浅析矿用电缆的电磁干扰分析

全胜

摘要：矿用电缆对电磁干扰性能有着较高的要求，其不仅影响着井下安全生产，而且影响着矿井的正常供电。电缆作为电子系统间的信息传输和供电传输载体，可以连接电力系统各个分工不同的部件，通过规划线路在系统内部让大量电缆有序布局。本文介绍了减小干扰的几种办法，并在此基础上，分析了滤波防护措施，以期有效降低电磁干扰。

关键词：屏蔽电缆;电磁干扰;滤波防护

一、减小电缆电磁干扰的常用方法

电缆是连接电子设备不同功能元器件的主要部件，通过电缆连接，可以实现各种信号、信息电流的传输与流通。但是，当电缆受到电流或电压干扰时，必定会对电子设备的正常运作产生不利影响。

1、减小差模干扰

差模干扰指的是干扰电压存在于信号线及其回线（一般称为信号地线）之间，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动。导致电缆出现差模干扰电流的因素很多，其主要原因在于电路或元器件运作时，产生噪声电流直接向电缆传输，通过传导作用到其他设备，进而受到很大影响。这些杂波电流的出现，极易影响设备运行效果，因此，需采取一定措施予以消除。其一，通过改变电路结构，或者采用高电磁兼容性器件从源头上避免噪声出现，达到有效抑制的作用;其二，通过滤波消除方式，阻止干扰电流传导到其他电路、设备。

2、减小共模干扰

共模干扰指的是干扰电压在信号线及其回线（一般称为信号地线）上的幅度相同，这里的电压以附近任何一个物体（大地、金属机箱、参考地线板等）为参考电位，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动。通常来讲，电缆上出现共模电流的原因主要在于3点，第一，外界电磁场在电缆中所有导线上感应出来的电压（这个电压相对于大地是等幅同相的），这个电压产生电流;第二，电缆两端的设备所接的地电位不同，在这个地电位的驱动下产生电流;第三，设备上的电缆与大地之间的电位差，这样电缆上会有共模电流。一旦设备在其电缆上出现共模电流，将会引发强烈的电磁辐射，进而对电子设备造成电磁干扰，不利于产品性能指标的精准性和稳定性。除此之外，若电路不平衡的情况下，共模电流将会向差模电流转化，这种情况下，差模电流同样会干扰电路。对于电子设备电路中的信号线及其回路来讲，差模电流流過电路中的导线环路时，必定会引起差模辐射，这种环路基本等同于小环天线，能向空间辐射磁场，或接收磁场。为此，应对环路大小、面积进行限制。

二、滤波防护措施

作为有效降低电磁干扰的方式，滤波防护可以有效抗干扰能力。电缆耦合的电磁干扰沿线传导，抑制这种传导干扰的方式即被称为滤波。相比工作频率，干扰源发出的电磁频谱较宽，通过滤波器，可以有效控制端接的电子系统输入带宽，对带外频谱能量进入电子系统起到良好的抑制效果，进而有效提升电子系统的抗电磁干扰能力。

1、滤波防护设计

（1）对电源线滤波防护

电源线的主要特点是将能量源源不断地输送给设备，一般为低频能量，比如直流电源和50Hz交流电。因此，将滤波防护用于电源线上，需要考虑滤波器的运行额定电流。通过大量分析可知，能够与屏蔽电缆发生电磁耦合作用的电磁脉冲频率相对于电源线上的工作频率略高，在滤波器设计和使用过程中，一般采用低通滤波器。除此之外，还要将非线性器件加设至滤波电路当中，比如压敏电阻等，从而有效提升滤波器对脉冲的防护能力。

（2）对信号线滤波防护

信号线的主要特点是承受能量小，根据不同信号其工作频率从低到高都有不同分布。因此在信号线上使用滤波防护时，需要考虑滤波器对工作频率的信号影响，因此设计滤波器的阻带应避开信号线上的工作频率。根据工作频率与干扰频率的相对大小，设计相应的高通滤波器、低通滤波器甚至带通滤波器。同样，可在滤波电路中加入瞬态抑制二极管（TVS）等限幅器件，进一步限制输出电压以保护内部电路。

2、滤波防护分析

（1）架空单导线。第一步，计算电缆不接滤波器时，在电缆终端负载Z1上强电磁脉冲的电压响应情况。设1m电缆长度L，半径r为1.52mm，3cm为电缆架设高度，端接Z1、Z2的50Ω负载，标准核电磁脉冲为入射波，垂直照射电缆。第二步，将π型低通滤波器接在电缆上，2MHz为滤波器的截止频率。第三步，通过仿真实验，可获取截止频率为2MHz的π型低通滤波器的S参数，进而获取π型滤波防护下的时域响应电压和频谱分布情况，最终得出，仅有0～2MHz的干扰信号通过了滤波器，其他频率成分均被滤除。

（2）架空屏蔽电缆。第一步，计算电缆不接滤波器时，在电缆终端负载上强电磁脉冲的电压响应情况。同样设1m电缆长度L，半径r为1.52mm，3cm为电缆架设高度，屏蔽层端接0.10Ω负载，标准核电磁脉冲为入射波，垂直照射电缆。由于本次测试采用的是RG-58 112编电缆作为屏蔽电缆，因此，分为内外传输线系统，其中外传输线系统的分布参数为L=0.735μH/m、C=15.135pF/m。内传输线系统的分布参数为Lin=0.245μH/m、Cin=83.78pF/m。通过计算的转移阻抗和转移导纳相关参数则主要如下：Zd=14.5mΩ/m、Lt=0.28nH/m、Ct=0.039pF/m。第二步：通过对比架空单导线无滤波防护下时域响应中负载Z1电压和架空屏蔽电缆无滤波防护下时域响应中负载Z3电压，响应规律趋势基本相同，但是峰值相差了3000倍左右，由此表明，在屏蔽层防护当中屏蔽电缆具有显著的效果，但并非绝对的。第三步：在无滤波器情况下，通过分析可知，0～200MHz为屏蔽电缆端接负载电压响应的频谱分布范围，同样使用2MHz截止频率的π型滤波器进行仿真分析。可以看出，负载Z3上的电压响应时域波形、频谱幅值在经过π型滤波器滤波之后，均呈现出减小的趋势，通过滤波器的仅有0～2MHz干扰信号，其他频率成分则被滤除。由无滤波防护下的频谱分布情况可知，200MHz频率以下的幅值相对较高，当此屏蔽电缆用于传输200MHz以上信号频率传输时，应采用高通滤波器设计，即200MHz为截止频率的滤波器，通过π型高通滤波器进行防护分析。通过分析通过π型高通滤波器滤波之后的负载Z3上的电压响应时域波形和频谱可知，200MHz以下的干扰信号都得到了有效抑制，仅保留了200MHz以上的频率成分。

四、结束语

综上所述，电缆多处于复杂的电磁环境中，为了减少电缆的受扰程度，往往采用具有屏蔽设计的电缆。在实际应用中，由于屏蔽电缆的屏蔽效果并非完全理想，很多时候由于成本等因素，往往会适当降低电缆屏蔽的效果。同时，由于单纯的屏蔽手段很难完全消除电磁干扰的影响和电磁耦合的威胁，因此，本文提出了滤波防护方案，希望通过多种防护方式的组合应用，进一步降低电磁耦合的干扰影响。

参考文献

[1]吉兰.长距离交流控制电缆电容电流电气故障分析及处理[J].新世纪水泥导报，2016（5）：72-74.

河南沈缆电缆有限责任公司，河南平顶山 467000