1、千米钻机电控系统二次回路瞬态干扰分析与抑制关正祺1，李海英1，宋建成2（1.上海理工大学机械工程学院，上海200093；2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024）摘要：千米钻机电控系统工况复杂、负载多变，并且融合多个一次回路，从而使瞬态干扰频谱分布随机性高，易出现模态混叠现象。为提升智能感知精度，千米钻机电控系统二次回路往往采用高带宽增益运算放大器，已有适用于二次侧端口设备的模型不再适用于小信号检测电路的稳定性分析。千米钻机电控系统瞬态干扰频域分布范围广泛，要求电路在很宽的频域内有较强的抗干扰能力。传统抗干扰措施存在频带较窄、高频抑制作用不佳的缺陷；多级 RC、LC 滤波电路存
2、在阻抗不匹配、体积大的问题。针对上述问题，以 15000 型千米钻机电控系统的二次回路信号采集电路为研究对象，对二次回路中瞬态干扰进行分析。采用无参尺度空间表达的经验小波变换（EWT）算法，利用尺度空间变换划分得到频谱分割点，进而提取出具有紧支撑框架的模态分量，引入模态分量的峭度指标特征划分瞬态干扰信号与白噪声信号，确定瞬态干扰的频域分布。通过构建电控系统二次回路含寄生参数的小信号电路等效模型，探寻反馈回路引脚寄生电容与触发振铃或自激振荡的干扰信号频率阈值的规律，分析瞬态干扰频域特征对电路稳定性的影响。结果表明：在输入输出存在 30pF 引脚寄生电容时，传导进入瞬态干扰信号使稳定性下降，且引起
3、失稳的触发频率随引脚寄生电容增加而降低。利用铁氧体磁珠类似并联谐振的高阻特性，设计了一种二阶滤波电路。实验室试验结果表明：当干扰经过含铁氧体磁珠的二阶滤波电路后，在信号采样电路敏感的 0.2MHz 以上频段，干扰幅值均抑制在35dBV 以下，信号采样电路无异常输出。工业样机运行数据中敏感频段干扰幅值均抑制在35dBV 以下，与实验室试验结果基本一致，满足抗干扰要求。关键词：千米钻机电控系统；二次回路；瞬态干扰；无参尺度空间表达的经验小波变换；含铁氧体磁珠的二阶滤波电路中图分类号：TD41/67文献标志码：ATransientinterferenceanalysisandsuppressioni
4、nthesecondarycircuitofelectriccontrolsystemofkilometerdrillingrigGUANZhengqi1,LIHaiying1,SONGJiancheng2(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China；2.CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)Abstract
5、:Theelectriccontrolsystemofkilometerdrillingrighascomplexoperatingconditions,variableloads,andintegratesmultipleprimarycircuits.Thisresultsinhighrandomnessoftransientinterferencespectrumdistributionandeasyoccurrenceofmodalaliasing.Inordertoimprovetheprecisionofintelligentperception,thesecondary circ
6、uit of the electric control system of kilometer drilling rig often uses a high bandwidth gainoperationalamplifier.Theexistingmodelsapplicabletothesecondaryportequipmentarenolongersuitableforthestabilityanalysisofsmallsignaldetectioncircuits.Thetransientinterferencefrequencydomaindistributionrangeoft
7、heelectriccontrolsystemofkilometerdrillingrigiswide,requiringthecircuittohavestronganti-收稿日期：2022-10-19；修回日期：2023-06-28；责任编辑：王晖，郑海霞。基金项目：山西省重点研发计划项目（202003D111008）。作者简介：关正祺（1997），男，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向为电力设备电磁干扰，E-mail:。引用格式：关正祺，李海英，宋建成.千米钻机电控系统二次回路瞬态干扰分析与抑制J.工矿自动化，2023，49（7）：126-133,140.GUANZhengqi,LI
8、Haiying,SONGJiancheng.TransientinterferenceanalysisandsuppressioninthesecondarycircuitofelectriccontrolsystemofkilometerdrillingrigJ.JournalofMineAutomation，2023，49（7）：126-133,140.第49卷第7期工矿自动化Vol.49No.72023年7月JournalofMineAutomationJul.2023文章编号：1671251X（2023）07012609DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.202
9、2100053interferencecapabilityinawidefrequencyrange.Traditionalanti-interferencemeasureshavethedisadvantagesofnarrowfrequencybandsandpoorhigh-frequencysuppressioneffects.Multi-levelRCandLCfilteringcircuitshave problems of impedance mismatch and large volume.In order to solve the above problems,the si
10、gnalacquisitioncircuitofthesecondarycircuitoftheelectriccontrolsystemof15000-kilometerdrillingrigistakenastheresearchobjecttoanalyzethetransientinterferenceinthesecondarycircuit.Theempiricalwavelettransform(EWT)algorithmbasedonnonparametricscalespaceisusedtodividespectralsegmentationpointsusingscale
11、spacetransformation.Themodalcomponentswithtightlysupportedframesareextracted.Thekurtosisindexcharacteristicsofmodalcomponentsareintroducedtodividetransientinterferencesignalsandwhitenoisesignals.Thefrequencydomaindistributionoftransientinterferenceisdetermined.Byconstructinganequivalentmodelofthesma
12、llsignalcircuitwithparasiticparametersinthesecondarycircuitoftheelectroniccontrolsystem,thelawbetweentheparasiticcapacitanceofthefeedbackcircuitpinandthefrequencythresholdoftheinterferencesignaloftriggeringringingorself-excitedoscillationisexplored.Theinfluenceofthefrequencydomaincharacteristicsofth
13、etransientinterferenceonthecircuitstabilityisanalyzed.Theresultsindicatethatwhenthereisapinsparasiticcapacitanceof30pFintheinputandoutput,conductingtransientinterferencesignalsleadstoadecreaseinstability.Thetriggeringfrequencythatcausesinstabilitydecreasesasthepinparasiticcapacitanceincreases.Usingt
14、hehighresistancecharacteristicsofferritebeadsimilartoparallelresonance,asecond-orderfilteringcircuitisdesigned.Theexperimentalverificationresultsinlaboratryshowthatwhentheinterferencepassesthroughthesecond-orderfilteringcircuitcontainingferritebead,theinterferenceamplitudeissuppressedbelow35dBVinthe
15、frequencybandabove0.2MHzsensitivetothesignalsamplingcircuit.Thesignalsamplingcircuithasnoabnormaloutput.Theinterferenceamplitudeofsensitivefrequencybandintheoperationdataoftheindustrialprototypeissuppressedbelow35dBV.Theactualoperationtestresultsarebasicallyconsistentwiththelaboratorytestresults,mee
16、tingtheanti-interferencerequirements.Key words:electric control system of kilometer drilling rig;secondary circuit;transient interference;empiricalwavelettransformbasedonnonparametricscalespace;second-orderfilteringcircuitcontainingferritebead 0引言智能装备是智慧矿山建设的根本远景，千米钻机作为煤层气开采的核心设备优先向智能化转型，其电控系统要求信号检测精度高、二次系统抗干扰能力强。为进一步提升状态感知能力，研发以精密小信号检测电路和微处理器为核心的电控系统成为趋势1-2。但电控系统一次回路的真空接触器因控制或故障保护功能频繁开合，随着钻进深度增加，开断电流高达 4000A，期间触头电弧重燃产生瞬态电磁场3，传导进入二次回路将导致小信号检测电路呈现不稳定现象4-5。千米钻机属于一二设备融合系统，一次侧开关设备操作是导致二次回路故障的主要原因6，二