）上的幅度相同，這里的電壓以附近任何一個物體（大地、金屬機箱、參考地線板等）為參考電位，干擾電流回路則是在導線與參考物體構成的回路中流動。通常來講，電纜上出現共模電流的原因主要在于3點，第一，外界電磁場在電纜中所有導線上感應出來的電壓（這個電壓相對于大地是等幅同相的），這個電壓產生電流;第二，電纜兩端的設備所接的地電位不同，在這個地電位的驅動下產生電流;第三，設備上的電纜與大地之間的電位差，這樣電纜上會有共模電流。一旦設備在其電纜上出現共模電流，將會引發強烈的電磁輻射，進而對電子設備造成電磁干擾，不利于產品性能指標的精準性和穩定性。除此之外，若電路不平衡的情況下，共模電流將會向差模電流轉化，這種情況下，差模電流同樣會干擾電路。對于電子設備電路中的信號線及其回路來講，差模電流流過電路中的導線環路時，必定會引起差模輻射，這種環路基本等同于小環天線，能向空間輻射磁場，或接收磁場。為此，應對環路大小、面積進行限制。

二、濾波防護措施

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

1、濾波防護設計

（1）對電源線濾波防護

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

（2）對信號線濾波防護

信號線的主要特點是承受能量小，根據不同信號其工作頻率從低到高都有不同分布。因此在信號線上使用濾波防護時，需要考慮濾波器對工作頻率的信號影響，因此設計濾波器的阻帶應避開信號線上的工作頻率。根據工作頻率與干擾頻率的相對大小，設計相應的高通濾波器、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抑制二極管（TVS）等限幅器件，進一步限制輸出電壓以保護內部電路。

2、濾波防護分析

（1）架空單導線。第一步，計算電纜不接濾波器時，在電纜終端負載Z1上強電磁脈沖的電壓響應情況。設1m電纜長度L，半徑r為1.52mm，3cm為電纜架設高度，端接Z1、Z2的50Ω負載，標準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，通過仿真實驗，可獲取截止頻率為2MHz的π型低通濾波器的S參數，進而獲取π型濾波防護下的時域響應電壓和頻譜分布情況，最終得出，僅有0～2MHz的干擾信號通過了濾波器，其他頻率成分均被濾除。

（2）架空屏蔽電纜。第一步，計算電纜不接濾波器時，在電纜終端負載上強電磁脈沖的電壓響應情況。同樣設1m電纜長度L，半徑r為1.52mm，3cm為電纜架設高度，屏蔽層端接0.10Ω負載，標準核電磁脈沖為入射波，垂直照射電纜。由于本次測試采用的是RG-58 112編電纜作為屏蔽電纜，因此，分為內外傳輸線系統，其中外傳輸線系統的分布參數為L=0.735μH/m、C=15.135pF/m。內傳輸線系統的分布參數為Lin=0.245μH/m、Cin=83.78pF/m。通過計算的轉移阻抗和轉移導納相關參數則主要如下：Zd=14.5mΩ/m、Lt=0.28nH/m、Ct=0.039pF/m。第二步：通過對比架空單導線無濾波防護下時域響應中負載Z1電壓和架空屏蔽電纜無濾波防護下時域響應中負載Z3電壓，響應規律趨勢基本相同，但是峰值相差了3000倍左右，由此表明，在屏蔽層防護當中屏蔽電纜具有顯著的效果，但并非絕對的。第三步：在無濾波器情況下，通過分析可知，0～200MHz為屏蔽電纜端接負載電壓響應的頻譜分布范圍，同樣使用2MHz截止頻率的π型濾波器進行仿真分析?？梢钥闯觯撦dZ3上的電壓響應時域波形、頻譜幅值在經過π型濾波器濾波之后，均呈現出減小的趨勢，通過濾波器的僅有0～2MHz干擾信號，其他頻率成分則被濾除。由無濾波防護下的頻譜分布情況可知，200MHz頻率以下的幅值相對較高，當此屏蔽電纜用于傳輸200MHz以上信號頻率傳輸時，應采用高通濾波器設計，即200MHz為截止頻率的濾波器，通過π型高通濾波器進行防護分析。通過分析通過π型高通濾波器濾波之后的負載Z3上的電壓響應時域波形和頻譜可知，200MHz以下的干擾信號都得到了有效抑制，僅保留了200MHz以上的頻率成分。

四、結束語

綜上所述，電纜多處于復雜的電磁環境中，為了減少電纜的受擾程度，往往采用具有屏蔽設計的電纜。在實際應用中，由于屏蔽電纜的屏蔽效果并非完全理想，很多時候由于成本等因素，往往會適當降低電纜屏蔽的效果。同時，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方案，希望通過多種防護方式的組合應用，進一步降低電磁耦合的干擾影響。

參考文獻

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

河南沈纜電纜有限責任公司，河南平頂山?467000