變電設備高壓試驗安全防護措施

金雍奧 曲金秋 周志昊 尹曙光

（國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

高壓試驗是電力設備運行和維護工作中的一個重要環節，是保證電力系統一次設備安全運行的有效手段之一。在高壓試驗的工作現場，尤其是對于現場大型的電力變壓器、GIS 設備、母線等設備，在進行交流耐壓、局放等試驗過程中會產生數千伏，甚至幾十、上百千伏的高壓，這對試驗人員的人身安全是一種較大的威脅。

因此高壓試驗人員需要在試驗現場，一方面要滿足電力安全工作規程的規定進行作業；另一方面要嚴格采取一定的安全防護措施，最大程度上保護個人的人身安全。

1 高壓試驗作業現場安全要求

在高壓試驗的作業現場，試驗人員的工作范圍主要分為電源控制區、加壓操作區兩部分，這些區域必須滿足安全要求，并且試驗人員距離加壓操作區的被試品及升壓設備的安全距離要滿足相關規程，可參照DL 56—1995 電業安全工作規程（高壓試驗室部分）及國網公司電力安全工作規程[1]（變電部分）的規定執行，如表1、表2所示。

表1 交流和直流試驗安全距離

表2 沖擊試驗（峰值）安全距離

2 高壓試驗安全防護措施綜述

目前，在對變電設備進行高壓試驗的工作現場，應用較為廣泛的主要有安全圍欄、繩以及安全警示帶，而其它一些新型的安全防護措施也相繼被提出，并得到了一定程度的應用與推廣。論文對現有的變電設備高壓試驗安全防護措施進行了歸納和分類，如圖1所示。

圖1 變電設備高壓試驗安全防護措施分類

2.1 傳統防護措施[2-3]

在高壓試驗現場，傳統的防護措施主要有安全圍欄、繩以及安全警示帶。它們可以將被試品以及試驗設備圍在一定的區域，該區域以外保證處于距離帶電設備以及試驗電壓的安全距離范圍。

1）安全圍欄、繩

圍欄、繩一般采用絕緣性能和機械性能良好的尼龍繩或植物纖維繩，安放于高壓試驗工作范圍的四周，并面向外懸掛“止步，高壓危險！”的安全標識牌，顏色為較為醒目的紅綠交替或紅白相間，用以引起現場作業人員注意，防止人員誤入操作區。

2）安全警示帶

安全警示帶以熒光綠為主體顏色，在現場布置時基本與安全圍欄、繩相同，通常警示帶上印有“止步，高壓危險！”字樣的標示，熒光綠色更易引起現場人員的注意，也可在一定程度上防止誤入情況的發生。

傳統的防護措施是每個試驗現場所必須采取的安全措施，優點是成本低，布置方便，性價比高；但其僅從視覺上對試驗人員進行警示，警示效果單一。

2.2 新型防護措施

傳統的安全圍欄、警示帶等防護工具在一定程度上保護了試驗人員的人身安全。隨著試驗現場的作業情況越來越復雜，新型的安全防護措施應運而生，在傳統防護的基礎上，采用聲、光、電等多方面手段，對異常情況及時反應，保護人員及設備的安全。

1）安全語音提示器[4]

安全語音提示器是一種以紅外探測器為核心部件，內涵讀卡器的一種語音錄播系統。

在高壓試驗現場，通常將語音提示器安放在傳統安全防護圍欄上，當人員靠近安全圍欄，提示器的內置紅外探測器偵探到人體信號時，就會自動啟動播報語音警示語，提醒工作人員的注意。

由于其體積小巧，便于攜帶，并且可以隨意錄制語音內容，已大量用于電力系統發電廠、變電站等高壓試驗區域。

2）基于紅外探測技術的安全圍欄

紅外線圍欄是基于光束遮斷式感應器（Photoelectric Beam Detector）所開發的安全防護工具，其基本的構造包括瞄準孔、光束強度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等。

該裝置通常成對出現，其基本原理是：一端由發射器發射紅外線，形成警戒線，另一端由受光器接受，若有物體通過，光線被遮斷，受光器信號發生變化，經放大處理后發出電、聲信號用以報警。紅外對射裝置要選擇合適的響應時間：太短會容易引起不必要的干擾；太長則會發生遲報、漏報。通常以10m/s 的速度來確定最短遮光時間。若人的寬度為20cm，則最短遮斷時間為20ms。大于20ms報警，小于20ms 不報警。

紅外安全圍欄沒有實體圍欄，為了體現其良好性能通常與傳統圍欄等設備配合使用，示意圖如圖2所示。

圖2 基于紅外探測技術的安全圍欄

文獻[5-10]均提出了含有紅外線圍欄的安全防護措施，應用效果較好。

為了保持紅外圍欄所發出的高電平信號，文獻[11-12]提出采用74HC373 芯片的方法，輸出鎖存輸入的電平信號，使得處理單元持續響應產生報警信號，提高了應用的可靠性。

3）基于無線射頻技術的防護措施

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種非接觸式的自動識別技術，基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電磁耦合電磁傳播）的傳輸特性，實現對識別對象物體的自動識別[13]。

RFID 技術由RFID 控制器和RFID 標簽2 部分組成。控制器采用低頻信號進行探測，利用高頻信號（UHF 信號）接收采集數據，如果RFID 標簽在目標范圍內出現，接收器就會收到低頻信號，并通過高頻信號發出報警信息。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID 技術可以較好的應用于高壓試驗現場人員眾多、多班組交叉作業的情況。

文獻[8，11，14]提出了基于RFID 技術的安全防護措施，并通過試驗證明了該措施的靈敏性與可靠性。

4）試驗電源速斷裝置

傳統的安全圍欄等防護措施，無強制閉鎖功能，無法強行阻止試驗設備及被試品帶電時人員的誤入和誤碰，因此不能有效地保護誤入人員及設備的安全。

試驗電源速斷裝置的出現很好的解決了這一問題，通常情況下，電源速斷裝置會與紅外線探測裝置，RFID 管控系統配合使用。紅外線裝置感應異常，傳遞給接收處理模塊后，對控制線圈發出信號，控制電源開關的導通或者關閉；在RFID 系統中，RFID控制器收到標簽信息后通過信號邏輯處理輸出繼電器分開信號，切斷試驗電源。

文獻[5-9]均提出了將紅外探測裝置與RFID 技術結合電源速斷裝置的安全防護措施，其良好的實際應用證明了裝置的快速性。

2.3 輔助防護措施

新型的防護措施在傳統措施的基礎上大大提升了安全作用范圍與防護效果，如果采用輔助型的防護措施，則更能夠體現出其優越性。輔助防護措施可適用于人員較為的場合，尤其適用有外來施工人員的工作現場或是大容量試品的長時間試驗以及安全可靠性要求較高的場合。

1）放電棒信號閉鎖防護

升壓控制臺電源斷開時，由于操作區設備可能有殘余高壓，尤其對于大容量的試品來說，此時若在未接地放電的情況下接觸高壓設備，就可能發生事故。放電棒的作用就是在試驗人員接觸試品之前放掉其殘余電荷，防止其人身受到傷害。

文獻[5-6，12]提出了一種接地棒信號閉鎖防護措施，自主研制一種能鋁合金開關，可經受頻繁開關沖擊，其基本原理是一個單刀雙置開關，接地棒放到指定位置時開關被壓下，動觸點接通，信號為高電平；反之動觸點接地，為低電平。該電平信號進入邏輯處理單元，可控制電源的通斷。

2）腳踏控制閉鎖防護

腳踏控制就是通過在操作機構或控制電源處加裝腳踏壓板，壓板內部的核心部件為重力感應裝置，裝置的輸出端與控制電源的交流接觸器相連。操作時，工作人員雙腳踏在壓板上，交流接觸器正常工作，電源正常；而當工作人員雙腳離開壓板，則相應的重力感應裝置輸出高電平信號，接觸器不閉合，電源失電閉鎖。

腳踏控制開關的功能主要是為了限定試驗人員的位置，只有在保證控制電源在試驗人員可控的條件下，才能滿足電源有電；而在設備高壓試驗期間工作人員若離開控制區，高壓電源切斷，進一步確保工作現場人員的人身安全。

文獻[5，8-9，11-13]均提出了腳踏控制閉鎖防護措施，并得到了良好的應用，其中文獻[8]的設計還增加了防抖功能，大大提升了設備及試驗工作的可靠性。

2.4 數字防護措施

相比于模擬技術，數字技術的優勢越來越突出：其一，數字控制基本不受元器件性能變化的影響，可靠性高；其二，系統的軟件化可簡化電路結構，減少外圍器件；其三，數字控制使許多復雜算法更易于實現。因此，數字控制取代模擬控制已成為一種趨勢[15]。數字防護措施根據多采用微處理器的不同又可分為基于單片機和基于ARM 的數控防護。

1）基于單片機的數字防護

以單片機作為微處理器，設計簡便、靈活，可直接調用設計完善的子程序，成本較低。文獻[14]提出了基于MSP430 單片機芯片為標簽電路處理器的RFID 防護體系，其工作框圖如圖3所示。

該系統用單片機進行處理的優點是功耗低，可以在長時間無喚醒信號的情況下進入休眠狀態，從而節省電源；其不足是抗干擾能力相對較差。

2）基于ARM 的數字防護

ARM（Advanced RISC Machines）處理器是一款32 位的微處理器。以ARM 芯片為核心的處理單元，具有較高的性能且第三方支持較多，功耗低。

文獻[14]所提出的RFID 防護體系中以LPC1768 ARM 芯片作為識別電路的微處理器，其工作框圖如圖4所示。

圖4 基于LPC1768 為處理器的識別電路工作框圖

基于ARM 的處理單元最大優勢就是更加節能，且程序的執行效率高；缺點是開發具有一定難度。

2.5 綜合性系統防護措施

綜合性的安全防護措施是集成基于紅外探測裝置的單層或多層報警圍欄，基于RFID 技術的現場人員標簽識別及報警，接收到危險信號立即斷電的多功能電源以及腳踏及放電棒閉鎖斷電裝置于一體的成套裝置。其工作流程圖如圖5所示，信號采樣模塊通過接收各種防護終端的輸出信號，經數據處理模塊送入處理器處理后進入結果執行模塊進行動作。

圖5 綜合性系統防護流程圖

由于該系統信號采樣種類較多，所以數據處理模塊通常用單片機、ARM 芯片等為核心處理器用來處理采樣的信號，進行邏輯判斷。綜合性的防護措施成本高、布置復雜，但防護效果優異，適用于作業現場條件較為復雜，人員眾多以及安全性要求極高的場合。

文獻[14]提出了上述的系統性安全防護措施，并采用了GPRS 網絡將關鍵點的狀況實時發送至監控中心服務器，有效實現了工作全流程的記錄。

文獻[5，11]也采用了綜合性的防護措施，并通過在變電站內的實地使用，驗證了措施的合理性。

3 結論

高壓試驗安全防護措施在高壓試驗現場作業的過程中起著舉足輕重的作用，傳統的防護措施是進行高壓試驗時安全防護的必要手段，新型、綜合性的防護措施也不斷被提出，這些措施在增強試驗人員安全防患意識的同時，又提高了工作效率。實際工作中，應以標準化作業為前提，并根據試驗現場的情況選擇最佳的防護措施。智能化、數字化、系統化將是高壓試驗安全防護措施的發展方向。

[1] 國家電網公司.Q/GDW1799.1—2013 國家電網公司電力安全工作規程變電部分[S].北京: 中國電力出版社,2013.

[2] 楊春明,吉瑞.變電站安全措施標準化布放的研究及現場應用[J].電力安全技術,2013,15(10): 23-27.

[3] 劉會斌,閆萬春,蘭鵬,等.基部固定式可伸縮安全圍欄的研制[J].電力安全技術,2009,11(10): 64.

[4] 王珂.智能語音提示系統在變電站電氣設備安全防護中的實際應用[J].東方企業文化,2011(12):139- 140.

[5] 張勇.高電壓設備使用人員安全防護系統研究[J].內蒙古石油化工,2011(4): 59-60.

[6] 韓筱慧,吳冰,趙鵬,等.高電壓實驗室人身安全防護系統的研制[C]//中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會,2008: 2824-2827.

[7] 羅志遠,周剛,郭蘇峰,等.高壓試驗電源快速切斷裝置的研制[J].電氣開關,2013(4): 73-75.

[8] 錢錫穎,舒建華.新型高壓試驗安全防護裝置設計分析[J].機電信息,2012(3): 114-115.

[9] 徐光潔,賈楠,袁朝暉.一種新型電力高壓智能安全監護裝置研究[J].機電信息,2013(30): 135,137.

[10] 陳勝君.智能型高壓試驗專用圍欄的研制及應用[J].寧夏電力,2014(1): 50-51,58.

[11] 賀偉軍,王堅誠,虞偉.高壓試驗安全防護系統建設研究[J].中國電業(技術版),2014(1): 28-31.

[12] 仲崇山,韓筱慧,吳冰,等.高壓試驗人身安全防護系統的研制[J].華東電力,2009,22(5): 25-28.

[13] 郭獻崇,康俊霞,謝芳.基于RFID 技術的智能電網MIS 的構建[J].電源技術,2012,36(6): 832-833.

[14] 鄭杰,林之,孔金根.基于 RFID 的高壓試驗安全防護與管控系統[J].電源技術應用,2014(2): 116- 117.

[15] 陳亞愛,金雍奧.多相并聯同步Buck 變換器控制技術進展[J].電源技術,2011,135(11): 1467-1471.