礦用氣體傳感器現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾分析與抗干擾優(yōu)化

張子良

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

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、空間相對(duì)封閉且電氣設(shè)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(dòng)等影響，還會(huì)受到電磁干擾[1]。隨著《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的實(shí)施[2-3]，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造工作接近尾聲，升級(jí)后的系統(tǒng)抗電磁干擾能力顯著提升，可以對(duì)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(jí)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(huì)時(shí)常出現(xiàn)“上大數(shù)”的現(xiàn)象，特別是布置在大型變頻設(shè)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(wèn)題，對(duì)該區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，分析電磁騷擾特性，并借助ADS 軟件對(duì)現(xiàn)有傳感器的濾波效果仿真計(jì)算，查找問(wèn)題原因，有針對(duì)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(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁騷擾[5]，干擾周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。

在問(wèn)題區(qū)域，對(duì)“上大數(shù)”的傳感器進(jìn)行了2 項(xiàng)試驗(yàn)：①保持變頻器通電運(yùn)行，以變頻器為原點(diǎn)，將傳感器位置逐步遠(yuǎn)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(yàn)1 中，將傳感器逐步挪至70 m 遠(yuǎn)的位置，始終會(huì)出現(xiàn)“上大數(shù)”現(xiàn)象，只不過(guò)頻次隨距離增加有所減弱；試驗(yàn)2 中，停止變頻器輸出驅(qū)動(dòng)，保持輸入側(cè)正常供電，整流單元正常運(yùn)行，此過(guò)程也會(huì)持續(xù)產(chǎn)生干擾，影響傳感器，只有在完全關(guān)閉變頻器時(shí)，傳感器才不會(huì)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(shí)都會(huì)產(chǎn)生干擾[6-8]，而且干擾傳輸距離較遠(yuǎn)。

為明晰為何已具備一定抗干擾能力的傳感器此時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題，進(jìn)一步對(duì)干擾源進(jìn)行了頻譜測(cè)量分析。礦井變頻器現(xiàn)場(chǎng)輻射測(cè)量示意圖如圖1。

圖1 礦井變頻器現(xiàn)場(chǎng)輻射測(cè)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電磁輻射騷擾測(cè)量，按照?qǐng)D1 標(biāo)識(shí)的方式對(duì)變頻器5 個(gè)方位點(diǎn)及其線纜進(jìn)行測(cè)量（測(cè)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(qiáng)。

將手持頻譜儀測(cè)量天線距離線纜d=0.2 m，進(jìn)行了2～50 MHz、20～200 MHz、70～1 000 MHz 3 個(gè)頻段的測(cè)量，測(cè)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(hào)，這部分頻率正好與井下GSM信號(hào)和對(duì)講機(jī)通信頻段相吻合，且在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境背景噪聲測(cè)量時(shí)檢測(cè)到該信號(hào)，而在整個(gè)頻率范圍內(nèi)除該頻點(diǎn)區(qū)域外，55 MHz 以上的頻率未出現(xiàn)其他明顯發(fā)射信號(hào)，故認(rèn)定939 MHz 頻點(diǎn)信號(hào)為正常礦井通信信號(hào)，與變頻器發(fā)射的電磁騷擾頻率無(wú)關(guān)。

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(yán)重，在2.72 MHz 出現(xiàn)干擾峰值，達(dá)到了97.50 dBμV。當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，就形成了1 個(gè)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(biāo)準(zhǔn)AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗干擾試驗(yàn)中，射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)的測(cè)試頻段僅為80～1 000 MHz，并沒(méi)有覆蓋到80 MHz 以下范圍。因此，當(dāng)傳感器部署在變頻器附近區(qū)域時(shí)，就有可能在其設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)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(shè)備的金屬外殼也會(huì)屏蔽對(duì)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(yuǎn)距離傳輸，但實(shí)際試驗(yàn)中遠(yuǎn)離變頻器70 m的傳感器卻仍會(huì)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(cè)點(diǎn)多、分布廣、傳輸距離長(zhǎng)等特點(diǎn)[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(dòng)力電纜近距離平行敷設(shè)，共存長(zhǎng)度可達(dá)幾公里。傳輸線的天線效應(yīng)以及可與干擾頻段波長(zhǎng)相比擬的線纜長(zhǎng)度使得傳感器可以感應(yīng)到的干擾頻段下限會(huì)降至很低，從而容易受到來(lái)自大型設(shè)備的啟停以及變頻設(shè)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(dǎo)的良好通道。大量理論與工程實(shí)踐表明，大型設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾很少通過(guò)直接輻射的方式對(duì)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(yīng)。這一點(diǎn)在實(shí)際頻譜測(cè)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(guò)傳導(dǎo)和輻射2 種途徑對(duì)傳感器產(chǎn)生了影響。其中，傳導(dǎo)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(guò)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(guò)空間電磁波的形式對(duì)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(lái)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(lái)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(guò)線纜以傳導(dǎo)的方式干擾到傳感器；②當(dāng)傳感器距離變頻器較近時(shí)，變頻器可以通過(guò)其線纜天線直接輻射影響到傳感器；③當(dāng)傳感器距離變頻器較遠(yuǎn)時(shí)，由于傳感器的線纜與變頻器的線纜近距離平行敷設(shè)了一段距離，根據(jù)傳輸線理論，傳感器線纜會(huì)感應(yīng)來(lái)自變頻器線纜的電磁發(fā)射，形成串?dāng)_，進(jìn)而又通過(guò)線纜傳導(dǎo)至傳感器形成干擾。

經(jīng)過(guò)實(shí)際傳感器及變頻器的布線勘查，該傳感器受到來(lái)自變頻器干擾的耦合路徑為第③種，這也解釋了遠(yuǎn)離變頻器70 m 的傳感器仍然會(huì)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(huì)更加有的放矢。當(dāng)然，傳感器可以采用屏蔽線纜的方式來(lái)降低變頻器線纜串?dāng)_的幾率，但這無(wú)疑會(huì)大幅增加成本，而通過(guò)調(diào)整傳感器端口濾波器參數(shù)來(lái)解決干擾問(wèn)題是比較經(jīng)濟(jì)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(duì)濾波器性能進(jìn)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(duì)傳導(dǎo)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(fù)載，進(jìn)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(duì)值越大表明對(duì)電磁騷擾的抑制作用就越強(qiáng)。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(gè)串聯(lián)的共模電感L1、L2組成，Y 電容位于2 個(gè)共模電感之間，C1=C2=100 pF，L1=L2=1 μH，S-Param 設(shè)置初始頻率10 kHz，截止頻率1 GHz，步進(jìn)1 MHz。運(yùn)行S 參數(shù)控件進(jìn)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(dá)到27.57 dB，且隨頻率增加而增大，80 MHz 以下則較小，而在實(shí)際使用過(guò)程中受器件寄生參數(shù)影響，其真實(shí)插入損耗會(huì)比仿真值更小，也就是說(shuō)該濾波器對(duì)于80 MHz 以下的傳導(dǎo)騷擾抑制能力較弱。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器進(jìn)行150 kHz～80 MHz 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)時(shí)，傳感器會(huì)復(fù)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(shuō)明了傳感器雖然可以通過(guò)80～1 000 MHz 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)，但對(duì)于變頻器發(fā)出的80 MHz 以下的電磁騷擾仍然沒(méi)有免疫能力，因此也就出現(xiàn)了“上大數(shù)”的現(xiàn)象。

針對(duì)這一問(wèn)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(shí)際需求。因此，需要對(duì)濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)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(chǔ)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(dòng)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(shè)置不變，再次進(jìn)行S 參數(shù)仿真計(jì)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(duì)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(shí)際制作并加入傳感器中再次進(jìn)行射頻傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)，可順利通過(guò)3 級(jí)測(cè)試。新整改的傳感器放置在現(xiàn)場(chǎng)同一位置，未再出現(xiàn)“上大數(shù)”等問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）傳感器經(jīng)過(guò)數(shù)字化升級(jí)改造后，確實(shí)具備了一定的抗電磁干擾能力，但實(shí)際礦井電磁環(huán)境往往更加復(fù)雜，當(dāng)發(fā)生電磁兼容問(wèn)題時(shí)，有效分析電磁干擾源特性及干擾耦合路徑，可使問(wèn)題解決方案更加有針對(duì)性，也能夠在整改措施上保持一定的經(jīng)濟(jì)性。

2）井下變頻設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中抗干擾能力測(cè)試項(xiàng)目尚未覆蓋這一頻段，建議增加射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)。

3）對(duì)于煤礦普遍采取的多線纜長(zhǎng)距離平行敷設(shè)方式來(lái)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(chǎng)電磁兼容問(wèn)題時(shí)應(yīng)引起重視。