輸電鐵塔防誤登智能腳釘研究與應用

王 磊，許建清，金桂如

（國網江蘇淮安供電分公司，江蘇 淮安 223001）

隨著電力行業的快速發展，輸電鐵塔的建設和使用數量不斷增加，確保這些設施的安全運行至關重要[1]。然而，由于輸電鐵塔分布廣泛、外形相似，有時工作人員會登上錯誤的鐵塔，這不僅浪費了時間和資源，還可能引發安全隱患。此外，非法攀登鐵塔的情況也時有發生[2]。這些誤攀登事件不僅可能引發安全事故，還可能對整個電力供應產生嚴重影響，目前，尚無誤登輸電桿塔預警裝置的研究。本文開展輸電鐵塔防誤登智能腳釘研究，在出現誤攀登時，后臺系統能夠快速感知，并防止未經授權的人員非法攀登并迅速采取措施。該腳釘集狀態感應、防誤登實時報警、后臺感知、警示設備、聯網管理于一體，若誤登帶電桿塔，檢修人員腳踩腳釘，腳釘上安裝的傳感器發出信號，隨即發出警告聲音并后臺提醒，避免誤登塔事件的發生。

1 輸電鐵塔防誤登智能腳釘結構框架

智能腳釘由腳釘、傳感器、電源、報警設備等裝置組成，各裝置功能如下：

腳釘內置的高精度多功能壓力、震動傳感器可實時感知是否人員登塔；

采用超低功耗設計，利用太陽能電板為內置蓄電池；

誤登塔時，報警設備作用，及時提醒作業人員；

前端腳釘和后端終端采用無線通信技術，后臺設置線路是否停電，是否可登塔作業，如誤登桿塔，前端腳釘收到信號后報警并后臺實時收到提醒。

裝置的總體框架如圖1 所示。

圖1 輸電鐵塔防誤登智能腳釘結構框架

2 輸電鐵塔防誤登智能腳釘各部件設計方案

2.1 腳釘主體

采購電容傳感器原器件，設計并繪制傳感器控制電路，根據傳感器的特性和控制電路的要求，編譯控制程序，以實現對傳感器信號的處理和控制。

設計腳踏圖紙，繪制L 型塑料腳踏的圖紙。圖紙詳細標注腳踏的形狀、尺寸、材料以及制作細節等。在獲得了詳細的設計圖紙后，采用3D 打印技術進行腳踏的制作。3D 打印技術不僅可以快速制作出腳踏原型，還能精確地按照設計圖紙進行制作，保證了制作的質量。在打印完成后，小組成員進行了毛邊的修剪，確保腳踏的平滑，以便后續的組裝工作。最后進行腳踏的組裝和緊固，按照設計圖紙組裝，確保腳踏的穩定性和堅固性。對防護結構的承重能力進行測試，具體數據如表1 所示，承重能力均高于250 kg，滿足人員體重要求。

表1 L 型塑料腳釘承重能力測試kg

2.2 主體控制箱

控制器方面，選擇8051 單片機作為主控芯片，繪制電路圖時，充分考慮8051 單片機的特性和項目需求，將所有外設、存儲器和擴展接口合理布局，進行電路板的制作和測試。在主控電路板測試通過后，編寫包括初始化、輸入輸出控制、數據運算等在內的主程序。在編寫過程中，借助了Keil C51 等開發工具，對程序進行編譯、調試和優化，確保程序的正確性和可讀性。

聲光報警器方面，設計控制模塊，將各個控制模塊按照預設的連接方式和順序進行連接。在連接過程中，小組成員注重線路的耐壓和抗干擾能力，以確保系統的穩定運行。對不同的場景，開展有效距離測試，如表2 所示。夜間農田位置，裝置的告警能力最好。自動聲光告警裝置的燈光信號有效傳輸距離在白天陽光充足時，仍可以達60 m；聲音信號在白天城鎮道路等噪音較大的地方，有效傳輸距離仍可以達到50 m，滿足現場需要。

表2 輸電鐵塔防誤登智能腳釘報警信號有效距離測試

電源方面，因為單晶硅光伏板轉換效率高、性能穩定，選擇其作為供電電源，考慮輸電鐵塔的結構和環境條件，為光伏板設計專用固定支架，將其與輸電鐵塔的供電線路連接起來。將組裝好太陽能電池板進行測試，測試其在同一天內不同時刻下供電能力，并根據測試結果繪制了折線圖。查閱氣象資料，xx 地區的平均日照強度在500～2 000 lx 之間，選擇500 lx、1 000 lx、2 000 lx 3 種情況下的光照強度進行實驗，測試結果如表3 所示，最低輸出功率為104 W，能滿足設備最大功率的要求。光伏板配合鋰電池，為系統提供電源。

2.3 數據后臺

通信方面，NB-LoT 是一種窄帶物聯網技術，具有低功耗、大連接、廣覆蓋等特點。將NB-LoT模塊與后臺服務器連接，開展協議配置和網絡調試。在這個步驟中，須在輸電鐵塔上安裝智能腳釘，并將腳釘與已連接的后臺服務器進行配置。同時，對腳釘進行測試，確保其能夠準確無誤地接收和發送信息。

前后端方面，開發物聯網后端控制平臺，滿足實時監控和遠程控制需求，并且可以與各種傳感器和執行器進行無縫連接。編寫數據傳輸代碼，將傳感器采集的數據從前端設備傳輸到后端服務器，并進行必要的解析和處理。完成數據傳輸代碼的編寫之后，編譯前后端程序。

3 應用效果

對腳釘開展整體調試，測試控制信號的傳輸、電源的穩定性以及系統的整體性能，如圖2 所示。

圖2 新型輸電鐵塔防誤登智能腳釘整體調試

測試異常攀爬告警時間，共計試驗50 次，并記錄耗時情況，具體數據如圖3 所示，經過測試，最長時間為17 s，該時間足以確保攀爬人員接近安全距離前便發出告警信號。

圖3 異常攀爬告警時間分布圖

4 結束語

本文設計并構建了一種新型輸電鐵塔防誤登智能腳釘，腳釘集狀態感應、防誤登實時報警、后臺感知、警示設備、聯網管理于一體，后臺系統能夠快速感知誤攀登行為并聲光告警，防止未經授權的人員非法攀登，并迅速采取措施，避免誤登帶電桿塔等安全事故。