雙重保險的近電預(yù)警裝置研究

魏家鳴 盧奕巒 曹宇超 周訊杰 蔡 暢 苗盈涵 徐懂理

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211167）

1 課題研究意義

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，高壓線路已經(jīng)非常普遍，經(jīng)過高壓輸電，在同等功率的情況下，電壓等級越高所流過的電流就越小，因此高壓輸電線路能使輸電時的電流減小，降低電流產(chǎn)生的熱損耗以及長距離輸電所使用的材料成本。雖然高壓線路輸電更為經(jīng)濟(jì)高效，但是其本身還是存在著一些不可忽視的安全性問題。首先是自然災(zāi)害的影響，這是不可抗因素，我們不能準(zhǔn)確地作出預(yù)判并解決；其次是人為因素，有可能會出現(xiàn)一些作業(yè)車觸碰高壓線從而導(dǎo)致觸電跳閘、人員傷亡的事故。

除了加強(qiáng)對作業(yè)人員的培訓(xùn)、設(shè)置安全提示標(biāo)牌之外，為了在源頭上遏制這種事件的發(fā)生，需要研制出一種有效并且準(zhǔn)確率較高的裝置，當(dāng)作業(yè)車輛靠近高壓線路時，裝設(shè)于車輛最高點的裝置將會處理其采集的信號。因為輸電電壓等級不同，輸電線路周圍的場強(qiáng)大小會有很大區(qū)別，所以在裝設(shè)裝置前，要根據(jù)吊車工作的區(qū)域的電壓等級，對閾值進(jìn)行預(yù)設(shè)。當(dāng)?shù)踯嚬ぷ鲿r，這個裝置會根據(jù)距離的不同進(jìn)行場強(qiáng)的測量，當(dāng)場強(qiáng)達(dá)到預(yù)設(shè)的一個值時，其內(nèi)部的預(yù)警裝置會被觸發(fā)，單片機(jī)會進(jìn)行信號的放大，并通過無線傳輸將信號傳輸至吊車的駕駛室內(nèi)，同時依靠蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒吊車司機(jī)注意安全距離，以防發(fā)生吊車碰線的事故。

據(jù)調(diào)查了解，目前市面上有此類裝置售賣，但裝置功能過于單一。為了改善近電預(yù)警裝置的功能，使其更加精確、使用范圍更廣，能覆蓋各種類型的預(yù)警情況，減少吊車碰線事故的發(fā)生，本裝置采用傳統(tǒng)的場強(qiáng)測量裝置，并具備對吊臂與輸電線路間測距的功能，可通過無線傳輸遠(yuǎn)距離信號，使預(yù)警更加精確及時。其具體原理如圖1所示。

圖1 近電預(yù)警裝置原理圖

2 場強(qiáng)測量模塊

2.1 高壓輸電導(dǎo)線周圍電場

高壓輸電導(dǎo)線作為帶電導(dǎo)體，周圍存在準(zhǔn)靜態(tài)電場，它是只由電荷產(chǎn)生的。這個電場將隨著輸電線內(nèi)部電流的變化而呈現(xiàn)50 Hz變化。隨著電壓等級的升高，其工頻電場強(qiáng)度也會變大。根據(jù)麥克斯韋理論，輸電導(dǎo)線周圍的電場應(yīng)該有三個正比于1/r3、1/r2、1/r（r為監(jiān)測點距場源的距離）的分量[1]。

利用等效電荷法分析單相或多相高壓輸電線路下工頻電場強(qiáng)度：計算出單位長度導(dǎo)線上的等效電荷后，則空間內(nèi)任一點的電場強(qiáng)度均可根據(jù)疊加原理求得。

如圖2中P點電場強(qiáng)度可以表示為：

式中，xi，yi為導(dǎo)線坐標(biāo)；m為導(dǎo)線數(shù)；Li，Li′分別為所計算點到導(dǎo)線的距離以及所計算點的鏡像到導(dǎo)線的距離；ε表示電容率[2]。

圖2 空間電場強(qiáng)度求解示意圖

2.2 工頻電場檢測（傳感器模塊的工作原理）

傳感器單元的核心部件是感應(yīng)電極，靠近高壓輸電線路時，在強(qiáng)電場的作用下，由于靜電感應(yīng)原理，傳感器上會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。靜電感應(yīng)是一個帶電物體與不帶電的導(dǎo)體由于電荷間的相互作用，在相互靠近時，異種電荷被吸引到帶電體附近，而同種電荷被排斥到遠(yuǎn)離帶電體的導(dǎo)體另一端，在外電場的作用下導(dǎo)體中電荷在導(dǎo)體中重新分布的現(xiàn)象。靜電感應(yīng)只與線路設(shè)備的電壓有關(guān)，與線路設(shè)備的負(fù)載電流無關(guān)，無論是空載還是充電線路，都能取得相應(yīng)的感應(yīng)能量（信號），可靠性高。

如圖3所示，有帶負(fù)電的導(dǎo)體A和金屬導(dǎo)體B。金屬導(dǎo)體B緩慢接近導(dǎo)體A，在靜電感應(yīng)作用下，電荷在導(dǎo)體內(nèi)部重新分布。在金屬導(dǎo)體B內(nèi)部，正電荷由于電場力的作用向帶電體A側(cè)聚集，負(fù)電荷則反向移動。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電勢處處相等、電場強(qiáng)度處處為零時達(dá)到靜電平衡，這種通過靜電感應(yīng)從而讓金屬從不帶電到帶電的轉(zhuǎn)換，就叫感應(yīng)起電。

圖3 靜電感應(yīng)原理圖

對于近電報警裝置來說，高壓輸電線相當(dāng)于圖3中的帶電體A，傳感器的感應(yīng)電極則充當(dāng)了圖中的導(dǎo)體B。在線路中流過電流時，導(dǎo)體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷會引起傳感器感應(yīng)電極上的電荷分布，只需將這部分感應(yīng)電荷信號轉(zhuǎn)化為電流信號，再經(jīng)過濾波放大，就能得到報警器所需的報警信號。

因為高壓直流電流和高壓交流電流在輸電導(dǎo)體上引起的電荷分布不同，需對交直流電做不同的分析。對于高壓直流輸電線路，導(dǎo)體表面的電荷為固定極性。而對于高壓交流輸電線路，導(dǎo)線極性隨電流以工頻正負(fù)變化，從而傳感器的感應(yīng)電極上也感應(yīng)出以工頻交變的感應(yīng)電荷信號。

此外，近電預(yù)警裝置與待測導(dǎo)線的距離和電壓等級也會對預(yù)警信號產(chǎn)生影響。相較于低等級的線路，高電壓等級的線路將流過更大的電流，從而在導(dǎo)線表面感應(yīng)出更多的感應(yīng)電荷，產(chǎn)生更強(qiáng)的電場，引起的感應(yīng)電荷信號也將加強(qiáng)。對于同等級的輸電線路，距離越遠(yuǎn)靜電感應(yīng)的效果越不明顯，感應(yīng)電荷信號也越弱。

考慮到輸電線的交直流類型、輸電線電壓等級、傳感器與輸電線之間的距離等因素對傳感器感應(yīng)電荷信號的影響，需要通過仿真實驗，模擬不同情況下觸發(fā)近電報警的工作狀態(tài)，以計算在不同情況下的報警信號閾值。在現(xiàn)場使用時，需根據(jù)實際工作狀態(tài)選擇不同檔位。

3 超聲波測距模塊

超聲波傳感器是實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱“超聲波探頭”或者“超聲換能器”。這種裝置能發(fā)射超聲波并接收超聲波回波，將其轉(zhuǎn)換為電信號。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件標(biāo)稱頻率一般為40 kHz，如果頻率取值過低，則外界雜音干擾較多；如果頻率取值過高，則超聲波在傳播過程中衰減較大[3]。

聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波，當(dāng)聲波在其傳播路徑上遇到大于自身波長的障礙物時，會產(chǎn)生回波。超聲波測距是通過接收障礙物所反射的回波，利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度不變的性質(zhì)，在當(dāng)?shù)芈曀賤已知的條件下，并由單片機(jī)實時計算出超聲波傳播所用時間T，從而得到目標(biāo)物體與傳感器之間的距離

測距系統(tǒng)在測距開始后發(fā)出一連串的脈沖信號，計數(shù)器開始計數(shù)，檢測到回波信號后，單片機(jī)關(guān)停計數(shù)器，根據(jù)計數(shù)脈沖的重復(fù)周期t，得到超聲波傳播所用時間T=n×t，n為脈沖計數(shù)器計數(shù)值。這樣，可以將對目標(biāo)距離D的測定轉(zhuǎn)換為測定脈沖數(shù)n，從而將連續(xù)的時間量轉(zhuǎn)換為離散的脈沖數(shù)。

目標(biāo)距離D與脈沖數(shù)n的關(guān)系式如下：

式中，f為計數(shù)器脈沖頻率。

由上式可知，計數(shù)器脈沖頻率f越高，則測距精度越高。

考慮到超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)，對于理想的氣體介質(zhì)，v=其中γ為氣體的絕熱體積系數(shù)（空氣為1.4），R為摩爾氣體常數(shù)，m為1 mol空氣質(zhì)量，均為已知常數(shù)，因此超聲波波速v僅與絕對溫度T有關(guān)。以空氣中的聲速在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s為基準(zhǔn)，溫度每升高1℃，聲速就增加約0.607 m/s。

而測速裝置在某一地區(qū)使用時，因溫度變化并不是很大，可認(rèn)為聲速是基本不變的。

4 信號傳輸模塊

近電預(yù)警裝置工作后，一旦作業(yè)車輛與高壓輸電線路的距離小于所規(guī)定的安全距離，傳感器采集到的電場信號經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換以后就會通過單片機(jī)編譯比較并發(fā)送給駕駛室內(nèi)的報警裝置。

整個近電預(yù)警裝置由兩個單片機(jī)控制，一個在車輛外部的裝置內(nèi)，另一個在車輛內(nèi)部的裝置內(nèi)，而無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)兩個裝置之間的信號傳輸。信號采集模塊對采集信號進(jìn)行處理并判斷是否需要報警，并將結(jié)果通過裝有蜂鳴器的無線模塊發(fā)送給報警裝置，當(dāng)測量得出的場強(qiáng)大小超過所設(shè)定的值時，操作中的報警裝置確認(rèn)信號并打開語音報警，揚(yáng)聲器發(fā)出語音提示。我們采用的是WT588D語音芯片，這種芯片可以重復(fù)錄制語音，其內(nèi)部配有的儲存器足夠支持系統(tǒng)的使用[5]。

工程車輛吊臂車的吊臂展開時最長可達(dá)百米，這就要求兩模塊必須以無線的方式進(jìn)行信號傳輸，并且無線傳輸?shù)木嚯x應(yīng)該達(dá)到200 m以上。信號采集模塊完成強(qiáng)電信號的檢測處理及報警信號的無線傳送功能，報警模塊需要接收信號采集模塊發(fā)送出的無線信號。在有障礙物干擾的情況下，兩個模塊之間無線通信的有效距離也應(yīng)保持在100 m左右，比較后最終選擇NRF905無線收發(fā)模塊實現(xiàn)兩模塊的無線通信[6-7]。

NRF905直線可視通信距離200～300 m，它是32腳封裝，供電電壓為1.9～3.6 V。非常適用于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。我們裝設(shè)在工程車吊臂上的部分采用電池供電，由于有一定的更換難度，所以NRF905的低功耗剛好可以滿足設(shè)計要求[8]。

5 聲光報警電路模塊

裝置內(nèi)應(yīng)同時存在兩個聲光報警電路，原理圖如圖4所示。一個與測場強(qiáng)模塊相連，一個與超聲波測距模塊相連，兩個部分是分開的，但只要其中有一個報警裝置作用就可以認(rèn)為達(dá)到臨界安全距離了。聲光報警電路中同時存在LED燈和蜂鳴器兩種裝置，只要條件滿足燈和蜂鳴器同時作用。無線傳輸模塊暫時先考慮只對光信號進(jìn)行傳輸，初步想法是達(dá)到臨界場強(qiáng)時觸發(fā)聲光報警電路可對光信號進(jìn)行傳遞，并能在終端觀察到燈閃爍的現(xiàn)象。

6 無線傳輸光信號模塊

如圖5所示，傳輸信號被加到交流電的正弦波，并通過電力線傳輸?shù)絃ED設(shè)備。在進(jìn)入LED之前將AC載波分為兩部分，一個整流為直流，用于照明，另一部分用于調(diào)制。最后通過帶通濾波器控制LED的發(fā)光強(qiáng)度。調(diào)制后的光載波信號通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號，然后由解調(diào)器解碼并發(fā)送到終端。

圖4 聲光報警電路示意圖

圖5 無線傳輸光信號模塊原理

7 超聲波測距模塊與聲光報警電路模塊之間的連接

7.1 硬件部分

在推挽模式下，將載波40 kHz的10個脈沖群加到變壓器的原方上，并通過升壓變換用超聲換能器發(fā)射。超聲波接收器傳感器將接收到的超聲波發(fā)送到放大器進(jìn)行放大。這是一個高增益、低噪聲放大器。在檢測到放大信號之后，檢測回波被發(fā)送到比較器的正輸入端。換能器對聲脈沖的直接接收能力將決定最小可測量距離[9]。發(fā)射端、接收端原理框圖如圖6所示。

圖6 發(fā)射端、接收端原理框圖

7.2 軟件部分

AT89C2051及其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有表達(dá)能力強(qiáng)、可移植性強(qiáng)、語言簡單、表達(dá)靈活、代碼質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)化設(shè)計簡單、使用方便等優(yōu)點。超聲波測距儀是基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計開發(fā)的[10]。

8 結(jié)語

在施工過程中由于各種復(fù)雜因素的影響，往往單一標(biāo)準(zhǔn)會對施工安全造成不利影響。本文通過對輸電線路電場強(qiáng)度及電場特性的分析，結(jié)合分析結(jié)果提出了近電距離計算模型，并對智能近電報警裝置的檢測原理及方法進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上研制了一種新型的雙重保險的近電預(yù)警裝置，采用兩個標(biāo)準(zhǔn)對近電進(jìn)行衡量，提高了安全性與穩(wěn)定性，可以防止塔吊司機(jī)誤操作，避免觸電傷亡事故發(fā)生，保證人身安全，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。