自勵型防人身觸電警示裝置的研究

劉勛 姬俊 汪新康 劉瑋 劉民杰

【摘 ?要】隨著國民經濟的快速發展，地區基礎設施建設施工頻繁。吊車、施工、風箏、釣魚等誤碰導線引起電力線路跳閘的情況時有發生。究其原因一是人們缺乏電氣安全常識，二是現場缺乏必要的安全警示提醒標志，導致車輛、機具、認為誤碰運行中的電力線路，給電力線路的運行造成了嚴重的安全隱患。

【關鍵詞】裝置;原理;運用

引言

自勵型防人身觸電警示裝置就是解決上述矛盾而開發的一種警示裝置。本裝置可以發出強光、高音告警。正常運行情況下，在夜間、白天發出強光，可見距離視天氣狀況可以達到100-500米。在安裝有雷達的裝置上，可以實現對接近導線的機具、車輛、人員的感知，根據電力線路運行電壓等級的不同設置不同的告警距離。當有異物接近導線時，發出頻閃光（高壓危險和禁止垂釣），同時發出警告音，提醒車輛駕駛員、垂釣愛好者注意上方帶電導線，降低外力破壞造成電力線路跳閘的可能性。

自勵型防人身觸電警示裝置可以廣泛應用在城鄉結合部，運行環境復雜，施工工地附近，道路、橋梁附近、魚塘、河流等易發生碰觸導線問題的電力線路上，可以永久安裝，也可以根據實際情況臨時安裝，安裝簡便，使用方法靈活。可有效對碰觸導線的危險進行告警和預警。

經過分析外力破壞造成的電力線路跳閘，占全年累計電力線路跳閘原因的20%左右，給電力企業的安全生產，地區電網的穩定均造成嚴重影響，造成事故跳閘的直接經濟損失在數萬至數十萬不等。本項目實施后可以有效降低外力破壞造成的電力線路跳閘事故。每年產生直接經濟效益在15-150萬元之間，間接經濟效益（考慮停電造成的電量損失）在50-550萬元之間。降低跳閘率還直接提到了電網可靠性，獲取較好的社會效益。

1.目前該類型裝置的社會應用情況

由于施工車輛、機具、放風箏、垂釣等碰觸導線造成的跳閘在近年來占比較大，所以國內的防外力破壞研究也是在近年來才興起的新型技術。與本產品相似的裝置目前還沒有見過報道。一般情況下僅制作簡易反光牌掛放于事故多發處，但此種反光牌需要光線照射反光方可見，效果并不明顯。

目前國內外針對類似線路的警示項目的研究還不多，主要是針對高壓取電的項目研究以及針對電子顯示的項目研究，也有一些廠家在研發類似的設備，但還沒有成型的產品，大量的在使用金屬警示牌，印反光警示字，以提醒相關車輛塔吊人員。

2.研究的內容及原理

本裝置的供電是利用自勵型感應取電技術，通過電力線路周圍感應的電磁能量來獲取電能。本裝置將輸電線路導線周圍的電磁能量轉化為電能，為安裝在導線上的LED警示牌提供穩定的電源，能保證負載設備的長期穩定供電。同時，利用先進的白光LED發光技術，提高警示牌在夜間的可視距離，并結合微波雷達探測技術，實現對接近導線的機具、車輛、人員、異物的感知。當有物體接近導線時，發出頻閃光，同時發出警告音，提醒車輛駕駛員或機具操作員注意上方帶電導線，降低外力破壞造成配電線路跳閘的可能性。

自勵型感應電源的基本原理：

我國的高壓交流線路指10KV、35kV、110kV、220kV、500kV、750kV和1000kV（后兩項僅在國網存在）等級的線路。線路有單導線、二分支導線和四分支導線等，常用的導線截面積（mm2）等級為：50、70、95（以上僅在35kV線路用）、120、150、185（以上僅在110V線路用）、240、300、400，二分支線2x185、2x240、2x300、2x400、2x500、2x600、2x630、2x700和四分支線4x300、4x400、4x500、4x600等。

根據電學原理（法拉第法則），對電磁場進行割切，就會感應出電荷，現在的電磁場是按工頻作正弦規律變化的，對以一定方式放置在此電磁場內的金屬導體就會存在割切，就會感應產生電能，這就是感應取電（也稱CT取電）的基本原理。

白光LED技術發光原理：

50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識，第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode（發光二極管）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 LED發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

微波雷達探測技術原理：

雷達式微波探測器是一種將微波收、發設備合置的探測器，工作原理基于多普勒效應。微波的波長很短，在1mm～1000mm之間，因此很容易被物體反射。微波信號遇到移動物體反射后會產生多普勒效應，即經反射后的微波信號與發射波信號的頻率會產生微小的偏移。

采用多普勒雷達的原理，將微波發射天線與接收天線裝在一起。使用體效應管作微波固態振蕩源，通過與波導的組合，形成一個小型的發射微波信號的發射源。探頭中的肖基特檢波管與同一波導組成單管波導混頻器作為接收機與發射源耦合回來的信號混頻，從而得到一個頻率差，再送到低頻放大器處理后控制報警的輸出。微波段的電磁波由于波長較短，穿透力強，玻璃、木板、磚墻等非金屬材料都可穿透。

3.該裝置的關鍵點及難點

（1）一體化設計解決絕緣難的技術。感應取電的互感器套在感應導線上，盡管用環氧樹脂灌注的互感線圈具有約3kV的耐壓，但遠低于線路上的高壓，因此，通過電源導線連接的用電設備不宜安裝固定在桿塔鐵架上（絕緣難解決！）。從方便與可靠考慮，互感器、電源單元和用電設備都安裝在與高壓線同一等電位體上。這樣，用電設備本身的體積重量要受限制，而對環境氣候的適應性、使用壽命及可靠性都要相當高;用電設備內的元器件能在強電磁場下正常工作。

（2）寬范圍電流取電技術。電力線路上的負荷隨季節、假期、晝夜等起伏很大，而固化在互感器內的線圈變比是固定的，雖然，電源單元的電子電路在一定范圍內具有穩壓的能力，但高壓線路電流的起伏范圍要遠大于能穩壓的范圍，特別是短路電流（達幾十上百kA）出現瞬間，對電源單元和用電設備的安全造成嚴重威脅！冬季夜間的低負荷電流，又會因供出電能太低使用電設備不能正常工作。

面對這個還未徹底解決的技術問題，目前，廠家提出訂購“CT取電”電源時，要求用戶給出電力線路的平均電流或選定廠家劃分的起伏范圍。

事實上，解決這項技術問題，我們還需要努力，需要探索！諸如：采用選擇利用鐵芯材料的“磁滯回線”特性，使在小電流時，工作在導磁率高特性，特大電流時工作在深度磁飽和特性;

又如：隨線路電流大小自動改變鐵芯的磁阻;又如：采用幾個不同導磁率，不同變比的互感器同時掛在一條高壓線路上，隨線路電流大小自動選取合適的互感器供電;又如：針對短路特大電流的瞬間，自動跳開給電源單元的供電，保護用電設備，電流回復正常又能正常供電;又如：針對短路特大電流的瞬間，通過增掛的“電勢湖”或“超電容”，壓低供電的浪涌等等，都還要研究和實踐。

（3）微波雷達探測技術的穩定性。采用多普勒雷達的原理，探測超高車輛、異物，由于導線不斷晃動，探測的準確性也是項目研究的關鍵。

4.裝置的經濟效益和社會效益

本項目實施后可以有效降低外力破壞造成的電力線路跳閘事故。每年產生直接經濟效益在15-150萬元之間，間接經濟效益（考慮停電造成的電量損失）在50-550萬元之間。降低跳閘率還直接提到了電網可靠性，提高了客戶的滿意度，獲取較好的社會效益。