大型施工機械帶電作業安全報警系統)

(國網湖北省電力有限公司中超建設管理公司，湖北 武漢 430073

當大型施工機械鄰近帶電體時，通過聲光報警裝置提醒現場工作人員謹慎作業或者停止作業，避免大型施工機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桿塔、輸電線路造成的外力破壞?？梢蕴岣唠娋W供電的可靠性，保障帶電作業人員人身安全，減少安全事故和經濟損失[1-2]。

帶電作業技術的推行大幅降低了設備停電次數和時間，有效減少了檢修流程和成本，提高了生產效率，降低了停電損失[3-4]。然而，由于大型施工機械過于靠近高壓帶電設備引起的線路跳閘事故甚至由吊車碰線導致對輸電線路造成外力破壞的情況時有發生，這不僅使國民經濟遭受巨大損失，且嚴重影響了企業、居民用電的供電服務質量。作業人員無法準確確定施工區域電氣安全距離是導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備甚至觸碰高壓帶電設備導致事故發生，本文對大型施工機械帶電作業安全報警系統進行研究[5-6]。

國內外學者對于高壓輸電線路工頻電磁場環境的研究已經進行了多年。隨著近年來計算機、網絡等技術的迅速發展，逐步實現了對作業人員和施工車輛周圍電磁場環境智能監控、及時報警，保證了施工人員的人身安全，避免了電力設備的事故損失。關于國內工頻電場的限值，DL/T5092-1999《(110-500)kV架空送電線路設計技術規程》規定：500 kV輸電線路距離地面1 m處的較大未畸變電場應不超過4 kV/m。我國國家電網公司于2005年組織國內高等院校、設計院等科研單位對特高壓交流輸電桿件技術進行了研究，制定了我國特高壓輸電線路的工頻電場、工頻磁場和可聽噪聲的限值參考[7-8]。

本文結合我國高壓輸電線路下帶電作業的特點及難點，研究設計了大型施工機械帶電作業安全報警系統，為帶電作業人員及施工設備提供安全保障。

1 系統設計原理

大型施工機械帶電作業安全報警系統包括：電場測量模塊、距離測量模塊、車載參數測量平臺自平衡模塊、聲光報警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數據處理模塊等。圖1為大型機械帶電作業安全報警系統整體設計原理框圖。

圖1 系統整體設計原理框圖

如圖1所示，由場強傳感器、距離傳感器和傾角傳感器獲得的模擬信號經過A/D轉換送到單片機中進行數據處理分析。MCU對各傳感器采集到的實時數據進行處理，將運算處理過后的指令發送給聲光報警模塊和自平衡模塊。根據閾值報警判據，若接收到判斷越線信號，則觸發聲光報警模塊，對現場帶電作業人員及設備進行保護。

為了保證車載式參數測量儀的空間穩定性和測量結果的精確性，設計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應電極間的電壓，當傾角傳感器傾斜時，U1和U2隨之發生變化，且與傾角滿足一定函數關系式[9]：

α=f(U1,U2)

(1)

圖2 傾角傳感器

所設計的傾角傳感器遵循傾角傳感器生產標準：GB/T 191 SJ20873-2003傾斜角、水平儀通用規范；校準標準：JJF1119-2004電子水平儀校準規范；電磁干擾試驗標準：GB/T17626。可以測得的傾角范圍為±90°，測量精度為0.01°。

2 基于最小安全距離的保護報警系統

考慮工作人員與帶電設備間最小安全距離，參照國標DL409-91《電業安全工作規程(電力線路部分)》，設置工作人員與帶電設備間的最小安全距離S為最小電氣安全距離Se與人體在帶電作業中的活動范圍Sa之和[10]：

S=Se+Sa

(2)

其中，人體在帶電作業中的活動范圍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，kt的取值取決于包括溫度、濕度、風速等現場工作環境因素；ke為經驗系數，取值為ke=2.17?！峨姌I安全工作規程》對于最小安全距離的行業標準如表1所示。

表1 作業人員與帶電設備間最小安全距離

考慮大型機械與架空輸電線路間的安全距離。參考國標GB/T19185-2008《交流線路帶電作業安全距離計算方法》，設置大型機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水平排列導體布置方式和500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導體布置方式為例，見圖3、圖4所示。

圖3 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導體布置方式

圖4 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導體布置方式

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

第一重帶電作業安全距離報警系統報警范圍S為

S=km(S1∪S2)

(4)

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

3 基于電磁環境推斷的保護報警系統

基于電磁環境推斷的保護報警系統是考慮了高壓輸電線路電壓等級、高壓輸電線路下方電磁環境和施工機械與高壓帶點體間距3種關聯參數的保護方式。

3.1 高壓輸電線路下方電場強度計算

在計算高壓輸電線路下方電場強度時，設定以下初始化模型：

① 輸電線路視為無線長直圓柱導體，且三相輸電線路彼此平行，半徑一致；

② 不考慮橫擔、桿塔等臨近設備的影響；

③ 忽略輸電線路電壓降落；

④ 認為地面電位為0。

多導線輸電線路單位長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度等效電荷量；α為各相輸電線路電位系數；u為各相輸電線路單位長度相電壓。

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

圖5 電位系數矩陣鏡像法計算示意圖

圖5中，m和n代表平行長直導體，m′和n′則分別代表m和n相較于地的鏡像位置，根據高斯定理，導線m在空間任意一點P(x,y)產生的場強為

(6)

大地的電位為0，則有

(7)

根據疊加原理，k根導線在空間任意一點P(x,y)產生的電場強度的矢量和為

(8)

3.2 基于電磁環境推斷的場強越線報警系統

以500 kV單回三相輸電線路為例，分別計算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強度分布情況。

3.2.1 VVV水平排列

圖6為500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列結構示意圖。其中，輸電線路對地高度為13 m，相間距為15 m，采用高壓輸電線路下方電場強度計算模型對電場分布進行仿真計算如圖7所示。

圖6 500 kV單回三相輸電線路VVV水平排列導體布置方式鏡像結構圖

圖7 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方電場分布

由圖7可知，線路正常運行狀態，VVV水平排列輸電線路下方電場對稱分布，且峰值出現在距線路中心15～18 m處，即在兩邊相輸電線路下方，此后電場強度隨著遠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三角排列結構示意圖。其中，中相輸電線路對地高度為10 m，邊相輸電線路對地高度為25 m，相間距為20 m，高壓輸電線路下方電場強度分布仿真計算如圖9所示。

圖8 500 kV單回三相輸電線路VVV三角排列導體布置方式鏡像結構圖

圖9 500 kV單回三相VVV三角排列輸電線路下方電場分布情況

由圖9可知，線路正常運行狀態，VVV水平排列輸電線路下方電場對稱分布，且峰值出現在中相輸電線路正下方，整體離中心越遠則場強越小，在邊相輸電線路下方再次出現電場強度極大值。

4 實驗分析

4.1 現場報警越線測試

選取某500 kV單回架空輸電線路進行現場實驗測試，主要測試對照對象為VVV水平排列500 kV單回三相輸電線路?，F場測試環境：測量環境溫度為32.4 ℃；相對濕度為82.4%RH；大氣壓力為100.3 kPa；風速為0～1.8 m/s；可聽噪聲為72 dB；運行情況為設備均帶電投運。

安裝于高壓作業車吊斗上進行試驗的報警裝置如圖10所示。

4.2 測試結果和仿真結果對比分析

實驗測量起始點選取中相輸電線路正下方，沿原理中心點的方向繼續測量。每個測點間距2 m，測量距離為38 m，測量點總數為20個，記錄時需等示數穩定后再讀數。現場測量結果和仿真計算結果如表3所示。

圖10 大型施工機械帶電作業報警裝置現場安裝圖

表3 500 kV單回三相VVV水平排列輸電線路下方仿真結果和現場測試結果

根據表3中的數據，繪制實驗和仿真對比分析圖，如圖11所示。

圖11 實驗和仿真對比分析圖

由于在計算高壓輸電線路下方電場強度計時忽略了橫擔、桿塔等臨近設備等會對電場環境產生影響的因素，仿真計算結果與現場測量結果相比要略高一些。距中心點距離較近時，仿真計算結果與現場測量結果的相對誤差較小，驗證了基于仿真推斷的報警系統的可行性與精確性。

5 結束語

設計了一種大型施工機械帶電作業安全報警系統，通過仿真和現場實驗驗證了該系統的可行性與安全性，可以有效提高電網供電的可靠性，保障帶電作業人員的人身安全，減少安全事故和經濟損失。

(1) 安全保護報警系統組成：場強測量模塊、距離測量模塊、車載平臺自平衡模塊、聲光報警模塊、供電電源模塊、按鍵輸入模塊、輸出顯示模塊、數據處理模塊等。分析了報警系統的工作原理和內部各模塊的實現方案和連接關系。

(2) 提出了雙重保護聲光報警方案，基于最小安全距離保護的報警系統是通過判斷測距模塊采集到的距離信息是否超過最小安全報警閾值的報警系統?；陔姶怒h境推斷的安全距離保護系統是綜合考慮電場強度、電壓等級、高壓輸電線導體排布方式和設備所處位置等參數信息的報警系統。

(3) 對基于最小安全距離保護和基于電磁環境推斷的大型機械設備帶電作業雙重保護系統進行的仿真推斷和現場實驗驗證了雙重化帶電作業安全報警系統的可行性與精確性。