淺談組式高壓電場測量和安全距離報警系統

謝雪峰，凌劍波，王佑球，邱興衛，方文斌，洪　澤

（1.國網安徽省電力公司祁門縣供電公司；2.祁門縣陽光電力維修工程有限責任公司）

淺談組式高壓電場測量和安全距離報警系統

謝雪峰1，凌劍波1，王佑球1，邱興衛1，方文斌2，洪澤1

（1.國網安徽省電力公司祁門縣供電公司；2.祁門縣陽光電力維修工程有限責任公司）

在電力行業的建設發展中，工頻電場測量技術一直以來都深受行業的高度重視，它在帶電作業安全距離檢測和輸電線路故障狀態檢測中發揮著極其重要的作用，對提高和保障線路系統安全穩定運行具有重要現實意義。基于此，本文在分析電場測量的基本原理后，對組式高壓電場測量安全距離報警系統的軟硬件設計進行了詳細的闡述，以期促進電場測量技術優勢充分發揮。

電場測量；組式高壓電場測量安全距離報警系統；設計

前言

近幾年，為滿足用戶日益增長的電力需求，我國電力基礎設施建設力度不斷加大，電網改擴建項目規模逐步擴大。與此同時，輸配電線線路所發生的故障頻率隨之增加，對配網系統的帶電檢修變得越來越需要。若線路發生故障或帶電檢修安全距離掌握不準確，都將可能會給作業人員造成人身傷害，造成一定經濟損失，因而電場測量技術必不可少，開發電場測量安全距離報警系統非常必要。

1　電場測量技術原理

電場測量技術依據的基本原理是：將傳感器置于待測電場中，其金屬極板在電場中會產生感應電荷，并且其感應電荷與所在電場中的頻率變化還是同步的、一致的。利用這一特性對傳感器感應電荷進行相應的處理，將其轉換成相對應的電壓或電流信號，再對該電壓/電流信號做進一步的處理（分析計算），即可求出待測電場中的電場場強。從電場測量技術原理的表述中不難分析出，傳感器是實現電場測量的最主要、最關鍵設備之一，是收集電荷信號的必要裝置[1]。現階段，根據這一原理研發的電場測量儀器按照用途的劃分主要有交變電場測量儀和靜電場測量儀兩類。靜電場測量在感應電極間感應出的信號為直流信號，且受靜電場本身作用其直流分量很小，因而需要通過多級放大處理才能為后續電路提供所需充足電量，才能保證電場測量工作的正常進行。交變電場測量將傳感器置于交變電場中，通過對金屬極板感應出的待測電場感應電荷，依據同頻率變化對感應電荷進行相應的處理，得到兩者感應電荷與待測電場中電荷成一定比例關系的電場測量信號，然后借助相關數學計算方法經過相應的計算，進而實現對電場強度的測量。

2　組式高壓電場測量安全距離報警系統設計

2.1系統總體設計

本文開發的組式高壓電場測量安全距離報警系統，采用C8051F410單片機作為系統核心控制器，整個系統包括主機與從機兩大模塊。主機模塊主要由無線通信系統、單片機處理單元、液晶顯示單元、按鍵控制單元、電源等幾個單元組成；從機模塊主要由信號處理單元、單片機處理單元、電廠傳感器、控制單元、電源、聲音報警單元、無線通信系統和液晶顯示單元等多個單元組成，具體如圖1所示[2]。這樣設計的安全距離報警系統的工作原理是：各從機通過按鍵控制單元對相應的輸電線路電壓等級進行正確的選擇，對傳感器采集來的電場信號進行轉換得到電壓或電流信號；將電壓信號經信號處理單元濾波放大后，送至單片機進行模數轉換，并對產生的數字濾波、周期波形進行分析，最終將計算出來的電場強度在液晶顯示器上顯示出來。

2.2系統硬件設計

2.2.1電源電路設計

電源開關電路的設計，主要是實現系統的開關機和為系統的正常運行與各功能模塊的正常發揮提供所需電能。為了賦予系統長按開關機功能，并用開關的打開與閉合來完成開關機操作，系統采用熱穩定性能良好的三端分流基準源作為電源和SI2305開關。三端分流基準源用2個電阻就可以實現對輸出電壓在一定范圍內（2.5～36V）的隨意設置[3]。開機時，按下電源鍵，電源開關電路中的二極管導通為電容充電，當充電達到一定量時，基準源動作，開關導通為系統供電，系統開始工作，此時電源控制權被轉移給初始化程序。當CPU單元檢測到電源鍵被按下一定時間后（設定的關機時長），則關閉電源，實現系統的關機。

圖1　組式高壓電場測量安全距離報警系統總體設計

2.2.2可控比例放大電路設計

由于組式高壓電場測量所能夠檢測到的電壓等級范圍在35～750kV之間，范圍比較大，因而需要設計一個可控比例放大電路來保證系統對差分電壓信號的采集是在適合數模轉換范圍內進行的，即保證數據采集的合理性。為了實現對微弱電信號的放大處理，要對運算放大器實現低輸入偏置電流、低輸入失調電壓等特性，賦予系統可控增益功能，并適當擴大系統的幅值響應范圍，因而在可控比例放大電路的設計中本文采用了多路開關ADG和OP07C精密運算放大器，電路如圖2，較好的實現了上述需求。

圖2　可控比例放大線路設計圖

2.2.3無線通信設計

為了實現主機與從機之間的無線實時通信，實現主機對從機發送數據的完整及時接收，以及無線通信模塊本身內部數據的收發控制與通信協議的正常轉換，在無線通信模塊的設計中，應將無線通信模塊與串口相連，讓主機對從機地址的查詢能夠依照串口順序來進行，并保證傳感器采集來的數據可以以一定的頻率發送至各個從機[4]。本組式高壓電場測量安全距離報警系統采用高性能、低成本、大功率的無線數據傳輸模塊BL100來對系統無線通信進行設計。這種數據傳輸模塊傳輸速率高，可工作在國家一些開放的頻段，且內部自帶有數據收發控制功能與通信協議轉換功能。

2.3系統軟件設計

2.3.1主程序流程設計

組式高壓電場測量安全距離報警系統包括主機與從機兩大模塊，主機主程序設計流程為：系統初始化，向從機發送地址查詢信號，從機接收后作出應答，若從機應答的地址與主機發送的地址信號相符，則主機進行校驗，否則不做任何回應；校驗通過，主機對從機的編號和電場值進行顯示；校驗錯誤，系統立即報警。主機向從機不間斷的發送地址查詢信號，從而實現對從機的實時監控。

從機的主程序流程為：系統延時開機初始化測量，依次完成對各電路模塊的自檢測；ADC對電壓信號進行轉換，當一個轉換周期結束后，單片機對采集的數據進行分析處理，并將計算出的電場值顯示出來；若電場值超過規定上限，從機立刻發出警報并通知主機，從機主程序不斷的循環執行，從而實現對電場的不間斷測量[5]。

2.3.2主從機通信模塊設計

本系統主機與從機之間一次完整的通信主要包括三個環節，即主機詢問、從機應答和鏈路釋放。從機無線通信程序主要由串行口中斷程序組成，負責將從機的編號和電場值發送給主機，在開機的狀態下從機一直處于對被監測電場的信號采集和監聽。主機進入中斷程序進行尋址，對從機發送來的數據信息進行接收，從而實現雙重監控，實現主機與從機之間的實時通信。

2.3.3電場過限報警程序設計

各從機所選擇電壓等級的不同所對應的報警值也不相同。當檢修人員在某一電壓等級下實施帶電檢修作業時，若組式高壓電場測量安全距離報警系統計算顯示出的電場強小于系統內部設定的場強上限，則表明當前的帶電作業場所電場強處于安全范圍內，檢修人員人身是安全的。若檢測到的電場強超出系統內設上限，則系統會立刻發出警報，提醒作業人員退到安全距離范圍內，從而有效避免觸電等事故的發生。

3　總結

工頻電場測量技術在電力行業中的重要性不言而喻。隨著我國智能電網建設工程的進一步推進，應對電場測量技術予以進一步的推廣應用，積極開發組式高壓電場測量安全距離報警系統，對系統軟硬件各模塊進行科學合理的設計，以保障帶電作業的安全性，切實減少輸電線路故障發生。總之，電場測量安全距離報警系統還需要不斷的完善。

[1]毛 凱.組式高壓電場測量和安全距離報警系統研究[D].重慶大學，2014.

[2]王 鑫.水滅火系統對地鐵隧道中人員疏散的影響研究[D].沈陽航空航天大學，2015.

[3]林 彬.細水霧滅火系統在汽車涂裝車間噴漆室的應用研究[D].中國科學技術大學，2015.

[4]秦國防.分散型高壓電氣設備溫度巡回監測系統的研制[D].重慶大學，2011.

[5]謝正文.餐飲業煙道油垢自燃發火機理及細水霧自動滅火系統研究[D].中南大學，2011.

TM835

A

2095-2066（2016）31-0039-02

2016-10-20

謝雪峰（1984-），男，江蘇宜興人，工程師，本科，主要從事配電網運維管理工作。

凌劍波（1976-），男，安徽歙縣人，工程師，本科，主要從事輸配電管理工作。

王佑球（1989-），男，安徽黃山徽州人，助工，本科，主要從事變電檢修工作。

邱興衛（1991-），男，江蘇鹽城人，助工，本科，主要從事變電運維工作。

方文斌（1987-），男，安徽樅陽人，大專，主要從事變電運維工作。

洪 澤（1993-），男，浙江安吉人，本科。