李建華

【摘 要】近年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，我國(guó)的綜合國(guó)力在不斷的加強(qiáng)，由于感應(yīng)極板電容存在的邊緣效應(yīng)，測(cè)量時(shí)會(huì)引起電力線的畸變，影響靈敏度、線性度和量程等性能參數(shù)。提出一種新型帶等位環(huán)的印刷電路板（PCB）平板電容的交變電場(chǎng)傳感單元結(jié)構(gòu)，通過仿真優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)了帶等位環(huán)的電場(chǎng)感應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小了由于電容極板邊緣效應(yīng)引起的電場(chǎng)畸變。根據(jù)工頻電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傳感單元進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明：等位環(huán)結(jié)構(gòu)避免了極板的邊緣效應(yīng)，通過合理配置積分采樣電容，使得感應(yīng)傳感單元的線性度可達(dá)1.6025%，電壓靈敏度系數(shù)達(dá)到248mV/（kV/m）。設(shè)計(jì)的電場(chǎng)傳感器達(dá)到近電預(yù)警測(cè)量的要求。

【關(guān)鍵詞】等位環(huán);平板電容;工頻電場(chǎng);電場(chǎng)傳感單元

引言

近年來，因近電作業(yè)管控不到位引起的觸電事故頻發(fā)。為此，有些人基于電磁感應(yīng)原理，研制了多種帶電感應(yīng)報(bào)警裝置，但都存在以下不足：其一，由于導(dǎo)線安全距離以外的電場(chǎng)微弱，受環(huán)境影響很大，感應(yīng)不穩(wěn)定;其二，裝置需穿戴在人員或設(shè)備上，感應(yīng)范圍有限，對(duì)工作繩、塔件等無法監(jiān)控。因此，迫切需要一種監(jiān)控范圍可調(diào)控、感應(yīng)報(bào)警靈敏準(zhǔn)確的裝置，及時(shí)預(yù)警提醒近電作業(yè)人員，保障作業(yè)安全。在此背景下，該文以臨近帶電線路采用雙搖臂懸浮抱桿組立高塔為例，研究近電作業(yè)安全監(jiān)控的預(yù)警問題。首先，針對(duì)近電作業(yè)進(jìn)行需求分析，確定須檢測(cè)和預(yù)警區(qū)域;接著，基于視頻分析技術(shù)，進(jìn)行裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì);然后，研制出樣機(jī)，并在工程上模擬應(yīng)用;最后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善改進(jìn)，研發(fā)出近電作業(yè)安全監(jiān)控預(yù)警裝置。該裝置基于視頻分析技術(shù)，將智能圖像處理技術(shù)與無線通信技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，具有監(jiān)控預(yù)警功能，可作為近電作業(yè)安全監(jiān)控的輔助措施，更好地保障作業(yè)人員的安全。

1意義

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快，在國(guó)民生活和生產(chǎn)中電能所占據(jù)的地位越來越重要，同時(shí)各行各業(yè)對(duì)電力的需求也與日俱增。目前居民用電與工業(yè)用電的范圍越來越廣，用量越來越大，為了滿足各個(gè)行業(yè)對(duì)電力負(fù)荷的需求，電網(wǎng)建設(shè)也在同步發(fā)展壯大，現(xiàn)在己經(jīng)形成了巨大的高壓輸配電線路區(qū)域電網(wǎng)，并將電能輸送到用戶側(cè)[[3]。由于我國(guó)的自然資源分布及電力負(fù)荷分布在地理位置上極為不均勻，而在未來可再生能源的大規(guī)模發(fā)展又可能會(huì)進(jìn)一步加重這一問題，因此，我們需要作為電力傳輸?shù)妮d體一一電網(wǎng)，在能源資源優(yōu)化配置中發(fā)揮出其重要的作用。目前我國(guó)己經(jīng)計(jì)劃并投建完成了多條超/特高壓直流輸電工程，可以將我國(guó)北部、西部、西南部地區(qū)的電力資源輸送至中東部等負(fù)荷中心地區(qū)高壓輸電過程是電網(wǎng)能源輸送不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，高壓電網(wǎng)具有送電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定水平高、可靠性好、損耗小、占地少等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上很好地解決了能源和負(fù)荷分布不均衡和輸送的問題。目前，電網(wǎng)建設(shè)的各類工程不斷地增多，形成的輸電大系統(tǒng)也越來越多，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性問題也日益得到人們的關(guān)注，其中“重電源輕電網(wǎng)”的做法導(dǎo)致了電網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性較低長(zhǎng)期以來，在電力工程中經(jīng)常使用大型機(jī)械（比如高空作業(yè)車、吊車和起重機(jī)等等）在輔助電力維修或者電力設(shè)備更換安裝等工作。這些大型機(jī)械處于非常危險(xiǎn)的工作場(chǎng)所（比如變電站、架空輸電線、10kV配電線路等）進(jìn)行施工時(shí)，就需要特別注意安全。操作人員的疏忽大意就很可能引起人員車輛傷亡、電力線路誤跳閘甚至是短路停電等各種電力事故。

2不同參數(shù)的傳感單元測(cè)試試驗(yàn)

2.1傳感單元固有電容的影響

根據(jù)（GBT12720—91）工頻電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，搭建工頻電場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)由調(diào)壓器、高壓實(shí)驗(yàn)變壓器、平行板裝置三部分組成。在平行板裝置的上層和下層之間產(chǎn)生單相均勻工頻電場(chǎng)，將沒有接采樣電容的傳感單元放在平行板裝置的中心位置。通過示波器進(jìn)行讀取傳感單元的輸出信號(hào)的峰峰值;通過調(diào)壓器調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度，并記錄變壓器的輸出電壓值;完成調(diào)壓后，讀取傳感單元的輸出值;測(cè)試完所有的傳感單元。

2.2工頻電場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

10kV配電系統(tǒng)可以看作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的電磁振源，10kV配電線路中傳輸?shù)母邏弘娕c地面之間形成電勢(shì)差，所以在10kV配電線路附近會(huì)存在一定強(qiáng)度的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。由于交流10kV配電線路三相電壓之間相差120。的相位，其分別產(chǎn)生的三個(gè)電場(chǎng)實(shí)際上己經(jīng)抵消了大部分，而我們?cè)诰嚯x地面一定高度上測(cè)到的電場(chǎng)是少量的殘余電場(chǎng)。傳感器主要利用靜電感應(yīng)原理，傳感器上的電極存在大量易于移動(dòng)的感應(yīng)電荷，當(dāng)靠近輸配電線上的強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，會(huì)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電信號(hào)，再通過信號(hào)采集裝置收集、過濾和放大。

2.3硬件設(shè)計(jì)

裝置的硬件設(shè)計(jì)，選用無線高清攝像頭搭配客戶端的成套設(shè)備，主要包括如下。（1）數(shù)字?jǐn)z像頭。通過網(wǎng)線連接至無線路由。（2）無線路由。通過2.4G/5G的頻段將視頻流傳回視頻客戶端。無線傳輸方式，可選配置，獨(dú)立供電。（3）供電方式。供電方式有220V交流供電或者太陽能板+蓄電池供電，可根據(jù)不同的需求選配。（4）視頻顯示、視頻控制客戶端。實(shí)現(xiàn)各路視頻的分屏顯示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的調(diào)焦和云臺(tái)控制。

2.4軟件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的主程序主要有初始化模塊、ADc數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算比較模塊、代碼識(shí)別模塊、DART發(fā)送、接收模塊和聲光報(bào)警模塊組成。初始化模塊中對(duì)AVR的各個(gè)端口進(jìn)行定義，對(duì)報(bào)警閡值、DART端口、計(jì)數(shù)器、中斷向量和ADC的采樣進(jìn)行設(shè)置。通過定時(shí)器和中斷系統(tǒng)來控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔一段時(shí)間讀取一次傳感器采集到的信號(hào);計(jì)算比較模塊可以對(duì)20次的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得平方平均值，并與報(bào)警閡值進(jìn)行比較，若達(dá)到報(bào)警閡值，則通過無線模塊發(fā)送報(bào)警標(biāo)志;報(bào)警器部分通過DART接收模塊收到報(bào)警數(shù)據(jù)，代碼識(shí)別模塊解碼接收到的數(shù)據(jù)，然后由中心處理單元控制發(fā)出聲光報(bào)警。另外，頻率相同時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生疊加和抵消的現(xiàn)象，因此對(duì)于單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線，需要分別設(shè)立兩個(gè)不同的報(bào)警閡值。本產(chǎn)品將兩種不同閡值的數(shù)據(jù)固化在ROM內(nèi)，可以通過撥動(dòng)開關(guān)來選擇需要的報(bào)警閡值本報(bào)警系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括語音提示模塊、自檢中斷模塊、高壓信號(hào)檢測(cè)模塊以及主程序模塊等。設(shè)計(jì)思想是當(dāng)?shù)踯嚨葯C(jī)械車臂距離電力線過近時(shí)，傳感器檢測(cè)到的信號(hào)會(huì)大于報(bào)警閡值，觸發(fā)報(bào)警器重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意有電危險(xiǎn)，的報(bào)警聲并伴有燈光閃爍。

結(jié)語

仿真及標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）在兩感應(yīng)極板間的間距不變時(shí)，感應(yīng)極板面積的增大對(duì)極板上的電場(chǎng)畸變影響不大，畸變系數(shù)維持在0.9左右。2）在感應(yīng)極板的感應(yīng)面積一定時(shí)，極板間的間距對(duì)電場(chǎng)的畸變影響較大，隨著間距的增加，極板上電場(chǎng)的畸變系數(shù)也增大。3）為屏蔽平板電容邊緣94%畸變電場(chǎng)的影響，等位環(huán)的寬度隨感應(yīng)極板的半徑的增加而減小而趨于平穩(wěn)，其關(guān)系可擬合為k=8.35r-0.3584。4）采樣電容對(duì)平板電容傳感單元的線性度與靈敏度系數(shù)的影響不可忽略，采樣電容的增大使傳感單元的靈敏度系數(shù)減小，相對(duì)較大的采樣電容具有較好的線性度。5）在采用3.3nF采樣電容，感應(yīng)極板半徑為16mm，等位環(huán)寬度為3.05mm，極板間距是1.6mm的傳感單元的線性度可達(dá)0.3586%，靈敏度系數(shù)為30mV/kV/m，在場(chǎng)強(qiáng)為200kV/m是其輸出信號(hào)的峰峰值達(dá)到6.149V。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李長(zhǎng)勝，崔翔.光學(xué)電場(chǎng)傳感器研究綜述[J].電氣應(yīng)用，2008，27（16）：13-18.

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞東南區(qū)供電局）