0 引 言
随着开采的深入，煤矿全岩巷道不断增加，掘进、开采等装备向超重型大功率方向发展[1]的同时，矿山正迎来从数字化时代到智慧化、智能化的时代[2]。王国法院士提出，智慧煤矿与智能化开采近期发展目标是初步构建智慧煤矿系统框架，实现采掘运主要环节单个系统、单项技术的智能化决策和自动化运行，实现工作面内无人操作、有人巡视、远程监控的自动化生产[3]。这其中的关键技术之一就是提升元部件及整机可靠性。
一方面，煤矿装备科技水平的提升使井下电气设备正在向多元化、大型化、高电压、大功率方向发展。变频器等非线性电气设备在大功率采煤机、掘进机、输送机、提升机等机电设备中大量应用，这些大功率设备产生了多种类型的电磁干扰。而井下巷道、工作面等狭小封闭空间中密布各种金属管线加剧了电磁干扰，井下作业空间的电磁环境变得更加复杂。目前国内外尚无专门针对煤矿井下电磁环境全面、系统的研究，大多数矿用电气设备制造厂家也对电磁兼容设计检测不够重视。
随着煤矿精准化、智能化开采的不断推进，对井下生产设备过程控制的精准度、监控通信系统信息传输的可靠性等方面的要求也越来越严格，一个可控的电磁环境和设备一定的抗干扰性是实现煤矿智能化的前提条件。近几年，国家煤矿安全监管部门也针对影响范围大、产生后果严重的重点设备提出了电磁兼容方面的管理要求：《煤矿安全规程》(2016版)第437条要求“电力电子设备或者变流设备的电磁兼容性应符合相关标准规定”，煤矿安全监控系统升级改造方案也对系统的电磁敏感度提出考核要求。2019年1月国家煤矿安全监察局公布《煤矿机器人重点研发目录》。智能传感、精准控制、信息安全是机器人在井下正常工作的技术基础，而电磁兼容性是机器人正常工作的必要条件，直接影响煤矿机器人智能控制有效性、动作执行准确性与信息传输可靠性。2019年8月，有关部门组织煤矿机器人相关技术研讨时，明确要求借鉴国家机器人CR认证做法，要求煤矿机器人进行电磁兼容针对性设计与试验考核。而目前行业内电磁兼容标准还不成体系，有些产品标准中引用了一些标准，大部分电子电气产品标准中还没有电磁兼容的要求。并没有根据井下电磁环境特点制定全面的有针对性的标准框架。对于实现井下设备电磁兼容、尤其是智能煤矿的建设，对井下电磁环境的研究和健全标准架构成为亟需解决的问题。
1 煤矿井下电磁环境分析
相比军工、汽车、高铁、消防、电力、医疗等领域，煤炭行业在电磁兼容方面的基础性研究、技术储备严重不足。“十二五”期间，国家发改委和中煤科工集团有限公司联合投资，新建了12个国家级安全监管监察技术支撑实验室，其中涉及电磁兼容检测检验的有北京、上海、常州、重庆4个实验室，检测资源包括10 m法半电波暗室1个、3 m法电波暗室3个、传导抗扰度测试屏蔽室3个以及一批专用检测测试设备，累计投资1亿多元。已建成的电磁兼容实验室具备国内外较为先进的检验能力，测试功能完善，检验项目齐全。近2年这些专业实验室开展了一系列电磁兼容测试与研究，对相关标准、井下设备、环境的电磁干扰情况进行了初步的研究，了解到井下电磁环境的一些特征。
电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括2个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性[4]。由于欧美的煤矿的开发几乎停滞，对井下电磁环境的国内的相关研究较多。
1.1 变频器的电磁干扰
随着煤矿井下大型电气设备逐步增多，井下电磁环境日趋复杂，多个研究机构对井下干扰情况进行了测试。如邹哲强[5]对煤矿井下中低频段电磁干扰进行了测量与分析，提出变频器的干扰频谱范围较宽，在1 200 MHz以下，井下电机车的干扰在300 MHz以下；变电站的干扰在180 MHz以下；文献[6-8]对煤矿综采工作面电磁骚扰情况进行了研究，研究表明综采工作面的变频器附近辐射电场骚扰严重，提出频段主要集中在200 MHz以下；并对传导的浪涌、脉冲群干扰进行了研究[9-11]。郭建[12]对矿用变频器引起安全监控系统误断电问题进行了探讨，张帆[13]对煤矿井下电机车电磁干扰情况进行了探讨，冯德旺等[14]对煤矿井下电磁环境测试方法进行了研究，认为煤矿井下电磁环境具有区域性，典型设备是其电磁特性的主要影响因素。
自从国家煤矿安全监察局2016年开始对煤矿安全监控系统进行升级改造，特别提出了增强抗电磁干扰能力，提升了新一代监控系统的质量和可靠性，大幅降低了安全监控系统的误报警、损坏等情况。但在实际应用中发现，新安全监控系统在运行过程中仍有被干扰现象产生。经过对冀中、神东等多个煤矿新安全监控系统运行进行调研，并对从中发现的干扰问题进行了现场测试和分析。从现场情况看，大多都是附近变频器产生的干扰引起了安全监控系统的工作不正常，典型的现场干扰测试值如图1、图2所示。
图1 带式输送机变频器的干扰情况
Fig.1 Interference circumstances of belt conveyor converter
图2 通风机变频器干扰
Fig.2 Interference of ventilator converter
由现场测试数据发现，变频器的干扰频谱分布非常宽，在高频几十兆赫兹处干扰分量仍然较大，低频干扰分量较严重，图1中干扰在1 MHz左右出现干扰电压峰值，超过90 dB·μV，超过了相应频率标准限值的要求。在测试中还发现变频器输出电源线的干扰最为严重，由于PWM信号谐波丰富，即使在高频段也有非常大的干扰。变频器电源输出端干扰情况见表1，在距离输出电源线10 cm时用场强仪测试在整个频段的干扰场强为20～30 V/m，说明在靠近变频器时辐射干扰达到标准中最严酷的30 V/m四级要求。但随着距离的增加迅速衰减，在1 m左右的距离就衰减到2 V/m左右。
表1 变频器电源输出端干扰情况
Table 1 Interference circumstances of power supply output for converter
频率/MHz干扰场强/(V·m-1)10cm测试距离1m测试距离121.201.3681025.632.5623024.701.80110027.951.52350029.481.436100022.051.317
1.2 射频干扰
井下的无线设备和信息技术设备会产生各种频段的射频电磁波。比如计算机、无线基站、无线分站、无线传感器、无线网关、WiFi、对讲机等无线设备。某矿井中央变电所的干扰情况如图3所示。
图3 中央变电所的干扰
Fig.3 Interference of central substation
图3中显示在几百兆赫兹频段有密集频谱发射，说明有一些信息设备在工作。巷道里频谱仪测到的空间辐射干扰情况如图4所示，从频段和波形可以看出是无线通信基站在工作。
图4 巷道里的基站信号
Fig.4 Base station signal in the tunnel
1.3 电压跌落
井下不仅有变频器的干扰，还有其他电气开关动作、切换时负荷产生的浪涌、脉冲群、电压跌落、谐波干扰等。图5和图6是在开关切换时，使用电能质量记录仪测试井下监控系统用电源箱用127 V电源线和660 V电源线上的电压变化和跌落情况。
图5 井下127 V电压跌落
Fig.5 127 V voltage drop in underground mine
图6 井下660 V电压跌落
Fig.6 660 V Voltage drop in underground mine
从图5、图6可以看出，井下的电压变化和跌落是非常频繁的。在井下短时间的监测就采集到127 V的供电电压跌落达到近20%。
1.4 工频磁场
井下由于大功率设备集中，部分供电电缆聚集且电流较大，引起的磁场干扰也不可忽视。图7是某矿一处水泵房的磁场强度，50 Hz时磁场强度达到0.19 μT，这个场强已经接近危险值。
图7 井下水泵房的磁场强度
Fig.7 Magnetic field strength of water pump in undergrouncl mine
上面介绍了几种被忽略的电磁干扰形式，其他常见的干扰如浪涌、脉冲群干扰比较常见，而且也已经引入到安全监控系统的标准中，在此就不一一赘述。
2 行业电磁兼容技术发展及存在问题
2.1 井下的干扰类型和强度超过了控制类设备抗干扰性能设计
井下的干扰类型多、频率范围宽、尤其是大功率设备干扰强度很大，会严重影响控制类智能设备的稳定可靠运行。尽管新安全监控系统在抗扰度方面做了很多工作,在运行过程中仍有被干扰现象产生。
分析安全监控系统受干扰的原因：升级改造技术中对其提出了4项电磁兼容性试验，包括静电放电、浪涌冲击抗扰度、电快速脉冲群抗扰度、射频场辐射抗扰度试验，这4项抗扰度试验提出了最通用的干扰类型。其中浪涌和脉冲群试验是瞬态抗扰度试验，考察线路中出现由于开关闭合或大功率负载通断产生的瞬态冲击干扰下设备能否正常工作；射频场辐射抗扰度试验是对稳态干扰的抗扰度试验，考察了被测设备对80～1 000 MHz频段辐射干扰的抵抗能力。
然而实际中还存在干扰问题分析如下：①井下最大的干扰源变频器等产生的主要低频干扰分量主要分布在80 MHz以下，在这个频段也应对监控系统的抗干扰性进行考察验证。但是射频辐射发射抗扰度低频只能做到80 MHz，这个频率以下的干扰会从空间辐射耦合到敏感设备的线缆上，通过传导的方式进入设备端口，这时就需要做射频场感应的传导骚扰抗扰度试验补充，考察设备对低频干扰的敏感度。②即使在80～1 000 MHz，射频场辐射抗扰度试验对安全监控系统要求是2级，即3 V/m，从现场测试数据来看，靠近变频器的位置很容易就超过了这个限值。③在频率超过1 GHz又有无线通信、WiFi等设备基站的无线电波干扰信号，现有的监控系统、人员定位等设备工作频率已经提高，超过1 GHz的射频辐射干扰也可能影响其正常工作。④井下频繁发生的电压跌落、电压变化甚至短时中断、以及电源谐波、间谐波等问题通过线缆耦合传导的方式也可能会影响监控系统及其他的控制系统的可靠性和稳定性。⑤一些图像传感器、感性元器件容易受到磁场的干扰而产生误差或失效，而承载大电流的电缆、大功率设备附近存在强磁场，靠近的自动控制设备就需要考虑抵抗磁场干扰的性能。
矿用电气电子设备标准体系的不完善、行业里产品标准中电磁兼容要求缺失或者频段覆盖不全、强度不够，在产品设计和验证中没有考虑到这样的干扰情况，实际应用中就有可能被干扰而产生工作不稳定现象。
2.2 大功率设备电磁发射强度没有有效控制
一方面提高敏感设备抗干扰水平，另一方面也要限制干扰源的发射水平。根据目前的国家标准GB 4824—2013《工业、科学和医疗(ISM)射频设备 骚扰特性 限值和测量方法》中规定了工业设备的通用骚扰限值[15]，GB 12668.3—2016《调速电气传动系统 第3部分:产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法》[16]规定了调速系统的通用骚扰限值。如其中第5.3.18.6条规定了电磁辐射限值，变频器工作时产生的电磁骚扰应不超过高频辐射骚扰场强限值，见表2，测量距离为10 m；5.3.18.7中规定了骚扰电压限值,见表3。
表2 高频辐射骚扰场强限值
Table 2 Disturbance limit of high frequency radiation
频段/MHz准峰值/(dB·μV·m-1)30～23050230～100060
表3 低频传导骚扰电压限值
Table 3 Disturbance voltage limit of low frequency transduction
频段/MHz准峰值/(dB·μV)平均值/(dB·μV)0.15～0.50100900.50～586765～309080
在矿用产品安全标志审核发放实施规则里，矿用防爆高压变频器安全技术要求[17]中规定了3.3 kV以上电压的变频器的上述辐射骚扰和骚扰电压限值；矿用低压变频调速类产品安全标志检验规范[18]中规定了低压变频器的辐射骚扰和骚扰电压值参照GB 12668.3和MT 1099[19](MT 1099辐射骚扰限值更严格)。这些要求都规定了仅延续检验进行该项目试验。在检验细则中并没有对测试环境和变频器测试状态进行规定，但变频器的带载、功率输出、频率等参数会影响到测试结果。
井下除大功率变频设备会产生宽频的干扰，一些通信设备、信息设备也会产生高频干扰。要保证井下电磁环境可控，必须严格限制干扰源的电磁发射。
3 矿用设备电磁兼容标准框架建议
国际标准IEC61000-2系列描述了电磁环境的分类，以及典型环境的电磁兼容水平的评估，如工业环境、发电厂环境等。抗扰度水平、发射水平以及裕量等参数构成了整个环境的兼容水平。用电磁兼容水平的概念描述一个环境的电磁兼容特性，在该骚扰水平下，此电磁环境以给定概率(95%)满足电磁兼容性。
如图8所示右侧曲线是设备的抗干扰性能的概率密度分布，左侧曲线是干扰源的干扰强度概率密度分布。设置的兼容水平即是干扰发射的限值和抗扰度等级，若在限值以内，干扰发射小于设备抗干扰等级，能保证设备以较高概率(95%)维持在正常运行状态。阴影部分5%为干扰发生的概率，即干扰值大于敏感设备的抗扰度水平的概率。如果对干扰发射有更严格的限制，使规划水平或评估水平比兼容水平提高(图8中向左移动的虚线)，就可降低干扰发生的概率。对于煤矿应用来说，可以把煤矿的应用分为几种典型区域，根据区域中的电子电气设备特性设置不同的兼容性水平。确定此环境中发射限值和抗扰度水平，是保证环境中所有设备实现电磁兼容性、提高智能设备可靠性的重要基础。在干扰源接入系统时要求骚扰发射水平不能超过兼容水平，而敏感设备的抗扰度水平必须大于兼容水平。不同的敏感设备可根据对干扰的敏感性或发射水平，对抗干扰项目进行裁剪，在产品标准中提出个性化的兼容需求。
图8 矿用设备电磁兼容水平
Fig.8 Compatibility level of mine equipment electromagnetic
总结前期研究和测试情况，井下的电磁干扰信号按照时间特性可分为瞬态干扰和稳态干扰。建议煤矿电磁兼容标准架构包括稳态发射参数、稳态抗扰度参数、瞬态抗扰度参数测试3类标准项目。稳态发射类的测试参数和测试项目包括：磁场/电场发射0～30 MHz，空间辐射干扰；射频电磁场辐射发射30～6 000 MHz，辐射干扰；传导骚扰电压9～30 000 kHz，线缆传导干扰；传导骚扰功率30～300 MHz，线缆传导干扰。
对应的抗扰度测试参数和项目包括：磁场抗扰度试验0～150 kHz；射频场感应的传导干扰抗扰度试验：150～80 000 kHz；射频电磁场辐射抗扰度试验：80～6 000 kHz。
这7个标准中不同的试验参数相互补充，覆盖了整个频段。电磁兼容标准覆盖频段如图9所示。
图9 煤矿电磁兼容标准覆盖频段示意
Fig.9 Frequency band of EMC standard in coal mine
对于瞬态干扰，应根据煤矿井下实际存在的干扰类型，如浪涌冲击、电快速脉冲群、电压跌落、谐波间谐波等类型，考虑井下应用区域位置、干扰的强度、根据不同设备的敏感性制定合适的抗扰度等级。
4 结 论
1)保持可控的井下电磁环境，实现井下设备的电磁兼容性，即要限制干扰源的发射，又要提高敏感设备的抗干扰能力，现场测试的干扰强度和频段范围有超出目前监控系统抗干扰要求的现象。应该根据煤矿电磁特性提出合理的兼容水平和标准框架。降低设备间发生干扰的概率，提高设备工作可靠性，是实现智能化矿井的基础技术。
2)井下的电磁环境中干扰有多种形式，低频干扰、电压跌落、射频干扰、磁场干扰等情况也是非常严重的。在井下关键的监控系统设计验证中应该考虑这些参数。
3)井下变频器发射干扰的频段很宽，低频分量较大，目前的射频辐射抗扰度试验不能覆盖80 MHz以下低频干扰，可以用射频场感应的传导抗扰度试验来补充。
4)建立煤矿设备电磁兼容的标准体系，可以使用不同标准的参数组合对整个频段进行覆盖。瞬态抗扰度试验应考虑井下实际干扰形式、设备的敏感性来确定标准参数等级。
由于电磁环境的复杂性和新装备、新技术的应用，对井下的电磁干扰情况还需继续进行监测和分析，以便更好地掌握井下电磁兼容规律，为无人工作面、智能矿井使用的精确控制设备提供技术支撑。
[1] 王焱金,张建广,马 昭.综掘装备技术研究现状及发展趋势[J].煤炭科学技术,2015,43(11):87-90,21.
WANG Yanjin, ZHANG Jianguang, MA Zhao.Research status and development tendency of mine fully-mechanized heading equipment technology[J].Coal Science and Technology, 2015, 43(11):87-90,21
[2] 李 梅，杨帅伟，孙振明，等.智慧矿山框架与发展前景研究[J].煤炭科学技术，2017,45(1):121-128,134.
LI Mei，YANG Shuaiwei，SUN Zhenming，et al.Study on framework and development prospects of intelligent mine[J].Coal Science and Technology，2017,45(1):121-128，134.
[3] 王国法,杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术,2019,47(1):1-10.
WANG Guofa,DU Yibo.Development direction of intelligent coal mine and intelligent mining technology[J].Coal Science and Technology,2019,47(1):1-10.
[4] 郭银景.电磁兼容原理及应用教程[M].北京：清华大学出版社, 2004
[5] 邹哲强，庄 捷，屈世甲.煤矿井下中低频段电磁干扰测量与分析[J].工矿自动化,2013,39(5)：1-5.
ZOU Zheqiang, ZHUANG Jie, QU Shijia.Measurement and analysis of electromagnetic interference in the middle and low frequency section of coal mine[J].Industrial and Mining Automation, 2013,39(5):1-5.
[6] 孙继平,郑召文,冯德旺,等.浪涌对矿井水泵房电磁环境的影响[J].煤炭学报,2010,35(2)：349-352.
SUN Jiping, ZHENG Zhaowen, FENG Dewang, et al.Impact of surge on electromagnetic environment of mine water pump house[J].Journal of China Coal Society, 2010,35(2):349-352.
[7] 陈 辉.煤矿综采工作面电磁骚扰的研究[D].徐州：中国矿业大学,2012.
[8] 冯德旺,任锦彪,崔婷婷,等.煤矿井下电磁环境测试方法研究[J].中国安全科学学报，2010,20(7):71-75.
FENG Dewang, REN Jinbiao, CUI Tingting, et al.Study on the measurement method of electromagnetic environment in coal mines[J].China Safety Science Journal, 2010,20(7):71-75.
[9] 孙继平，潘 涛，田子建.煤矿井下电磁兼容性探讨[J].煤炭学报，2006,31(3):377-379.
SUN Jiping, PAN Tao, TIAN Zijian.Discussion on electromagnetic compatibility of coal mine underground[J].Journal of China Coal Society,2006,31(3):377-379.
[10] 孙继平,王福增.煤矿井下电磁干扰对通信和监控系统的影响分析[J].工矿自动化, 2009, 35(2):23-27.
SUN Jiping, WANG Fuzheng.Analysis of the influence of electromagnetic interference on communication and monitoring system in coal mine[J].Industrial and mining automation, 2009, 35(2):23-27.
[11] 孙继平，任锦彪，冯德旺，等.煤矿井下变电所电气设备电磁辐射特性的测试[J].煤炭学报，2010，35(5):861-864.
SUN Jiping, REN Jinbiao, FENG Dewang, et al.Measurement of electromagnetic radiation characteristics of electrical equipment in underground substation of coal mine[J].Journal of China Coal Society, 2010, 35(5):861-864.
[12] 郭 建.矿用变频器引起安全监控系统误断电问题的探讨[J].工矿自动化，2012，38(12)：121-123.
GUO Jian.Discussion on power failure of safety monitoring system caused by mine frequency converter[J].Industrial and mining automation, 2012,38(12):121-123.
[13] 张 帆.煤矿井下电机车电磁干扰问题探讨[J].煤炭科学技术,2009,36(4):88-90,102.
ZHANG Fan.Discussion on electromagnetic interference of electric locomotive in coal mine[J].Coal science and technology,2009,36(4):88-90,102.
[14] 孙继平，郑召文，冯德旺.矿井浪涌脉冲电磁辐射特性的研究[J].煤炭学报，2009，34(5):707-710
SUN Jiping, ZHENG Zhaowen, FENG Dewang.Study on electromagnetic radiation characteristics of mine surge pulse[J].Journal of Coal Industry, 2009, 34(5):707-710.
[15] GB 4824—2013,工业、科学和医疗(ISM)射频设备 骚扰特性 限值和测量方法[S].
[16] GB 12668.3—2016,调速电气传动系统 第3部分:产品的电磁兼容性标准 及其特定的试验方法[S].
[17] ABGZ-MA-ABC-2017-01X，矿用产品安全标志审核发放实施规则 高压变频器[S].
[18] ABGZ-MA-ABD-2017-01，矿用产品安全标志审核发放实施规则 低压变频调速类[S].
[19] MT 1099—2009,矿用变频调速装置[S].
