國網(wǎng)重慶長壽供電公司 廖曉東 馮 俊 馬 超

一種線路保護區(qū)內(nèi)移動吊車施工智能防觸碰監(jiān)測系統(tǒng)

國網(wǎng)重慶長壽供電公司 廖曉東 馮 俊 馬 超

近年來高空施工越來越多，由于機械過于靠近高壓帶電設(shè)備而引起線路短路跳閘事故經(jīng)常發(fā)生，本文對交流輸電線路進行了模擬試驗和測試，對球形電場感應(yīng)傳感器的感應(yīng)電流進行了理論計算，并在實驗室環(huán)境下對報警裝置的工作性能進行了測試，利用標準電場對裝置進行了校正。

電場感應(yīng)；高壓線；近電報警；GPS

1 研究背景

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日益發(fā)展，電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模有了突飛猛進的發(fā)展，但是所面臨的問題也越來越多。近年來全國各省頻發(fā)高空施工機械由于過于靠近高壓帶電設(shè)備而引起線路短路跳閘事故，有些還造成了大面積的停電，使國民經(jīng)濟生產(chǎn)遭受了嚴重損失，給人們生活與社會活動帶來了很大的影響。發(fā)生高空施工機械引起跳閘事故，究其原因，除了操作人員的大意外，高壓設(shè)備是否帶電、施工設(shè)備是否進入高場強區(qū)、是否接近規(guī)程規(guī)定的最小安全距離，均沒有應(yīng)有的提示。特別是電力系統(tǒng)外的施工人員往往不懂高壓，可能根本沒有在高壓電力設(shè)備附近施工一定要有安全距離的概念，因此發(fā)生事故就不可避免了。

以下幾則關(guān)于吊車碰觸高壓線事故的新聞報道：2009年7月10日，吊車駕駛員周某因他觀察不周，所操控的吊車吊臂頂端碰到了六七米高的高壓線，致使手抓鋼絲吊繩的裝卸工觸電倒地。公訴機關(guān)以過失致人死亡罪對周某提起訴訟。此案一審被判處有期徒刑一年，緩刑兩年和 28 萬元的民事賠償協(xié)議。2009年7月2日9時36分，北京市朝陽區(qū)十八里店鄉(xiāng)附近多個用戶的用電瞬間中斷。這是最近12天來，連續(xù)第6起吊車觸碰高壓線引發(fā)的事故。2009年8月13 日下午2時許，廣東增城朱村附近的一條基坑路上，一輛吊車在吊裝作業(yè)時，由于安全距離不足導(dǎo)致高壓線路對吊車放電。該事故造成 500 千伏蓄增乙線停運 55 分鐘。多家養(yǎng)豬場60頭生豬被當場電死，強大的短路電流引起多條10 千伏配網(wǎng)線路跳閘，朱村供電所3臺配電開關(guān)柜燒毀，當?shù)爻^一千件正在使用的家用電器被燒毀，直接造成超過百萬元的經(jīng)濟損失。據(jù)悉，這是500千伏蓄增線在短短1個月內(nèi)發(fā)生的第二起流動作業(yè)碰線事件。7月10日清晨6時50分，屬于廣河高速建設(shè)項目指揮部的一部吊車，在無人監(jiān)護的情況下，擅自進入線路保護區(qū)內(nèi)吊裝作業(yè)，由于安全距離不足，導(dǎo)致線路對吊車放電，地面吊裝人員重度燒傷。以上事故案例全國數(shù)不勝數(shù)，拒不完全統(tǒng)計,每年至少要發(fā)生一百多起高空吊車碰觸高壓線的事故,一旦發(fā)生,損失往往是很慘重的，造成設(shè)備損壞、人員傷亡、大面積停電等等往往無法避免。

起重機械作業(yè)大部份處在有電的作業(yè)環(huán)境，觸電（電擊）也是發(fā)生在起重機械作業(yè)中常見的傷亡事故。圖1 給出了2001至2003年北京電網(wǎng)主系統(tǒng)輸電線路跳閘情況，外力破壞主要有電力設(shè)備的破壞和盜竊以及大型施工機械作業(yè)、施工誤碰撞高壓線等幾種情況。近年來，在電力線路保護區(qū)內(nèi)，塔吊、吊車等大型施工機械違章作業(yè)，造成的供電故障呈快速上升趨勢。2012年至今，因移動吊車或固定塔吊引起線路跳閘達8條次，其中110千伏黔魚東線因移動吊車吊裝貨物引起線路2次跳閘，110千伏朱雷線因固定塔吊擺臂引起線路3次跳閘，220千伏長朱東線、110千伏涪牽東線因移動吊車吊卸貨物各引起線路1次跳閘，固定塔吊、移動吊車的外力破壞成為影響長壽電網(wǎng)安全的重要因素對我們電網(wǎng)的運行造成了非常大的安全隱患。

圖1 架空線路外力破壞統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)模塊見圖

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理圖

因此，如何有效地杜絕吊車觸碰高壓線引發(fā)的這類事故有著重要的意義。為防止高空施工機械引起跳閘事故，除了必要的組織措施外，先進可靠的技術(shù)措施將可以避免各種人為的和各種環(huán)境因素的影響，將是安全措施的必要手段和保障。為此，需要一種高電壓現(xiàn)場施工安全距離報警器，它裝在施工機械的頂部以及與線路等高的位置上，在施工設(shè)備靠近帶電的導(dǎo)線時，達到有可能威脅安全時給予“有電”提示，在達到作業(yè)規(guī)程規(guī)定的一般距離時給出“注意”提示；在達到作業(yè)規(guī)程規(guī)定的最小安全距離時給出“停止操作”的命令。

高壓輸電線和工程用吊車這兩者之間并沒有直接的物理聯(lián)系，而且一個靜止， 另一個是運動的。高壓線的安全距離跟輸電線路的電壓有關(guān)，因為擊穿的很大因素取決于所施加的電壓，電壓大則電場強度大，則容易被擊穿。需要吊車操作員在操作過程中，時時感知到障礙物—輸電線成為我們的目標。而高壓輸電線的基本物理特征有以下幾個方面：

電場：交流輸電線路輸送的交流電是50Hz的，那么在輸電線路空間就會產(chǎn)生50Hz的工頻電場?？傮w來講，距離輸電線路近則電場強度越高，隨著距離的增加電場強度呈現(xiàn)遞減的趨勢，電場強度與電壓成正比，因此可以利用空間的電場信號來知道高空作業(yè)車與高壓輸電線的距離，以此來判斷吊車是否安全。磁場：由于交流輸電線路的磁場是與線路的電流有關(guān)系的，電流大則磁場強度大，然而輸電線路的電流是隨負荷的變化而變化的，即磁場是隨負荷變化的。與高壓線的安全距離是與電壓相關(guān)的，與電流大小無關(guān)，因此不能用磁場的大小來判斷吊車與高壓線的距離。物理尺寸：由于輸電線路的導(dǎo)線非常細，因此測量與高壓線的距離是很困難的，盡管目前有測量高壓線距地面高度的測高儀，但很難自動實時地測量與高壓線的距離。從以上三種特征看，決定從電場入手進一步研究。

2 設(shè)計思路

為貫徹“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)方針落在電力通信工程施工作業(yè)中人的安全、設(shè)備的安全、線路的安全，做到以人為本、主抓預(yù)防。電力、通信、油田、礦山、建設(shè)工程中經(jīng)常使用到大型機械，高空作業(yè)車、高空作業(yè)平臺、起重機械、吊塔、吊車、栽樁機，消防車等設(shè)備，這些機械設(shè)備在電力高壓線、高壓變電站等環(huán)境中施工作業(yè)，危險度極高，極易造成觸電事故，稍有不慎就會造成機毀人亡。因為這些設(shè)備一般臂展較長（高），設(shè)備操作受注意力、判斷力、視力范圍、風(fēng)力風(fēng)向、設(shè)備運動的慣性等因素的影響，這些因素中只要有一點出現(xiàn)意外，極有可能造成設(shè)備與高壓電纜（設(shè)備）相碰，形成觸電事故。

本文設(shè)計一種防止大型機械設(shè)備在高壓電力作業(yè)時觸電事故發(fā)生的近電預(yù)警裝置，可以避免因野蠻施工和違章作業(yè)而造成的碰觸高壓帶電設(shè)備，發(fā)生惡性事故，是一種有效的預(yù)控手段，保證了操作者能夠在安全范圍內(nèi)從事作業(yè)，維護了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,同時通過“線路保護區(qū)機械施工智能防觸電安全預(yù)警定位在線監(jiān)測系統(tǒng)”的工作平臺，規(guī)范了安全措施，提升了工作效率，創(chuàng)造了經(jīng)濟價值和社會效益,事實上任何一次事故帶來的損失都是足以解決大批次預(yù)防設(shè)備的投入，安全就是質(zhì)量，安全就是效率。

圖4 施工現(xiàn)場的實例圖

本文具體研究“線路保護區(qū)機械施工智能防觸電安全預(yù)警定位在線監(jiān)測系統(tǒng)”，主要包括如下部分：1、線路保護區(qū)機械施工智能防觸電安全預(yù)警定位在線監(jiān)測系統(tǒng)終端：包含高壓近電探測單元；無線2.4G發(fā)射單元及接收單元；高壓近電防觸碰預(yù)警單元；高壓近電防觸碰監(jiān)控及GPS定位單元；預(yù)警語音裝置；探測單元供電單元及高壓近電防觸碰預(yù)警監(jiān)控定位供電單元。2、監(jiān)控中心管理平臺：包括線路保護區(qū)機械施工智能防觸電安全預(yù)警定位在線監(jiān)測系統(tǒng)報警軟件、定位軟件、中心接警機及監(jiān)控電腦。3、工作原理：將接收到的監(jiān)測信號進行前端分析處理，取出50Hz工頻信號，經(jīng)過數(shù)字濾波排除干擾信號，依據(jù)分析的信號強度，當達到預(yù)設(shè)值時發(fā)出無線報警信號傳給接收端，接收端在接收到該信號后報警，提示設(shè)備和人員已接近強電，應(yīng)及早注意和規(guī)避危險，同時啟動高壓近電報警信號及GPS位置信息上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心值班人員通過管理平臺及時查看高壓近電預(yù)警位置及車輛編號、名稱，及時通知相關(guān)人員，系統(tǒng)同時會向輸電線路檢修人員發(fā)送告警信息及工程車輛編號等，收到險情信息后，立即趕往現(xiàn)場處理險情。該系統(tǒng)只對220V以上工頻50Hz-60Hz的電壓預(yù)警，設(shè)備電路通過數(shù)字濾波抗干擾，穩(wěn)定可靠，特別注意：預(yù)警系統(tǒng)不對直流、高頻、靜電預(yù)警，它主要是針對室外工頻高壓架空導(dǎo)線預(yù)警。系統(tǒng)模塊簡圖如圖2所示。

系統(tǒng)分為高壓近電探測單元、無線2.4G發(fā)射單元及接收單元、高壓近電防觸碰預(yù)警單元、高壓近電防觸碰監(jiān)控及GPS定位單元、預(yù)警語音裝置、探測單元供電單元及高壓近電防觸碰預(yù)警監(jiān)控定位供電單元、監(jiān)控中心管理平臺（包括高壓近電防觸碰智能預(yù)警定位軟件、中心接警機及監(jiān)控電腦）。

本文所設(shè)計的“線路保護區(qū)機械施工智能防觸電安全預(yù)警定位在線監(jiān)測系統(tǒng)”將接收到的監(jiān)測信號進行前端分析處理，取出50Hz工頻信號，經(jīng)過數(shù)字濾波排除干擾信號，依據(jù)分析的信號強度，當達到預(yù)設(shè)值時發(fā)出無線報警信號傳給接收端，接收端在接收到該信號后報警，提示設(shè)備和人員已接近強電，應(yīng)及早注意和規(guī)避危險，同時啟動高壓近電報警信號及GPS位置信息上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心值班人員通過管理平臺及時查看高壓近電預(yù)警位置及車輛編號、名稱，及時通知相關(guān)人員，系統(tǒng)同時會向輸電線路檢修人員發(fā)送告警信息及工程車輛編號等，收到險情信息后，立即趕往現(xiàn)場處理險情。

3 技術(shù)條件

圖5 施工現(xiàn)場的實例圖

圖6 施工現(xiàn)場的實例圖

圖7 施工現(xiàn)場的實例圖

本系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵主要是高壓近電感應(yīng)探測技術(shù)、無線2.4G傳輸技術(shù)、高壓防觸碰預(yù)警處理技術(shù)、GPS定位傳輸技術(shù)、無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、電子低溫環(huán)境加熱技術(shù)、監(jiān)控中心服務(wù)器軟件管理技術(shù)、系統(tǒng)防高磁高壓抗干擾技術(shù)等技術(shù)問題。

3.1 高壓近電感應(yīng)探測技術(shù)：作為安全智能預(yù)警設(shè)備可減少或避免因作業(yè)車在作業(yè)時與高壓帶電導(dǎo)線非接觸放電而產(chǎn)生的事故，本系統(tǒng)對220V-500Kv交流工頻50Hz-60Hz的電壓預(yù)警，如何感應(yīng)到電壓信號，電路如何抗干擾都是感應(yīng)探測的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 無線2.4G傳輸技術(shù)：通過采用2.4G的通訊頻道，實現(xiàn)真正的數(shù)字無線通訊技術(shù)采，實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)通訊，采用數(shù)據(jù)包的型式通過通訊協(xié)議可對實際通訊信息的內(nèi)容加密、驗證、糾錯、地址核對等功能，解決設(shè)備之間互聯(lián)互通的需求，做到速度更快、更穩(wěn)定、抗干擾、及時傳輸。

3.3 高壓防觸碰預(yù)警數(shù)據(jù)處理技術(shù)：數(shù)據(jù)處理ASIC芯片具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可靠快速功耗極低，此芯片的功耗在uA級，在此領(lǐng)域內(nèi)可謂標新立異，ASIC芯片也體現(xiàn)了公司的研發(fā)實力，系統(tǒng)需要將高壓感應(yīng)接收后進行數(shù)字編碼處理，并驅(qū)動語音警示，發(fā)出報警及位置信息等，這是系統(tǒng)的主機，是研發(fā)核心。

3.4 GPS定位傳輸技術(shù)：系統(tǒng)需要將車輛定位，需要將GPS技術(shù)融入到我司系統(tǒng)中，這也是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.5 GSM/GPRS無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)：GSM/GPRS無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是第三代移動通信技術(shù)的簡稱是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，是一項全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集、傳輸、儲存和處理功能，具有傳輸距離遠、速度快、抗干擾能力強、無需鋪設(shè)電纜、投資成本低等優(yōu)勢。數(shù)據(jù)傳輸原理如圖2所示，在移動3G信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，充分利用3G公共網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)中心對多點的語音、短信、數(shù)據(jù)傳輸，見圖3所示；

3.6 電子低溫環(huán)境加熱技術(shù)：本技術(shù)主要針對電子設(shè)備在低溫下開機所需加熱升溫，解決電子設(shè)備在低溫狀態(tài)下無法正常使用以及現(xiàn)有耐低溫部件成本高的技術(shù)問題。在主機及屏幕內(nèi)所需加熱的所有器件和部件上放置薄膜加熱片，薄膜加熱片在主機及屏幕內(nèi)呈多點、不同平面上分布，薄膜加熱片有兩只引腳，接直流或交流電源。薄膜加熱片的形狀與被加熱器件相匹配，薄膜加熱片通過耐高溫導(dǎo)熱膠固定在被加熱器件表面。實現(xiàn)了電子設(shè)備器部件在低溫條件下可正常工作，經(jīng)檢測，設(shè)備一般可在-40℃-60℃工作。

3.7 監(jiān)控中心服務(wù)器軟件管理技術(shù)：控制中心的設(shè)計相對于監(jiān)測站的設(shè)計開發(fā)來講較為簡單，硬件設(shè)計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（若無線通信采用自行設(shè)計的模塊實現(xiàn)，則須開發(fā)專用的無線網(wǎng)卡插入微機主板的預(yù)留總線插槽中）。控制中心的設(shè)計開發(fā)主要集中在應(yīng)用軟件的設(shè)計開發(fā)上，一般是基于Windows操作系統(tǒng)的。當前用于此類軟件開始、調(diào)試的工具較多，且功能強大，控制中心軟件的設(shè)計帶來便利。

4 系統(tǒng)功能及優(yōu)勢

圖8 施工現(xiàn)場的實例圖

本系統(tǒng)應(yīng)用面極廣各種作業(yè)車輛均可使用，包括吊車、升降平臺車、打井鉆探設(shè)備等都可以安裝使用，該產(chǎn)品作為安全智能預(yù)警設(shè)備可減少或避免因作業(yè)車在作業(yè)時與高壓帶電導(dǎo)線非接觸放電而產(chǎn)生的事故，設(shè)備電路通過數(shù)字濾波抗干擾，穩(wěn)定可靠。特別注意：預(yù)警系統(tǒng)不對直流、高頻、靜電預(yù)警，它主要是針對室外工頻高壓架空導(dǎo)線預(yù)警。采用2.4G的通訊頻道速度更快更穩(wěn)定，抗干擾，及時傳輸。安裝，使用方便可靠。實現(xiàn)真正的數(shù)字無線通訊。技術(shù)采用2.4G通訊頻率，可實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)通訊，采用數(shù)據(jù)包的型式通過通訊協(xié)議可對實際通訊信息的內(nèi)容加密、驗證、糾錯、地址核對等功能，解決設(shè)備之間互聯(lián)互通的需求。

本系統(tǒng)發(fā)射端與接收端各有一個獨立地址，不重復(fù)，多套設(shè)備之間同時工作互不干擾。支持多個發(fā)送端可任意組合，解決多種不同的機械的需求。適應(yīng)多種工況情況多等級電壓可調(diào)支持電壓10Kv、35Kv、110Kv、220Kv及以上電壓，能符合各種電力環(huán)境。具有自檢功能，可自檢自身狀態(tài)?？筛鶕?jù)需要增加無源開關(guān)點、485接口（支持MODBUS通訊協(xié)議），支持CAN總線等功能，可與其它設(shè)備互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)采集處理ASIC芯片具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可靠快速功耗極低，此芯片的功耗在uA級，在此領(lǐng)域內(nèi)可謂標新立異，ASIC芯片也體現(xiàn)了公司的研發(fā)實力。其功耗很低，適合各種設(shè)備使用。支持外置電源接口（12V-24V）。安裝簡單。無需專業(yè)人員。

5 工程實施圖例

圖4-圖8為本系統(tǒng)應(yīng)用在施工現(xiàn)場的實例圖，該系統(tǒng)能夠精確的實現(xiàn)預(yù)警功能。

6 總結(jié)

本文通過對電場感應(yīng)無線近電報警裝置進行了理論分析、方案制定，對產(chǎn)品的研制提供了理論基礎(chǔ)依據(jù)，將理論轉(zhuǎn)化成設(shè)備，并應(yīng)用到了生產(chǎn)中，該項技術(shù)為高壓帶電設(shè)備下施工的必備安全裝置奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，并提供了相應(yīng)的設(shè)計制造依據(jù)。所設(shè)計的系統(tǒng)具有體積小，抗干擾能力強，報警可靠，誤報率低，采用無線通訊報警方式，裝置底部有磁鋼吸附于吊臂， 安裝方便，拆卸容易，能實現(xiàn)在操作室就能知道吊臂與高壓線的距離情況，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，可以同時安裝多套電場感應(yīng)無線近電報警裝置，實現(xiàn)對多個方向的高壓線進行距離預(yù)警。通過理論研究與實際應(yīng)用結(jié)合，能夠較好的實現(xiàn)輸電線路防外破工作。

[1] 汪軍.起重機械事故原因分析與安全管理的探討.機電工程技術(shù). 2010,39(2)：105-108.

[2] 方志國.近電報警器在低壓工作中的應(yīng)用.電氣時代.2001(5)：58.

[3] 劉曉屏.手表式近電報警器.中國電力. 1987(5)：67-68.

[4] Misakiaan M,Fuicomer P M.Measurement of nonuniform powerfrequency electric fields[J].IEEE Trans On Electrical Insulation.1983,EI-18(6)：657-661.

[5] P Cooperman，et al. A new technique for the measurement of corona field strength and current density in electrical precipitator，AIEE Commun . Electronics.1956,75,64-67.

[6] J· M · M e e k ， e t.Measurement of electric field at electrode surface，Electron.Lett.1965,1,110-111.

[7] 張啟春 , 阮江春 , 等 . 高壓架空線附近的工頻磁場 . 電力環(huán)境保護 .2000,16(2)：10-15.

[8] 張婷,方志. 球形電場測量系統(tǒng)在高壓測量領(lǐng)域中的應(yīng)用.2007,44(503)：11-16..

[9] 彭迎,阮江軍. 模擬電荷法計算特高壓架空線路三維工頻電場[J]. 高電壓技術(shù),2006,32(12)：69-75.

[10] 李鵬,范建斌,李光范,等.1000kV 級特高壓交流線路絕緣子串電位分布計算和均設(shè)計[J]. 中國電力. 2006,39(10)：33-37.

[11] 公茂法,趙永林,龔衛(wèi)民.光測高電壓系統(tǒng)的研究[J].電測與儀表. 2001,38(6)：26-29.

[12] 李清泉,劉健,李彥明. 基于光信的測量瞬態(tài)電場的球形傳感器[J]. 傳感器技術(shù).2002,21(3)：14-16.