輸電線路檢修現(xiàn)場三維安全距離預(yù)警系統(tǒng)*

王 麒，殷 銘，楊富磊，張松剛，何正浩

（1.國網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，鄭州 450000；2.華中科技大學強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

電力運維和檢修是保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行的重要環(huán)節(jié)。近年來，由于機械與高壓輸電線路相觸碰或距離過近而引起的跳閘觸電事故時有發(fā)生[1]，此類事故可能造成大面積停電、人身傷亡和設(shè)備損壞，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。

此類問題的傳統(tǒng)解決方式包括樹立安全警示牌、設(shè)置竹排保護屏障、提高操作人員安全意識等[2]。在輸電線路檢修現(xiàn)場，對于線路是否帶電、施工機械是否進入高場強區(qū)均沒有相應(yīng)提示，而現(xiàn)有的近電報警裝置往往存在報警判據(jù)單一、難以應(yīng)對復雜電磁環(huán)境、監(jiān)測范圍小、不適用大型機械等問題。由于電力電纜反射面積小、反光能力低，導致距離傳感器對電纜識別的難度大，同時距離傳感器測量角度較窄，限制了距離報警的可靠性；現(xiàn)有的一維電場傳感器又存在一定缺陷，當測量方向電場較弱，而垂直于測量方向的電場分量已經(jīng)達到危險范圍時，傳感器難以識別。因此，以電場或距離作為單一報警判據(jù)時，可能產(chǎn)生報警系統(tǒng)漏判現(xiàn)象。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種以距離過限、電場過限作為綜合判據(jù)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)；為同時測量各方向的電場強度，設(shè)計三維電場傳感器，分析傳感器的測量原理與測量精度；考慮施工器械吊臂引起的電場畸變，設(shè)置不同電壓等級的電場報警閾值，最后進行系統(tǒng)整體設(shè)計和現(xiàn)場實驗測試，驗證其預(yù)警準確性與可靠性。

1 傳感器設(shè)計計算

測量電場強度最常用的是懸浮體型傳感器。其中，平行板型傳感器測量誤差不足2%，與最精密的球型傳感器精確度非常接近[3]，且制作簡單，可以很好地滿足工程應(yīng)用需求，因此本系統(tǒng)采用三維平行板型傳感器測量電場。

傳感器由X、Y、Z方向的三對測量極板及中間的絕緣材料組成，為正方體結(jié)構(gòu)。極板為邊長6 cm的正方形薄銅片，導電性能良好。極板間的絕緣材料采用絕緣隔熱的環(huán)氧樹脂，加工成邊長7 cm的正方體，6個銅極板分別粘在正方體6個面上，并保證各個極板的電氣獨立性。

與一維平行板傳感器不同的是，三維傳感器不僅在相對極板間存在電容，相鄰極板間也存在電容。因此，每對極板間的電壓會受到另外兩個方向的電場影響。為確定極板間感應(yīng)電壓與空間電場的關(guān)系，需要計算極板間的自電容與互電容。

以下極板為零電位參考點，首先考慮上極板Z單獨作用的情況。設(shè)上極板電勢為φ0，其他極板電勢為0，則傳感器內(nèi)部電勢φ的分離變量形式的試探解為：

代入邊界條件，由于拉普拉斯方程為線性方程，可利用疊加定理，將所有特解相加，解得傳感器內(nèi)部電勢φ可表示為式（3）所示形式：

式中：m、n為奇數(shù)；d為每對平行板間的距離。

根據(jù)電場強度與電勢的關(guān)系，可由式（4）求得自電容與互電容，即：

式中：ε1為極板間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)；C0、C1分別為每對極板間的自電容與互電容。

分析傳感器感應(yīng)電壓與空間電場的關(guān)系。由于極板間相互絕緣，各極板內(nèi)外表面應(yīng)分布等量反向的電荷，且在空間內(nèi)形成對稱的電場分布。由此可知，極板外表面電場由本身電荷作用產(chǎn)生，而內(nèi)表面電場則由極板本身電荷與相鄰極板內(nèi)側(cè)電荷疊加作用產(chǎn)生。

以上極板Z為例，首先考慮空間電場E只存在垂直方向的分量E的情況。根據(jù)高斯定理可得上極板Z外表面電荷量QZout為：

式中：σZout為上極板Z外表面電荷密度；ε0為空氣介電常數(shù)。

上極板內(nèi)表面電荷量滿足如下關(guān)系：

考慮空間電場分量EX、EY作用，由式（5）、式（6）、式（9）可知極板電勢φ在自身、對極板以及相鄰極板的內(nèi)表面感應(yīng)的電荷量。以上極板與下極板為例，其內(nèi)表面電荷量滿足：

根據(jù)對稱性，其他極板電荷量與電勢的關(guān)系均可表示。由于極板內(nèi)外電荷大小相等，方向相反，結(jié)合式（7），可最終得到傳感器周圍電場強度E與極板感應(yīng)電壓UX、UY、UZ的關(guān)系，即：

由此，可以通過測量三對極板之間的感應(yīng)電壓，得到傳感器所處位置的電場強度。

2 傳感器測量精度分析

為驗證所設(shè)計三維電場傳感器的測量精度以及傳感器引起的電場畸變程度，按照試驗標準要求[4]，模仿高電壓施工現(xiàn)場搭建輸電線路電場測量電路，如圖1所示。其中，L為模擬輸電線路的金屬棒；M為模擬施工器械吊臂的豎直接地鋼材；調(diào)壓器T0的調(diào)壓范圍為0～250 V，額定容量為5 kVA；變壓器T的變比為250，額定變?nèi)萘繛? kVA。將RJ-5工頻電場儀置于三維電場傳感器同一位置，測量電場強度進行對比。RJ-5工頻電場儀量程為1～20 kV/m；頻率范圍為30～2 000 Hz；測量誤差為i 1.5 dB。

圖1 傳感器測量精度對比實驗平臺電路

調(diào)整調(diào)壓器T0，改變金屬棒L兩端工頻電壓，由數(shù)字高壓表讀出電壓U，在1～10 kV均勻取值10次。用三維電場傳感器與RJ-5工頻電場儀分別測量，記錄相同電壓下所測電場強度。同時通過仿真分別計算該位置有無傳感器存在時的電場強度進行對比。結(jié)果如表1所示。

表1 電場理論計算值與實驗測量值

對比無傳感器存在時的原始電場與有傳感器存在時的畸變電場可知，傳感器造成的電場畸變小于0.5%，對原電場影響可近似忽略。三維傳感器電場測量值與理論電場以及工頻電場儀的測量結(jié)果基本一致，誤差在5%以內(nèi)。由此可以判定三維電場傳感器所測電場基本準確，滿足應(yīng)用要求。

3 報警閾值設(shè)定

根據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)施工觸電事故發(fā)生在220 kV及以下的輸電線路，因此系統(tǒng)主要設(shè)計35 kV、110 kV、220 kV 3個電壓等級。國家標準[5]規(guī)定，35 kV、110 kV、220 kV輸電線路的最小安全距離分別為4.0 m、5.0 m、6.0 m。將此距離作為系統(tǒng)一級距離報警閾值，同時各增加1 m作為二級報警閾值。分級報警的設(shè)置可留給操作人員足夠的反應(yīng)時間和安全裕度。

針對3種電壓等級輸電線路的單回路和雙回路典型排布方式，利用Maxwell進行電磁場有限元仿真。由于輸電線路周圍電場分布的一般規(guī)律為距輸電線路越遠，電場強度越弱[6-8]，因此計算安全距離閾值處的電場強度，即可作為電場報警閾值。

35 kV輸電線路單回路計算模型采用上字型直線塔，相線選用LGJ-185，架空地線選用GJ-50。根據(jù)安全距離報警閾值，在模型中選取4個測點，其中P1、P2距離輸電線路4 m，P3、P4距離輸電線路5 m。模型尺寸與測點位置如圖2所示。

圖2 35 kV單回線輸電線路示意圖

圖3 35 kV單回線輸電線路各測點電場強度

實際應(yīng)用時，電場傳感器固定在接近吊臂頂端位置。吊臂的存在會對其附近電場圍產(chǎn)生影響。為研究吊臂對電場的影響，分別計算無吊臂存在，吊臂與地面呈45h、90h時的電場分布。吊臂用截面40 cm 50 cm的接地金屬桿代替，使吊臂與各測點等高，且頂端距離測點15 cm。不同工況下待測點的電場強度如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，吊臂的存在會使其附近的電場強度成倍增加，最大差距可達3.5倍。故模擬計算電場閾值時需在測點附近加入吊臂模型，才能準確反映現(xiàn)場情況。同時，吊臂的角度變化對電場影響較小，因而計算時可取吊臂與地面呈45h、90h的典型情況進行研究。

以同樣的方式對35 kV、110 kV、220 kV電壓等級的單、雙回線輸電線路進行仿真計算，取最小電場值計算結(jié)果作為電場報警閾值，結(jié)果如表2所示。

表2 電場報警閾值設(shè)定

4 系統(tǒng)整體設(shè)計

所設(shè)計的安全距離預(yù)警系統(tǒng)分為位于作業(yè)機械上的信號采集端和位于操作監(jiān)控室的遠程報警端。系統(tǒng)由核心控制單元、距離測量單元、電場測量單元、信號處理單元、無線傳輸單元、聲光報警單元共同組成。系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖4所示。

圖4 安全距離預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作流程為：首先選擇輸電線路電壓等級與回路數(shù)檔位，系統(tǒng)根據(jù)輸入對應(yīng)生成不同的報警閾值。機械作業(yè)過程中，將三維電場傳感器的感應(yīng)電壓處理后送至控制單元，控制單元計算對應(yīng)的電場強度。同時，多個距離傳感器全方位測量施工器械與輸電線路間的距離，輸入控制單元?？刂茊卧獙㈦妶雠c距離值分別和兩級報警閾值相比較，判斷達到報警閾值后，經(jīng)過無線傳輸傳送到接收端，接收端啟動分級對應(yīng)的聲光報警提示。當電場與距離報警等級不同時，為最大限度保證安全，采用較高等級作為最終報警等級。

5 現(xiàn)場實驗測試

為鄭州某變電站施工現(xiàn)場的起重器械安裝本預(yù)警系統(tǒng)，測試系統(tǒng)可靠性。將信號采集端安裝于吊臂頂端，信號接收端置于吊臂操作室內(nèi)。針對35 kV、110 kV、220 kV輸電線路，操縱吊臂以不同角度從上端、下端、外側(cè)分別接近輸電線路，各進行30次實驗，記錄各級報警發(fā)生時吊臂頂端與輸電線路的距離。各級報警距離最大、最小值如表3所示。

表3 系統(tǒng)最小報警距離

現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，預(yù)警系統(tǒng)報警距離最小值均大于安全距離，且最大距離與安全閾值誤差小于4%。本文設(shè)計的三維安全預(yù)警系統(tǒng)可以實現(xiàn)在規(guī)定施工器械進入最小安全距離之前及時預(yù)警，且預(yù)警距離準確，能夠滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

本文為了解決檢修機械過于接近高壓輸電線路引發(fā)的安全問題，設(shè)計了一種三維安全距離預(yù)警系統(tǒng)，得出以下結(jié)論。

（1）三維電場傳感器可測量各方向電場，消除電場預(yù)警盲區(qū)，傳感器測量誤差在5%以內(nèi)。

（2）研究電場報警閾值，計算輸電線路周圍電場時，機械吊臂對電場的影響不可忽略，吊臂存在時，電場可增強至原電場的3.5倍。

（3）經(jīng)實驗驗證，本文系統(tǒng)可實現(xiàn)多電壓等級輸電線路檢修現(xiàn)場的及時可靠預(yù)警，可提高施工器械的作業(yè)安全性。