顧俊杰，袁 奇

（上海市電力公司檢修公司輸電檢修中心，上海 200063）

0 引言

自2005年國家電網(wǎng)公司頒布《十八項電網(wǎng)重大反事故措施》以來，在治理電網(wǎng)重大安全隱患，防范各類事故發(fā)生，保障電網(wǎng)安全運行和可靠供電方面發(fā)揮了積極作用。2011年5月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《十八項電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）》，用以防止發(fā)生重大級以上電網(wǎng)、人員和設(shè)備事故，強(qiáng)化設(shè)備全過程管理，從規(guī)劃設(shè)計、設(shè)備選型、安裝調(diào)試、設(shè)備運維以及技改檢修等環(huán)節(jié)，提出反事故措施和要求。上海市電力公司檢修公司認(rèn)真執(zhí)行《十八項電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）》的要求，進(jìn)一步加大了安全生產(chǎn)的管理和考核力度，深度排查安全生產(chǎn)方面的隱患，全面梳理各類事故的應(yīng)急預(yù)案，通過完善事故應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)，落實搶修值班制度，提升事故應(yīng)急搶修能力，確保輸電線路安全運行，為此提出研發(fā)輸電線路塔材防盜系統(tǒng)的設(shè)想。

1 輸電線路塔材被盜狀況

1）輸電線纜匯總 檢修公司目前管轄的高壓電纜回路數(shù)量為845條，長度為1640 km，其中包括兩回國內(nèi)距離最長、截面最大的500 k V電力電纜。所轄220 k V及以上交流和直流輸電線路，包括直流接地線路，數(shù)量為342條，全長4904.423 km，桿塔總計9286基。

2）塔材被盜嚴(yán)重 據(jù)統(tǒng)計，2011全年發(fā)生塔材被盜19起，涉及19條線路，51基桿塔，被盜角鋼總計874根，接地極10根，包角鋼45塊，還有大量腳釘、螺栓和螺帽。例如：2011年10月10日，發(fā)現(xiàn)退役線路楊浦2142線36號桿塔，被盜包角鐵11塊，剩下9塊包角鐵的大部分緊固螺栓和螺帽已經(jīng)被盜，隨時有倒塔的可能。所幸該塔是零轉(zhuǎn)角耐張塔，兩邊導(dǎo)線張力平衡，還未發(fā)生塔身錯位或扭轉(zhuǎn)。后經(jīng)臨時補(bǔ)強(qiáng)和應(yīng)急補(bǔ)裝，才避免了一起可能發(fā)生的重大倒塔事故。該轉(zhuǎn)角耐張塔地處中環(huán)，一旦發(fā)生倒塔事故，后果不堪設(shè)想。塔材被盜照片如圖1圈注部分所示。

圖1 桿塔塔材被盜

3）被盜原因分析 據(jù)統(tǒng)計，3年來輸電線路塔材被盜次數(shù)呈上升趨勢，這對電網(wǎng)安全運行帶來了極大危害。目前線路塔材防盜措施，主要采取“巡視發(fā)現(xiàn)＋報警備案＋后續(xù)補(bǔ)裝”的模式，由于防盜手段被動，無法做到及時發(fā)現(xiàn)、立即響應(yīng)、立馬制止的目的。雖然已經(jīng)派遣專人、專車巡查，加大與警方的聯(lián)防協(xié)作力度，但是防盜和治理效果并不理想。

按照輸電線路設(shè)計原則，為了防止塔材被盜，采取在塔腳以上8～10 m內(nèi)進(jìn)行防盜電焊，該措施雖在一定程度上加大了偷盜塔材的難度，但因現(xiàn)在的偷盜工器具比較專業(yè)，具有小型、攜帶便捷等特點，且因螺栓本身為鐵制，在實際防盜方面的效果不是最好。由于經(jīng)過點焊的螺栓外部鍍鋅層遭到破壞，日曬雨淋，長期運行后，點焊處的金屬容易發(fā)生銹蝕，受力強(qiáng)度明顯下降，不利于輸電線路的安全運行。特別是地處高速鐵路、高速公路、航道等交叉跨越處的鐵塔，一旦塔材被盜發(fā)生倒塔事故，后果不堪設(shè)想。

2 塔材防盜系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

目前采用的傳統(tǒng)桿塔人防措施已經(jīng)無法達(dá)到防盜要求，而先進(jìn)的桿塔技防裝置又配備不足，為了確保輸電線路的安全運行，有效降低塔材人為被盜和受損事故的多次發(fā)生，減少因輸電線路事故沒有得到即時處理而造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會危害的目的，擬開發(fā)一套基于人體熱釋電感應(yīng)技術(shù)的輸電線路塔材防盜系統(tǒng)，加大防盜力度，從技術(shù)層面遏制塔材偷盜行為。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

塔材防盜系統(tǒng)擬采用先進(jìn)的人體探測技術(shù)、信息轉(zhuǎn)換技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和電源供應(yīng)技術(shù)，全天候?qū)嵤┧姆辣I的自動探測，獲取即時多渠道通知、即時人為處理等多種信息。經(jīng)對大量專業(yè)文獻(xiàn)、技術(shù)資料的分析和比對，在排除震動感應(yīng)探測器、特定音頻探測器等監(jiān)測技術(shù)后，確定該套塔材防盜系統(tǒng)擬由熱釋電探測傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、手機(jī)報警模塊、GSM網(wǎng)絡(luò)、110指揮中心報警模塊和終端手機(jī)構(gòu)成。擬設(shè)計的塔材防盜報警系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 塔材防盜報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 熱輻射探測技術(shù)

熱輻射是指物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線。物體能夠向其所在的空間發(fā)射各種不同波長的電磁波，而不同波長的電磁波具有不同的效應(yīng)，利用不同波長的電磁波效應(yīng)，可以構(gòu)建輸電線路塔材防盜系統(tǒng)。

1）傳感器特點 采用熱輻射探測技術(shù)，可以快速測定人體發(fā)出的特定波長。由熱釋電傳感器構(gòu)成的熱輻射探測裝置，其傳感原理是利用特殊的熱電陶瓷敏感元，在6～15m測距內(nèi)，快速、準(zhǔn)確地感測由運動人體紅外線引起的敏感元溫度變化信號，經(jīng)熱—電轉(zhuǎn)換后，輸出電信號觸發(fā)控制裝置，從而實現(xiàn)智能監(jiān)控。熱輻射探測裝置對探測信號特別敏感，具有誤報率低、抗干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耗電量少等優(yōu)點。

2）傳感原理 當(dāng)人體發(fā)出的紅外線到達(dá)傳感器頂部光學(xué)窗口時，紅外輻射能量被敏感元晶體吸收，引起晶體溫度變化，產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)。而當(dāng)紅外輻射能量恒定時，晶體表面電荷被中和平衡而沒有電量輸出。

3）傳感器等值電路 熱釋電紅外傳感器型號為P2288，是雙敏感元型傳感器，具有較高靈敏度、寬視角抗干擾力強(qiáng)等優(yōu)點。該元件是由相反極性的兩個串聯(lián)晶體組成，能對因冷熱氣流、環(huán)境溫度、背景變化幅度及聲頻噪聲產(chǎn)生的干擾，有較強(qiáng)的共模抑制作用，不會產(chǎn)生誤動作。而敏感元的表面電荷，經(jīng)負(fù)荷電阻釋放產(chǎn)生電壓，由場效應(yīng)管完成阻抗轉(zhuǎn)換，以較低阻抗輸出。

4）傳感器濾光片 為了使熱釋電紅外傳感器只對紅外光譜中某一段紅外輻射敏感，在熱釋電體前設(shè)置了濾光片。當(dāng)熱釋電紅外傳感器作為入侵防盜報警使用時，主要是使熱釋電紅外傳感器對人體外輻射不敏感。需要在熱釋電體表面貼上波長為7～105m的濾波片，用以避免太陽光的輻射和其它紅外輻射的干擾，從而減少虛報和漏報信息。

5）傳感器菲涅爾透鏡 熱釋電紅外傳感器根據(jù)物質(zhì)表面溫度不同，發(fā)出不同波段的紅外光進(jìn)行溫度檢測。由于探測到人體的信號比較微弱，所以在紅外傳感器的表面上需要罩上一塊菲涅爾透鏡，用以增加信號強(qiáng)度，使探測半徑達(dá)到10 m以上。菲涅爾透鏡為乳白色，呈半透明狀，用聚乙烯塑料片制成，對波長為10μm左右的紅外線來說是透明的。菲涅爾透鏡具有聚焦作用，焦點為5 cm左右，應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)置情況，仔細(xì)調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，將透鏡固定在傳感器正前方1～5 cm處。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集裝置

在傳感器的正前方安置好菲涅爾透鏡后，一旦人體出現(xiàn)在透鏡探測防盜區(qū)域內(nèi)時，活動人體熱輻射出的紅外線通過透鏡，在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)和明亮區(qū)，使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號，被數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行識別，從而達(dá)到數(shù)據(jù)采集的目的。

2.2.3 手機(jī)報警模塊

在紅外探測器檢測到有人入侵時，數(shù)據(jù)采集裝置接收到電信號，手機(jī)報警模塊被激活，立即向預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號碼（設(shè)備主人）發(fā)送短信報警信息，以便設(shè)備主人采取應(yīng)急措施。另外，報警模塊擬設(shè)定線路名稱、桿塔編號、桿塔位置，便于運行人員第一時間確定哪條線路的哪基桿塔發(fā)生被盜，有利于后續(xù)處理。

2.2.4 GSM網(wǎng)絡(luò)

GSM是基于時分多址技術(shù)的通信體制，是目前全球比較成熟且應(yīng)用最廣泛的一種移動通訊系統(tǒng)。本系統(tǒng)擬采用較為成熟穩(wěn)定的GSM作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，通過中國移動公司建成的無縫覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，當(dāng)熱釋電感應(yīng)器的電信號通過放電電路放大后，將利用GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無地域限制的實時報警短信息傳輸，方便實現(xiàn)線路塔材盜竊報警信息的發(fā)送，具有覆蓋面廣、投資小、運營費用少的優(yōu)點。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)塔材被盜時，發(fā)送實時報番信息至相關(guān)人員手機(jī)上，及時響應(yīng)，緊急處置。另外，塔材被盜現(xiàn)象多發(fā)生于人跡罕至的區(qū)域，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)在無人情況、環(huán)境惡劣、超越距離的情況下進(jìn)行信息的傳送。

2.2.5110 指揮中心報警模塊

本系統(tǒng)擬與110指揮中心聯(lián)動，一旦發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控桿塔發(fā)生被盜現(xiàn)象，系統(tǒng)的報警模塊觸發(fā)GSM網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備主任發(fā)出警報短信的同時，立即通過無線網(wǎng)絡(luò)向110指揮中心進(jìn)行自動報案，確保報案記錄及時、有效、準(zhǔn)確。

2.2.6 終端手機(jī)

系統(tǒng)對手機(jī)的技術(shù)參數(shù)無特殊要求，目前普遍使用的手機(jī)都可以作為接收報警短信的終端。為確保報警短信能夠及時被處理，建議配置待機(jī)時間長，在接收到報警短信后，可發(fā)出特殊聲光警示的手機(jī)。

2.3 探測系統(tǒng)工作原理

當(dāng)人體在檢測區(qū)內(nèi)活動時，離開一個透鏡單元的視場，會立即進(jìn)入另一個透鏡單元視場，傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號，從而達(dá)到監(jiān)控是否有人體進(jìn)入監(jiān)測區(qū)并逗留時間長短的目的。將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器整合使用時的工作原理圖，如圖3所示。

圖3 熱釋電紅外傳感器工作原理示意圖

2.4 電源供給系統(tǒng)

考慮到防盜系統(tǒng)主要應(yīng)用于地理位置較為偏僻的桿塔上，接入專用的電源線路比較困難，且后期維護(hù)也不方便，因此考慮采用太陽能電池進(jìn)行整個系統(tǒng)的供電，工作原理如圖4所示。

圖4 太陽能電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在白天光照條件下，控制電路檢測到太陽能電池有正常輸出，則開啟充電電路，關(guān)閉放電電路，太陽能電池給裝置供電同時也給蓄電池充電。在天黑或陰雨天氣，控制電路檢測到太陽能電池?zé)o輸出，則關(guān)閉充電電路，開啟放電電路，由蓄電池給裝置供電，確保全天24 h不間斷供電。采用太陽能供電和蓄電池并用方式，主要是考慮到系統(tǒng)供電的持續(xù)性，不受夜間和陰雨天氣的影響，而配置充放電控制器，則使電源系統(tǒng)具有蓄電池過充電和過放電保護(hù)功能。

2.5 報警流程

首先由裝于塔身的熱釋電感應(yīng)器探測防盜區(qū)域是否有可疑人員，一旦探測到人體特有的熱輻射，且持續(xù)時間超過30 s，即刻判定為有偷盜人員對桿塔實施偷盜，觸發(fā)防盜系統(tǒng)內(nèi)置的手機(jī)報警模塊，自動連接GSM網(wǎng)絡(luò)，它是一種基于時分多址技術(shù)、成熟、穩(wěn)定且應(yīng)用廣泛的移動通信系統(tǒng)。通過中國移動公司的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，實現(xiàn)無地域限制的實時報警短信息傳輸。通過SMS短信功能將桿塔所在位置，對預(yù)設(shè)的多臺手機(jī)終端進(jìn)行報警，收到報警短信的設(shè)備主人第一時間趕赴現(xiàn)場處置。另外，可增加110自動短信報警模塊，也可待現(xiàn)場處置完畢后自行報警。輸電線路塔材防盜系統(tǒng)報警流程如圖5所示。

圖5 塔材防盜系統(tǒng)報警流程

3 后續(xù)研究的關(guān)鍵技術(shù)

1）抗干擾更強(qiáng) 桿塔防盜系統(tǒng)是一個實時監(jiān)測系統(tǒng)，對現(xiàn)場的各種環(huán)境干擾，包括由溫度或電磁環(huán)境的變化而引起的信號波動，是不可忽視的。因此，抗干擾問題關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠穩(wěn)定運行的技術(shù)關(guān)鍵之一，由于傳感器輸出的信號經(jīng)放大電路放大后，相對有些外部信號仍然比較微弱，容易受到外界的干擾，甚至有效信號被淹沒在環(huán)境中，只有通過軟件或硬件的研發(fā)，才能提高系統(tǒng)抗干擾的能力，降低誤報率，達(dá)到準(zhǔn)確、可靠報警的目的。

2）傳信息更快 考慮到成本因素，桿塔防盜系統(tǒng)目前擬采用傳統(tǒng)的GSM技術(shù)，但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，今后可以3G網(wǎng)絡(luò)為主，以獲取更多的數(shù)據(jù)量。

3）防盜性更優(yōu) 桿塔防盜系統(tǒng)因自身部件較多，也有可能成為被盜主體。因此，裝置的微型化、防盜性作為研究重點，根據(jù)實際把系統(tǒng)安裝在塔身不易被人發(fā)現(xiàn)的隱蔽處的同時，提高系統(tǒng)本身的防盜技術(shù)水平。