矿用气体传感器现场电磁干扰分析与抗干扰优化

2022-05-23张子良

煤矿安全 2022年5期

张子良

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

煤矿井下环境复杂、空间相对封闭且电气设备多，安全监控系统传感器除受到环境温湿度、煤尘、振动等影响，还会受到电磁干扰[1]。随着《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的实施[2-3]，煤矿安全监控系统升级改造工作接近尾声，升级后的系统抗电磁干扰能力显著提升，可以对浪涌、脉冲群、射频电磁辐射等干扰形式起到一定的免疫效果。但在已经完成安全监控系统升级改造的矿井中，仍然存在传感器被干扰的情况[4]：部分气体传感器会时常出现“上大数”的现象，特别是布置在大型变频设备附近的传感器出现的频次更高，初步判断为传感器受到变频器发出的干扰所致。为明确传感器受影响的具体原因，解决“上大数”问题，对该区域的电磁环境进行了实地测量，分析电磁骚扰特性，并借助ADS 软件对现有传感器的滤波效果仿真计算，查找问题原因，有针对性地采取整改措施。

1 矿井电磁干扰源

井下电磁环境具有一定的区域性，区域中的某些典型设备在工作时会产生电磁骚扰[5]，干扰周围设备的正常运行。

在问题区域，对“上大数”的传感器进行了2 项试验：①保持变频器通电运行，以变频器为原点，将传感器位置逐步远离观察现象；②改变变频器工作状态，观察传感器现象。在试验1 中，将传感器逐步挪至70 m 远的位置，始终会出现“上大数”现象，只不过频次随距离增加有所减弱；试验2 中，停止变频器输出驱动，保持输入侧正常供电，整流单元正常运行，此过程也会持续产生干扰，影响传感器，只有在完全关闭变频器时，传感器才不会出现“上大数”的情况。因此可以确定，引发传感器故障的干扰源就是变频器，且变频器作为典型的干扰源，在整流和逆变时都会产生干扰[6-8]，而且干扰传输距离较远。

为明晰为何已具备一定抗干扰能力的传感器此时仍会出现电磁干扰问题，进一步对干扰源进行了频谱测量分析。矿井变频器现场辐射测量示意图如图1。

图1 矿井变频器现场辐射测量示意图Fig.1 Schematic diagram of on-site radiation measurement of mine frequency converter

使用手持频谱仪进行现场电磁辐射骚扰测量，按照图1 标识的方式对变频器5 个方位点及其线缆进行测量（测量频谱图略），结果发现变频器线缆的辐射骚扰幅值最强。

将手持频谱仪测量天线距离线缆d=0.2 m，进行了2～50 MHz、20～200 MHz、70～1 000 MHz 3 个频段的测量，测量值统一换算为dBμV，变频器电磁骚扰峰值见表1。

表1 变频器电磁骚扰峰值Table 1 Electromagnetic disturbance level values of frequency converter

综合2～1 MHz 全频段频谱分析，939 MHz 频率附近出现明显发射信号，这部分频率正好与井下GSM信号和对讲机通信频段相吻合，且在现场测试环境背景噪声测量时检测到该信号，而在整个频率范围内除该频点区域外，55 MHz 以上的频率未出现其他明显发射信号，故认定939 MHz 频点信号为正常矿井通信信号，与变频器发射的电磁骚扰频率无关。

从表1 可以看出，变频器发出的电磁骚扰主要集中在50 MHz 以下，且低频干扰分量较严重，在2.72 MHz 出现干扰峰值，达到了97.50 dBμV。当变频器运行时，就形成了1 个中低频干扰源，其连接的电缆可作为天线向外辐射，形成电磁辐射干扰。

传感器的抗电磁干扰性能须满足标准AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》，该标准规定的抗干扰试验中，射频电磁场辐射抗扰度试验的测试频段仅为80～1 000 MHz，并没有覆盖到80 MHz 以下范围。因此，当传感器部署在变频器附近区域时，就有可能在其设计时未考量到的频率范围内（80 MHz 以下）形成电磁干扰而出现“上大数”的现象。

需要指出的一点是，井下巷道多弯曲和分支[9-10]，空间有限，能在很大程度增加电磁波的衰减率[11-12]，大功率电器设备的金属外壳也会屏蔽对外界的干扰[13-15]。理论上，变频器自身发出的空间辐射干扰并不能较远距离传输，但实际试验中远离变频器70 m的传感器却仍会受到干扰。

2 电磁干扰耦合途径

煤矿安全监控系统具有测点多、分布广、传输距离长等特点[16]，特别是传感器与分站的距离从几米到数千米不等。又因巷道为条状分布、空间有限，传感器线缆往往与高压动力电缆近距离平行敷设，共存长度可达几公里。传输线的天线效应以及可与干扰频段波长相比拟的线缆长度使得传感器可以感应到的干扰频段下限会降至很低，从而容易受到来自大型设备的启停以及变频设备产生的电磁干扰。

线缆是系统最薄弱的环节，是高效的电磁波接收天线和辐射天线[17]，也是干扰传导的良好通道。大量理论与工程实践表明，大型设备产生的电磁骚扰很少通过直接辐射的方式对外形成干扰，但其连接的线缆可提供另外的传输路径和天线效应。这一点在实际频谱测量中也有所体现。

根据矿用变频器的结构及电路功能可知，变频器的整流电路与逆变电路是其产生电磁干扰的主要源头，其产生的骚扰能量通过传导和辐射2 种途径对传感器产生了影响。其中，传导干扰指变频器的电磁能量以电压或者电流的形式直接通过线缆耦合至传感器；辐射干扰指变频器产生的电磁干扰辐射，干扰能量通过空间电磁波的形式对传感器产生干扰。传感器耦合方式示意图如图2。

图2 传感器耦合方式示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor coupling mode

具体地，传感器受到来自变频器干扰的可能耦合路径可概括为以下3 种：①传感器本安电源箱的交流供电与变频器的交流供电来自于同一条供电线路，那么变频器发出的电磁骚扰就可以通过线缆以传导的方式干扰到传感器；②当传感器距离变频器较近时，变频器可以通过其线缆天线直接辐射影响到传感器；③当传感器距离变频器较远时，由于传感器的线缆与变频器的线缆近距离平行敷设了一段距离，根据传输线理论，传感器线缆会感应来自变频器线缆的电磁发射，形成串扰，进而又通过线缆传导至传感器形成干扰。

经过实际传感器及变频器的布线勘查，该传感器受到来自变频器干扰的耦合路径为第③种，这也解释了远离变频器70 m 的传感器仍然会受到干扰可能性。

在明确变频器辐射发射频段及干扰传感器的耦合路径后，传感器的优化整改则会更加有的放矢。当然，传感器可以采用屏蔽线缆的方式来降低变频器线缆串扰的几率，但这无疑会大幅增加成本，而通过调整传感器端口滤波器参数来解决干扰问题是比较经济可行的。

3 滤波器参数仿真分析与优化

3.1 现有滤波器参数仿真

利用ADS（Advanced Design System）仿真软件对滤波器性能进行仿真及优化。滤波器的重要特性是插入损耗，插入损耗就是滤波器对传导骚扰衰减的能力。

在ADS 仿真软件中绘制传感器现有滤波器电路，放置50 Ω 端口负载，进行滤波器S 参数仿真，S21参数值即为滤波器的插入损耗，其绝对值越大表明对电磁骚扰的抑制作用就越强。优化前滤波电路如图3，现有滤波器电路由Y 电容C1、C2以及2 个串联的共模电感L1、L2组成，Y 电容位于2 个共模电感之间，C1=C2=100 pF，L1=L2=1 μH，S-Param 设置初始频率10 kHz，截止频率1 GHz，步进1 MHz。运行S 参数控件进行仿真，优化前滤波器插入损耗分析结果如图4。

图3 优化前滤波电路Fig.3 Filter circuit before optimization

图4 优化前滤波器插入损耗分析结果Fig.4 Analysis results of filter insertion loss before optimization

从仿真分析结果可以看出，传感器现有滤波电路的插入损耗在80 MHz 可达到27.57 dB，且随频率增加而增大，80 MHz 以下则较小，而在实际使用过程中受器件寄生参数影响，其真实插入损耗会比仿真值更小，也就是说该滤波器对于80 MHz 以下的传导骚扰抑制能力较弱。在实验室对传感器进行150 kHz～80 MHz 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验时，传感器会复现“上大数”的现象，此结果与传感器在变频器附近的现象相吻合。这也正说明了传感器虽然可以通过80～1 000 MHz 射频电磁场辐射抗扰度试验，但对于变频器发出的80 MHz 以下的电磁骚扰仍然没有免疫能力，因此也就出现了“上大数”的现象。

针对这一问题，若能够有效提高80 MHz 以下低频段电磁骚扰的抑制能力，即可满足实际需求。因此，需要对滤波电路进行设计优化。

3.2 优化后滤波器参数仿真

滤波电路及参数的优化需要保证在原有80 MHz 以上滤波插入损耗不降低的基础上，提高80 MHz 以下电磁骚扰的抑制能力。优化后的滤波电路如图5，将Y 电容C1、C2移动至共模电感L1、L2最前端，并且将其参数调整为C1=C2=2 200 pF，L1=L2=10 μH，S-Param 设置不变，再次进行S 参数仿真计算，优化后滤波器插入损耗分析结果如图6。