王 麒，殷 銘，楊富磊，張松剛，何正浩

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，鄭州 450000；2.華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引言

電力運(yùn)維和檢修是保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，由于機(jī)械與高壓輸電線路相觸碰或距離過(guò)近而引起的跳閘觸電事故時(shí)有發(fā)生[1]，此類事故可能造成大面積停電、人身傷亡和設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

此類問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方式包括樹立安全警示牌、設(shè)置竹排保護(hù)屏障、提高操作人員安全意識(shí)等[2]。在輸電線路檢修現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于線路是否帶電、施工機(jī)械是否進(jìn)入高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)均沒有相應(yīng)提示，而現(xiàn)有的近電報(bào)警裝置往往存在報(bào)警判據(jù)單一、難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境、監(jiān)測(cè)范圍小、不適用大型機(jī)械等問(wèn)題。由于電力電纜反射面積小、反光能力低，導(dǎo)致距離傳感器對(duì)電纜識(shí)別的難度大，同時(shí)距離傳感器測(cè)量角度較窄，限制了距離報(bào)警的可靠性；現(xiàn)有的一維電場(chǎng)傳感器又存在一定缺陷，當(dāng)測(cè)量方向電場(chǎng)較弱，而垂直于測(cè)量方向的電場(chǎng)分量已經(jīng)達(dá)到危險(xiǎn)范圍時(shí)，傳感器難以識(shí)別。因此，以電場(chǎng)或距離作為單一報(bào)警判據(jù)時(shí)，可能產(chǎn)生報(bào)警系統(tǒng)漏判現(xiàn)象。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種以距離過(guò)限、電場(chǎng)過(guò)限作為綜合判據(jù)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)；為同時(shí)測(cè)量各方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)三維電場(chǎng)傳感器，分析傳感器的測(cè)量原理與測(cè)量精度；考慮施工器械吊臂引起的電場(chǎng)畸變，設(shè)置不同電壓等級(jí)的電場(chǎng)報(bào)警閾值，最后進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證其預(yù)警準(zhǔn)確性與可靠性。

1 傳感器設(shè)計(jì)計(jì)算

測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度最常用的是懸浮體型傳感器。其中，平行板型傳感器測(cè)量誤差不足2%，與最精密的球型傳感器精確度非常接近[3]，且制作簡(jiǎn)單，可以很好地滿足工程應(yīng)用需求，因此本系統(tǒng)采用三維平行板型傳感器測(cè)量電場(chǎng)。

傳感器由X、Y、Z方向的三對(duì)測(cè)量極板及中間的絕緣材料組成，為正方體結(jié)構(gòu)。極板為邊長(zhǎng)6 cm的正方形薄銅片，導(dǎo)電性能良好。極板間的絕緣材料采用絕緣隔熱的環(huán)氧樹脂，加工成邊長(zhǎng)7 cm的正方體，6個(gè)銅極板分別粘在正方體6個(gè)面上，并保證各個(gè)極板的電氣獨(dú)立性。

與一維平行板傳感器不同的是，三維傳感器不僅在相對(duì)極板間存在電容，相鄰極板間也存在電容。因此，每對(duì)極板間的電壓會(huì)受到另外兩個(gè)方向的電場(chǎng)影響。為確定極板間感應(yīng)電壓與空間電場(chǎng)的關(guān)系，需要計(jì)算極板間的自電容與互電容。

以下極板為零電位參考點(diǎn)，首先考慮上極板Z單獨(dú)作用的情況。設(shè)上極板電勢(shì)為φ0，其他極板電勢(shì)為0，則傳感器內(nèi)部電勢(shì)φ的分離變量形式的試探解為：

代入邊界條件，由于拉普拉斯方程為線性方程，可利用疊加定理，將所有特解相加，解得傳感器內(nèi)部電勢(shì)φ可表示為式（3）所示形式：

式中：m、n為奇數(shù)；d為每對(duì)平行板間的距離。

根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的關(guān)系，可由式（4）求得自電容與互電容，即：

式中：ε1為極板間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)；C0、C1分別為每對(duì)極板間的自電容與互電容。

分析傳感器感應(yīng)電壓與空間電場(chǎng)的關(guān)系。由于極板間相互絕緣，各極板內(nèi)外表面應(yīng)分布等量反向的電荷，且在空間內(nèi)形成對(duì)稱的電場(chǎng)分布。由此可知，極板外表面電場(chǎng)由本身電荷作用產(chǎn)生，而內(nèi)表面電場(chǎng)則由極板本身電荷與相鄰極板內(nèi)側(cè)電荷疊加作用產(chǎn)生。

以上極板Z為例，首先考慮空間電場(chǎng)E只存在垂直方向的分量E的情況。根據(jù)高斯定理可得上極板Z外表面電荷量QZout為：

式中：σZout為上極板Z外表面電荷密度；ε0為空氣介電常數(shù)。

上極板內(nèi)表面電荷量滿足如下關(guān)系：

考慮空間電場(chǎng)分量EX、EY作用，由式（5）、式（6）、式（9）可知極板電勢(shì)φ在自身、對(duì)極板以及相鄰極板的內(nèi)表面感應(yīng)的電荷量。以上極板與下極板為例，其內(nèi)表面電荷量滿足：

根據(jù)對(duì)稱性，其他極板電荷量與電勢(shì)的關(guān)系均可表示。由于極板內(nèi)外電荷大小相等，方向相反，結(jié)合式（7），可最終得到傳感器周圍電場(chǎng)強(qiáng)度E與極板感應(yīng)電壓UX、UY、UZ的關(guān)系，即：

由此，可以通過(guò)測(cè)量三對(duì)極板之間的感應(yīng)電壓，得到傳感器所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 傳感器測(cè)量精度分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)三維電場(chǎng)傳感器的測(cè)量精度以及傳感器引起的電場(chǎng)畸變程度，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，模仿高電壓施工現(xiàn)場(chǎng)搭建輸電線路電場(chǎng)測(cè)量電路，如圖1所示。其中，L為模擬輸電線路的金屬棒；M為模擬施工器械吊臂的豎直接地鋼材；調(diào)壓器T0的調(diào)壓范圍為0～250 V，額定容量為5 kVA；變壓器T的變比為250，額定變?nèi)萘繛? kVA。將RJ-5工頻電場(chǎng)儀置于三維電場(chǎng)傳感器同一位置，測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。RJ-5工頻電場(chǎng)儀量程為1～20 kV/m；頻率范圍為30～2 000 Hz；測(cè)量誤差為i 1.5 dB。

圖1 傳感器測(cè)量精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路

調(diào)整調(diào)壓器T0，改變金屬棒L兩端工頻電壓，由數(shù)字高壓表讀出電壓U，在1～10 kV均勻取值10次。用三維電場(chǎng)傳感器與RJ-5工頻電場(chǎng)儀分別測(cè)量，記錄相同電壓下所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)通過(guò)仿真分別計(jì)算該位置有無(wú)傳感器存在時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如表1所示。

表1 電場(chǎng)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值

對(duì)比無(wú)傳感器存在時(shí)的原始電場(chǎng)與有傳感器存在時(shí)的畸變電場(chǎng)可知，傳感器造成的電場(chǎng)畸變小于0.5%，對(duì)原電場(chǎng)影響可近似忽略。三維傳感器電場(chǎng)測(cè)量值與理論電場(chǎng)以及工頻電場(chǎng)儀的測(cè)量結(jié)果基本一致，誤差在5%以內(nèi)。由此可以判定三維電場(chǎng)傳感器所測(cè)電場(chǎng)基本準(zhǔn)確，滿足應(yīng)用要求。

3 報(bào)警閾值設(shè)定

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)施工觸電事故發(fā)生在220 kV及以下的輸電線路，因此系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)35 kV、110 kV、220 kV 3個(gè)電壓等級(jí)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定，35 kV、110 kV、220 kV輸電線路的最小安全距離分別為4.0 m、5.0 m、6.0 m。將此距離作為系統(tǒng)一級(jí)距離報(bào)警閾值，同時(shí)各增加1 m作為二級(jí)報(bào)警閾值。分級(jí)報(bào)警的設(shè)置可留給操作人員足夠的反應(yīng)時(shí)間和安全裕度。

針對(duì)3種電壓等級(jí)輸電線路的單回路和雙回路典型排布方式，利用Maxwell進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元仿真。由于輸電線路周圍電場(chǎng)分布的一般規(guī)律為距輸電線路越遠(yuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度越弱[6-8]，因此計(jì)算安全距離閾值處的電場(chǎng)強(qiáng)度，即可作為電場(chǎng)報(bào)警閾值。

35 kV輸電線路單回路計(jì)算模型采用上字型直線塔，相線選用LGJ-185，架空地線選用GJ-50。根據(jù)安全距離報(bào)警閾值，在模型中選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中P1、P2距離輸電線路4 m，P3、P4距離輸電線路5 m。模型尺寸與測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 35 kV單回線輸電線路示意圖

圖3 35 kV單回線輸電線路各測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電場(chǎng)傳感器固定在接近吊臂頂端位置。吊臂的存在會(huì)對(duì)其附近電場(chǎng)圍產(chǎn)生影響。為研究吊臂對(duì)電場(chǎng)的影響，分別計(jì)算無(wú)吊臂存在，吊臂與地面呈45h、90h時(shí)的電場(chǎng)分布。吊臂用截面40 cm 50 cm的接地金屬桿代替，使吊臂與各測(cè)點(diǎn)等高，且頂端距離測(cè)點(diǎn)15 cm。不同工況下待測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，吊臂的存在會(huì)使其附近的電場(chǎng)強(qiáng)度成倍增加，最大差距可達(dá)3.5倍。故模擬計(jì)算電場(chǎng)閾值時(shí)需在測(cè)點(diǎn)附近加入吊臂模型，才能準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)情況。同時(shí)，吊臂的角度變化對(duì)電場(chǎng)影響較小，因而計(jì)算時(shí)可取吊臂與地面呈45h、90h的典型情況進(jìn)行研究。

以同樣的方式對(duì)35 kV、110 kV、220 kV電壓等級(jí)的單、雙回線輸電線路進(jìn)行仿真計(jì)算，取最小電場(chǎng)值計(jì)算結(jié)果作為電場(chǎng)報(bào)警閾值，結(jié)果如表2所示。

表2 電場(chǎng)報(bào)警閾值設(shè)定

4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)分為位于作業(yè)機(jī)械上的信號(hào)采集端和位于操作監(jiān)控室的遠(yuǎn)程報(bào)警端。系統(tǒng)由核心控制單元、距離測(cè)量單元、電場(chǎng)測(cè)量單元、信號(hào)處理單元、無(wú)線傳輸單元、聲光報(bào)警單元共同組成。系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖4所示。

圖4 安全距離預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作流程為：首先選擇輸電線路電壓等級(jí)與回路數(shù)檔位，系統(tǒng)根據(jù)輸入對(duì)應(yīng)生成不同的報(bào)警閾值。機(jī)械作業(yè)過(guò)程中，將三維電場(chǎng)傳感器的感應(yīng)電壓處理后送至控制單元，控制單元計(jì)算對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，多個(gè)距離傳感器全方位測(cè)量施工器械與輸電線路間的距離，輸入控制單元?？刂茊卧獙㈦妶?chǎng)與距離值分別和兩級(jí)報(bào)警閾值相比較，判斷達(dá)到報(bào)警閾值后，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸傳送到接收端，接收端啟動(dòng)分級(jí)對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警提示。當(dāng)電場(chǎng)與距離報(bào)警等級(jí)不同時(shí)，為最大限度保證安全，采用較高等級(jí)作為最終報(bào)警等級(jí)。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為鄭州某變電站施工現(xiàn)場(chǎng)的起重器械安裝本預(yù)警系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)可靠性。將信號(hào)采集端安裝于吊臂頂端，信號(hào)接收端置于吊臂操作室內(nèi)。針對(duì)35 kV、110 kV、220 kV輸電線路，操縱吊臂以不同角度從上端、下端、外側(cè)分別接近輸電線路，各進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，記錄各級(jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)吊臂頂端與輸電線路的距離。各級(jí)報(bào)警距離最大、最小值如表3所示。

表3 系統(tǒng)最小報(bào)警距離

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警距離最小值均大于安全距離，且最大距離與安全閾值誤差小于4%。本文設(shè)計(jì)的三維安全預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定施工器械進(jìn)入最小安全距離之前及時(shí)預(yù)警，且預(yù)警距離準(zhǔn)確，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文為了解決檢修機(jī)械過(guò)于接近高壓輸電線路引發(fā)的安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種三維安全距離預(yù)警系統(tǒng)，得出以下結(jié)論。

（1）三維電場(chǎng)傳感器可測(cè)量各方向電場(chǎng)，消除電場(chǎng)預(yù)警盲區(qū)，傳感器測(cè)量誤差在5%以內(nèi)。

（2）研究電場(chǎng)報(bào)警閾值，計(jì)算輸電線路周圍電場(chǎng)時(shí)，機(jī)械吊臂對(duì)電場(chǎng)的影響不可忽略，吊臂存在時(shí)，電場(chǎng)可增強(qiáng)至原電場(chǎng)的3.5倍。

（3）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)輸電線路檢修現(xiàn)場(chǎng)的及時(shí)可靠預(yù)警，可提高施工器械的作業(yè)安全性。