中国防雷 · 2019年7月10日
煤矿安全监控系统
电磁兼容设计必要性研究
常琳 （安标国家矿用产品安全标志中心有限公司 ）
摘 要：
文章针对煤矿井下不同类型的电磁干扰，分析了煤矿安全监控系统的电磁兼容性，提出了提高煤矿井下安全监控系统等矿用设备的抗电磁干扰能力的的必要性方法，为煤矿安全监控系统的升级改造提供了技术支持，为煤矿的安全生产提供了保障。
关键词：
煤矿;安全监控;电磁兼容性;抗干扰。
0 引 言
煤矿安全监控技术及装备主要用于对井下瓦斯浓度等环境参数、电设备的工作状态进行监控，并实现超限报警、断电、撤人等功能，是煤矿安全生产最基本、最重要的安全保障。井下新型大功率电气设备的频繁启动和无线射频设备的增加，使监控系统设备经常受到强电磁干扰、部分传感器产生误报，导致系统运行不稳定、瞬间冒大数、误报警等现象比较普遍，严重影响安全监控系统的使用，造成一些矿井安全监控系统报警后，不立即采取断电撤人，而是查找监控系统是否又是误动作。一些煤矿对安全监控系统甚至一直处于一种“狼来了”的感觉中，从而导致真正的报警来了却不知道、不重视，最终酿成重大安全事故，极大损害了安全监控系统的可信度[1-3]。
煤矿常见的电磁干扰有浪涌、电快速瞬变脉冲群、静电放电和电磁辐射，它们的耦合途径和作用机理各不相同，对设备的干扰程度也不相同。
1 浪涌
浪涌是煤矿井下常见的电磁干扰形式之一，可能会导致煤矿安全监控系统设备重启复位、通信中断等现象，甚至可造成设备损坏以及系统瘫痪，对煤矿安全生产造成严重影响。浪涌的来源分为外部（雷电原因）和内部（电气设备启停和故障等）。煤矿一般具有良好的避雷和接地措施，所以雷击发生的概率较低，用电设备的损坏主要由内部浪涌导致。内部浪涌发生的原因和供电系统内部的设备启停和供电网络运行的故障有关[4-6]。
在煤矿电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统内部出现过电压。系统内的电浪涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占 80%。在供电系统引起的内部过电压的原因大致可分为：
（1）电力大负荷的投入和切除，如采煤机、掘进机等；
（2）感性负荷的投入和切除，如大功率电动机、变压器等；
（3）短路故障；
供电系统内部由于大功率设备的启停、线路故障、切换动作和变频设备的运行等原因，都会带来内部浪涌，给用电设备带来不利影响，造成数据丢失或设备损毁。 鉴于此种问题，此次煤矿安全监控系统升级改造要求定煤矿安全监控系统的交流电源端口 3级、直流电源端口与信号端口 2级浪涌（冲击）抗扰度实验，评价等级为 B。
2 电快速瞬变脉冲群
电快速瞬变脉冲群是国家标准中规定的典型瞬态电磁骚扰之一，它主要会出现在继电器触点弹跳、切断感性负载等操作时，其持续时间短、上升时间快、重复频率较高，但能量低，虽然设备的危害较小，不会造成设备的物理损害，但其干扰机理为电快速瞬变脉冲群对线路中半导体结电容单向连续充电累积，引起电路乃至设备的误动作，其累积效应会引起设备的误动作、误操作或显示紊乱等。电快速瞬变脉冲群会沿着导线或开关设备向空间辐射电磁波，对附近的弱电控制系统正常运行造成影响，特别是在煤矿井下的巷道中，由于空间狭窄、设备集中、电缆铺设长，电动机设备等设备启停频繁，造成电快速瞬变脉冲群产生的辐射骚扰更为严重[7-8]。
煤矿安全监控系统中加入电快速瞬变脉冲群试验及检验，其目的是验证电子设备对感性负载切换、继电器触点弹跳、高压开关切等引起的瞬时扰动的抗干扰能力。煤矿井下变压器、大功率电动机启停、馈电开关动作、机车上的设备及受电弓与接触网导线的不连续接触等都会产生电快速瞬变脉冲群干扰。
此次煤矿安全监控系统升级改造要求定煤矿安全监控系统应经过 2 级脉冲群抗扰度实验，评价等级为A。
3 静电放电
煤矿井下安全监控设备都处于瓦斯气体、煤尘等具有爆炸危险的工作环境，而且有时设备需要进行检修、频繁插拔接线等, 很容易产生静电（ESD）。静电放电可能引起静电吸附, 静电放电产生的电磁脉冲有可能引起设备内部电路芯片器件击穿。软击穿会造成器件的性能下降, 硬击穿可能一次性造成芯片介质击穿而烧毁, 以导致芯片永久性损坏。
静电能量的传播有 2 种方式：
（1）传导方式，通过导体进行电流泄放, 侵入电路内部，使芯片误动作甚至永久性损坏。
（2）放电电流:通过导体传播，激发经过的“天线”产生电磁波耦合到外界其它电路。如果感应的电压或电流超过抗扰度限值，该电路性能将下降或失效。
静电放电的起因有多种，主要是在低湿度情况下，通过摩擦等因素，使人体或设备积累了电荷。当带有电荷的人与设备或设备之间接触时，就可能产生静电放电。
静电放电可能产生的如下后果：
（1）直接通过能量交换引起半导体器件的损坏；
（2）放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作 。
4 电磁辐射
电磁辐射干扰主要是由无线传感器、本安手机、无线通信基站等无线通信设备，以及变压器、磁力启动器、高压开关、变频器等典型设备工作产生，影响电子设备的正常工作。
综上所述，煤矿井下电磁干扰普遍存在，并会对正常工作的电气设备产生不同程度的干扰。因此，2016 年 12 月 29 日，国家煤矿安全监察局科技装备司发布了《关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》,该通知对煤矿安全监测系统的抗电磁干扰能力提出的明确的要求。该通知要求安全监控系统及组成设备采用抗干扰（EMC）设计通过以下实验：地面设备 3 级静电抗扰度实验，评价等级为A；2 级电磁辐射抗扰度实验，评价等级为 A；2 级脉冲群抗扰度实验，评价等级为 A；交流电源端口 3 级、直流电源端口与信号端口 2 级浪涌（冲击）抗扰度实验，评价等级为 B。根据该要求对矿用监控、通信等设备进行电磁抗干扰设计能提高设备工作稳定性，减少煤矿人员设备的维护工作量，提高煤矿生产安全系数，提升生产效率。
参考文献：
[1]汪丛笑．煤矿安全监控系统升级改造及关键技术研究[J]．工矿自动化，2017，43(2)：1-6.
[2]孙继平.AQ 6201—2017《煤矿安全监控系统通用技术要求》（报批稿）［J］.工矿自动化，2017,43（7）：1-6.
[3]邹哲强, 张立斌, 蒋泽，等.煤矿监控系统产生伪数据的原因和应对措施［J］.工矿自动化，2013, 39（9）：1-4.
[4]张子良．煤矿安全监控系统浪涌防护技术研究[J]．工矿自动化，2018，44(1)：40-43.
[5]朱前伟.煤矿安全监控系统及组成设备抗干扰设计［J］.工矿自动化，2017,43（6）：18-21.
[6]张加易.矿用监控分站抗电磁干扰技术实现方法［J］.工矿自动化，2015,41（7）：104-106.
[7]孙继平，陈辉，姜烨.矿井电快速瞬变脉冲辐射特性研究[J]．北京理工大学学报，2013，33(6)：
628-633.
[8]汪学明，张立斌，蒋泽，朱前伟.煤矿安全监控设备的电磁兼容性分析与设计[J].工矿自动化，2009(5)：103-105.
本文收录在《第28届全国煤矿自动化与信息化学术会议18 暨第9届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集》
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