煤矿监控系统通讯电缆电磁兼容性技术

谢 浩，朱晓洁，高文平，谢俊生

（1.天地（常州）自动化股份有限公司,江苏 常州213015；2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州213015；3.阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉045000）

目前的煤矿监控系统主要采用矿用通讯电缆作为煤矿井下监控信号的传输媒介，矿用通讯电缆是煤矿监控系统重要的组成部分之一[1]，矿用通讯电缆的电气性能直接影响着信号的传输质量，并且矿用通讯电缆的费用投资在整个系统的费用中占有较大的比重[2]，同时矿用通讯电缆也是导致电磁兼容问题的主要因素[3]。

2016 年12 月29 日，国家煤矿安全监察局印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知，通知要求“提升系统性能指标，分站的最大远程供电距离（在设计工况条件下）实现分级管理；增加抗电磁干扰能力”。通知明确规定“煤矿安全监控系统必须采用抗干扰技术设计，通过地面设备3 级静电抗扰度试验，评价等级为A；2 级电磁辐射抗度试验，评价等级为A；2 级脉冲群抗度试验，评价等级为A；交流电源端口3 级、直流电源与信号端口2 级浪涌（冲击）抗度试验，评价等级为B[4]。”作为煤矿监控系统配套的各类传感器、断电报警器、井下防爆以太网交换机、井下工作站及配套电源等单个设备虽能顺利通过上述试验，但经过矿用通讯电缆连接起来以后，辐射干扰就存在，整个系统就不再合格；将设备上的外托电缆取下来，单个设备又可以顺利地通过试验。显而易见，矿用通讯电缆是电磁兼容性问题主要通道[5]。矿用的金属隔爆外壳都具有屏蔽效能，一般屏蔽效能可达80 dB 以上，屏蔽机箱的屏蔽效能可达60 dB 以上，但是在应用时因电缆处理不当，会产生较为严重的电磁干扰问题，使屏蔽效能降低，电缆成为高效的电磁波接收天线和辐射天线，是电磁兼容性问题的主要因素。为此，很有必要对矿用矿用通讯电缆的辐射问题，电磁场对通讯电缆的干扰问题、线路之间的信号串扰问题和矿用通讯电缆的分布参数对电磁兼容性的影响等进行详细分析研究[6]，提出解决的办法。

1 矿用通讯电缆的电磁兼容性

1.1 矿用通讯电缆的电磁辐射

电缆辐射是设备遇到的最普遍的一种电磁干扰问题，产生电缆辐射有2 种情况：分别是差模辐射和共模辐射，电缆中信号电流回路产生差模辐射，电缆中导线上共模电流产生共模辐射。电缆的电磁辐射示意图如图1。

电缆辐射中差模辐射仅占一少部分，大部分是共模辐射。电缆中导线上共模电流产生共模辐射，而共模电流的产生主要有3 个原因：①差模电流转换成共模电流、电路板的地线噪声导致的共模电流和机箱内电磁波空间感应导致的共模电流; ②在一些频率较高的场合中，当连接2 个设备的电缆中包含了信号回线，从信号回线流回信号源的信号电流是不能够完全流回信号源的，这时从地回路流回的电流就构成了共模电流, 这种情况下的共模电流相对来说是很小的，但是它的辐射环路面积大，所以这部分辐射强度是不可以忽略的; ③当信号地与导线所连接的时候，导线就起到了辐射天线的作用，会增加电路板的辐射，这就是地噪声形成的原因,当电流流过地线时，势必会在地线上的2 点之间产生电压，根据地线的阻抗来确定电压的大小,共模电压是电缆与大地之间的电压，在这个电压的驱动下，共模回路（通常是由分布电容构成的）中就产生了共模电流。

煤矿井下设备大多数都是有外壳的，在壳内部分布了电磁波，壳内的电路板、连接的电缆都是产生电磁辐射的源头，一些I/O 电缆上会通过这些电磁波来感应出共模电压。在一些高频电磁场的电路中，在电缆端口附近，电路与电缆之间会有电容性耦合和电感性互感，就会产生共模电压，从而形成共模电流。

1.2 电磁场对电缆的影响

电磁波由2 部分组成，分别是近场和远场，近场属于感应场，远场属于辐射场，近场不对外辐射能量，远场对外辐射能量。近场一般发生在低频范围内，远场一般发生在频率增大的时候。

电磁场会对电缆造成差模干扰和共模干扰。差模干扰体现在信号回路中直接产生的电压和电流噪声；而共模干扰是在电缆与大地之间产生的电压噪声。很多时候设备的干扰问题都是由于外拖电缆引起的，因为设备上的电缆如同天线一样可以接收外界电磁场。信号回路中的差模电压和电流噪声在电路干扰中占主要原因，电磁场直接产生的差模成分是很少的，差模电压的主要来源为电缆上的共模电流转换成差模电压导致的。所以，要削弱干扰有2种途径：一种是减小共模电流:另一种是防止共模电流向差模电压转换。

1.3 通讯电缆及其端口电磁兼容处理

通过分析电缆的电磁辐射和电磁场对电缆的影响这2 个方面，发现提高电缆及其端口的抗干扰能力在电磁兼容性问题上会有明显的改善。低频传输时，可以采用双绞线传输的方式减少电流的差模辐射（减少回路面积），同时电缆端口处有共模电压存在，电缆又是干扰传导的通道，在共模电压的作用下，就产生了共模辐射。可以通过缩短电缆长度，减小高频共模电流强度，来减小电缆的辐射。但是由于煤矿井下特殊的工作环境，电缆的长度往往是不能随意改变的，又因为引起电缆抗扰度弱的主要原因是高频共模电流的辐射效率很高，比较合适的处理手段是通过减少高频共模电流的幅度来实现控制电缆共模辐射。一般情况是在电缆端口处会安装滤波器，但是经过这种方法处理后的滤波电缆信号线在机箱内很容易被机箱内部的电磁波感应到同时滤波前的干扰信号也很容易在电缆端口上通过寄生电容直接耦合，会再次产生新的共模电流，造成新的电缆辐射。所以说减小高频共模电流的方法可以通过在电缆的端口处使用抑制电路或设计合理的接口电路；但是最为有效的方法是在电缆的端口处加装低通滤波器，解决高频共模电流，同时也减小了滤波后暴露在机箱内导线的长度。经试验表明，在辐射发射测试中，采用屏蔽机箱时，辐射的主要来源是电缆线，分别通过普通的连接器和滤波连接器进行研究，结果发现采用滤波连接器的方式可以降低10～30 dB 的辐射发射强度。

建议煤矿井下多使用滤波连接器，首先，使用滤波连接器可以降低成本，因为使用了滤波连接器进而避免了使用高质量高价位的屏蔽电缆，从而降低了生产成本。其次，因为滤波连接器的每1 个插针都含有1 个低通滤波器，可滤除掉每一个插针上的共模电流，可以很大程度上彻底消除电缆的辐射，并且滤波连接器的尺寸与外形都与普通连接器同符合契，在矿用电缆进入机箱的端口处，安装滤波连接器，可以很好的滤除掉矿用线缆上的干扰信号，同时干扰信号也不会再一次的感应到滤波之后的线缆上。最后，屏蔽电缆抑制电缆辐射的效果没有滤波连接器的效果稳定。因为煤矿井下特殊的工作环境，矿用通讯电缆安装较长时间或者对电缆频繁的拆装都会导致连接处的氧化，使得端接阻抗增大，屏蔽效能的降低。而且屏蔽电缆主要是抑制干扰信号通过电缆辐射出来，但是实际上干扰信号还是存在于电缆之中，并没有真正消除，解决电缆电磁兼容问题的关键是屏蔽层合理的接地。通过分析，滤波连接器能够完全取代普通连接器[7]。

2 电缆之间的串扰

2.1 电缆串扰机理

在煤矿井下布线时，有时会采用成束的方式进行布线，把相邻的电缆通过扎带捆在一起，这样,不同的电缆之间形成了耦合干扰，也就是所谓的串扰。如果相邻2 根导线靠得比较近，其中1 根在传输信号时会将能量感应到另1 根导线上，并通过电磁耦合的方式对另1 根导线上的信号产生不期望的干扰，那么这2 根导线之间就发生了串扰现象[8]。

因为分布电容和互感是存在于2 根导线之间的，从而导致电缆产生串扰现象，同时一定量的耦合电压和耦合电流也会施加到受扰导线。因为导线和地之间的电容构成了一个低通滤波器，并且有效的减弱了串扰的影响，所以可以忽略不计2 根导线对地的电容影响。

被扰导线靠近施扰导线信号源端的时候，电容耦合与电感耦合2 部分相叠加，耦合电压增加；当被扰导线靠近施扰导线负载端的时候，电容耦合与电感耦合2 部分相减，耦合电压较小。当脉冲信号在施扰导线上传输时，耦合电压仅在脉冲的上升沿或下降沿处出现，可以以此作为标准来分析噪声信号的源头来自哪路脉冲信号[9]。

2.2 电容性耦合和电感性耦合的干扰

电容性耦合是可以看作是发射导线通过两导线间的互电容将能量耦合到接收导线上，两线路之间的互阻抗耦合，互阻抗是两导线间的互电容。电容性耦合模型和等效电路如图2。

图2 电容性耦合模型和等效电路Fig.2 Capacitive coupling model and equivalent circuit

根据等效电路图，干扰电压U2为：

式中：U2为干扰电压；C2为互电容；R1为干扰线路对地电阻；C3为干扰线路对地电容；U1为施扰电压。

当导线上的电流发生变化时周围的磁场将发生变化。此时，若有其他的导线在这个变化的磁场中，则该导线上会产生感应电动势。于是，1 根导线上的信号就耦合进了另1 根导线，这就是电感性耦合。主要是低电压、大电流干扰源产生电感性耦合干扰。电感性耦合模型和等效电路如图3。

根据等效电路图，干扰电压U3为：

式中:U3为干扰电压；M1为互电感；R3为干扰线路对地电阻；U1为施扰电压；R1为施扰线路对地电阻；L1为施扰线路电感；R2为干扰线路对地电阻；L2为干扰线路电感。

图3 电感性耦合模型和等效电路Fig.3 Inductive coupling model and equivalent circuit

从电容性耦合模型、电感性耦合模型可知，两线路之间的耦合量与电路阻抗、干扰信号频率、互电感以及互电容等因素有关，而互电感、互电容与导线离地高度、间距、屏蔽层接地方式以及有效耦合长度有关。显而易见，降低导线间电磁耦合可增大线路间路、屏蔽接地等等，其中增大线路间距最为有效。

2.3 电容性耦合和电感性耦合同时存在的干扰

上述耦合模型以及其耦合电压的表达式都是假定电场耦合、磁场耦合单独存在的情形，但在实际中，电容性耦合和电感性耦合同时存在。由模型分析结果可知，在导线的每一端，由这2 个干扰源相加得到总干扰，磁场耦合电压串联于接电路中，电场耦合电压并联在接收电路中。在近端负载以及远端负载上，磁场耦合产生的电流方向相反电场耦合产生的电流方向一致。对于远端负载，电场耦合电压减去磁场耦合电压就是串扰耦合电压；对于近端负载，电场耦合电压与磁场耦合电压的叠加就是串扰耦合电压。在频率较低时，串扰耦合电压由电容性耦合以及电感性耦合2 部分组成。远端串扰耦合是2 种耦合的相减，近端串扰电压则是2 种耦合的叠加，所以，远端串扰电压小于近端串扰电压。

2.4 电容性耦合解决措施

通过对电缆串扰机理的分析，合理控制电容耦合与互感耦合（减少磁通量），可以有效减少电缆串扰的影响。

通过采用低输入阻抗的电路，可以降低被扰电路的输入阻抗，减少串扰电压。

屏蔽电缆的屏蔽层需要和参考地电位低阻抗相连，并且屏蔽电缆两端裸露出来的导线必须保证越短越好。

当干扰信号导线采用单点接地时，低频情况下，被扰导线的屏蔽层也需要采用单点接地，来抑制施扰信号的干扰。

当被扰导线的长度超过干扰信号波长的1/20或频率较高时，屏蔽电缆的屏蔽层采用多点接地方式，比较常用的接地方式为2 点接地，而且接地间隔要小于干扰信号波长的1/20。

两导体间距离的增加，单位长度寄生电容减小，可抑制电容性耦合骚扰电压；电缆距离地面高度增加，导线对地的电容减小，敏感电路电缆尽可能靠近巷道壁敷设。

2.5 电感性耦合解决方法

对于互感耦合，单纯将屏蔽层接地不起作用，必须将屏蔽层双端接地，屏蔽层双端接地使被扰导线的屏蔽层与地构成的回路产生感应电流，从而生成与原磁场方向相反的新磁场，可以减弱互感耦合。

根据磁场随距离的增加而衰减，适当的增加被扰导线和施扰导线之间的距离或调整2 个回路之间的相对角度，可以有效地减小互感；条件允许的情况下，适度的减小施扰电路的电流和施扰电路的回路面积；被扰电路的信号线与信号地线尽量靠近。

3 电缆的分布参数对电磁兼容的影响

3.1 分布参数的概念

在煤矿安全监控系统中，电缆在煤矿井下信息的传输中扮演着重要的角色。通过研究电路基础知道无源网络是由电阻、电容和电感组成的集中参数网络，其中电容器和电感器分别占电场能量和磁场能量的绝大部分比重，并且电阻还把消耗的电磁能转化成热能。但是，通讯线缆却不尽相同，传输线缆的每一部分都是存在电场和磁场的，而且可以发生能量的转变，比如说电磁能向热能的转换。通过分析可以知道，电缆上是存在电阻、分布电容、分布电感和绝缘电导等参数的，而且在电缆的电磁兼容特性中，产品能否通过电磁兼容测试都会受这些因素的影响，经验数据为:对直径2 mm 以下的导线，其分布电容和电感分别是1 pF/inch 和1 nH/mm。

由相关试验数据可知：弱电电缆在巷道同一侧布置时，电缆间距离增大，互电容减小较快，间距为5 cm 时, 电容为9.77 pF；间距为10 cm 时, 电容为7.85 pF；间距为50 cm 时，电容为5.40 pF。但随着距离的进一步增大，电缆间互电容变化变缓慢，当电缆悬挂在巷道的两侧时，即电缆间距离在400 cm 左右时，电容约为3.85 pF。信号电缆随距离地面高度增加，电缆对地电容减小，在开始10 cm 范围内，电缆对地电容减小较快，当高度增大到一定程度后，电缆对地电容变化变缓。

《煤矿安全规程》第四百六十五条规定：“井筒和巷道内的通信和信号电缆应与电力电缆分挂在井巷的两侧，如果条件受限，在井筒内，应敷设在距电力电缆0.3 m 以外的地方，在巷道内，应敷设在距电力电缆上方0.1 m 以上的地方；高、低压电力电缆敷设在巷道同一侧时，高、低电压电缆之间的距离应大于0.1 m；高压电缆之间、低压电缆之间的距离不得小于50 mm[10]。”

3.2 电缆传输不同信号的电磁兼容解决措施

对电缆合理的进行分类，也可以起到对电缆电磁干扰的抑制作用。根据电缆对信号传输的方式，一般对低压电缆分为4 类：低电平模拟信号电缆或高速数字通信信号电缆、低速数字通信线缆或模拟信号电缆、直流电源线或控制信号电缆和传输强干扰信号的电缆。

第1 类电缆的传输信号特点为传输信号极其敏感，一般为放大器前端的毫伏级的电压信号或网线，电缆应该采用屏蔽的措施，条件允许可以采用屏蔽双绞线电缆；第2 类电缆的传输信号特点为传输信号敏感，如煤矿井下常见的一般仪器仪表的信号、RS485 和RS422 等通信网络；第3 类电缆的传输信号特点为能够传输弱干扰信号的电缆，通常在使用此类电缆的同时只需采取合适的滤波措施，就能很好的抑制相关干扰；第4 类电缆的传输信号特点为能够传输强干扰信号的电缆，如电动机、利用射频发射技术的一些设备、变频器等可以产生强干扰信号的设备所用的电缆，这些电缆都是没有经过相关滤波、屏蔽等干扰抑制措施的。

针对电缆存在的一些分布参数，不同类型的电缆在布线和安装的时候，线与线之间应当保持一定的距离，不能交叉重叠，特殊情况下可以采用直角交叉走线；由于煤矿井下特殊环境因素的制约和影响，在布线的时候应当根据实际情况进行合理布线，尽量避开开关设备与动力设备所在位置，而且在煤矿井下布置电缆时，应以实际出发，控制线与线之间的间距，以避免干扰为前提的情况下走线，不同类型的电缆之间的间距也是不一样的，需要注意得是，当煤矿井下平行的电缆走线长度增加时，需要适当的增加线与线之间的距离；另外，形成电缆束的电缆一定是同类电缆，在其附近设置一条参考地电位，可以有效提高抗干扰能力，抑制辐射干扰。不同类型电缆之间的最小间距如图4。

4 结 语

图4 不同类型电缆之间的最小间距Fig.4 Minimum distance between different types of cables

对煤矿监控系统矿用通讯电缆的电磁辐射，矿用通讯电缆端口干扰，电磁场对电缆的干扰，煤矿井下相邻电缆之间电容性耦合、电感性耦合的信号串扰以及矿用通讯电缆的分布参数对电磁兼容的影响等进行了分析研究。通过采取有效的措施可对辐射干扰、差模干扰、共模干扰和电缆分布参数几方面进行合理控制，对煤矿井下系统中的传输线路和接地系统进行日常维护可改善了因电缆所产生的电磁干扰影响，很好地提高了煤矿井下工作环境的安全系数和生产效率。