(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司中超建設(shè)管理公司，湖北 武漢 430073

當(dāng)大型施工機(jī)械鄰近帶電體時(shí)，通過聲光報(bào)警裝置提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員謹(jǐn)慎作業(yè)或者停止作業(yè)，避免大型施工機(jī)械因超過了與高壓輸電線路的安全距離所造成的線路短路跳閘和碰線對(duì)桿塔、輸電線路造成的外力破壞?？梢蕴岣唠娋W(wǎng)供電的可靠性，保障帶電作業(yè)人員人身安全，減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

帶電作業(yè)技術(shù)的推行大幅降低了設(shè)備停電次數(shù)和時(shí)間，有效減少了檢修流程和成本，提高了生產(chǎn)效率，降低了停電損失[3-4]。然而，由于大型施工機(jī)械過于靠近高壓帶電設(shè)備引起的線路跳閘事故甚至由吊車碰線導(dǎo)致對(duì)輸電線路造成外力破壞的情況時(shí)有發(fā)生，這不僅使國(guó)民經(jīng)濟(jì)遭受巨大損失，且嚴(yán)重影響了企業(yè)、居民用電的供電服務(wù)質(zhì)量。作業(yè)人員無法準(zhǔn)確確定施工區(qū)域電氣安全距離是導(dǎo)致這一問題的主要因素。因此，為了有效杜絕吊車過于靠近高壓帶電設(shè)備甚至觸碰高壓帶電設(shè)備導(dǎo)致事故發(fā)生，本文對(duì)大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行研究[5-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高壓輸電線路工頻電磁場(chǎng)環(huán)境的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年。隨著近年來計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅速發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)人員和施工車輛周圍電磁場(chǎng)環(huán)境智能監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警，保證了施工人員的人身安全，避免了電力設(shè)備的事故損失。關(guān)于國(guó)內(nèi)工頻電場(chǎng)的限值，DL/T5092-1999《(110-500)kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：500 kV輸電線路距離地面1 m處的較大未畸變電場(chǎng)應(yīng)不超過4 kV/m。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司于2005年組織國(guó)內(nèi)高等院校、設(shè)計(jì)院等科研單位對(duì)特高壓交流輸電桿件技術(shù)進(jìn)行了研究，制定了我國(guó)特高壓輸電線路的工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)和可聽噪聲的限值參考[7-8]。

本文結(jié)合我國(guó)高壓輸電線路下帶電作業(yè)的特點(diǎn)及難點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)，為帶電作業(yè)人員及施工設(shè)備提供安全保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)包括：電場(chǎng)測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、車載參數(shù)測(cè)量平臺(tái)自平衡模塊、聲光報(bào)警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。圖1為大型機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖

如圖1所示，由場(chǎng)強(qiáng)傳感器、距離傳感器和傾角傳感器獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。MCU對(duì)各傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將運(yùn)算處理過后的指令發(fā)送給聲光報(bào)警模塊和自平衡模塊。根據(jù)閾值報(bào)警判據(jù)，若接收到判斷越線信號(hào)，則觸發(fā)聲光報(bào)警模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)人員及設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

為了保證車載式參數(shù)測(cè)量?jī)x的空間穩(wěn)定性和測(cè)量結(jié)果的精確性，設(shè)計(jì)了基于傾角傳感器的自平衡模塊。如圖2所示，U1和分別為U2擺錘的左極板和右極板與各自對(duì)應(yīng)電極間的電壓，當(dāng)傾角傳感器傾斜時(shí)，U1和U2隨之發(fā)生變化，且與傾角滿足一定函數(shù)關(guān)系式[9]：

α=f(U1,U2)

(1)

圖2 傾角傳感器

所設(shè)計(jì)的傾角傳感器遵循傾角傳感器生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 191 SJ20873-2003傾斜角、水平儀通用規(guī)范；校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：JJF1119-2004電子水平儀校準(zhǔn)規(guī)范；電磁干擾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T17626?？梢詼y(cè)得的傾角范圍為±90°，測(cè)量精度為0.01°。

2 基于最小安全距離的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)

考慮工作人員與帶電設(shè)備間最小安全距離，參照國(guó)標(biāo)DL409-91《電業(yè)安全工作規(guī)程(電力線路部分)》，設(shè)置工作人員與帶電設(shè)備間的最小安全距離S為最小電氣安全距離Se與人體在帶電作業(yè)中的活動(dòng)范圍Sa之和[10]：

S=Se+Sa

(2)

其中，人體在帶電作業(yè)中的活動(dòng)范圍Sa為0.2～1 m；最小電氣安全距離Se為

(3)

式中，E90%為耐受沖擊電壓最大值的90%；kt為綜合影響因素系數(shù)，kt的取值取決于包括溫度、濕度、風(fēng)速等現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境因素；ke為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為ke=2.17?！峨姌I(yè)安全工作規(guī)程》對(duì)于最小安全距離的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 作業(yè)人員與帶電設(shè)備間最小安全距離

考慮大型機(jī)械與架空輸電線路間的安全距離。參考國(guó)標(biāo)GB/T19185-2008《交流線路帶電作業(yè)安全距離計(jì)算方法》，設(shè)置大型機(jī)械與架空輸電線路邊緣線間最小安全距離如表2所示[11]。

表2 大型機(jī)械與架空輸電線路邊緣線間最小安全距離

以500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式和500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式為例，見圖3、圖4所示。

圖3 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式

圖4 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式

圖3和圖4中實(shí)線空心圓分別代表500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列和三角排列方式導(dǎo)體所處空間位置，虛線圓所包圍范圍為作業(yè)人員與架空輸電線路間最小安全距離報(bào)警范圍，實(shí)線矩形所包圍范圍為大型機(jī)械與架空輸電線路間最小安全距離報(bào)警范圍。

第一重帶電作業(yè)安全距離報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警范圍S為

S=km(S1∪S2)

(4)

式中，S1為作業(yè)人員與架空輸電線路最小安全距離報(bào)警范圍；S2為大型機(jī)械與架空輸電線路最小安全距離報(bào)警范圍；km為報(bào)警裕度范圍，取值為1.05。

3 基于電磁環(huán)境推斷的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)

基于電磁環(huán)境推斷的保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)是考慮了高壓輸電線路電壓等級(jí)、高壓輸電線路下方電磁環(huán)境和施工機(jī)械與高壓帶點(diǎn)體間距3種關(guān)聯(lián)參數(shù)的保護(hù)方式。

3.1 高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

在計(jì)算高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，設(shè)定以下初始化模型：

① 輸電線路視為無線長(zhǎng)直圓柱導(dǎo)體，且三相輸電線路彼此平行，半徑一致；

② 不考慮橫擔(dān)、桿塔等臨近設(shè)備的影響；

③ 忽略輸電線路電壓降落；

④ 認(rèn)為地面電位為0。

多導(dǎo)線輸電線路單位長(zhǎng)度等效電荷量滿足以下矩陣方程：

(5)

式中，τ為各相輸電線路單位長(zhǎng)度等效電荷量；α為各相輸電線路電位系數(shù)；u為各相輸電線路單位長(zhǎng)度相電壓。

輸電線路電位系數(shù)矩陣可由鏡像法求得，包含了輸電線路自電位系數(shù)和互電位系數(shù)[12-14]。見圖5。

圖5 電位系數(shù)矩陣鏡像法計(jì)算示意圖

圖5中，m和n代表平行長(zhǎng)直導(dǎo)體，m′和n′則分別代表m和n相較于地的鏡像位置，根據(jù)高斯定理，導(dǎo)線m在空間任意一點(diǎn)P(x,y)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為

(6)

大地的電位為0，則有

(7)

根據(jù)疊加原理，k根導(dǎo)線在空間任意一點(diǎn)P(x,y)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量和為

(8)

3.2 基于電磁環(huán)境推斷的場(chǎng)強(qiáng)越線報(bào)警系統(tǒng)

以500 kV單回三相輸電線路為例，分別計(jì)算VVV(三相絕緣子都采用V串絕緣子)水平排列、VVV三角排列情況下輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。

3.2.1 VVV水平排列

圖6為500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列結(jié)構(gòu)示意圖。其中，輸電線路對(duì)地高度為13 m，相間距為15 m，采用高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算如圖7所示。

圖6 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導(dǎo)體布置方式鏡像結(jié)構(gòu)圖

圖7 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)分布

由圖7可知，線路正常運(yùn)行狀態(tài)，VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)對(duì)稱分布，且峰值出現(xiàn)在距線路中心15～18 m處，即在兩邊相輸電線路下方，此后電場(chǎng)強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離邊相輸電線路的方向逐漸減小。

3.2.2 VVV三角排列

圖8為500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列結(jié)構(gòu)示意圖。其中，中相輸電線路對(duì)地高度為10 m，邊相輸電線路對(duì)地高度為25 m，相間距為20 m，高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真計(jì)算如圖9所示。

圖8 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導(dǎo)體布置方式鏡像結(jié)構(gòu)圖

圖9 500 kV單回三相VVV三角排列輸電線路下方電場(chǎng)分布情況

由圖9可知，線路正常運(yùn)行狀態(tài)，VVV水平排列輸電線路下方電場(chǎng)對(duì)稱分布，且峰值出現(xiàn)在中相輸電線路正下方，整體離中心越遠(yuǎn)則場(chǎng)強(qiáng)越小，在邊相輸電線路下方再次出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度極大值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警越線測(cè)試

選取某500 kV單回架空輸電線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要測(cè)試對(duì)照對(duì)象為VVV水平排列500 kV單回三相輸電線路。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境：測(cè)量環(huán)境溫度為32.4 ℃；相對(duì)濕度為82.4%RH；大氣壓力為100.3 kPa；風(fēng)速為0～1.8 m/s；可聽噪聲為72 dB；運(yùn)行情況為設(shè)備均帶電投運(yùn)。

安裝于高壓作業(yè)車吊斗上進(jìn)行試驗(yàn)的報(bào)警裝置如圖10所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量起始點(diǎn)選取中相輸電線路正下方，沿原理中心點(diǎn)的方向繼續(xù)測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距2 m，測(cè)量距離為38 m，測(cè)量點(diǎn)總數(shù)為20個(gè)，記錄時(shí)需等示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖10 大型施工機(jī)械帶電作業(yè)報(bào)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

表3 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方仿真結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比分析圖，如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比分析圖

由于在計(jì)算高壓輸電線路下方電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)時(shí)忽略了橫擔(dān)、桿塔等臨近設(shè)備等會(huì)對(duì)電場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生影響的因素，仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相比要略高一些。距中心點(diǎn)距離較近時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差較小，驗(yàn)證了基于仿真推斷的報(bào)警系統(tǒng)的可行性與精確性。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種大型施工機(jī)械帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)，通過仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與安全性，可以有效提高電網(wǎng)供電的可靠性，保障帶電作業(yè)人員的人身安全，減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

(1) 安全保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)組成：場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、車載平臺(tái)自平衡模塊、聲光報(bào)警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。分析了報(bào)警系統(tǒng)的工作原理和內(nèi)部各模塊的實(shí)現(xiàn)方案和連接關(guān)系。

(2) 提出了雙重保護(hù)聲光報(bào)警方案，基于最小安全距離保護(hù)的報(bào)警系統(tǒng)是通過判斷測(cè)距模塊采集到的距離信息是否超過最小安全報(bào)警閾值的報(bào)警系統(tǒng)?；陔姶怒h(huán)境推斷的安全距離保護(hù)系統(tǒng)是綜合考慮電場(chǎng)強(qiáng)度、電壓等級(jí)、高壓輸電線導(dǎo)體排布方式和設(shè)備所處位置等參數(shù)信息的報(bào)警系統(tǒng)。

(3) 對(duì)基于最小安全距離保護(hù)和基于電磁環(huán)境推斷的大型機(jī)械設(shè)備帶電作業(yè)雙重保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行的仿真推斷和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙重化帶電作業(yè)安全報(bào)警系統(tǒng)的可行性與精確性。