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        雙重保險的近電預(yù)警裝置研究

        2018-08-27 10:23:56魏家鳴盧奕巒曹宇超周訊杰苗盈涵徐懂理
        機電信息 2018年24期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)體電荷電場

        魏家鳴 盧奕巒 曹宇超 周訊杰 蔡 暢 苗盈涵 徐懂理

        (南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇南京211167)

        1 課題研究意義

        隨著電力行業(yè)的發(fā)展,高壓線路已經(jīng)非常普遍,經(jīng)過高壓輸電,在同等功率的情況下,電壓等級越高所流過的電流就越小,因此高壓輸電線路能使輸電時的電流減小,降低電流產(chǎn)生的熱損耗以及長距離輸電所使用的材料成本。雖然高壓線路輸電更為經(jīng)濟高效,但是其本身還是存在著一些不可忽視的安全性問題。首先是自然災(zāi)害的影響,這是不可抗因素,我們不能準(zhǔn)確地作出預(yù)判并解決;其次是人為因素,有可能會出現(xiàn)一些作業(yè)車觸碰高壓線從而導(dǎo)致觸電跳閘、人員傷亡的事故。

        除了加強對作業(yè)人員的培訓(xùn)、設(shè)置安全提示標(biāo)牌之外,為了在源頭上遏制這種事件的發(fā)生,需要研制出一種有效并且準(zhǔn)確率較高的裝置,當(dāng)作業(yè)車輛靠近高壓線路時,裝設(shè)于車輛最高點的裝置將會處理其采集的信號。因為輸電電壓等級不同,輸電線路周圍的場強大小會有很大區(qū)別,所以在裝設(shè)裝置前,要根據(jù)吊車工作的區(qū)域的電壓等級,對閾值進行預(yù)設(shè)。當(dāng)?shù)踯嚬ぷ鲿r,這個裝置會根據(jù)距離的不同進行場強的測量,當(dāng)場強達到預(yù)設(shè)的一個值時,其內(nèi)部的預(yù)警裝置會被觸發(fā),單片機會進行信號的放大,并通過無線傳輸將信號傳輸至吊車的駕駛室內(nèi),同時依靠蜂鳴器發(fā)出報警聲,提醒吊車司機注意安全距離,以防發(fā)生吊車碰線的事故。

        據(jù)調(diào)查了解,目前市面上有此類裝置售賣,但裝置功能過于單一。為了改善近電預(yù)警裝置的功能,使其更加精確、使用范圍更廣,能覆蓋各種類型的預(yù)警情況,減少吊車碰線事故的發(fā)生,本裝置采用傳統(tǒng)的場強測量裝置,并具備對吊臂與輸電線路間測距的功能,可通過無線傳輸遠距離信號,使預(yù)警更加精確及時。其具體原理如圖1所示。

        圖1 近電預(yù)警裝置原理圖

        2 場強測量模塊

        2.1 高壓輸電導(dǎo)線周圍電場

        高壓輸電導(dǎo)線作為帶電導(dǎo)體,周圍存在準(zhǔn)靜態(tài)電場,它是只由電荷產(chǎn)生的。這個電場將隨著輸電線內(nèi)部電流的變化而呈現(xiàn)50 Hz變化。隨著電壓等級的升高,其工頻電場強度也會變大。根據(jù)麥克斯韋理論,輸電導(dǎo)線周圍的電場應(yīng)該有三個正比于1/r3、1/r2、1/r(r為監(jiān)測點距場源的距離)的分量[1]。

        利用等效電荷法分析單相或多相高壓輸電線路下工頻電場強度:計算出單位長度導(dǎo)線上的等效電荷后,則空間內(nèi)任一點的電場強度均可根據(jù)疊加原理求得。

        如圖2中P點電場強度可以表示為:

        式中,xi,yi為導(dǎo)線坐標(biāo);m為導(dǎo)線數(shù);Li,Li′分別為所計算點到導(dǎo)線的距離以及所計算點的鏡像到導(dǎo)線的距離;ε表示電容率[2]。

        圖2 空間電場強度求解示意圖

        2.2 工頻電場檢測(傳感器模塊的工作原理)

        傳感器單元的核心部件是感應(yīng)電極,靠近高壓輸電線路時,在強電場的作用下,由于靜電感應(yīng)原理,傳感器上會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。靜電感應(yīng)是一個帶電物體與不帶電的導(dǎo)體由于電荷間的相互作用,在相互靠近時,異種電荷被吸引到帶電體附近,而同種電荷被排斥到遠離帶電體的導(dǎo)體另一端,在外電場的作用下導(dǎo)體中電荷在導(dǎo)體中重新分布的現(xiàn)象。靜電感應(yīng)只與線路設(shè)備的電壓有關(guān),與線路設(shè)備的負載電流無關(guān),無論是空載還是充電線路,都能取得相應(yīng)的感應(yīng)能量(信號),可靠性高。

        如圖3所示,有帶負電的導(dǎo)體A和金屬導(dǎo)體B。金屬導(dǎo)體B緩慢接近導(dǎo)體A,在靜電感應(yīng)作用下,電荷在導(dǎo)體內(nèi)部重新分布。在金屬導(dǎo)體B內(nèi)部,正電荷由于電場力的作用向帶電體A側(cè)聚集,負電荷則反向移動。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電勢處處相等、電場強度處處為零時達到靜電平衡,這種通過靜電感應(yīng)從而讓金屬從不帶電到帶電的轉(zhuǎn)換,就叫感應(yīng)起電。

        圖3 靜電感應(yīng)原理圖

        對于近電報警裝置來說,高壓輸電線相當(dāng)于圖3中的帶電體A,傳感器的感應(yīng)電極則充當(dāng)了圖中的導(dǎo)體B。在線路中流過電流時,導(dǎo)體表面會產(chǎn)生感應(yīng)電荷,感應(yīng)電荷會引起傳感器感應(yīng)電極上的電荷分布,只需將這部分感應(yīng)電荷信號轉(zhuǎn)化為電流信號,再經(jīng)過濾波放大,就能得到報警器所需的報警信號。

        因為高壓直流電流和高壓交流電流在輸電導(dǎo)體上引起的電荷分布不同,需對交直流電做不同的分析。對于高壓直流輸電線路,導(dǎo)體表面的電荷為固定極性。而對于高壓交流輸電線路,導(dǎo)線極性隨電流以工頻正負變化,從而傳感器的感應(yīng)電極上也感應(yīng)出以工頻交變的感應(yīng)電荷信號。

        此外,近電預(yù)警裝置與待測導(dǎo)線的距離和電壓等級也會對預(yù)警信號產(chǎn)生影響。相較于低等級的線路,高電壓等級的線路將流過更大的電流,從而在導(dǎo)線表面感應(yīng)出更多的感應(yīng)電荷,產(chǎn)生更強的電場,引起的感應(yīng)電荷信號也將加強。對于同等級的輸電線路,距離越遠靜電感應(yīng)的效果越不明顯,感應(yīng)電荷信號也越弱。

        考慮到輸電線的交直流類型、輸電線電壓等級、傳感器與輸電線之間的距離等因素對傳感器感應(yīng)電荷信號的影響,需要通過仿真實驗,模擬不同情況下觸發(fā)近電報警的工作狀態(tài),以計算在不同情況下的報警信號閾值。在現(xiàn)場使用時,需根據(jù)實際工作狀態(tài)選擇不同檔位。

        3 超聲波測距模塊

        超聲波傳感器是實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置,又稱“超聲波探頭”或者“超聲換能器”。這種裝置能發(fā)射超聲波并接收超聲波回波,將其轉(zhuǎn)換為電信號。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件標(biāo)稱頻率一般為40 kHz,如果頻率取值過低,則外界雜音干擾較多;如果頻率取值過高,則超聲波在傳播過程中衰減較大[3]。

        聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波,當(dāng)聲波在其傳播路徑上遇到大于自身波長的障礙物時,會產(chǎn)生回波。超聲波測距是通過接收障礙物所反射的回波,利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度不變的性質(zhì),在當(dāng)?shù)芈曀賤已知的條件下,并由單片機實時計算出超聲波傳播所用時間T,從而得到目標(biāo)物體與傳感器之間的距離

        測距系統(tǒng)在測距開始后發(fā)出一連串的脈沖信號,計數(shù)器開始計數(shù),檢測到回波信號后,單片機關(guān)停計數(shù)器,根據(jù)計數(shù)脈沖的重復(fù)周期t,得到超聲波傳播所用時間T=n×t,n為脈沖計數(shù)器計數(shù)值。這樣,可以將對目標(biāo)距離D的測定轉(zhuǎn)換為測定脈沖數(shù)n,從而將連續(xù)的時間量轉(zhuǎn)換為離散的脈沖數(shù)。

        目標(biāo)距離D與脈沖數(shù)n的關(guān)系式如下:

        式中,f為計數(shù)器脈沖頻率。

        由上式可知,計數(shù)器脈沖頻率f越高,則測距精度越高。

        考慮到超聲波的傳播速度與溫度有關(guān),對于理想的氣體介質(zhì),v=其中γ為氣體的絕熱體積系數(shù)(空氣為1.4),R為摩爾氣體常數(shù),m為1 mol空氣質(zhì)量,均為已知常數(shù),因此超聲波波速v僅與絕對溫度T有關(guān)。以空氣中的聲速在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s為基準(zhǔn),溫度每升高1℃,聲速就增加約0.607 m/s。

        而測速裝置在某一地區(qū)使用時,因溫度變化并不是很大,可認為聲速是基本不變的。

        4 信號傳輸模塊

        近電預(yù)警裝置工作后,一旦作業(yè)車輛與高壓輸電線路的距離小于所規(guī)定的安全距離,傳感器采集到的電場信號經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換以后就會通過單片機編譯比較并發(fā)送給駕駛室內(nèi)的報警裝置。

        整個近電預(yù)警裝置由兩個單片機控制,一個在車輛外部的裝置內(nèi),另一個在車輛內(nèi)部的裝置內(nèi),而無線收發(fā)模塊負責(zé)兩個裝置之間的信號傳輸。信號采集模塊對采集信號進行處理并判斷是否需要報警,并將結(jié)果通過裝有蜂鳴器的無線模塊發(fā)送給報警裝置,當(dāng)測量得出的場強大小超過所設(shè)定的值時,操作中的報警裝置確認信號并打開語音報警,揚聲器發(fā)出語音提示。我們采用的是WT588D語音芯片,這種芯片可以重復(fù)錄制語音,其內(nèi)部配有的儲存器足夠支持系統(tǒng)的使用[5]。

        工程車輛吊臂車的吊臂展開時最長可達百米,這就要求兩模塊必須以無線的方式進行信號傳輸,并且無線傳輸?shù)木嚯x應(yīng)該達到200 m以上。信號采集模塊完成強電信號的檢測處理及報警信號的無線傳送功能,報警模塊需要接收信號采集模塊發(fā)送出的無線信號。在有障礙物干擾的情況下,兩個模塊之間無線通信的有效距離也應(yīng)保持在100 m左右,比較后最終選擇NRF905無線收發(fā)模塊實現(xiàn)兩模塊的無線通信[6-7]。

        NRF905直線可視通信距離200~300 m,它是32腳封裝,供電電壓為1.9~3.6 V。非常適用于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。我們裝設(shè)在工程車吊臂上的部分采用電池供電,由于有一定的更換難度,所以NRF905的低功耗剛好可以滿足設(shè)計要求[8]。

        5 聲光報警電路模塊

        裝置內(nèi)應(yīng)同時存在兩個聲光報警電路,原理圖如圖4所示。一個與測場強模塊相連,一個與超聲波測距模塊相連,兩個部分是分開的,但只要其中有一個報警裝置作用就可以認為達到臨界安全距離了。聲光報警電路中同時存在LED燈和蜂鳴器兩種裝置,只要條件滿足燈和蜂鳴器同時作用。無線傳輸模塊暫時先考慮只對光信號進行傳輸,初步想法是達到臨界場強時觸發(fā)聲光報警電路可對光信號進行傳遞,并能在終端觀察到燈閃爍的現(xiàn)象。

        6 無線傳輸光信號模塊

        如圖5所示,傳輸信號被加到交流電的正弦波,并通過電力線傳輸?shù)絃ED設(shè)備。在進入LED之前將AC載波分為兩部分,一個整流為直流,用于照明,另一部分用于調(diào)制。最后通過帶通濾波器控制LED的發(fā)光強度。調(diào)制后的光載波信號通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號,然后由解調(diào)器解碼并發(fā)送到終端。

        圖4 聲光報警電路示意圖

        圖5 無線傳輸光信號模塊原理

        7 超聲波測距模塊與聲光報警電路模塊之間的連接

        7.1 硬件部分

        在推挽模式下,將載波40 kHz的10個脈沖群加到變壓器的原方上,并通過升壓變換用超聲換能器發(fā)射。超聲波接收器傳感器將接收到的超聲波發(fā)送到放大器進行放大。這是一個高增益、低噪聲放大器。在檢測到放大信號之后,檢測回波被發(fā)送到比較器的正輸入端。換能器對聲脈沖的直接接收能力將決定最小可測量距離[9]。發(fā)射端、接收端原理框圖如圖6所示。

        圖6 發(fā)射端、接收端原理框圖

        7.2 軟件部分

        AT89C2051及其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有表達能力強、可移植性強、語言簡單、表達靈活、代碼質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)化設(shè)計簡單、使用方便等優(yōu)點。超聲波測距儀是基于AT89C51單片機設(shè)計開發(fā)的[10]。

        8 結(jié)語

        在施工過程中由于各種復(fù)雜因素的影響,往往單一標(biāo)準(zhǔn)會對施工安全造成不利影響。本文通過對輸電線路電場強度及電場特性的分析,結(jié)合分析結(jié)果提出了近電距離計算模型,并對智能近電報警裝置的檢測原理及方法進行了闡述,在此基礎(chǔ)上研制了一種新型的雙重保險的近電預(yù)警裝置,采用兩個標(biāo)準(zhǔn)對近電進行衡量,提高了安全性與穩(wěn)定性,可以防止塔吊司機誤操作,避免觸電傷亡事故發(fā)生,保證人身安全,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

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