面向多組態(tài)線路的非接觸式防外破裝置研究

謝修成，花國祥，2，李 鵬，2

（1.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211800；2.無錫學(xué)院 自動化學(xué)院，無錫 214105）

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，被譽(yù)為電力傳輸?shù)臉蛄?，它的安全運(yùn)行是電網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)展的堅(jiān)實(shí)保障[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸電線路附近的施工吊車越來越多，常發(fā)生吊車吊臂觸碰線路導(dǎo)致的相地間短路、斷線、跳閘等事故，甚至造成人員的傷亡，因此保證輸電線路的安全更加重要。現(xiàn)有的紅外感應(yīng)探測器[2]、雷達(dá)探測器[3]等設(shè)備具有良好的識別率，但紅外設(shè)備在使用過程中易受光源以及射頻的干擾，輸電線路環(huán)境具有大量電磁波，也會對雷達(dá)設(shè)備產(chǎn)生干擾且雷達(dá)設(shè)備價格昂貴，因此現(xiàn)有方式存在一定的安全隱患，在復(fù)雜的多組態(tài)環(huán)境下會出現(xiàn)條件受限產(chǎn)生排查困難的情況。

為解決這些問題，希望提供一種適配現(xiàn)場需求的經(jīng)濟(jì)、可靠、便捷的檢測方法，減少事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種適配低壓電纜的非接觸式測量方案，基于電容耦合效應(yīng)，測量線纜的表面電壓獲取電壓有效值，實(shí)現(xiàn)對電纜錯接和損傷的非接觸檢測并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]提出了非接觸式電力電壓頻率信息和波形信息電力電壓測試技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用于高壓的測量環(huán)境時，測量精度低，有待于進(jìn)一步的優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于家用電壓領(lǐng)域的非接觸式電壓測量裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡單方便，不適用于高壓測量環(huán)境。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，文章針對多組態(tài)輸電線路外力破壞的非接觸式方法進(jìn)行研究，并結(jié)合暫態(tài)過電壓測量和非接觸式電壓測量方法[8-9]，提出了一種用于多組態(tài)輸電線路的非接觸式防外破裝置并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，通過Ansoft Maxwell 軟件仿真建模計(jì)算分析多組態(tài)輸電線路的電場分布形式，完成了線路單相和三相的穩(wěn)定性和線性度試驗(yàn)及分析，結(jié)果表明該裝置可應(yīng)用于多組態(tài)環(huán)境下的防外破監(jiān)測工作中，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備作業(yè)時進(jìn)行預(yù)警的功能，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)適配現(xiàn)場需求的智能、可靠、便捷的方法提供研究方向。

1 非接觸式電壓測量原理

1.1 電場分布規(guī)律

輸電線路附近的電場強(qiáng)度和距離之間呈現(xiàn)二次反比例關(guān)系，輸電線路附近的電場強(qiáng)度與導(dǎo)線電壓存在如下關(guān)系：

式中：a 是導(dǎo)線半徑；r 是距離；er是源點(diǎn)指向場點(diǎn)的單位向量；v0（t）導(dǎo)體電位。

為驗(yàn)證電場的分布規(guī)律，搭建10 kV 輸電線路三相水平排列模型[10-12]，輸電線路計(jì)算模型為無限長直導(dǎo)線，導(dǎo)線采用橫截面為120 mm2的鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線之間的相間距為0.7 m，距離地面為6.5 m，三相導(dǎo)線施加的電壓激勵源如下：

對輸電線路排列模型計(jì)算分析，選取輸電線路水平高度的A 相導(dǎo)線所在位置作為測試的起點(diǎn)并向外側(cè)移動，其電場強(qiáng)度隨距離的變化曲線如圖1所示。

圖1 輸電線路電場隨距離變化曲線圖Fig.1 Transmission line electric field variation curve with distance

由圖1 可知，電場強(qiáng)度隨著距離的變化而變化，二者之間存在著一種反比例的關(guān)系，該曲線顯示輸電線路水平方向上的電場強(qiáng)度隨著距離的增大在快速下降。在距離輸電線路水平高度A 相導(dǎo)線外側(cè)5 cm 處的電場強(qiáng)度衰減至15073 V/m，在距離輸電線路水平方向0.7 m 時，電場強(qiáng)度衰減至498 V/m?？梢酝ㄟ^檢測電場強(qiáng)度，并根據(jù)電場強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系為防外破工作提供預(yù)警。

1.2 電壓測量原理

文中設(shè)計(jì)的非接觸式吊車防外破裝置利用輸電線路的高壓端和非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測量面積之間的電容作為高壓電容，利用非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測量面積和接地外殼之間的電容作為低壓電容[13]。使用時，將防外破裝置固定于吊車吊臂前端，非接觸式吊車防外破裝置的測量原理和等效電路如圖2 所示。

圖2 等效模型圖及等效電路圖Fig.2 Equivalent model diagram and equivalent circuit diagram

其中U 是輸電線路相對于大地的電位，Zcable是輸電線路的等效電路，C1是輸電線路的高壓端和非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測量面積之間的耦合電容，C2是非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測量面積和接地外殼之間的寄生電容。根據(jù)等效電路圖可得，非接觸式防外破裝置的系統(tǒng)傳遞函數(shù)H 為

當(dāng)jω（C1+C2）Zcable?1 時，系統(tǒng)工作在頻率較低或者電容較小的場合，稱之為積分工作狀態(tài)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

假設(shè)電纜線的中心導(dǎo)體為無限長直導(dǎo)線，其相對于大地電位為φ，相對介電常數(shù)為εr，測量端采用銅片作為感應(yīng)電極，銅片面積為S，中心導(dǎo)體軸線距離外殼的距離為k，中心導(dǎo)體半徑為k1，如圖3 所示。

圖3 測量原理圖Fig.3 Measurement schematic

由泊松方程和第一類邊界條件可得：

式中：ε0是真空介電常數(shù)；F（r）是測量端的銅片到中心導(dǎo)體的距離向量；E（r，t）是中心導(dǎo)體電位在裝置測量端的銅片所在位置產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。在此電場作用下，裝置測量端的銅片電極表面會出現(xiàn)感應(yīng)電荷Q。由高斯定理可知，在此面積微元上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量為

隨著中心導(dǎo)體電位在裝置金屬薄片所在位置產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化，面積微元上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷數(shù)量也隨之發(fā)生變化。所以感應(yīng)電荷在與測量裝置的輸出電纜連接的采樣電阻Zcable上產(chǎn)生的電壓為

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由于電容C1和C2很小，此時條件jω（C1+C2）Zcable?1 仍然滿足[14]。

2 抗干擾能力分析

多組態(tài)輸電線路周圍電場環(huán)境復(fù)雜，存在發(fā)生誤報警的情況，利用Ansoft 建立同塔雙回模型和線路故障模型，仿真計(jì)算多組態(tài)環(huán)境下的電場分布規(guī)律，研究該設(shè)計(jì)方案的可行性和適應(yīng)性。

2.1 同塔雙回模型分析

利用Ansoft Maxwell 軟件建立10 kV 和35 kV輸電線路同塔架設(shè)仿真模型，并采用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算分析，輸電線周圍的電場分布矢量云圖如圖4 所示，10 kV 和35 kV 輸電線路均帶電和10 kV不帶電、35 kV 帶電時2 種狀態(tài)下電場強(qiáng)度和距離之間的變化曲線如圖5 所示。

圖4 矢量云圖Fig.4 Vector cloud image

圖5 電場強(qiáng)度隨距離的變化曲線Fig.5 Variation curve of electric field strength with distance

由圖分析，均帶電時的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于10 kV不帶電且35 kV 帶電時的電場強(qiáng)度，在安全距離位置時，2 種情況下的電場強(qiáng)度大小分別為436.3 V/m和313.6 V/m，且隨著距離的增大場強(qiáng)也在不斷變小，當(dāng)距離遠(yuǎn)到1.5 m 左右時，電場強(qiáng)度的變化呈平穩(wěn)趨勢。因此在同塔架設(shè)時，線路的電場強(qiáng)度變化呈現(xiàn)反比例的規(guī)律性波動，對采樣的效果無影響，裝置在使用過程中設(shè)置好安全距離的閾值，便不會發(fā)生誤報警的情形。

2.2 線路故障環(huán)境分析

輸電線路發(fā)生故障時，線路周圍的場強(qiáng)也會發(fā)生變化，假設(shè)輸電線路發(fā)生A 相故障和AB 兩相同時發(fā)生故障，利用Ansoft Maxwell 仿真計(jì)算，10 kV輸電線路水平高度的故障側(cè)和非故障側(cè)的電場強(qiáng)度隨距離之間的變化曲線如圖6 所示，可以看出線路故障時，無論是故障側(cè)還是非故障側(cè)的電場強(qiáng)度最大值均大幅下降，但是總體趨勢仍然是呈現(xiàn)二次反比例的函數(shù)關(guān)系。

圖6 故障時電場強(qiáng)度隨距離的變化曲線Fig.6 Variation curve of electric field strength with distance at fault

由圖可知，當(dāng)線路發(fā)生故障時，線路附近的場強(qiáng)分布已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，在距離輸電線0.7 m處依舊有電場，此時故障側(cè)和非故障側(cè)所測到的電場強(qiáng)度小于輸電線路正常時所測到的電場強(qiáng)度，故障側(cè)的電場強(qiáng)度小于非故障側(cè)的電場強(qiáng)度。由仿真計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出在0.7 m 的安全距離時，輸電線路A 相發(fā)生故障時兩側(cè)的場強(qiáng)分別為142.9 V/m 和639.6 V/m，輸電線路AB 兩相發(fā)生故障時兩側(cè)的場強(qiáng)分別為80.4 V/m 和579.6 V/m，因此在進(jìn)行防外破預(yù)警工作時，正確的設(shè)置裝置的閾值范圍，可以避免誤報警的情況發(fā)生。

3 防外破裝置的整體設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸式防外破裝置由前置采集端和后置預(yù)警端組成，采集端負(fù)責(zé)采集吊車易觸碰輸電線路位置的電壓，預(yù)警端負(fù)責(zé)將采集的電壓與安全距離的電壓對比并給出相應(yīng)的報警信息。防外破裝置由電源電路設(shè)計(jì)模塊、MCU 控制模塊、濾波放大模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及無線通信模塊等部分組成[15]，裝置的測量架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 裝置測量架構(gòu)圖Fig.7 Device measurement architecture diagram

非接觸式防外破裝置處理器采用低功耗、高性能的STM32F103 芯片，能夠在確保精度的同時對電壓快速采樣，采樣電路如圖8 所示，R1、R2、R3和C1組成降壓電路，防止電壓過高破壞裝置，并通過濾波電路，放大電路對電壓信號處理，獲取裝置的采樣值。

圖8 裝置采樣部分電路圖Fig.8 Circuit diagram of the sampling part of the device

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置的軟件程序包含ADC 初始化、信號處理分析、串口通信以及聲光報警等模塊。數(shù)據(jù)傳輸采樣DMA 通道，DMA 方式可以提供設(shè)備和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，可以有效節(jié)約CPU 資源。ADC采樣選擇持續(xù)采樣模式，DMA 數(shù)據(jù)選擇循環(huán)傳輸模式，協(xié)同保證電壓測量實(shí)時性，軟件設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.9 Software design flow chart

4 防外破裝置的測試與數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的裝置方案是否具有可行性，搭建了10 kV 的輸電線路模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行多組態(tài)輸電線路防外破的實(shí)驗(yàn)測試，測試裝置在不同距離時使用的穩(wěn)定性、線性度。

4.2 測試分析

利用上述實(shí)驗(yàn)平臺，通過變壓器將電壓提升至10 kV，裝置和輸電線路電纜保持水平，改變裝置感應(yīng)極板和輸電線路電纜的水平距離，并記錄每間隔10 cm 時示波器所測量的波形，距離電纜線0.7 m 和1.5 m 時的波形如圖10 所示，由于測試環(huán)境周圍存在干擾，波形存在失真現(xiàn)象，但整體呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，在可接受的范圍。

圖10 示波器測量波形Fig.10 Oscilloscope measurement waveform

4.2.1 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析的目的是為了測試裝置的感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓和距離之間的關(guān)系曲線。示波器所測電壓有效值以及裝置所測的感應(yīng)電壓隨距離之間的變化曲線如圖11 所示，隨著距離的增加，示波器和裝置測到的電壓和距離之間呈現(xiàn)一種反比例下降的關(guān)系，其變化規(guī)律符合電場強(qiáng)度與距離的變化規(guī)律，表明文中的方案具有可行性。將危險報警距離設(shè)置為0.7 m 處的電壓，將1.5 m 處裝置感應(yīng)到的電壓設(shè)置為安全預(yù)警電壓，并設(shè)定好相應(yīng)距離時的閾值，實(shí)現(xiàn)裝置非接觸式防外破功能。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置測量電壓要高于示波器所測電壓有效值，將多次測量分析發(fā)現(xiàn)周圍存在電磁干擾，影響裝置測量的電壓值，示波器所測電壓與裝置測量電壓之間的誤差在5%以內(nèi)，滿足預(yù)期要求，表明防外破裝置的預(yù)警效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)定閾值范圍內(nèi)準(zhǔn)確報警，隨著裝置與電纜線的接近，預(yù)警效果達(dá)到預(yù)期。

圖11 電壓有效值和距離之間的關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curve between voltage RMS and distance

4.2.2 線性度分析

線性度分析的目的是獲取裝置感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓和輸電線路電場強(qiáng)度的線性度。根據(jù)輸電線路場強(qiáng)計(jì)算公式算出距離輸電線路電纜不同距離的場強(qiáng)，結(jié)合示波器所測不同距離時的電壓有效值，得到如圖12 所示的感應(yīng)電壓和電場強(qiáng)度的線性度擬合曲線，橫軸為輸電線路電纜的電場強(qiáng)度E，縱軸為感應(yīng)電壓U，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)線性相關(guān)系數(shù)R=0.9977，表明裝置感應(yīng)電壓的線性度良好，校準(zhǔn)系數(shù)k=0.06533，b=0.01314，則線性度擬合曲線的公式為U=0.06533E+0.01314。因此裝置的感應(yīng)電壓U 和輸電線纜的電場強(qiáng)度E 的線性度較高，線性度良好，可以滿足裝置非接觸式防外破的功能。

圖12 線性曲線圖Fig.12 Linear graph

5 結(jié)語

本文針對多組態(tài)輸電線路環(huán)境設(shè)計(jì)了一款非接觸式防外破裝置，介紹了非接觸式測量原理，結(jié)合仿真軟件進(jìn)行了抗干擾分析并給出了結(jié)果，設(shè)計(jì)了裝置的整體框架并對裝置的穩(wěn)定性和線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析并。結(jié)果表明在多組態(tài)的環(huán)境下裝置的抗干擾能力良好，裝置感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓變化規(guī)律符合電場的變化規(guī)律，可有效地提高裝置預(yù)警段準(zhǔn)確度，具有可靠的使用價值，能實(shí)現(xiàn)便捷的檢測方式，為多組態(tài)線路的防外破提供智能化的新方式。