CN112462306B - 抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法，将两个或两个以上的磁电阻芯片安装于电缆外，通过电缆的参数R和r，电缆的电流IA、IB和IC值大小，及磁电阻芯片的安装角度，即可求出电缆任意一点的磁场值，可通过各处磁电阻芯片的磁场矢量和确定电缆磁场值与电流的关系。本发明提出了抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法，通过理论分析三相电缆周围的磁场分布，采用磁电阻芯片检测电缆周围的漏磁，结合相关算法确保有效的检测电缆的漏磁大小，防止在某处存在磁场抵消情况而引起误判，设计磁屏蔽结构，保证磁电阻芯片不受周围磁场干扰，有效的提高设备开停检测的稳定性和可靠性。
Description
技术领域：
本发明涉及煤矿监测技术领域，尤其涉及一种抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法。
背景技术：
开停传感器用于监测煤矿井下机电设备的开停状态，对保障井下的生产效率、人员安全性和机电设备的利用率有着十分重要的作用。目前，国内外大多数开停传感器采用线圈感应磁场强度，从而判断设备的工作状态，由于线圈探头的差异性大，不能定量的反映电缆中电流的大小与磁场的关系，因此不能很好的指导开停阈值的调节。然而井下电缆带有铠装层，会对磁场产生一定的衰减，从而导致传感器无法正确监测出设备的开停状态。此外，在井下干扰大，电缆不同位置磁场差异大，严重影响开停传感器的稳定性，因此影响煤矿安全监测系统的可靠性。
在其它行业中，磁场检测主要是基于霍尔(Hall)和磁电阻(MR)效应原理等。磁电阻(MR)效应是导体或半导体在磁场作用下电阻阻值发生变化的现象，主要有各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)、隧道磁电阻效应(TMR)。以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大，线性度差的缺陷。AMR元件其灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度，但是其分辨率较低。TMR具有更高的灵敏度，更宽的线性范围，但价格较贵。
此外，煤矿井下电缆复杂、干扰大，开停传感器易受外界干扰，偶尔误判等问题，严重影响了煤矿井下的安全生产和维护成本。
发明内容：
鉴于磁电阻检测原理在磁场检测中的诸多优点，本发明提出了将其应用于煤矿井下机电设备开停检测中，可定量的检测电缆周围的磁场与电流的关系，用于指导现场开停状态阈值的调节。
本发明涉及一种煤矿机电设备开停的抗干扰检测方法，用于提高煤矿设备开停传感器的稳定性和抗干扰能力。本发明提出了抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法，通过理论分析三相电缆周围的磁场分布，采用磁电阻芯片检测电缆周围的漏磁，结合相关算法确保有效的检测电缆的漏磁大小，防止在某处存在磁场抵消情况而引起误判，设计磁屏蔽结构，保证磁电阻芯片不受周围磁场干扰，有效的提高设备开停检测的稳定性和可靠性。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种抗干扰式煤矿机电设备开停检测方法，将两个或两个以上的磁电阻芯片安装于电缆外，通过电缆的参数R和r，电缆的电流IA、IB和IC值大小，及磁电阻芯片的安装角度，即可求出电缆任意一点的磁场值，可通过各处磁电阻芯片的磁场矢量和确定电缆磁场值与电流的关系。
在本发明一较佳实施例中，将两磁电阻芯片安装在电缆的S1和S2处，S1和S2夹角为120°，S1和S2到电缆中心的半径为R，其中电缆中心为O，A、B、C分别是电缆各芯线的位置，电缆中心到A、B、C芯线的距离分别为r1、r2和r3，设y轴与OA重合，则A点坐标为(0，r1)，OB、OC与x轴正方向的夹角分别为α、β，故B点的坐标为(r2cosα，r2sinα)，C点的坐标为(r3cosβ，-r3sinβ)，SA与x轴的夹角为γ，A、B、C三相电流分别为IA、IB和IC，
根据安培环路定理，可得到在S1处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
同理，可得到在S2处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
则r1＝r2＝r3＝r，α＝150°、β＝30°，由式(1)～(4)可知，当知道电缆的参数R和r，电缆的电流IA、IB和IC值大小，及芯片的安装角度γ，即可求出电缆任意一点的磁场值。
为了提高传感器的抗干扰性能，屏蔽周围电缆或设备的干扰，本发明设计一种抗干扰结构，两磁电阻芯片通过抗干扰结构安装于电缆外。
具体地，所述的抗干扰结构采用屏蔽材料制得的夹头，所述夹头内具有两个相对设置的塑料件，所述磁电阻芯片分别安装于所述塑料件内，将该夹头夹在电缆上，两塑料件与电缆表面相贴合。
本发明的有益效果是：
1、针对开停传感器现有检测方法的弊端，本发明将磁电阻检测技术应用于井下设备开停状态检测，可定量的检测出电缆周围漏磁和电流大小关系，用于指导开停传感器开和停动作阈值调节，解决现有开停传感器阈值难调节的问题；
2、本发明提出了一种三相电缆磁场检检方法，根据三芯动力电缆通电时周围的磁场分布，确定了磁电阻芯片合适的安装位置，并结合相关算法确保有效的检测电缆周围的磁场，解决现有开停传感器安装调试过程中难寻找合适的安装点的问题；
3、提出了将磁场屏蔽技术应用于外壳结构的设计中，以屏蔽周围干扰磁场，提高传感器的抗干扰能力，保证传感器稳定性和可靠性,降低传感器现场安装和调试工作量；
4、通过仿真验证，设计的结构安装方便，且可屏蔽外界磁场的干扰，提高了传感器的抗干扰性能。
附图说明：
图1为本发明的磁电阻芯片安装于三芯电力电缆的结构示意图；
图2为本发明的磁电阻芯片安装于抗干扰结构的结构示意图；
图3为本发明的抗干扰结构的防真模型的结构示意图；
图4为本发明的抗干扰结构采用不锈钢材料时的磁场分布图；
图5为本发明的抗干扰结构采用屏蔽材料时的磁场分布图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一般地，35kV以下的三相电力系统电缆输配电工程则多采用三芯电缆。如图1所示，将两磁电阻芯片安装在电缆的S1和S2处，S1和S2夹角为120°，S1和S2到电缆中心的半径为R，其中电缆中心为O，A、B、C分别是电缆各芯线的位置，电缆中心到A、B、C芯线的距离分别为r1、r2和r3，可设y轴与OA重合，则A点坐标为(0，r1)，OB、OC与x轴正方向的夹角分别为α、β，故B点的坐标为(r2cosα，r2sinα)，C点的坐标为(r3cosβ，-r3sinβ)，SA与x轴的夹角为γ，A、B、C三相电流分别为IA、IB和IC，
根据安培环路定理，可得到在S1处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
同理，可得到在S2处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
对于对称式三芯动力电缆，则r1＝r2＝r3＝r，α＝150°、β＝30°，由式(1)～(4)可知，当知道电缆的参数R和r，电缆的电流IA、IB和IC值大小，及芯片的安装角度γ，即可求出电缆任意一点的磁场值。可通过磁电阻芯片S1和S2处磁场矢量和确定电缆磁场值与电流的关系。采用两个磁电阻芯片检测电缆周围的磁场，防止在某一处磁场值为零时引起的误判，保证了传感器检测的可靠性。
为了提高传感器的抗干扰性能，屏蔽周围电缆或设备的干扰，本发明设计了一种抗干扰结构，如图2所示。抗干扰结构由金属件1和金属件4组成，金属件1和金属件4通过连接件5连接，两个磁电阻芯片分别安装于塑料件2和塑料件3内，所述的金属件1和金属件4采用坡莫合金屏蔽材料，使用时将抗干扰结构夹在电缆上，可有效的屏蔽外界电缆或设备对两个磁电阻芯片的干扰。
抗干扰结构的仿真效果图如图3所示，仿真模型中干扰电缆1电流为100A，距离外壳结构2距离15cm(一般煤矿井下电缆要求平行走线，相距为20cm)。
图4和图5分别是抗干扰结构为不锈钢和屏蔽材料时磁场分别效果图，由图4抗干扰结构为不锈钢时，抗干扰结构周围磁场约1.6高斯，图5抗干扰结构为屏蔽材料时，抗干扰结构周围磁场约0.2高斯，通过对比分析可知，屏蔽材料可有效的屏蔽外界磁场的干扰，保证了磁电阻芯片测量值的准确性，有效的提高了传感器的抗干扰性能。
需要说明的是，磁电阻芯片的个数及安装位置并不局限于本发明的描述或附图，屏蔽材料也不局限于坡莫合金屏蔽材料。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种抗干扰式煤矿机电设备开停传感器的阈值调节方法，其特征在于：将两个或两个以上的磁电阻芯片安装于电缆外，通过电缆的参数R和r，电缆的电流IA、IB 和IC值大小，及磁电阻芯片的安装角度，即可求出电缆任意一点的磁场值，可通过各处磁电阻芯片的磁场矢量和确定电缆磁场值与电流的关系；
将两磁电阻芯片安装在电缆的S1和S2处，S1和S2到电缆中心的半径为R，其中电缆中心为O，A、B、C分别是电缆各芯线的位置，电缆中心到A、B、C芯线的距离分别为r1、r2和r3，设y轴与OA重合，则A点坐标为（0，r1），OB、OC与x轴正方向的夹角分别为α、β，故B点的坐标为(r2cosα，r2sinα），C点的坐标为（r3cosβ，-r3sinβ），SA与x轴的夹角为γ，A、B、C 三相电流分别为IA、IB和IC，
根据安培环路定理，可得到在S1处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
；
同理，可得到在S2处的磁感应强度沿n方向和r方向的分量分别为：
；
则r1= r2= r3= r，通过电缆的电流IA、IB 和IC值大小，及芯片的安装角度γ，即可求出电缆任意一点的磁场值，定量的检测出电缆周围漏磁和电流大小关系，指导开停传感器开和停动作阈值调节。
2.根据权利要求1所述的抗干扰式煤矿机电设备开停传感器的阈值调节方法，其特征在于：两磁电阻芯片通过抗干扰结构安装于电缆外。
3.根据权利要求2所述的抗干扰式煤矿机电设备开停传感器的阈值调节方法，其特征在于：所述的抗干扰结构采用屏蔽材料制得的夹头，所述夹头内具有两个相对设置的塑料件，所述磁电阻芯片分别安装于所述塑料件内，将该夹头夹在电缆上，两塑料件与电缆表面相贴合。
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