淺談組式高壓電場(chǎng)測(cè)量和安全距離報(bào)警系統(tǒng)

謝雪峰，凌劍波，王佑球，邱興衛(wèi)，方文斌，洪　澤

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司祁門縣供電公司；2.祁門縣陽(yáng)光電力維修工程有限責(zé)任公司）

淺談組式高壓電場(chǎng)測(cè)量和安全距離報(bào)警系統(tǒng)

謝雪峰1，凌劍波1，王佑球1，邱興衛(wèi)1，方文斌2，洪澤1

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司祁門縣供電公司；2.祁門縣陽(yáng)光電力維修工程有限責(zé)任公司）

在電力行業(yè)的建設(shè)發(fā)展中，工頻電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)一直以來(lái)都深受行業(yè)的高度重視，它在帶電作業(yè)安全距離檢測(cè)和輸電線路故障狀態(tài)檢測(cè)中發(fā)揮著極其重要的作用，對(duì)提高和保障線路系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本文在分析電場(chǎng)測(cè)量的基本原理后，對(duì)組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以期促進(jìn)電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。

電場(chǎng)測(cè)量；組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

前言

近幾年，為滿足用戶日益增長(zhǎng)的電力需求，我國(guó)電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，電網(wǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目規(guī)模逐步擴(kuò)大。與此同時(shí)，輸配電線線路所發(fā)生的故障頻率隨之增加，對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)的帶電檢修變得越來(lái)越需要。若線路發(fā)生故障或帶電檢修安全距離掌握不準(zhǔn)確，都將可能會(huì)給作業(yè)人員造成人身傷害，造成一定經(jīng)濟(jì)損失，因而電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)必不可少，開發(fā)電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)非常必要。

1　電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)原理

電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)依據(jù)的基本原理是：將傳感器置于待測(cè)電場(chǎng)中，其金屬極板在電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并且其感應(yīng)電荷與所在電場(chǎng)中的頻率變化還是同步的、一致的。利用這一特性對(duì)傳感器感應(yīng)電荷進(jìn)行相應(yīng)的處理，將其轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，再對(duì)該電壓/電流信號(hào)做進(jìn)一步的處理（分析計(jì)算），即可求出待測(cè)電場(chǎng)中的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。從電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)原理的表述中不難分析出，傳感器是實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)測(cè)量的最主要、最關(guān)鍵設(shè)備之一，是收集電荷信號(hào)的必要裝置[1]?，F(xiàn)階段，根據(jù)這一原理研發(fā)的電場(chǎng)測(cè)量?jī)x器按照用途的劃分主要有交變電場(chǎng)測(cè)量?jī)x和靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x兩類。靜電場(chǎng)測(cè)量在感應(yīng)電極間感應(yīng)出的信號(hào)為直流信號(hào)，且受靜電場(chǎng)本身作用其直流分量很小，因而需要通過(guò)多級(jí)放大處理才能為后續(xù)電路提供所需充足電量，才能保證電場(chǎng)測(cè)量工作的正常進(jìn)行。交變電場(chǎng)測(cè)量將傳感器置于交變電場(chǎng)中，通過(guò)對(duì)金屬極板感應(yīng)出的待測(cè)電場(chǎng)感應(yīng)電荷，依據(jù)同頻率變化對(duì)感應(yīng)電荷進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到兩者感應(yīng)電荷與待測(cè)電場(chǎng)中電荷成一定比例關(guān)系的電場(chǎng)測(cè)量信號(hào)，然后借助相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算方法經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。

2　組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)，采用C8051F410單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制器，整個(gè)系統(tǒng)包括主機(jī)與從機(jī)兩大模塊。主機(jī)模塊主要由無(wú)線通信系統(tǒng)、單片機(jī)處理單元、液晶顯示單元、按鍵控制單元、電源等幾個(gè)單元組成；從機(jī)模塊主要由信號(hào)處理單元、單片機(jī)處理單元、電廠傳感器、控制單元、電源、聲音報(bào)警單元、無(wú)線通信系統(tǒng)和液晶顯示單元等多個(gè)單元組成，具體如圖1所示[2]。這樣設(shè)計(jì)的安全距離報(bào)警系統(tǒng)的工作原理是：各從機(jī)通過(guò)按鍵控制單元對(duì)相應(yīng)的輸電線路電壓等級(jí)進(jìn)行正確的選擇，對(duì)傳感器采集來(lái)的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到電壓或電流信號(hào)；將電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元濾波放大后，送至單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)產(chǎn)生的數(shù)字濾波、周期波形進(jìn)行分析，最終將計(jì)算出來(lái)的電場(chǎng)強(qiáng)度在液晶顯示器上顯示出來(lái)。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1電源電路設(shè)計(jì)

電源開關(guān)電路的設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)和為系統(tǒng)的正常運(yùn)行與各功能模塊的正常發(fā)揮提供所需電能。為了賦予系統(tǒng)長(zhǎng)按開關(guān)機(jī)功能，并用開關(guān)的打開與閉合來(lái)完成開關(guān)機(jī)操作，系統(tǒng)采用熱穩(wěn)定性能良好的三端分流基準(zhǔn)源作為電源和SI2305開關(guān)。三端分流基準(zhǔn)源用2個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓在一定范圍內(nèi)（2.5～36V）的隨意設(shè)置[3]。開機(jī)時(shí)，按下電源鍵，電源開關(guān)電路中的二極管導(dǎo)通為電容充電，當(dāng)充電達(dá)到一定量時(shí)，基準(zhǔn)源動(dòng)作，開關(guān)導(dǎo)通為系統(tǒng)供電，系統(tǒng)開始工作，此時(shí)電源控制權(quán)被轉(zhuǎn)移給初始化程序。當(dāng)CPU單元檢測(cè)到電源鍵被按下一定時(shí)間后（設(shè)定的關(guān)機(jī)時(shí)長(zhǎng)），則關(guān)閉電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)機(jī)。

圖1　組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2.2可控比例放大電路設(shè)計(jì)

由于組式高壓電場(chǎng)測(cè)量所能夠檢測(cè)到的電壓等級(jí)范圍在35～750kV之間，范圍比較大，因而需要設(shè)計(jì)一個(gè)可控比例放大電路來(lái)保證系統(tǒng)對(duì)差分電壓信號(hào)的采集是在適合數(shù)模轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)進(jìn)行的，即保證數(shù)據(jù)采集的合理性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱電信號(hào)的放大處理，要對(duì)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓等特性，賦予系統(tǒng)可控增益功能，并適當(dāng)擴(kuò)大系統(tǒng)的幅值響應(yīng)范圍，因而在可控比例放大電路的設(shè)計(jì)中本文采用了多路開關(guān)ADG和OP07C精密運(yùn)算放大器，電路如圖2，較好的實(shí)現(xiàn)了上述需求。

圖2　可控比例放大線路設(shè)計(jì)圖

2.2.3無(wú)線通信設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的無(wú)線實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的完整及時(shí)接收，以及無(wú)線通信模塊本身內(nèi)部數(shù)據(jù)的收發(fā)控制與通信協(xié)議的正常轉(zhuǎn)換，在無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將無(wú)線通信模塊與串口相連，讓主機(jī)對(duì)從機(jī)地址的查詢能夠依照串口順序來(lái)進(jìn)行，并保證傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)可以以一定的頻率發(fā)送至各個(gè)從機(jī)[4]。本組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)采用高性能、低成本、大功率的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊BL100來(lái)對(duì)系統(tǒng)無(wú)線通信進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸速率高，可工作在國(guó)家一些開放的頻段，且內(nèi)部自帶有數(shù)據(jù)收發(fā)控制功能與通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1主程序流程設(shè)計(jì)

組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)包括主機(jī)與從機(jī)兩大模塊，主機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程為：系統(tǒng)初始化，向從機(jī)發(fā)送地址查詢信號(hào)，從機(jī)接收后作出應(yīng)答，若從機(jī)應(yīng)答的地址與主機(jī)發(fā)送的地址信號(hào)相符，則主機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，否則不做任何回應(yīng)；校驗(yàn)通過(guò)，主機(jī)對(duì)從機(jī)的編號(hào)和電場(chǎng)值進(jìn)行顯示；校驗(yàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)立即報(bào)警。主機(jī)向從機(jī)不間斷的發(fā)送地址查詢信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

從機(jī)的主程序流程為：系統(tǒng)延時(shí)開機(jī)初始化測(cè)量，依次完成對(duì)各電路模塊的自檢測(cè)；ADC對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后，單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將計(jì)算出的電場(chǎng)值顯示出來(lái)；若電場(chǎng)值超過(guò)規(guī)定上限，從機(jī)立刻發(fā)出警報(bào)并通知主機(jī)，從機(jī)主程序不斷的循環(huán)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的不間斷測(cè)量[5]。

2.3.2主從機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主機(jī)與從機(jī)之間一次完整的通信主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)，即主機(jī)詢問(wèn)、從機(jī)應(yīng)答和鏈路釋放。從機(jī)無(wú)線通信程序主要由串行口中斷程序組成，負(fù)責(zé)將從機(jī)的編號(hào)和電場(chǎng)值發(fā)送給主機(jī)，在開機(jī)的狀態(tài)下從機(jī)一直處于對(duì)被監(jiān)測(cè)電場(chǎng)的信號(hào)采集和監(jiān)聽。主機(jī)進(jìn)入中斷程序進(jìn)行尋址，對(duì)從機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收，從而實(shí)現(xiàn)雙重監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信。

2.3.3電場(chǎng)過(guò)限報(bào)警程序設(shè)計(jì)

各從機(jī)所選擇電壓等級(jí)的不同所對(duì)應(yīng)的報(bào)警值也不相同。當(dāng)檢修人員在某一電壓等級(jí)下實(shí)施帶電檢修作業(yè)時(shí)，若組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)計(jì)算顯示出的電場(chǎng)強(qiáng)小于系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的場(chǎng)強(qiáng)上限，則表明當(dāng)前的帶電作業(yè)場(chǎng)所電場(chǎng)強(qiáng)處于安全范圍內(nèi)，檢修人員人身是安全的。若檢測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)超出系統(tǒng)內(nèi)設(shè)上限，則系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，提醒作業(yè)人員退到安全距離范圍內(nèi)，從而有效避免觸電等事故的發(fā)生。

3　總結(jié)

工頻電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在電力行業(yè)中的重要性不言而喻。隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)工程的進(jìn)一步推進(jìn)，應(yīng)對(duì)電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)予以進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，積極開發(fā)組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件各模塊進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，以保障帶電作業(yè)的安全性，切實(shí)減少輸電線路故障發(fā)生?？傊?，電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)還需要不斷的完善。

[1]毛 凱.組式高壓電場(chǎng)測(cè)量和安全距離報(bào)警系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué)，2014.

[2]王 鑫.水滅火系統(tǒng)對(duì)地鐵隧道中人員疏散的影響研究[D].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2015.

[3]林 彬.細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在汽車涂裝車間噴漆室的應(yīng)用研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[4]秦國(guó)防.分散型高壓電氣設(shè)備溫度巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[D].重慶大學(xué)，2011.

[5]謝正文.餐飲業(yè)煙道油垢自燃發(fā)火機(jī)理及細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)研究[D].中南大學(xué)，2011.

TM835

A

2095-2066（2016）31-0039-02

2016-10-20

謝雪峰（1984-），男，江蘇宜興人，工程師，本科，主要從事配電網(wǎng)運(yùn)維管理工作。

凌劍波（1976-），男，安徽歙縣人，工程師，本科，主要從事輸配電管理工作。

王佑球（1989-），男，安徽黃山徽州人，助工，本科，主要從事變電檢修工作。

邱興衛(wèi)（1991-），男，江蘇鹽城人，助工，本科，主要從事變電運(yùn)維工作。

方文斌（1987-），男，安徽樅陽(yáng)人，大專，主要從事變電運(yùn)維工作。

洪 澤（1993-），男，浙江安吉人，本科。