基于多导体传输线理论的煤矿电磁干扰研究

王鹤晓，张晓冬，李春敏

（北京交通大学 电气工程学院，北京　100044）

基于多导体传输线理论的煤矿电磁干扰研究

王鹤晓，张晓冬，李春敏

（北京交通大学 电气工程学院，北京100044）

针对煤矿井下电磁干扰严重，电力线与信号线铺设距离较近，当电力线产生浪涌电压时会对信号线传输的信号产生较大干扰，导致接收器接收信号错误，引起误报或错报问题，应用多导体传输线理论，对电力线、信号线和参考大地建立模型；同时由于传输线重力相差较大，以及煤矿下非线性大型设备众多，应用FDTD（时域有限差分法）求解不平行多导体传输线在各时空离散点处的电压、电流迭代计算式；通过MATLAB编程研究了当电力线产生浪涌电压时对信号线的干扰，探讨了当传输线长度改变，电力线与信号线之间距离改变，信号线离地高度改变时，信号线终端电压的变化情况，为提高安监系统的可靠性提供依据，对保障煤矿安全具有重大意义。

煤矿；电磁干扰；多导体传输线；时域有限差分法

煤矿工业的安全健康发展是关系到国计民生的大事，而煤矿监控系统又是关系到安全生产的关键问题之一。因此如果通信故障，会出现冒大数、冒假数问题[1]，将对数据的传输及故障信息的及时发送和处理造成很大延误，甚至造成极大的安全生产事故[2]；而我国煤矿井下供电系统中，面临的主要问题是电能质量不稳定，特别是采掘工作面，电气设备移动频繁，负荷变化大，大型采掘设备直接启动[2]，导致动力线上产生较高浪涌电压，从而对信号线产生较大的电磁干扰。同时，由于煤矿矿井狭窄，导致大型电气设备的动力线和安监信号系统的信号线很难较大距离分开铺设。由此可见研究电力线浪涌对信号线的电磁干扰程度十分必要。

文中基于多导体传输线理论对电力线、信号线、参考线路（理想大地）分析，同时要结合实际情况合理取值建模。由于信号线电压较低，只有几伏到几十伏，电力线则电压较高，为了减少电能损耗，而且适合架设，一般悬挂弛度为1.05到1.1之间，两者材质不同，截面积不同，重量差别较大，因此信号线与大地可以近似看作平行，而电力线则有一定松弛度，与信号线以及参考线路不再平行，因此考虑不平行传输线的终端响应情况。；同时由于煤矿下大型电气设备众多，不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷接入电网[3]，电力线激励信号采用典型浪涌电压信号，分别探讨了1）传输线长度2）传输线与信号线之间距离3）信号线距离地面高度3个方面对干扰的影响，为煤矿电磁兼容研究提供理论支持。

1　不平行多导体传输线FDTD算法

由于重力作用，悬挂的较重的动力线与较轻的信号线不再平行，L，C参数矩阵与三导体间的距离有关，不再是一个常数矩阵，因此，平行多导体传输线FDTD算法不再适用，需要建立不平行多导体传输线FDTD算法。

由微分思想，可以把传输线分割成若干微元弧段，当传输线曲率比较小时，可以认为对应的微元弧段相互平行，每个微元弧段的L，C参数矩阵可看作常数矩阵，但不同微元弧段的L，C参数矩阵不同，因此就可以针对每个微元弧段使用平行多导体传输线FDTD算法求解；并且第i个微元弧段的终端信号即为第i+1个微元弧段的始端信号，由此得到不平行多导体传输线FDTD算法的电压和电流的迭代计算公式。

不平行多导体传输线FDTD差分公式：

终端条件：

Ck为第k段起点处的分布参数，k=1，2，…，NDZ；CNDZ+1为第NDZ段终点处的分布参数。

为了保持算法的稳定性，这里Δz和Δt须满足Δt≤Δz/v[4]，当两者取等号时，Δt为最佳时间步长，v为电磁波传播的最大模式速度，

2　不同参数条件下干扰的数值预测

根据 “国家煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法”及“AQ6201-2006 5煤矿安全监控系统通用技术要求”，部分参数如表1所示。

表1　煤矿传输线参数Tab.1　The parameters of transmission lines in coal mine

信号线位于上方，平行于大地；电力线位于下方，本文取松弛度1.1，则两挂钩间传输线长度为3.3 m。传输线始端，终端负载均为50 Ω。为控制变量，下述讨论，改变某一变量时，其余参数按照表中所给值计算。

井下传导干扰主要来自各种强电传输线[5]，由于井下供电系统中的电容、电感均为储能原件，当工作状态发生变化时，将有过渡过程产生，在过渡过程中，可产生数倍于工作电压的操作过电压[6]。这些开关操作瞬间产生的浪涌过电压具有脉冲上升时间短、脉冲下降时间长、幅值高、能量大等特点，其由设备动力线耦合到安监信号线上，对安监系统的正常工作造成了严重的干扰。在进行理论分析时，实际浪涌电压与环境密切相关，因此选取典型浪涌即可。选取标准的1.2/ 50 μs浪涌电压作为干扰源进行研究[1]，浪涌电压为图1为浪涌电压激励波形。

图1　浪涌电压激励波形Fig.1　The surge voltage waveform of 1.2/50μs

2.1传输线长度

根据煤矿实际情况，选取传输线长度分别为 300 m，1 000 m，1 600 m，浪涌电压激励，仿真结果如图2所示。

图2　变长度浪涌电压激励波形Fig.2　The excitation waveform of surge voltage when the lengths of lines change

通过仿真结果可以看出，1）当电力线产生浪涌电压时，信号线受到较大干扰，经过L/c（c为电磁波传播速度）的时间，干扰传输到信号线末端，接收器会收到错误信号；2）由于电磁波的反射作用，反向波与前行波叠加，干扰波形出现较大波动，经过一段时间干扰回归于零消失；3）干扰波形变化速率小于浪涌电压上升速率；4）随着传输线长度增加，干扰反射时间增加，干扰波叠加时间延迟，干扰电压随之增大，但当长度增大到一定距离，再继续增大时，干扰电压趋于稳定不再增大，此后基本保持不变。

2.2电力线与信号线距离

根据煤矿实际情况，电力线与信号线距离分别取0.3 m，0.5 m，1.0 m，浪涌电压激励，仿真结果如图3所示。

图3　变间距浪涌电压激励波形Fig.3　The excitation waveform of surge power when distance changes

通过仿真结果可以看出，电力线与信号线距离的改变，影响了两者间的电磁耦合，在计算过程中改变L、C矩阵，电感、电容串扰改变，干扰随电力线与信号回路间距离的增大而逐渐减小，且减幅越来变小，最终干扰趋近于零，这也符合电磁场干扰理论，被干扰设备距离干扰源越远，干扰越小。

2.3信号线距离地面高度

根据煤矿实际情况，信号线距离地面高度分别取1.5 m，2.5 m，3.5 m，浪涌电压激励，仿真结果如图4所示。

图4　变高度浪涌电压激励波形Fig.4　The excitation waveform of surge voltage when the height of signal line changes

通过仿真结果可以看出，随着信号线距离地面高度的增加，影响了电力线与信号线对大地的电磁场耦合，改变L、C矩阵，电感、电容串扰改变，干扰增强，但当高度增大到一定距离，再继续增大时，干扰电压趋于稳定不再增大，此后基本保持不变。

3　结　论

文中是基于多导体传输线理论的煤矿电力线与信号线电磁干扰研究，选取典型浪涌电压信号，探讨了传输线长度、电力线与信号线距离、信号线距离地面高度3个因素对信号线上干扰的影响情况。随着传输线长度的增加，信号线距离地面高度的增加，干扰逐渐加强，但当距离到达某一数值后，干扰波形趋于稳定，继续增加对波形影响不大；随着两者间距离的增加，干扰逐渐减小[7-9]。因此在架设电缆时，要尽量减小传输线长度，信号线距离地面高度，在矿井有限的空间里，尽量增加信号线与电力线之间的距离，减少两者间的耦合。本文对煤矿电缆的选择具有一定的指导意义，对煤矿电磁兼容的研究具有理论价值和实际意义。

[1]夏宁.煤矿井下供电系统对安全监控系统的电磁干扰研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]王旭波，李广红.煤矿井下供电安全监控系统的设计及应用[J].电子设计工程，2014，22（12）:81-87.

[3]邢 颖，李宝树.非线性负荷对电网电压和电流的影响[J].电气应用，2007，26（8）:25-28.

[4]Paul C R.Analysis of multicondutor transmission lines[M]. New York:John Wiley&Sons Press，1994.

[5]孙继平，王福增.煤矿井下电磁干扰对通信和监控系统的影响分析[J].工矿自动化，2009（2）:23-26.

[6]吴义纯.基于EMTP的操作过电压仿真[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2004，9（3）:35-38.

[7]蒋海洲.电缆测井深度测量电路的抗干扰设计[J].电子设计工程，2014（24）:90-92.

[8]李蓓.雷达接收机的电磁兼容性分析[J].电子科技，2014 （11）:128-130，138.

[9]孟横芳.电子产品的电磁干扰防护[J].科技信息，2009 （19）:21-22.

Research on electromagnetic interference in coal mine based on MTL theory

WANG He-xiao，ZHANG Xiao-dong，LI Chun-min
（School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper focused on serious electromagnetic interference in coal mine，and the close distance of power line and signal line.When there is surge voltage on power line，the signal line will be severely interfered，leading to fault signals received by receiver，then causing false positives or misstatement.Then use MTL（multiconductor transmission line）theory to set up a model of power line，signal line，and the ground.Moreover，because the lines are of large difference in gravity，and there are many nonlinear large equipment in coal mine，FDTD（finite difference time domain）is applied to deduce voltage/ current iteration expressions at discrete points of time and space.Then three kinds of situation is discussed with MATLAB programming，which are the length change of transmission lines，the distance change between power line and signal line；the height of signal line.By analyzing the voltage response at the end of signal line，this paper provides basis for improving reliability of monitoring system，and has significance in security of coal mine safety.

coal mine；electromagnetic interference；MTL；FDT

TM15

A

1674－6236（2016）01-0089-03

2015-04-12稿件编号：201504116

国家国际科技合作计划项目（2013DFR10530）

王鹤晓（1991—），女，河北沧州人，硕士研究生。研究方向：电磁场与电磁兼容。