礦用氣體傳感器現(xiàn)場電磁干擾分析與抗干擾優(yōu)化

張子良

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

煤礦井下環(huán)境復雜、空間相對封閉且電氣設備多，安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器除受到環(huán)境溫濕度、煤塵、振動等影響，還會受到電磁干擾[1]。隨著《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術方案》的實施[2-3]，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造工作接近尾聲，升級后的系統(tǒng)抗電磁干擾能力顯著提升，可以對浪涌、脈沖群、射頻電磁輻射等干擾形式起到一定的免疫效果。但在已經(jīng)完成安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的礦井中，仍然存在傳感器被干擾的情況[4]：部分氣體傳感器會時常出現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象，特別是布置在大型變頻設備附近的傳感器出現(xiàn)的頻次更高，初步判斷為傳感器受到變頻器發(fā)出的干擾所致。為明確傳感器受影響的具體原因，解決“上大數(shù)”問題，對該區(qū)域的電磁環(huán)境進行了實地測量，分析電磁騷擾特性，并借助ADS 軟件對現(xiàn)有傳感器的濾波效果仿真計算，查找問題原因，有針對性地采取整改措施。

1 礦井電磁干擾源

井下電磁環(huán)境具有一定的區(qū)域性，區(qū)域中的某些典型設備在工作時會產(chǎn)生電磁騷擾[5]，干擾周圍設備的正常運行。

在問題區(qū)域，對“上大數(shù)”的傳感器進行了2 項試驗：①保持變頻器通電運行，以變頻器為原點，將傳感器位置逐步遠離觀察現(xiàn)象；②改變變頻器工作狀態(tài)，觀察傳感器現(xiàn)象。在試驗1 中，將傳感器逐步挪至70 m 遠的位置，始終會出現(xiàn)“上大數(shù)”現(xiàn)象，只不過頻次隨距離增加有所減弱；試驗2 中，停止變頻器輸出驅(qū)動，保持輸入側(cè)正常供電，整流單元正常運行，此過程也會持續(xù)產(chǎn)生干擾，影響傳感器，只有在完全關閉變頻器時，傳感器才不會出現(xiàn)“上大數(shù)”的情況。因此可以確定，引發(fā)傳感器故障的干擾源就是變頻器，且變頻器作為典型的干擾源，在整流和逆變時都會產(chǎn)生干擾[6-8]，而且干擾傳輸距離較遠。

為明晰為何已具備一定抗干擾能力的傳感器此時仍會出現(xiàn)電磁干擾問題，進一步對干擾源進行了頻譜測量分析。礦井變頻器現(xiàn)場輻射測量示意圖如圖1。

圖1 礦井變頻器現(xiàn)場輻射測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-site radiation measurement of mine frequency converter

使用手持頻譜儀進行現(xiàn)場電磁輻射騷擾測量，按照圖1 標識的方式對變頻器5 個方位點及其線纜進行測量（測量頻譜圖略），結(jié)果發(fā)現(xiàn)變頻器線纜的輻射騷擾幅值最強。

將手持頻譜儀測量天線距離線纜d=0.2 m，進行了2～50 MHz、20～200 MHz、70～1 000 MHz 3 個頻段的測量，測量值統(tǒng)一換算為dBμV，變頻器電磁騷擾峰值見表1。

表1 變頻器電磁騷擾峰值Table 1 Electromagnetic disturbance level values of frequency converter

綜合2～1 MHz 全頻段頻譜分析，939 MHz 頻率附近出現(xiàn)明顯發(fā)射信號，這部分頻率正好與井下GSM信號和對講機通信頻段相吻合，且在現(xiàn)場測試環(huán)境背景噪聲測量時檢測到該信號，而在整個頻率范圍內(nèi)除該頻點區(qū)域外，55 MHz 以上的頻率未出現(xiàn)其他明顯發(fā)射信號，故認定939 MHz 頻點信號為正常礦井通信信號，與變頻器發(fā)射的電磁騷擾頻率無關。

從表1 可以看出，變頻器發(fā)出的電磁騷擾主要集中在50 MHz 以下，且低頻干擾分量較嚴重，在2.72 MHz 出現(xiàn)干擾峰值，達到了97.50 dBμV。當變頻器運行時，就形成了1 個中低頻干擾源，其連接的電纜可作為天線向外輻射，形成電磁輻射干擾。

傳感器的抗電磁干擾性能須滿足標準AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》，該標準規(guī)定的抗干擾試驗中，射頻電磁場輻射抗擾度試驗的測試頻段僅為80～1 000 MHz，并沒有覆蓋到80 MHz 以下范圍。因此，當傳感器部署在變頻器附近區(qū)域時，就有可能在其設計時未考量到的頻率范圍內(nèi)（80 MHz 以下）形成電磁干擾而出現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象。

需要指出的一點是，井下巷道多彎曲和分支[9-10]，空間有限，能在很大程度增加電磁波的衰減率[11-12]，大功率電器設備的金屬外殼也會屏蔽對外界的干擾[13-15]。理論上，變頻器自身發(fā)出的空間輻射干擾并不能較遠距離傳輸，但實際試驗中遠離變頻器70 m的傳感器卻仍會受到干擾。

2 電磁干擾耦合途徑

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有測點多、分布廣、傳輸距離長等特點[16]，特別是傳感器與分站的距離從幾米到數(shù)千米不等。又因巷道為條狀分布、空間有限，傳感器線纜往往與高壓動力電纜近距離平行敷設，共存長度可達幾公里。傳輸線的天線效應以及可與干擾頻段波長相比擬的線纜長度使得傳感器可以感應到的干擾頻段下限會降至很低，從而容易受到來自大型設備的啟停以及變頻設備產(chǎn)生的電磁干擾。

線纜是系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，是高效的電磁波接收天線和輻射天線[17]，也是干擾傳導的良好通道。大量理論與工程實踐表明，大型設備產(chǎn)生的電磁騷擾很少通過直接輻射的方式對外形成干擾，但其連接的線纜可提供另外的傳輸路徑和天線效應。這一點在實際頻譜測量中也有所體現(xiàn)。

根據(jù)礦用變頻器的結(jié)構(gòu)及電路功能可知，變頻器的整流電路與逆變電路是其產(chǎn)生電磁干擾的主要源頭，其產(chǎn)生的騷擾能量通過傳導和輻射2 種途徑對傳感器產(chǎn)生了影響。其中，傳導干擾指變頻器的電磁能量以電壓或者電流的形式直接通過線纜耦合至傳感器；輻射干擾指變頻器產(chǎn)生的電磁干擾輻射，干擾能量通過空間電磁波的形式對傳感器產(chǎn)生干擾。傳感器耦合方式示意圖如圖2。

圖2 傳感器耦合方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor coupling mode

具體地，傳感器受到來自變頻器干擾的可能耦合路徑可概括為以下3 種：①傳感器本安電源箱的交流供電與變頻器的交流供電來自于同一條供電線路，那么變頻器發(fā)出的電磁騷擾就可以通過線纜以傳導的方式干擾到傳感器；②當傳感器距離變頻器較近時，變頻器可以通過其線纜天線直接輻射影響到傳感器；③當傳感器距離變頻器較遠時，由于傳感器的線纜與變頻器的線纜近距離平行敷設了一段距離，根據(jù)傳輸線理論，傳感器線纜會感應來自變頻器線纜的電磁發(fā)射，形成串擾，進而又通過線纜傳導至傳感器形成干擾。

經(jīng)過實際傳感器及變頻器的布線勘查，該傳感器受到來自變頻器干擾的耦合路徑為第③種，這也解釋了遠離變頻器70 m 的傳感器仍然會受到干擾可能性。

在明確變頻器輻射發(fā)射頻段及干擾傳感器的耦合路徑后，傳感器的優(yōu)化整改則會更加有的放矢。當然，傳感器可以采用屏蔽線纜的方式來降低變頻器線纜串擾的幾率，但這無疑會大幅增加成本，而通過調(diào)整傳感器端口濾波器參數(shù)來解決干擾問題是比較經(jīng)濟可行的。

3 濾波器參數(shù)仿真分析與優(yōu)化

3.1 現(xiàn)有濾波器參數(shù)仿真

利用ADS（Advanced Design System）仿真軟件對濾波器性能進行仿真及優(yōu)化。濾波器的重要特性是插入損耗，插入損耗就是濾波器對傳導騷擾衰減的能力。

在ADS 仿真軟件中繪制傳感器現(xiàn)有濾波器電路，放置50 Ω 端口負載，進行濾波器S 參數(shù)仿真，S21參數(shù)值即為濾波器的插入損耗，其絕對值越大表明對電磁騷擾的抑制作用就越強。優(yōu)化前濾波電路如圖3，現(xiàn)有濾波器電路由Y 電容C1、C2以及2 個串聯(lián)的共模電感L1、L2組成，Y 電容位于2 個共模電感之間，C1=C2=100 pF，L1=L2=1 μH，S-Param 設置初始頻率10 kHz，截止頻率1 GHz，步進1 MHz。運行S 參數(shù)控件進行仿真，優(yōu)化前濾波器插入損耗分析結(jié)果如圖4。

圖3 優(yōu)化前濾波電路Fig.3 Filter circuit before optimization

圖4 優(yōu)化前濾波器插入損耗分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of filter insertion loss before optimization

從仿真分析結(jié)果可以看出，傳感器現(xiàn)有濾波電路的插入損耗在80 MHz 可達到27.57 dB，且隨頻率增加而增大，80 MHz 以下則較小，而在實際使用過程中受器件寄生參數(shù)影響，其真實插入損耗會比仿真值更小，也就是說該濾波器對于80 MHz 以下的傳導騷擾抑制能力較弱。在實驗室對傳感器進行150 kHz～80 MHz 射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗時，傳感器會復現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象，此結(jié)果與傳感器在變頻器附近的現(xiàn)象相吻合。這也正說明了傳感器雖然可以通過80～1 000 MHz 射頻電磁場輻射抗擾度試驗，但對于變頻器發(fā)出的80 MHz 以下的電磁騷擾仍然沒有免疫能力，因此也就出現(xiàn)了“上大數(shù)”的現(xiàn)象。

針對這一問題，若能夠有效提高80 MHz 以下低頻段電磁騷擾的抑制能力，即可滿足實際需求。因此，需要對濾波電路進行設計優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化后濾波器參數(shù)仿真

濾波電路及參數(shù)的優(yōu)化需要保證在原有80 MHz 以上濾波插入損耗不降低的基礎上，提高80 MHz 以下電磁騷擾的抑制能力。優(yōu)化后的濾波電路如圖5，將Y 電容C1、C2移動至共模電感L1、L2最前端，并且將其參數(shù)調(diào)整為C1=C2=2 200 pF，L1=L2=10 μH，S-Param 設置不變，再次進行S 參數(shù)仿真計算，優(yōu)化后濾波器插入損耗分析結(jié)果如圖6。

圖5 優(yōu)化后濾波電路Fig.5 Filter circuit after optimization

圖6 優(yōu)化后濾波器插入損耗分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of filter insertion loss after optimization

從仿真分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的濾波電路插入損耗在低頻段有明顯提高，對5 MHz 以上的干擾都具有明顯的濾波效果。將優(yōu)化后的濾波器實際制作并加入傳感器中再次進行射頻傳導抗擾度試驗，可順利通過3 級測試。新整改的傳感器放置在現(xiàn)場同一位置，未再出現(xiàn)“上大數(shù)”等問題。

4 結(jié) 語

1）傳感器經(jīng)過數(shù)字化升級改造后，確實具備了一定的抗電磁干擾能力，但實際礦井電磁環(huán)境往往更加復雜，當發(fā)生電磁兼容問題時，有效分析電磁干擾源特性及干擾耦合路徑，可使問題解決方案更加有針對性，也能夠在整改措施上保持一定的經(jīng)濟性。

2）井下變頻設備發(fā)射的電磁騷擾主要集中在80 MHz 以下，但目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)標準中抗干擾能力測試項目尚未覆蓋這一頻段，建議增加射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗。

3）對于煤礦普遍采取的多線纜長距離平行敷設方式來講，文中提到的第③種干擾耦合路徑往往更為常見，但卻容易被忽略，在解決現(xiàn)場電磁兼容問題時應引起重視。