馈电传感器的检测及优化设计

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同  037000）

摘 要：馈电传感器在前期应用中存在明显的弊端，主要表现为安装难度大，接地处理容易出现误判问题，且在实际检测中探头的干扰现象较为严重，致使馈电检测的数据准确性受到一定影响。基于此类问题，本文先对馈电传感器的作用进行阐述，并分析其馈电检测原理，在此基础上，探讨馈电传感器的优化设计策略，希望通过对探头、极板和信号处理装置的优化处理能够增强馈电传感器的馈电检测效果。

关键词：馈电传感器；检测原理；控制开关；干扰

能源企业生产作业过程中，涉及的电气设备和机械设备类型较多，目前已经实现自动化控制目标。在井下作业过程中，各类控制设备开关的负荷状况是影响井下作业安全的关键性因素。当系统做出断电指令时，要求各控制开关做出断电动作，但如果控制开关负荷异常便可能出现误动作的现象，致使本应断电的设备还在继续作业，严重影响井下作业安全。由于井下控制设备开关负荷异常现象的发生频率较大，对能源企业作业安全的威胁影响较为严重，相关的《安全规程》中要求，在控制设备开关的负荷侧需要装设馈电传感器，主要用于监测控制开关的动作是否生效，是否成功断电。但前期所应用的馈电传感器在安装时通常需要进行接地处理才能保障监测数据的可靠性。反之，不仅会影响传感器的应用效果，还可能带来一定的安全隐患。然而，由于各类线缆众多，在接地处理时很容易出现误判或者干扰严重的现象。基于此类问题，有必要对馈电传感器进行优化设计，弥补在前期应用中存在的不足。

1 馈电传感器的作用

馈电传感器见图1所示：

图1 馈电传感器

馈电传感器的作用为，对电缆带电状态进行检测，同时能够将反馈电缆馈电状态的信号采集起来，为相关的馈电安全管理人员提供准确的数据支持。一直以来，由于井下作业的环境复杂，且需要设计的电气设备较多，井下电缆分布也十分复杂，如出现相互干扰现象必定会影响井下自动控制的效果。尤其是在现阶段，自动化控制技术已经覆盖大部分井下作业环节，如出现电缆馈电异常现象很可能影响井下用电安全。因此，需要借助馈电传感器针对电缆馈电状态进行实时监测，判断电缆为通电状态或者断电状态，分析电缆馈电状态与自动控制操作是否一致。应《安全规程》的要求，馈电传感器已经成为矿用本安设备之一，是能源企业开采作业中不可或许的一类传感器设备。但在前期应用中表现出了一定的不足，其中接地处理的难度较大，很可能影响馈电状态检测的效果。因此，需要结合前期的应用特点，对馈电传感器进行优化设计，确保在不接地处理的情况下，也可保障馈电检测结果的准确性。

2 现阶段馈电传感器的检测原理与不足

馈电传感器检测电路图见图2所示：

图2 馈电传感器检测电路图

其主要检测原理为利用传感器探头对于馈电电缆的电场进行检测，如图2所示，A点与B点分别与电场中的探头连接，主要是根据馈电电缆的电场交替表现来检测其馈电状态。在馈电电缆未通电时，其电场几乎为零，A点与B点的电位差也不发生改变。而当馈电电缆处于通电状态时，则会在馈电电缆周边产生交替电场，因探头所处位置不同，与之相连接的A点与B点的电容则会感应到不同的交流电压信号，在对其电压信号进行放大处理后，便可获得馈电电缆的馈电状态。在馈电传感器应用的过程中，为了保证对电压差的合理探测，会将A点与B点进行接地处理，将探头感应获得的大地电压作为参考值。在探头和电路的参考值固定时，才可保证馈电状态检测的准确性。反之，如果未对电路进行接力处理，经过运算放大器处理后的信号和探头感应信号将会产生极大的差异。此时，由于参考信号的稳定性不强，很可能造成A点与B点感应电压差过大的问题，致使馈电传感器的检测效果失效[1]。

馈电传感器的应用弊端体现在抗干扰能力不强方面，这主要是由于馈电传感器的探头位置通常会随意摆放，且由于当前的井下作业空间中电缆铺设十分复杂，时，所获得的检测结果很难直接反馈开关电缆的馈电状况，这种干扰现象会造成馈电传感器检测结果不准确的问题。

3 馈电传感器的优化设计

优化设计后馈电传感器的检测流程如图3所示：

图3 馈电传感器的检测流程图

优化设计后的馈电传感器是通过对驱动开关量电平的检测来达成馈电检测目标，为使其适用于不同的开关量接入需求，可以对电阻值大小做出调整，以输出对应的电流信号。下面针对电场采集设计和信号处理设计进行分别阐述：

3.1 电场采集功能的设计

因前期所应用的馈电传感器存在探头干扰现象严重的问题，这里首先对采集探头进行优化处理，主要是利用防水布料对信号采集探头进行包裹处理，并在外层包括屏蔽铜网，在最外层再包裹一层防水布料，与主机的连接线也优先选用屏蔽线缆。采集探头各部分的作用分别表现如下：其中最外层的防水布料主要用于保护采集探头内部构件不受外部雨水以及潮气或者灰尘的影响；屏蔽铜网主要用于对除自身电缆泄露电场以外的电场进行屏蔽处理，控制外部电场的干扰现象；采集极板主要用于感应自身电缆泄露的微弱电场的位置；内层防水布料同样具备防治雨水和灰尘威胁的作用。

电场采集探头的极板结构有三个部分组成，第一层为极板顶层，通常需要在其顶层铺设铜板并喷锡处理，确保极板顶层不与外部非导电物体接触，需要特别注意的是要将与主机连接的焊盘保留下来；第二层为极板中间层，主要用于隔离极板的顶层与底层，因此通常会采用非导电性的材料进行填充，确保能够组成一个电容结构；第三层为底层，对于底层无需进行喷锡处理，使其底层铜板与屏蔽层保持连接状态既可。

探头和信号处理装置连接方法为，将信号处理装置的两芯屏蔽线连接至两极板的正面，而负面则与屏蔽铜网连接，之后将两芯线屏蔽层分别与屏蔽铜网相接。操作完毕后，还需采用防水布料对各个连接部位进行包裹处理，以免连接部位受潮影响传感器的检测效果。

采集极板的装置方法。先将极板1的一侧与电缆连接，再使其另一侧与屏蔽层连接，此种连接方式可以将极板形成类似电容的结构，在屏蔽线的作用下，可以使有极板感应到的微弱电场信号和电压信号直接传输给主机。同样的，极板2也需采取同种连接方式，使其所感应到的电压信号传输至主机。之后将屏蔽线缆中的屏蔽层直接与主机的参考地连接，确保探头与主机的参考地相一致，在此种情况下，可以借助极板1与极板2所感应的电压信号差来判断电缆的馈电状态，实现电缆馈电监测目标。

3.2 信号处理功能的设计

信号处理系统主要由电容、电阻、二极管以及运算放大器等共同组成，其中的A、B点均需与屏蔽电缆上的两芯线连接，同时连接屏蔽层，此种连接方式可使AB两点上的极板以及信号处理装置的参考地相同，有效解决了不接地处理情况下，参考地不同对馈电传感器监测结果的影响。因此，可以认为，经过优化处理后无需再对其进行接地处理便可保障传感器的检测结果。在本次的信号处理系统中应用了隔直电容和限流电阻，分别可以起到消除直流干扰的作用和防止电流过大损毁构件的作用。考虑到信号处理系统运行过程中，当电场感应发生变化时，电压值也会随之发生变化，必须采用有效的保护措施对电源进行保护，这里选用嵌位保护二极管对电源加以保护，同时为了避免对信号极性操作破坏影响，还需对运算放大器电源模式进行合理选择，这里建议选取双电源供电模式[2]。

信号处理系统的应用原理，采集探头的极板正面与电缆连接，同时连接隔直电容，而其负面与电缆连接后，通过电缆接地，可以同时获取A点的感应电压，和B点的感应电压，最后经过运算放大器的处理可将被处理后的信号输出。其中的部分微弱信号即便是经过放大器处理也只会得到交流信号以及方波信号，如果采取信号驱动处理方式则很可能对电路造成影响。为此，需要首先针对得到的交流信号和方波信号做转换处理后，获得高低电平信号用于反馈馈电状态。

信号转换过程。首先输入信号会流经二极管，当此时的正弦信号以及方波信号为正电平状态时，其中的电容会做充电动作。而当流经二极管的输入信号为负电平状态时，则此时的二极管将不发挥作用，电容会直接在电阻的作用下做放电动作。信号输入的情况下，电容电压出现较大幅度的波动时，可以通过调节电阻值的方式使其最大电压值始终低于电容最低电压，此时便可利用比较器对输出信号进行转换处理，形成高低电平，用于表示电缆的馈电状态。

结语：馈电传感器作为矿用本质安全类设备的一种，其自身的检测效果无疑会影响井下作业安全。因此，现阶段已经加强了对馈电状态监测工作的重视。上文中基于馈电传感器应用中的问题作出了分析，并基于馈电传感器的检测原理针对其作出优化设计。实践证明，经过优化处理后的馈电传感器在不进行接地处理的情况下，也可使其探头与主机处于同一参考地，不会对A、B点的感应电压差带来大的影响，通过信号处理和转换后便可获得表现馈电状态的高低电平值，相对来说应用效果更为显著，环境适应能力也可得到有效提升。

参考文献

[1] 陈佩佩. 煤矿井下新型远程控制开关的研制[J]. 能源技术与管理, 2019, 44(3):2.

[2] 田野. 基于DSP的井下低压馈电开关保护器设计[J]. 机电工程技术, 2020, 49(9):2.