矿用本安型传感器浪涌仿真与整改思路范文

摘要：以煤矿本安型传感器为试验对象，利用ADS仿真软件对浪涌抗扰度试验进行模拟;针对试验中施加正向浪涌干扰，传感器端电压出现反向缺口复位重启的现象，通过变量扫描仿真分析探讨了模型中各参数对反向缺口的影响。仿真结果表明：传感器的4种等效模型不影响仿真波形，但TVS会加速缺口的产生，作为辅助设备参与试验的供电电源内阻会对端电压波形产生较大影响，而置于TVS前端的电感和二极管都对反向电压缺口有改善作用。

关键词：煤矿本安型传感器；电磁兼容；浪涌抗扰度；仿真分析；参数扫描分析

煤矿井下巷道呈条状分布、空间有限，各种大型或高频电气设备产生的电磁骚扰影响着矿井监控和通信系统等电子设备的正常工作[1-2]。浪涌作为一种常见的干扰形式，是开关电源设备、变频设备等大功率设备的启停引起的一种瞬态的过电压和短路电流，对电子设备的破坏也最为严重[3]。目前对矿井浪涌的电磁特性及防爆壳体对浪涌屏蔽效能等方面研究取得了部分成果[4-8]，但对煤矿产品特别是本安型设备的浪涌抗干扰设计方面的文章较少，大都是一些综述性或通用性的整改建议[9-11]。与非煤行业相比，煤矿本安型设备以性能判据A通过浪涌抗扰度试验仍是各厂家公认的难点，这从最新的标准[12]和通知[13]对浪涌抗扰度试验要求仅为判据B可以体现。其原因一方面是受制于煤矿安规[14-17]的特殊要求[18]；另一方面是各企业技术人员整改时，大都直接移植其他领域成熟的防护电路来作试探性的测试，对试验机理和瞬态过程研究不深，以至于无法准确把握整改方向。为此以本安型传感器为研究对象，针对电源端口浪涌抗扰度试验的具体问题，利用仿真软件对试验现象进行分析研究。

1浪涌抗扰度试验现象及仿真模型建立

1.1试验现象按照标准[19-20]要求，进行传感器直流电源端口浪涌抗扰度试验，传感器作为被试设备（EUT），稳压源作为辅助设备（AE），采用发生器直接注入的方式进行，试验电压为线-线1kV（3级），正负各5次，脉冲间隔时间1min。在传感器初级整改后，仍会在正向浪涌抗扰度试验中出现复位重启，通过示波器对传感器电源入口电压捕捉发现，在施加+1kV浪涌干扰时，传感器电源端电压出现近500μs的反向电压缺口，稳压源输出电压也出现下降。正是此缺口造成了传感器的短时断电复位。为解决这一问题，利用ADS软件对该试验进行仿真，以便分析各电路参数对反向缺口的影响，理清后续整改思路。

1.2仿真模型建立浪涌抗扰度试验仿真模型由发生器、耦合去耦网络（CDN）、被试设备（EUT）、辅助设备（AE）4部分组成。

2仿真模型参数变量分析

在仿真模型中，发生器和CDN模型参数是确定的，EUT和AE的参数并不确定，了解各参数对波形的变化影响，有助于后续传感器电路的整改设计。将传感器等效电路中保护器件TVS去除，分别在传感器等效为纯电阻R等效、RC等效、LR等效、LRC等效的4种情况下进行仿真，传感器仿真波形如图2。如图2（a），传感器电源端口电压与浪涌发生器输出电压基本同步，随着发生器浪涌电压回落0轴振荡一起振荡，因没有钳位器件存在，所以幅度更大，出现的反向电压缺口也都在500μs左右，与图2（b）加入TVS时的波形比较可得，TVS的引入在钳位浪涌高压保护传感器的同时也加速电压反向缺口的产生。

3仿真整改思路探讨

第2节中，对Li的扫描仿真分析显示，位于TVS后端的电感虽然无力减小反向缺口，但其缺口波形呈现出了些许变化。因电感对高压不敏感，且电感本安参数取值较电容相对宽裕，可从实际电路设计和整改出发，考虑将TVS前端串入电感，再次进行仿真。

4结语

1）浪涌抗扰度试验中，本安型设备受储能元件容量限制，无法与CDN中大电容大电感抗衡，浪涌干扰的反向振荡会引起反向电压缺口，电压型防护器件会加速这种缺口的到来。2）本安型传感器浪涌抗扰度试验中，为其供电的辅助设备参数可能会影响试验的最终结果。3）本安允许的条件下，在电压型浪涌防护器件外部串联电感，有助于缓解反向缺口。4）浪涌抗扰度试验中，二极管的应用对于改善反向缺口具有重要作用，但需要注意其选型。

参考文献：

［1］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．

［2］王丹．煤矿井下电力电子设备电磁干扰的研究［D］．上海：上海交通大学，2009．

［3］朱文立，陈燕，肖猛，等．电磁兼容设计与整改对策及案例分析［M］．北京：电子工业出版社，2012．

［4］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．

［5］孙继平，陈辉，李琼琼．矿井浪涌脉冲辐射电磁场研究［J］．北京理工大学学报，2011，31（11）：1360－1364．

［6］孙继平，郑召文，冯德旺，等．长方体隔爆壳体对浪涌电磁辐射屏蔽效能研究［J］．太原理工大学学报，2010，41（3）：287－289．

［7］郑召文，杨利霞．圆柱形隔爆壳体对浪涌电磁辐射屏蔽效能［J］．煤矿安全，2011，42（4）：160－162．

［8］郝明．煤矿瓦斯监控系统电磁兼容性研究［D］．济南：齐鲁工业大学，2014．

［9］汪学明，张立斌，蒋泽，等．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，2009，35（5）：103．

［10］巩建福，路恒，罗衍鑫．基于矿用监控系统的电磁兼容研究［J］．电子质量，2016（2）：70－72．

［11］薛鹏飞，刘玉龙，荆雅光．煤矿安全监测系统的浪涌防护分析［J］．大众标准化，2017（4）：36－39．

［12］AQ/T6201—2017煤矿安全监控系统通用技术要求［S］．

［13］煤安监函〔2016〕5号．国家煤矿安监局关于印发《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》的通知［Z］．

［14］GB3836．4—2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备［S］．

［15］MT209—1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求［S］．

［16］MT210—1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法［S］．

［17］国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［M］．北京：煤炭工业出版社，2016．

［18］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.

［20］GB/T17626．5—2008电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验［S］．

作者：张子良1，2，3单位：1．煤炭科学技术研究院有限公司，2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，3．北京市煤矿安全工程技术研究中心