煤矿电力设备防电磁干扰研究

随着现代科学技术的发展, 电子及电气设备的应用越来越广泛, 这些设备在

实际运行中构成了复杂的电磁环境, 由此产生的强电磁干扰信号将影响设备本身

的正常运行。为解决这一问题, 许多国家和组织都对电子电气设备及系统的电磁

兼容性制定了相应的标准, 电磁兼容包含两方面的内容:电磁敏感性和电磁干扰性。电磁干扰产生的三要素是:电磁干扰源、干扰传播路径和敏感设备。电磁兼容问题的研究是围绕电磁干扰的三要素进行的。自20世纪70年代, 电力电子设备广泛地应用于工业、医疗、家电等领域, 它们所产生的电磁干扰问题也越来越引起了人们广泛的关注。

一、煤矿井下特殊的电磁环境

1. 特殊的工作环境

煤炭立井开采是由地面开凿几百米深井, 在井下挖掘出各种纵横交错、形状不同、长短不一的巷道, 在巷道的一端布置开采工作面进行采煤。原煤经过采煤机割采, 沿井巷输送机械运送到井下煤仓, 再由提升机将原煤提升到地面。原煤开采过程中的一些辅助设备由井下电力机车运送。

煤矿井下巷道截面狭窄、潮湿、矿尘大, 有瓦斯、一氧化碳等易燃易爆气体, 有硫化氢等腐蚀性气体。工作巷道布置复杂, 包括电力缆线、电力设备、通信设备。监控设备、电力机车轨道和架空线路、通讯电缆、控制缆线等, 都布置在截面有限的巷道中, 从而构成了煤矿井下特殊的工作环境。

2. 特殊的电磁环境

(1) 电磁干扰传播和耦合的特殊性。煤矿井下狭小的限定空间和巷道环境, 如巷道截面形状、尺寸、煤岩体、弯曲、分支、倾斜、通风设施等, 会形成特殊的电磁传播和耦合干扰路径;煤矿井下采用中点不接地式的供电系统, 其干扰传播与耦合也不同于地面中性点接地供电系统;另外, 煤矿井下的电压等级比较多, 都采用电力电缆供电, 供电距离远, 分支多, 电缆挂在巷道壁的一侧, 不同于地面电缆埋在地下或架空线。

(2) 用电设备的特殊性。煤矿井下的电气设备一般为防爆、本质安全型, 功率大, 位置相对集中, 起停频繁, 电磁脉冲干扰严重;矿井中电力机车的接触网, 电火花干扰严重, 沿巷道轨道分布的杂散电流传播路径复杂且干扰十分严重。

(3) 无线电频率传输电磁场的特殊性。煤矿井下现代通信设备的应用, 形成巷道传播模式的无线电频率传输电磁场。

(4) 煤岩体及瓦斯的电磁环境。煤矿井下煤岩动力变化过程中存在复杂的电磁环境, 煤岩中的瓦斯流随煤岩特性的变化, 具有参数和传播特性变化的电磁场特性。

二、煤矿井下电磁干扰问题

近些年来, 煤矿井下发生过一些与电磁干扰相关的问题:

近几年开始应用于井下的人员定位系统经常出现误报或漏报现象, 而这些产品在地面上应用都非常成功。

当采煤机或其他井下电力设备启动或停车时, 用于井下监测、监控的视频和通信系统会出现图像模糊或噪声干扰现象。

井下电力机车司控道岔有时会出现误动作, 造成撞车和人员伤亡事故。

我国煤矿超限误报警现象十分普遍, 导致一些系统出现瓦斯超限报警时, 不知是否应该采取相应措施。曾经发生过数起特大瓦斯爆炸事故, 造成大量伤亡。

三、防电磁干扰的措施

1. 屏蔽技术

屏蔽技术通过切断辐射干扰的耦合路径来抑制辐射干扰沿空间的传播。电磁干扰沿空间的传播是以电磁波的方式进行的, 屏蔽技术的本质是将关键电路用一个屏蔽体包围起来, 使耦合到这个电路的电磁场或电磁波通过反射和吸收衰减掉。屏蔽技术包括场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三种。

电场屏蔽使屏蔽体内的设备或电路不受外部电场影响, 也不会对外部电场产生影响。有些电力电子设备为免除干扰, 要实行电场屏蔽。例如整流桥的电源变压器, 在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并接地, 从而达到屏蔽效用。

磁场屏蔽是指对静磁场或交变磁场的屏蔽。磁场屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路, 对干扰磁场进行分流, 从而防止交变电场、交变磁场和交变电磁场的影响。

电磁屏蔽是利用集肤效应以阻止高频电磁波透入良导体, 它比静电屏蔽和磁场屏蔽更具有普遍意义。

2. 接地技术

接地技术对电力电子设备防电磁干扰问题有至关重要的意义, 接地技术按照其作用可以分为安全接地和信号接地, 其中安全接地又包括保护接地和防雷接地, 安全接地是采用低阻抗的导体将设备外壳连接到大地, 使操作人员不至于因为设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。保护接地是为绝缘损坏造成设备带电危及人身安全而设置的保护装置, 它有接地和接零两种方式。凡是采用三相四线供电的系统, 由于中性点接地, 所以应采用接零方式, 即将设备的金属外壳通过导体接至零线上。防雷接地是为防雷电而设置的接地保护装置, 通过将建筑物等设施或用电设备的外壳与大地连接, 为提供泄放大电流的通路。

信号接地是为设备、系统内部各种电路的信号电压提供的参考电平, 为电源和信号提供零基准电位。系统基准地与大地相连, 可保证设备工作稳定可靠, 抑制电磁干扰。信号接地的方式可分为四种:悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。

摘要：煤炭资源被称作我国工业的粮食, 随着科学技术的不断发展, 目前我国矿井下开始大量使用电子电力设备, 但是电子电力设备所造成的谐波危害和电磁干扰问题也越来越引起人们的关注, 本文分析了井下特殊电磁环境下电力电子设备产生的谐波干扰和电磁干扰特性, 提出了矿井下防止电磁干扰的对策。

关键词：电力设备,电磁干扰,谐波,矿井

参考文献

[1] 马伟明, 张磊, 孟进.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容.北京:科学出版社, 2007

[2] 郝晓冬, 乔恩明.电源系统电磁兼容设计与应用.北京:中国电力出版社, 2007