一種線路保護區內移動吊車施工智能防觸碰監測系統

國網重慶長壽供電公司 廖曉東 馮 俊 馬 超

一種線路保護區內移動吊車施工智能防觸碰監測系統

國網重慶長壽供電公司 廖曉東 馮 俊 馬 超

近年來高空施工越來越多，由于機械過于靠近高壓帶電設備而引起線路短路跳閘事故經常發生，本文對交流輸電線路進行了模擬試驗和測試，對球形電場感應傳感器的感應電流進行了理論計算，并在實驗室環境下對報警裝置的工作性能進行了測試，利用標準電場對裝置進行了校正。

電場感應；高壓線；近電報警；GPS

1 研究背景

隨著工農業生產的日益發展，電網的建設規模有了突飛猛進的發展，但是所面臨的問題也越來越多。近年來全國各省頻發高空施工機械由于過于靠近高壓帶電設備而引起線路短路跳閘事故，有些還造成了大面積的停電，使國民經濟生產遭受了嚴重損失，給人們生活與社會活動帶來了很大的影響。發生高空施工機械引起跳閘事故，究其原因，除了操作人員的大意外，高壓設備是否帶電、施工設備是否進入高場強區、是否接近規程規定的最小安全距離，均沒有應有的提示。特別是電力系統外的施工人員往往不懂高壓，可能根本沒有在高壓電力設備附近施工一定要有安全距離的概念，因此發生事故就不可避免了。

以下幾則關于吊車碰觸高壓線事故的新聞報道：2009年7月10日，吊車駕駛員周某因他觀察不周，所操控的吊車吊臂頂端碰到了六七米高的高壓線，致使手抓鋼絲吊繩的裝卸工觸電倒地。公訴機關以過失致人死亡罪對周某提起訴訟。此案一審被判處有期徒刑一年，緩刑兩年和 28 萬元的民事賠償協議。2009年7月2日9時36分，北京市朝陽區十八里店鄉附近多個用戶的用電瞬間中斷。這是最近12天來，連續第6起吊車觸碰高壓線引發的事故。2009年8月13 日下午2時許，廣東增城朱村附近的一條基坑路上，一輛吊車在吊裝作業時，由于安全距離不足導致高壓線路對吊車放電。該事故造成 500 千伏蓄增乙線停運 55 分鐘。多家養豬場60頭生豬被當場電死，強大的短路電流引起多條10 千伏配網線路跳閘，朱村供電所3臺配電開關柜燒毀，當地超過一千件正在使用的家用電器被燒毀，直接造成超過百萬元的經濟損失。據悉，這是500千伏蓄增線在短短1個月內發生的第二起流動作業碰線事件。7月10日清晨6時50分，屬于廣河高速建設項目指揮部的一部吊車，在無人監護的情況下，擅自進入線路保護區內吊裝作業，由于安全距離不足，導致線路對吊車放電，地面吊裝人員重度燒傷。以上事故案例全國數不勝數，拒不完全統計,每年至少要發生一百多起高空吊車碰觸高壓線的事故,一旦發生,損失往往是很慘重的，造成設備損壞、人員傷亡、大面積停電等等往往無法避免。

起重機械作業大部份處在有電的作業環境，觸電（電擊）也是發生在起重機械作業中常見的傷亡事故。圖1 給出了2001至2003年北京電網主系統輸電線路跳閘情況，外力破壞主要有電力設備的破壞和盜竊以及大型施工機械作業、施工誤碰撞高壓線等幾種情況。近年來，在電力線路保護區內，塔吊、吊車等大型施工機械違章作業，造成的供電故障呈快速上升趨勢。2012年至今，因移動吊車或固定塔吊引起線路跳閘達8條次，其中110千伏黔魚東線因移動吊車吊裝貨物引起線路2次跳閘，110千伏朱雷線因固定塔吊擺臂引起線路3次跳閘，220千伏長朱東線、110千伏涪牽東線因移動吊車吊卸貨物各引起線路1次跳閘，固定塔吊、移動吊車的外力破壞成為影響長壽電網安全的重要因素對我們電網的運行造成了非常大的安全隱患。

圖1 架空線路外力破壞統

圖2 系統模塊見圖

圖3 數據傳輸原理圖

因此，如何有效地杜絕吊車觸碰高壓線引發的這類事故有著重要的意義。為防止高空施工機械引起跳閘事故，除了必要的組織措施外，先進可靠的技術措施將可以避免各種人為的和各種環境因素的影響，將是安全措施的必要手段和保障。為此，需要一種高電壓現場施工安全距離報警器，它裝在施工機械的頂部以及與線路等高的位置上，在施工設備靠近帶電的導線時，達到有可能威脅安全時給予“有電”提示，在達到作業規程規定的一般距離時給出“注意”提示；在達到作業規程規定的最小安全距離時給出“停止操作”的命令。

高壓輸電線和工程用吊車這兩者之間并沒有直接的物理聯系，而且一個靜止， 另一個是運動的。高壓線的安全距離跟輸電線路的電壓有關，因為擊穿的很大因素取決于所施加的電壓，電壓大則電場強度大，則容易被擊穿。需要吊車操作員在操作過程中，時時感知到障礙物—輸電線成為我們的目標。而高壓輸電線的基本物理特征有以下幾個方面：

電場：交流輸電線路輸送的交流電是50Hz的，那么在輸電線路空間就會產生50Hz的工頻電場。總體來講，距離輸電線路近則電場強度越高，隨著距離的增加電場強度呈現遞減的趨勢，電場強度與電壓成正比，因此可以利用空間的電場信號來知道高空作業車與高壓輸電線的距離，以此來判斷吊車是否安全。磁場：由于交流輸電線路的磁場是與線路的電流有關系的，電流大則磁場強度大，然而輸電線路的電流是隨負荷的變化而變化的，即磁場是隨負荷變化的。與高壓線的安全距離是與電壓相關的，與電流大小無關，因此不能用磁場的大小來判斷吊車與高壓線的距離。物理尺寸：由于輸電線路的導線非常細，因此測量與高壓線的距離是很困難的，盡管目前有測量高壓線距地面高度的測高儀，但很難自動實時地測量與高壓線的距離。從以上三種特征看，決定從電場入手進一步研究。

2 設計思路

為貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針落在電力通信工程施工作業中人的安全、設備的安全、線路的安全，做到以人為本、主抓預防。電力、通信、油田、礦山、建設工程中經常使用到大型機械，高空作業車、高空作業平臺、起重機械、吊塔、吊車、栽樁機，消防車等設備，這些機械設備在電力高壓線、高壓變電站等環境中施工作業，危險度極高，極易造成觸電事故，稍有不慎就會造成機毀人亡。因為這些設備一般臂展較長（高），設備操作受注意力、判斷力、視力范圍、風力風向、設備運動的慣性等因素的影響，這些因素中只要有一點出現意外，極有可能造成設備與高壓電纜（設備）相碰，形成觸電事故。

本文設計一種防止大型機械設備在高壓電力作業時觸電事故發生的近電預警裝置，可以避免因野蠻施工和違章作業而造成的碰觸高壓帶電設備，發生惡性事故，是一種有效的預控手段，保證了操作者能夠在安全范圍內從事作業，維護了電網的安全穩定運行,同時通過“線路保護區機械施工智能防觸電安全預警定位在線監測系統”的工作平臺，規范了安全措施，提升了工作效率，創造了經濟價值和社會效益,事實上任何一次事故帶來的損失都是足以解決大批次預防設備的投入，安全就是質量，安全就是效率。

圖4 施工現場的實例圖

本文具體研究“線路保護區機械施工智能防觸電安全預警定位在線監測系統”，主要包括如下部分：1、線路保護區機械施工智能防觸電安全預警定位在線監測系統終端：包含高壓近電探測單元；無線2.4G發射單元及接收單元；高壓近電防觸碰預警單元；高壓近電防觸碰監控及GPS定位單元；預警語音裝置；探測單元供電單元及高壓近電防觸碰預警監控定位供電單元。2、監控中心管理平臺：包括線路保護區機械施工智能防觸電安全預警定位在線監測系統報警軟件、定位軟件、中心接警機及監控電腦。3、工作原理：將接收到的監測信號進行前端分析處理，取出50Hz工頻信號，經過數字濾波排除干擾信號，依據分析的信號強度，當達到預設值時發出無線報警信號傳給接收端，接收端在接收到該信號后報警，提示設備和人員已接近強電，應及早注意和規避危險，同時啟動高壓近電報警信號及GPS位置信息上傳至監控中心，監控中心值班人員通過管理平臺及時查看高壓近電預警位置及車輛編號、名稱，及時通知相關人員，系統同時會向輸電線路檢修人員發送告警信息及工程車輛編號等，收到險情信息后，立即趕往現場處理險情。該系統只對220V以上工頻50Hz-60Hz的電壓預警，設備電路通過數字濾波抗干擾，穩定可靠，特別注意：預警系統不對直流、高頻、靜電預警，它主要是針對室外工頻高壓架空導線預警。系統模塊簡圖如圖2所示。

系統分為高壓近電探測單元、無線2.4G發射單元及接收單元、高壓近電防觸碰預警單元、高壓近電防觸碰監控及GPS定位單元、預警語音裝置、探測單元供電單元及高壓近電防觸碰預警監控定位供電單元、監控中心管理平臺（包括高壓近電防觸碰智能預警定位軟件、中心接警機及監控電腦）。

本文所設計的“線路保護區機械施工智能防觸電安全預警定位在線監測系統”將接收到的監測信號進行前端分析處理，取出50Hz工頻信號，經過數字濾波排除干擾信號，依據分析的信號強度，當達到預設值時發出無線報警信號傳給接收端，接收端在接收到該信號后報警，提示設備和人員已接近強電，應及早注意和規避危險，同時啟動高壓近電報警信號及GPS位置信息上傳至監控中心，監控中心值班人員通過管理平臺及時查看高壓近電預警位置及車輛編號、名稱，及時通知相關人員，系統同時會向輸電線路檢修人員發送告警信息及工程車輛編號等，收到險情信息后，立即趕往現場處理險情。

3 技術條件

圖5 施工現場的實例圖

圖6 施工現場的實例圖

圖7 施工現場的實例圖

本系統技術關鍵主要是高壓近電感應探測技術、無線2.4G傳輸技術、高壓防觸碰預警處理技術、GPS定位傳輸技術、無線公網數據傳輸技術、電子低溫環境加熱技術、監控中心服務器軟件管理技術、系統防高磁高壓抗干擾技術等技術問題。

3.1 高壓近電感應探測技術：作為安全智能預警設備可減少或避免因作業車在作業時與高壓帶電導線非接觸放電而產生的事故，本系統對220V-500Kv交流工頻50Hz-60Hz的電壓預警，如何感應到電壓信號，電路如何抗干擾都是感應探測的關鍵技術。

3.2 無線2.4G傳輸技術：通過采用2.4G的通訊頻道，實現真正的數字無線通訊技術采，實現遠距離的數據通訊，采用數據包的型式通過通訊協議可對實際通訊信息的內容加密、驗證、糾錯、地址核對等功能，解決設備之間互聯互通的需求，做到速度更快、更穩定、抗干擾、及時傳輸。

3.3 高壓防觸碰預警數據處理技術：數據處理ASIC芯片具有自主知識產權，可靠快速功耗極低，此芯片的功耗在uA級，在此領域內可謂標新立異，ASIC芯片也體現了公司的研發實力，系統需要將高壓感應接收后進行數字編碼處理，并驅動語音警示，發出報警及位置信息等，這是系統的主機，是研發核心。

3.4 GPS定位傳輸技術：系統需要將車輛定位，需要將GPS技術融入到我司系統中，這也是系統的關鍵技術。

3.5 GSM/GPRS無線公網數據傳輸技術：GSM/GPRS無線公網數據傳輸技術是第三代移動通信技術的簡稱是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術，是一項全新的網絡技術，實現數據的遠程采集、傳輸、儲存和處理功能，具有傳輸距離遠、速度快、抗干擾能力強、無需鋪設電纜、投資成本低等優勢。數據傳輸原理如圖2所示，在移動3G信號覆蓋區域內，充分利用3G公共網絡通信平臺，實現中心對多點的語音、短信、數據傳輸，見圖3所示；

3.6 電子低溫環境加熱技術：本技術主要針對電子設備在低溫下開機所需加熱升溫，解決電子設備在低溫狀態下無法正常使用以及現有耐低溫部件成本高的技術問題。在主機及屏幕內所需加熱的所有器件和部件上放置薄膜加熱片，薄膜加熱片在主機及屏幕內呈多點、不同平面上分布，薄膜加熱片有兩只引腳，接直流或交流電源。薄膜加熱片的形狀與被加熱器件相匹配，薄膜加熱片通過耐高溫導熱膠固定在被加熱器件表面。實現了電子設備器部件在低溫條件下可正常工作，經檢測，設備一般可在-40℃-60℃工作。

3.7 監控中心服務器軟件管理技術：控制中心的設計相對于監測站的設計開發來講較為簡單，硬件設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網絡接入設備（若無線通信采用自行設計的模塊實現，則須開發專用的無線網卡插入微機主板的預留總線插槽中）。控制中心的設計開發主要集中在應用軟件的設計開發上，一般是基于Windows操作系統的。當前用于此類軟件開始、調試的工具較多，且功能強大，控制中心軟件的設計帶來便利。

4 系統功能及優勢

圖8 施工現場的實例圖

本系統應用面極廣各種作業車輛均可使用，包括吊車、升降平臺車、打井鉆探設備等都可以安裝使用，該產品作為安全智能預警設備可減少或避免因作業車在作業時與高壓帶電導線非接觸放電而產生的事故，設備電路通過數字濾波抗干擾，穩定可靠。特別注意：預警系統不對直流、高頻、靜電預警，它主要是針對室外工頻高壓架空導線預警。采用2.4G的通訊頻道速度更快更穩定，抗干擾，及時傳輸。安裝，使用方便可靠。實現真正的數字無線通訊。技術采用2.4G通訊頻率，可實現遠距離的數據通訊，采用數據包的型式通過通訊協議可對實際通訊信息的內容加密、驗證、糾錯、地址核對等功能，解決設備之間互聯互通的需求。

本系統發射端與接收端各有一個獨立地址，不重復，多套設備之間同時工作互不干擾。支持多個發送端可任意組合，解決多種不同的機械的需求。適應多種工況情況多等級電壓可調支持電壓10Kv、35Kv、110Kv、220Kv及以上電壓，能符合各種電力環境。具有自檢功能，可自檢自身狀態。可根據需要增加無源開關點、485接口（支持MODBUS通訊協議），支持CAN總線等功能，可與其它設備互聯互通。數據采集處理ASIC芯片具有自主知識產權，可靠快速功耗極低，此芯片的功耗在uA級，在此領域內可謂標新立異，ASIC芯片也體現了公司的研發實力。其功耗很低，適合各種設備使用。支持外置電源接口（12V-24V）。安裝簡單。無需專業人員。

5 工程實施圖例

圖4-圖8為本系統應用在施工現場的實例圖，該系統能夠精確的實現預警功能。

6 總結

本文通過對電場感應無線近電報警裝置進行了理論分析、方案制定，對產品的研制提供了理論基礎依據，將理論轉化成設備，并應用到了生產中，該項技術為高壓帶電設備下施工的必備安全裝置奠定了堅實的技術基礎，并提供了相應的設計制造依據。所設計的系統具有體積小，抗干擾能力強，報警可靠，誤報率低，采用無線通訊報警方式，裝置底部有磁鋼吸附于吊臂， 安裝方便，拆卸容易，能實現在操作室就能知道吊臂與高壓線的距離情況，根據現場的實際情況，可以同時安裝多套電場感應無線近電報警裝置，實現對多個方向的高壓線進行距離預警。通過理論研究與實際應用結合，能夠較好的實現輸電線路防外破工作。

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