輸電線路檢修現(xiàn)場三維安全距離預(yù)警系統(tǒng)

陳劍

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司汨羅市供電分公司 湖南 汨羅 414400）

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，此類事故可能造成大面積停電、人身傷亡和設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。

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(zhǔn)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，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6cm的正方形薄銅片，導(dǎo)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7cm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[1]。

2 傳感器精度分析

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(biāo)準(zhǔn)要求，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0～250V，額定容量為5kVA；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1～20kV/m；頻率范圍為30～2000Hz；測量誤差為±1.5dB[2]。

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1～10kV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。

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(zhǔn)確，滿足應(yīng)用要求[3]。

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220kV及以下的輸電線路，因此系統(tǒng)主要設(shè)計35kV、110kV、220kV3個電壓等級。國家標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定，35kV、110kV、220kV輸電線路的最小安全距離分別為4.0m、5.0m、6.0m。將此距離作為系統(tǒng)一級距離報警閾值，同時各增加1m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，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[4]。

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2所示。

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。控制單元將電場與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(dāng)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]。

5 結(jié)語

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)；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。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。