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1、安全监控系统的抗干扰与防雷技术及措施,抗干扰技术及措施一、干扰源、干扰种类及干扰现象传感器及监控系统在现场运行所受到的干扰多种多样;具体情况具体分析;解决的办法:采用模块化的方法，除了基本构件外，针对不同的运行场合，监控系统可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。,1、主要干扰源(1)静电感应 存在着寄生电容。(2)电磁感应 当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路。(3)漏电流感应 由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良。,(4)射频干扰 大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。如变频调速系统的干扰等。(
2、5)其他干扰 系统工作环境较差，还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。,2、干扰的种类(1)常模干扰 干扰信号的侵入在往返2条线上是一致的。这种干扰较难除掉。(2)共模干扰 干扰信号在2条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返2个线路中流过。,(3)长时干扰 长期存在的干扰，电源线或邻近动力线的电磁干扰都是连续的交流50 Hz工频干扰。(4)意外的瞬时干扰 在电气设备操作时发生，如合闸或分闸等，有时也在伴随雷电发生或无线电设备工作瞬间产生。,3、干扰现象发指令时，无规则地显示；信号等于零时，数字显示表数值乱跳；传感器工作时，其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合，且误差值是随机
3、的、无规律的；当被测参数稳定的情况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值；,与交流系统共用同一电源的设备工作不正常。干扰进入控制系统的渠道主要有两类：信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统干扰。,脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，所以在传输过程中，长线的干扰是主要因素。任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，线路中也不会建立起任何干扰电压。,由于煤矿井下变频设备的大量使用，造成了煤矿井下安全监控系统因遭受变频器干扰而发生误报警的事故
4、时有发生，变频设备的功率都比较大，运行时变频器会产生频谱很宽的强电磁感应谐波信号，它以像周围空间辐射的形式，而存在于井下的巷道中。安全监控系统的信号电缆，只要与变频设备在同一巷道中布置，就很容易受到这种强电磁波的干扰。,给井下的通讯和安全监控系统带来了极大的危害：其一，在变频过程中产生大量的频率辐射，会影响其所使用的整个供电系统，使所处在该系统的电器设备的电源都受到了污染；,其二，井下变频设备安装运行后，上述矿井的安全监控系统先后出现了大面积的高值报警、断电异常现象，造成瓦斯频繁超限断电。从地面监控机房调取瓦斯曲线观察，当井下变频绞车开启电源时，原来纯净的瓦斯曲线立刻变成了密集毛刺形不规则曲线
5、，并且其瓦斯浓度会升高0.5%以上。当井下变频设备启动时，产生的强磁干扰直接导致了监测信号的失真，形成高报断电。,井下变频设备停的瞬间发出的电磁干扰同巷道内敷设的瓦斯监控电缆信号传输。井下机电设备在开启和关闭瞬间能产生极强列的电磁干扰脉冲，从分站到传感器线路都比较长，传感器线路与动力电缆平行地挂在一起，且敷设于巷道的同一侧，等效于一个紧耦合回路。强大的电磁脉冲比常规信号电平还要高，能轻而易举的窜进分站中，很难分辨是正常信号还是干扰脉冲。,系统上传数据与现场实际明显不符，严重影响了瓦斯监控系统的正常运行，为煤矿安全生产埋下了极大的安全隐患。频繁的电磁启动脉冲与信号叠加后就会造成严重的干扰，通常系
6、统采用软件来消除其瞬间的干扰，但却造成信息采集延迟，使系统反映速度变得迟钝，反而造成整个系统的不稳定。,二、抗干扰的措施1、供电系统的抗干扰设计 对传感器、监控系统正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。,(1)用硬件线路抑制尖峰干扰的影响 常用办法主要有三种：在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性；在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲；在仪器交流电源的
7、输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。,(2)利用软件方法抑制尖峰干扰 对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。干扰途径：供电系统干扰，最严重，最广泛经验积累。通道干扰，通过前向通道，后向通道及其他主机之间的相互通道进入单片机系统.,系统误报问题在使用管理过程中发现,各矿井、各系统均存在一个共性问题,即在系统的实时监测中,会不定时地出现一个或几个峰值,峰值数值一般会达到38%40%以上,持续时间极短,只有几秒或十几秒,且出现这种峰值时,断电仪一般不会动作,所以我们称之为“误报”
8、。,1)系统原因。由于各种系统所采用的误码检验方法不同,在信息传输过程中系统本身即存在一定的误码率。2)电磁场干扰。煤矿井下条件复杂,而且,随着机械化程度的提高,各种大功率设备、变频控制技术被广泛应用,由此而引起的强电场、强磁场会对传输线路产生干扰。,3)电源故障。为监测分站或瓦斯传感器供电的电源发生故障或有较大的波动时,偶尔会产生误值。4)线路原因。线路原因包含两方面的内容,一是传感器电缆或主干通讯电缆发生故障时,二是瓦斯传感器线路延伸或回收过程中,在这两种情况下容易造成信号短路,从而形成高值。,5)传感器设计原因。有部分瓦斯传感器由于设计上的原因,当为其接通电源时,在送电瞬间会产生一个高值
9、。6)传感器故障。由于瓦斯传感器所处环境一般比较恶劣,在使用过程中可能会发生被砸坏、进水等意外情况,或者由于没有做到及时维护和及时调校,致使传感器量程偏移、精度下降等。,7)其它装备原因。监测接线盒进水或发生故障、监测分站通讯模块发生故障、设备老化等,也会影响到数据的传输。8)调校和试断电。当维护人员按规定周期对瓦斯传感器进行调校和进行断电试验时,会产生短时间的高值。,三 监控系统提高抗干扰措施（1）外部抗干扰措施。电源抗干扰措施：在机箱电源线入口处安装滤波器或UPS。隔离措施：交流量均经小型中间电压、电流互感器隔离；模拟量、开关量的输入采用光电隔离。机体屏蔽：各设备机壳用铁质材料。必要时采用
10、双层屏蔽对电场和磁场。通道干扰处理：采用抗干扰能力强的传输通道及介质。合理分配和布置插件。,（2）内部抗干扰措施：对输入采样值抗干扰纠错；对软件运算过程上量的核对；软件程序出轨的自恢复功能。,（3）目前矿井中使用的变频设备越来越多，且行业内没有对这类产品造成的电源污染进行规范约束，给矿井中使用的电子仪器带来灾难性后果，监控系统虽然具有很强的抗干扰能力，但在超强的电磁干扰环境下，依旧会发生分站通信被干扰阻塞，严重时会反复启动，传感器遇压制性干扰时分站会时断时续显示断线遇到此类问题首选是让分站远离变频设备、避免与变频设备使用同一台变压器电源供电、调整信号线走向和传感器电缆走向、传感器使用屏蔽电缆，
11、且将屏蔽层与本安公共端相接。,2 变频干扰的解决方法1)采用屏蔽电缆传送监控系统信号这是一种利用屏蔽电缆中的金属屏蔽层将干扰信号屏蔽、阻挡，不让干扰信号侵入到电缆芯线上，从而避免了正常信号遭受干扰信号的侵扰。实践证明，这种屏蔽电缆对不太强的干扰信号，是有一定效果的，但对较强的干扰信号仍然不能完全阻挡和屏蔽。,2)加装交流电抗器和直流电抗器当变频器使用在配电变压器容量大于500KVA，且变压器容量大于变频器容量的10倍以上，则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡，且不平衡率大于3%时，变频器输入电流峰值很大，会造成导线过热，则此时需加装交流电抗器，严重时则需加装直流电抗
12、器，以降低总谐波电流畸变。如图,3)变频器的隔离等措施变频器系统的供电电源与其它设备的供电电源相互独立，或在变频器和其它用电设备的输入侧安装隔离变压器，或者将变频器放入铁箱内，铁箱外壳接地。同时变频器输出电源应尽量远离控制电缆敷设(不小于50mm间距)，必须靠近敷设时尽量以正交角度跨越，必须平行敷设时尽量缩短平行段长度，输出电缆应穿钢管并将钢管作电气连通并可靠接地。,4)可操作性有效解决方法(1)常检修传感器电缆的连接。定期更换传感器接插件;消灭接头氧化故障;杜绝使用伪劣的信号电缆。(2)在有干扰的巷道内严格规定传感器电缆不与动力电缆挂在同一侧帮上，应分两侧吊挂。,(3)条件允许情况下，瓦斯传
13、感器通信电缆推荐使用带屏蔽层的，并且屏蔽层要连接传感器外壳，并两端都要单独接地，可有效避免变频干扰。(4)在变频调速器前面加装“动力电源滤波器”、进(出)线电抗器，变频器与电机之间的动力电缆要穿钢管并单独接地。(5)变频器的外壳接地要单独设置，不能与井下设备接地共用。,(6)根据变频器外形尺寸加工一个铁箱，用铁箱把变频器全部罩起来，铁箱单独接地。(7)瓦斯监控系统的供电电源不能与变频器电源共用一台变压器。,5）强信号传输法 监控系统中从传感器到分站的信号电缆，是遭受干扰的重灾区。现有监控系统中，大部分厂家都采用电流为1毫安左右的频率信号传送传感器至分站的信号。这种弱信号是极容易被外来杂波信号干
14、扰的适当的加大信号的强度，使得在该信号附近即便产生最严重的干扰，也不致影响正常信号的传输。究竟需要多强的信号才合适，可由现场实际测试决定。,其他(1）使用隔离变压器使用隔离变压器主要是应对来自于电源的传导干扰。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。同时还可以兼有电源电压变换的作用。,(2）使用滤波模块或组件目前市场中有很多专门用于抗传导干扰的滤波器模块或组件，这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。,(3）选用具有开关电源的仪表等低压设备一般开关电源的抗电源传导干扰的能力
15、都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了有关的滤波器。因此在选用控制系统的电源设备，或者选用控制用电器的时候，尽量采用具有开关电源类型的。,(4）作好信号线的抗干扰信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。,采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。,无论是为了干扰，都还应该做到以下几点：（1）输入线路要尽量短。（2）配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有
16、屏蔽的金属管内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上。,（3）为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。（4)在使用以单片机、PLC、计算机等为核心的控制系统中，编制软件的时候，可以适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。,5)解决方法1)对于系统原因,与厂商、研制单位共同研究、分析现场资料,对系统的各个环节进行完善,改进误码校验方法,提高传输质量。2)对于电磁干扰,采用以下方法:加屏蔽罩,监测电缆与动力电缆分钩吊挂,并严格限定距离,将监测电缆的屏蔽层全部接地,安装监测装备时避开有强电场、强磁场的地方等。3)为监测监控装备设专用电源、专用开关
17、,从而确保监测监控系统供电的可靠性、稳定性。,4)完善技术规程和操作规程,要求各操作工严格按章操作,建立健全考核制度并严格考核,最大限度地杜绝人为因素造成的数据误码。5)对瓦斯传感器及其它老化设备进行更新、改造、功能完善,从硬件方面减少发生误码的几率。6)对系统软件进行修改、完善,如增加判断次数、根据不同状态位设置特殊标志,根据不同标志设置不同提示,对故障进行辩识后对其进行“过滤”处理等。,目前使用的监控系统传感器信号向分站传输大都采用2001000Hz频率制式，分站采用脉冲计数方式工作，抗干扰防卫能力很差，遇有线路接触不良或电磁干扰就会造成假象信号。煤矿井下特殊狭小的现场环境，传感器连线与动
18、力电缆很难分开铺设，有些地方干脆就是挂在同一个电缆挂钩上，大型电器设备启动和停止时会释放出极其强烈的电磁脉冲辐射，强干扰脉冲能在瞬间完全淹没传感器信号，结果就造成了“冒大数”现象。,井下分站和地面计算机根本无办法识别这些干扰信号，常使系统频频发生误报警，造成难以克服的“大数干扰”，这种干扰问题普遍存在于目前使用的各种系统中。为了克服脉冲干扰，许多系统都采用软件干扰滤除方法，即把传感器多次采集结果进行比较，经过多个采集周期后才能确认超限信息的“有效性”，为了加强滤除干扰能力，需要反复进行多次过滤，结果但带来的是系统反应迟钝，使真实超限的数据迟迟不能被反映，根本无法达到煤矿安全监控标准30秒的最低
19、要求。,如：现场大耗能设备多，特别是大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰；工业电网欠压或过压，常常达到额定电压的35左右，这种恶劣的供电有时长达几分钟、几小时，甚至几天；各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚；多路开关或保持器性能不好，也会引起通道信号的窜扰；,空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作；,防雷技术与措施一 雷电侵袭监控系统前端的途径雷电袭击外场建筑物设置的避雷针、地面金属突出物、高压电塔等一切与大地有直接联系或接地的导电体后引起的雷电电磁脉冲感应过电压，这
20、个感应电压感应到监控系统的（来自机房输出的低压信号）电源线路、控制线路、信号线路等，造成过电压破坏监控系统内部电路，信号输入口和控制信号输入口。,二 监控系统防雷 监控系统防雷保护，雷电具有极大的破坏性，其电压高达数百万伏，瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次：设备损坏，人员伤亡；设备或元器件寿命降低；传输或储存的信号、数据（模拟或数字）受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。,传输线路的防雷a)监控系统主要是传输信号线和电源线。室外的电源可从终端设备处引入，也可从监视点附近的电源引入。b)控制信号传输线和报警信号传输线一般选用芯屏蔽软线
21、，架设（或敷设）在前端与终端之间。,三 防雷措施（1)传输干线全部更换屏蔽线，井筒电缆钢用丝凯装线，并且从井底到机房不要设接头，直达机房，电缆的屏蔽网（包括铠装钢丝）上下两头分别可靠接地，特别是地面干线尽可能避免架空走线，必须走明线时要用钢绞线吊挂，钢绞线两端可靠接地。,（2）有条件的话地面线路可以考虑采取埋地走线方案，穿入钢管作防护外皮埋入地下能取得良好防雷性能。（3）如果实在没有条件使用屏蔽电缆，把四芯电缆中的二根剩余芯线，在井上井下分别良好接地，也可有效吸收感应能量获得明显的保护作用,（4）传输线终端的井上下分别加装避雷器，不可以只安装地面，忽略井下。安装线路避雷器，可以得到很好的保护效
22、果，千万不要拆掉避雷器运行系统！（5）避雷器的保险管被击断后，要换上相同容量的备用保险管，当地购买不到相同规格保险管尽快与厂家联系，切不可以用大容量的代换。,（6）信号传输线不要同动力电缆挂在同一侧邦上，更不要挂在同一个电缆钩子上，否则动力电缆发生瞬间短路的浪涌电流会在传输线上感应出数千伏电压，能量非常强大。（7）避雷器的接地线要良好接地，特别是安装在井下的避雷器尤其重要。,（8）雷电大作时，特别在机房附近落雷时，建议关闭地面主计算机，然后拔下主机和接口的电源插头，接有局域网的也要拔下网线插头，这样可以有效的保护计算机不被雷电击毁，但不能保护井下设备，只停电不拔下插头，主机照样容易被雷击毁。,
23、（9）计算机外壳接地不能改善防雷性能，恰恰相反，机器外壳悬空能有效阻断放电通路，更有利于防雷。（10）改用光纤信号传输，可以彻底杜绝线路雷击损坏。,举例1：1系统防雷击能力在使用管理过程中发现,夏天雷雨季节期间监测监控系统相对容易发生故障。一方面,夏季的高温、潮湿会影响到设备的绝缘、电缆的屏蔽、电缆的老化,从而影响信号的传输,造成数据的不准确；而更为严重的是,有时因为雷电会造成部分区域通讯中断、数据丢失、毁坏系统重要模块,甚至造成中心站主机毁坏导致系统瘫痪。,2 原因分析 发生这些现象后,对现场进行了详细查看,对毁坏的模块进行详尽地研究与认真分析,认为是由于系统电子设计问题致使部分监测系统存在
24、着不同程度的防雷能力缺陷。当携带有很大能量的雷电击中系统防雷能力较薄弱的通讯传输线路,尤其在击中有一定高度的架空传输线路后,尽管监测监控传输线路使用的全是屏蔽线缆,并要求做可靠接地(如果屏蔽效果不好,接地质量较差则更危险),但雷电的危险能量仍能窜入线路中,并进入正在运行的设备,这样,轻则造成设备、线缆损坏,发生通讯中断、数据丢失等上述现象,重则造成系统瘫痪,更为严重的还有可能因设备损坏造成电火花外漏,由电火花引起井下瓦斯和煤尘的爆炸。,3解决方案针对这些现象以及形成原因,对其他兄弟矿井正在使用的多种安全生产监测监控系统的防雷技术进行了全面的调查研究,并与一些厂家进行了技术研讨,最后提出了如下解
25、决方案:在地面中心站机房外被避雷系统保护的区域距中心站有一定距离的范围内,加装一级安全栅;在入井的主干通信线路上,距分站距离较近的安全地带也加装一级安全栅,用这两个安全栅来吸收线路上传来的雷电能量,即让雷电能量首先冲击安全栅,由安全栅负责将雷电能量及瞬间电压电流峰值限制在一个安全值内,然后再传到中心站计算机和分站计算机接口,这样就可解决雷击损坏设备的问题。,在本方案中,音频耦合变压器起着将本安侧电路与非本安侧电路隔离的作用。电路采用了过流过压双重保护措施。采用齐纳二极管限压,发生雷击时,当瞬间电压峰值超出齐纳二极管的峰值时,齐纳二极管击穿短路,将能量释放。当线路峰值电压过去后,齐纳二极管又恢复
26、正常工作。需要注意的是,为保证电路在正常工作时该安全栅不影响监测监控系统的正常通讯,在设计电路时,所选择的齐纳二级管其峰值击穿电压要大于通信信号的峰值电压。,4 应用效果由于该安全栅具有较强的吸收雷电冲击波的功能,所以只要电路参数设计合适,雷击危险能量就能够在安全栅上大部分被吸收掉,没有被吸收的剩余能量，即使传到中心站和分站,也不至于构成威胁。因此,该方法能够较好地解决雷击危害问题。而且投资很少,现场解决起来较易实现,是一种既简单可行,又经济安全的解决方案。,举例2小型煤矿不合理的电网结构造成的。地方小型煤矿为了减少建设成本，绝大部分没有设采区变压器，380伏动力电源由地面直接引入井下，引入电
27、缆的架空安装，将井下机电设备直接暴露在大气放电感应的威胁之下，它和大型矿井有采区变压器隔离的环境相比截然不同，大型矿井的6600伏隔爆变压器有良好的绝缘性能，还设有二氧化硅避雷器保护，雷电感应只作用于一次高压线上，二次很少能受到雷电打击。小型煤矿由于没有变压器隔离，雷电感应浪涌电压亟易从动力电源引入井下，多数击穿分站电源变压器。,举例3地方小型煤矿对线路避雷器的作用存在误区认为雷击只是从传输线路引入的，还有人误认为线路避雷器是万能的，甚至将其与建筑物上的避雷针等同起来，错误的认为只要地面安装一台避雷器，就可以确保全矿系统平安无事，由此许多煤矿只在地面安装了线路避雷器，井下线路没有安装，电源进线
28、没有安装，结果一旦矿区遇有雷暴天气，地面计算机保护住了，井下分站甚至传感器遭到严重损坏。,除了大气放电造成的强电磁干扰外，还有一种来自矿井内部动力电源故障浪涌电流造成的破坏，后者的破坏力往往远高于雷电的损坏力，特别在动力电源设备发生击穿短路、电缆短路放炮、电缆弧光短路等情况时，动力电源的相间会发生严重的不平衡。击穿点对地短路，造成很高的跨步电压（不同位置的两点大地电位差），能造成井下现场接地点与地面机房接地点很高的电位差。信号传输线跨接在这个高电位差的两地之间，与仪器之间形成放电回路，能在很短的时间内烧焦电路板，并使其碳化击穿，会破坏整个网络。用户往往在没有发生雷雨的季节也发生了击穿损坏，这就
29、是动力电源浪涌造成的破坏。,其它：规定如果发现瓦斯含量超过1.0，必须在10分钟内查明原因报回煤管局，半个小时之内必须使瓦斯降到1.0以下，听着到是很合理。但实际操作起来根本不可能，我们发现瓦斯超限，汇报回矿调度室，矿调度室再汇报给值班矿长，矿长再通知到井下的通风队长，队长再通知给负责这个工作面的瓦斯员，等瓦斯员等了超限区域查明情况，再通知井上，怎么也的20分钟以上，但煤管局的规定是如果超过10分钟没有报回结果，就的罚款，虽然并不是每次都罚，但带来的后果是，煤矿根本不敢把瓦斯传感器，安装到工作面，只能安装到通风好的风筒附近，那儿通风好不会出现瓦斯超限的结果，工作面的工人还是用自带的瓦斯检测器来检测瓦斯，几十万的设备只是用来应付检查罢了。,
