大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng))

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司中超建設(shè)管理公司，湖北 武漢 430073

當(dāng)大型施工機(jī)械鄰近帶電體時(shí)，通過(guò)聲光報(bào)警裝置提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員謹(jǐn)慎作業(yè)或者停止作業(yè)，避免大型施工機(jī)械因超過(guò)了與高壓輸電線路的安全距離所造成的線路短路跳閘和碰線對(duì)桿塔、輸電線路造成的外力破壞?？梢蕴岣唠娋W(wǎng)供電的可靠性，保障帶電作業(yè)人員人身安全，減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

帶電作業(yè)技術(shù)的推行大幅降低了設(shè)備停電次數(shù)和時(shí)間，有效減少了檢修流程和成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了停電損失[3-4]。然而，由于大型施工機(jī)械過(guò)于靠近高壓帶電設(shè)備引起的線路跳閘事故甚至由吊車碰線導(dǎo)致對(duì)輸電線路造成外力破壞的情況時(shí)有發(fā)生，這不僅使國(guó)民經(jīng)濟(jì)遭受巨大損失，且嚴(yán)重影響了企業(yè)、居民用電的供電服務(wù)質(zhì)量。作業(yè)人員無(wú)法準(zhǔn)確確定施工區(qū)域電氣安全距離是導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要因素。因此，為了有效杜絕吊車過(guò)于靠近高壓帶電設(shè)備甚至觸碰高壓帶電設(shè)備導(dǎo)致事故發(fā)生，本文對(duì)大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究[5-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高壓輸電線路工頻電磁場(chǎng)環(huán)境的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)人員和施工車輛周圍電磁場(chǎng)環(huán)境智能監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警，保證了施工人員的人身安全，避免了電力設(shè)備的事故損失。關(guān)于國(guó)內(nèi)工頻電場(chǎng)的限值，DL/T5092-1999《(110-500)kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：500 kV輸電線路距離地面1 m處的較大未畸變電場(chǎng)應(yīng)不超過(guò)4 kV/m。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司于2005年組織國(guó)內(nèi)高等院校、設(shè)計(jì)院等科研單位對(duì)特高壓交流輸電桿件技術(shù)進(jìn)行了研究，制定了我國(guó)特高壓輸電線路的工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)和可聽(tīng)噪聲的限值參考[7-8]。

本文結(jié)合我國(guó)高壓輸電線路下帶電作業(yè)的特點(diǎn)及難點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)，為帶電作業(yè)人員及施工設(shè)備提供安全保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)包括：電場(chǎng)測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、車載參數(shù)測(cè)量平臺(tái)自平衡模塊、聲光報(bào)警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。圖1為大型機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖

如圖1所示，由場(chǎng)強(qiáng)傳感器、距離傳感器和傾角傳感器獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。MCU對(duì)各傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將運(yùn)算處理過(guò)后的指令發(fā)送給聲光報(bào)警模塊和自平衡模塊。根據(jù)閾值報(bào)警判據(jù)，若接收到判斷越線信號(hào)，則觸發(fā)聲光報(bào)警模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)人員及設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

為了保證車載式參數(shù)測(cè)量?jī)x的空間穩(wěn)定性和測(cè)量結(jié)果的精確性，設(shè)計(jì)了基于傾角傳感器的自平衡模塊。如圖2所示，U1和分別為U2擺錘的左極板和右極板與各自對(duì)應(yīng)電極間的電壓，當(dāng)傾角傳感器傾斜時(shí)，U1和U2隨之發(fā)生變化，且與傾角滿足一定函數(shù)關(guān)系式[9]：

α=f(U1,U2)

(1)

圖2 傾角傳感器

所設(shè)計(jì)的傾角傳感器遵循傾角傳感器生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 191 SJ20873-2003傾斜角、水平儀通用規(guī)范；校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：JJF1119-2004電子水平儀校準(zhǔn)規(guī)范；電磁干擾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17626?？梢詼y(cè)得的傾角范圍為±90°，測(cè)量精度為0.01°。

2 基于最小安全距離的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)

考慮工作人員與帶電設(shè)備間最小安全距離，參照國(guó)標(biāo)DL409-91《電業(yè)安全工作規(guī)程(電力線路部分)》，設(shè)置工作人員與帶電設(shè)備間的最小安全距離S為最小電氣安全距離Se與人體在帶電作業(yè)中的活動(dòng)范圍Sa之和[10]：

S=Se+Sa

(2)

其中，人體在帶電作業(yè)中的活動(dòng)范圍Sa為0.2～1 m；最小電氣安全距離Se為

(3)

式中，E90%為耐受沖擊電壓最大值的90%；kt為綜合影響因素系數(shù)，kt的取值取決于包括溫度、濕度、風(fēng)速等現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境因素；ke為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為ke=2.17?！峨姌I(yè)安全工作規(guī)程》對(duì)于最小安全距離的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 作業(yè)人員與帶電設(shè)備間最小安全距離

考慮大型機(jī)械與架空輸電線路間的安全距離。參考國(guó)標(biāo)GB/T19185-2008《交流線路帶電作業(yè)安全距離計(jì)算方法》，設(shè)置大型機(jī)械與架空輸電線路邊緣線間最小安全距離如表2所示[11]。

表2 大型機(jī)械與架空輸電線路邊緣線間最小安全距離

以500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式和500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式為例，見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式

圖4 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式

圖3和圖4中實(shí)線空心圓分別代表500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列和三角排列方式導(dǎo)體所處空間位置，虛線圓所包圍范圍為作業(yè)人員與架空輸電線路間最小安全距離報(bào)警范圍，實(shí)線矩形所包圍范圍為大型機(jī)械與架空輸電線路間最小安全距離報(bào)警范圍。

第一重帶電作業(yè)安全距離報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警范圍S為

S=km(S1∪S2)

(4)

式中，S1為作業(yè)人員與架空輸電線路最小安全距離報(bào)警范圍；S2為大型機(jī)械與架空輸電線路最小安全距離報(bào)警范圍；km為報(bào)警裕度范圍，取值為1.05。

3 基于電磁環(huán)境推斷的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)

基于電磁環(huán)境推斷的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)是考慮了高壓輸電線路電壓等級(jí)、高壓輸電線路下方電磁環(huán)境和施工機(jī)械與高壓帶點(diǎn)體間距3種關(guān)聯(lián)參數(shù)的保護(hù)方式。

3.1 高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

在計(jì)算高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，設(shè)定以下初始化模型：

① 輸電線路視為無(wú)線長(zhǎng)直圓柱導(dǎo)體，且三相輸電線路彼此平行，半徑一致；

② 不考慮橫擔(dān)、桿塔等臨近設(shè)備的影響；

③ 忽略輸電線路電壓降落；

④ 認(rèn)為地面電位為0。

多導(dǎo)線輸電線路單位長(zhǎng)度等效電荷量滿足以下矩陣方程：

(5)

式中，τ為各相輸電線路單位長(zhǎng)度等效電荷量；α為各相輸電線路電位系數(shù)；u為各相輸電線路單位長(zhǎng)度相電壓。

輸電線路電位系數(shù)矩陣可由鏡像法求得，包含了輸電線路自電位系數(shù)和互電位系數(shù)[12-14]。見(jiàn)圖5。

圖5 電位系數(shù)矩陣鏡像法計(jì)算示意圖

圖5中，m和n代表平行長(zhǎng)直導(dǎo)體，m′和n′則分別代表m和n相較于地的鏡像位置，根據(jù)高斯定理，導(dǎo)線m在空間任意一點(diǎn)P(x,y)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為

(6)

大地的電位為0，則有

(7)

根據(jù)疊加原理，k根導(dǎo)線在空間任意一點(diǎn)P(x,y)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和為

(8)

3.2 基于電磁環(huán)境推斷的場(chǎng)強(qiáng)越線報(bào)警系統(tǒng)

以500 kV單回三相輸電線路為例，分別計(jì)算VVV(三相絕緣子都采用V串絕緣子)水平排列、VVV三角排列情況下輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。

3.2.1 VVV水平排列

圖6為500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列結(jié)構(gòu)示意圖。其中，輸電線路對(duì)地高度為13 m，相間距為15 m，采用高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算如圖7所示。

圖6 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式鏡像結(jié)構(gòu)圖

圖7 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)分布

由圖7可知，線路正常運(yùn)行狀態(tài)，VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)對(duì)稱分布，且峰值出現(xiàn)在距線路中心15～18 m處，即在兩邊相輸電線路下方，此后電場(chǎng)強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離邊相輸電線路的方向逐漸減小。

3.2.2 VVV三角排列

圖8為500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列結(jié)構(gòu)示意圖。其中，中相輸電線路對(duì)地高度為10 m，邊相輸電線路對(duì)地高度為25 m，相間距為20 m，高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真計(jì)算如圖9所示。

圖8 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式鏡像結(jié)構(gòu)圖

圖9 500 kV單回三相VVV三角排列輸電線路下方電場(chǎng)分布情況

由圖9可知，線路正常運(yùn)行狀態(tài)，VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)對(duì)稱分布，且峰值出現(xiàn)在中相輸電線路正下方，整體離中心越遠(yuǎn)則場(chǎng)強(qiáng)越小，在邊相輸電線路下方再次出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度極大值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警越線測(cè)試

選取某500 kV單回架空輸電線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要測(cè)試對(duì)照對(duì)象為VVV水平排列500 kV單回三相輸電線路。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境：測(cè)量環(huán)境溫度為32.4 ℃；相對(duì)濕度為82.4%RH；大氣壓力為100.3 kPa；風(fēng)速為0～1.8 m/s；可聽(tīng)噪聲為72 dB；運(yùn)行情況為設(shè)備均帶電投運(yùn)。

安裝于高壓作業(yè)車吊斗上進(jìn)行試驗(yàn)的報(bào)警裝置如圖10所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量起始點(diǎn)選取中相輸電線路正下方，沿原理中心點(diǎn)的方向繼續(xù)測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距2 m，測(cè)量距離為38 m，測(cè)量點(diǎn)總數(shù)為20個(gè)，記錄時(shí)需等示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖10 大型施工機(jī)械帶電作業(yè)報(bào)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

表3 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比分析圖，如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比分析圖

由于在計(jì)算高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)時(shí)忽略了橫擔(dān)、桿塔等臨近設(shè)備等會(huì)對(duì)電場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生影響的因素，仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相比要略高一些。距中心點(diǎn)距離較近時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差較小，驗(yàn)證了基于仿真推斷的報(bào)警系統(tǒng)的可行性與精確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與安全性，可以有效提高電網(wǎng)供電的可靠性，保障帶電作業(yè)人員的人身安全，減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

(1) 安全保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)組成：場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、車載平臺(tái)自平衡模塊、聲光報(bào)警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。分析了報(bào)警系統(tǒng)的工作原理和內(nèi)部各模塊的實(shí)現(xiàn)方案和連接關(guān)系。

(2) 提出了雙重保護(hù)聲光報(bào)警方案，基于最小安全距離保護(hù)的報(bào)警系統(tǒng)是通過(guò)判斷測(cè)距模塊采集到的距離信息是否超過(guò)最小安全報(bào)警閾值的報(bào)警系統(tǒng)?；陔姶怒h(huán)境推斷的安全距離保護(hù)系統(tǒng)是綜合考慮電場(chǎng)強(qiáng)度、電壓等級(jí)、高壓輸電線導(dǎo)體排布方式和設(shè)備所處位置等參數(shù)信息的報(bào)警系統(tǒng)。

(3) 對(duì)基于最小安全距離保護(hù)和基于電磁環(huán)境推斷的大型機(jī)械設(shè)備帶電作業(yè)雙重保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行的仿真推斷和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙重化帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)的可行性與精確性。