高電壓現場施工機械防近電報警系統開發

摘 要：據國網公司系統歷年事故不完全統計受到周邊施工等外力破壞的事故率就高達45%，其中大型施工機械發生的線路跳閘事故率又占外力破壞的50%以上。每年各地區都不同程度存在因吊車碰線造成的駕駛員或裝卸人員傷亡事件，另外因線路跳閘造成的大面積停電，也會對人們生活和社會活動乃至國民經濟都帶來損失和影響。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。

關鍵詞：施工機械；近電報警系統；理論；實踐

中圖分類號：TM81 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0171-04

1 目的和意義

大型機械常被廣泛應用到電力、通信、油田、礦山等工程中，起重機械、吊塔、高空作業車等這些設備在高壓變電站等環境下施工作業時，其危險系數較高，觸電事故頻發，甚者將會機毀人亡。究其原因，主要是因為這些設備一般臂展較長（高），需要操作人員同時集中注意力、有正確的判斷力、寬闊的視野、具備風力風向和設備運動慣性等常識，一旦其中任何一點出現紕漏，就極可能促使觸電事故的發生。

高空施工機械引起跳閘事故的原因，主要有以下幾點：（1）操作人員粗心大意；（2）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，均未設置相關提示。另外，由于多數施工人員不懂高壓，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。

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。

本項目研制的高電壓現場施工機械防近電報警系統由四部分組成，近電檢測裝置，近電接收裝置，遠程近電監控主站系統和手機APP監控軟件。高壓近電接收裝置安裝在設備操作員操作室內，在接收到無線報警信號后進行現場聲光報警，提醒相關工作人員盡早規避風險，同時將實時監測信號通過遠程無線通信傳輸到遠程近電監控主站系統，遠程近電監控主站系統安裝在項目單位/供電公司監測中心，實時監測現場作業機械的位置，并分析其安全狀況，實時報警并遠程調控，手機app可裝在負責任人和安全人手機上，當工作人員外出時，亦可實時掌握作業現場安全情況并實時調度。

2 國內外研究水平綜述

當下，防碰撞高壓線設施的裝置很少，一般都是在施工前就已經制定好詳盡的施工方案，如圖1所示，設置竹排保護屏障和限制塔機的回轉方向，塔機轉動方向受限，只有一個方向，很顯然，該方法耗時耗力，相對于大多數的吊車施工作業并不適用。

目前國內外對于防止碰觸高壓線的裝置主要有兩類，一類是通過安裝各種傳感器獲得吊車本身的位置和狀態，另一類通過感應高壓線周圍產生的電場強度來判斷是否危險。

塔式起重機安全防護系統ACS60L是全新智能化塔式起重機（簡稱塔機或塔吊）安全防護系統。能夠全方位保證塔機的安全運行，對于碰撞可能及非法入侵提供實時預警，并進行制動控制，是現代建筑重型機械的一種安全防護網絡群控設備，是集精密測量、人工智能、自動控制等多種高技術于一體的電子系統產品。塔式起重機安全防護系統由帶動態顯示的主機（內置制動控制）、角度傳感器、幅度傳感器、風速傳感器、力矩傳感器、無線通信模塊等組成。

該裝置雖具備眾多優點，可實時得知吊車的位置和狀態，但成本投入較高，安裝程序復雜，且禁行區的劃定與高壓線的距離仍是盲目的，所以塔式起重機安全防護系統ACS60L并不適用于多數吊車。

研究結果表明，盡管人體周圍電場的變化復雜多變，但還是有一定規律和章法可循：隨著人體與帶電體間距離減小時，電場強度在不斷地增加，并且越接近人體表面電場強度的變化越明顯，即人體表面場強隨著人與帶電體間距離的減小而增加。由于傳感器接近人體表面，因此傳感器導電層之間的場強E也隨人與帶電體間距離的減小而增加。根據前面的分析，我們可以得到感應電壓與電場強度關系為ui=δE。由此可以知道感應電壓ui與電場強度E是成正比的，所以ui也將隨著距離d的減小而增加。因此只要將ui選定在適當的臨界報警值，報警器便會在所需要的距離范圍內報警。

為了保護相關施工人員的安全，手表式近電報警器是佩戴在其手上的，不符合現實施工情況，在施工作業時，環境比較喧鬧，操作人員無法真切聽到報警，因此該報警器不適用吊車碰撞高壓線的報警。

上述報警裝置都存在些許弊端，在操作室很難清楚得知吊臂與高壓線的距離情況，為降低設備損毀和人員傷亡事故的數量，該裝置利用其優越的聲光功能傳遞信息，向相關工作人員發送實時距離情況，一旦施工場施工吊車的吊臂等靠近架空輸電線時，該報警裝置則會發出聲光報警信號，提醒相關工作人員留意，避免事故的發生。該類報警裝置具備很多優點，例如易拆卸、好安裝、報警準確等，無需添加其他設備和設施，對施工操作毫無影響，能夠在最大程度上避免事故發生。特別是當操作人員出現疲勞操作時，或現場施工人員因施工過程過長而出現麻痹時，它是操作人員的安全保護神。

3 項目的理論和實踐依據

3.1 項目研究內容的原理簡述

該項目通過對交流輸電線路的電場計算以及計算機仿真演練，理論性的計算了球形電場感應傳感器的感應電流，另外還在實驗室對近電報警系統的工作性能進行了測驗，且校正了近電接收裝置和檢測裝置。近電檢測裝置將金屬表面的感應電荷轉化為電流信號，經過50Hz的選頻濾波、信號放大，單片機進行采樣，將測量的結果轉化為距離信息，通過無線通訊模把報警信息發送至近電接收裝置，近電接收裝置根據接收到的指令信息做出現場聲光報警，同時近電接收裝置和近電監控主站系統、手機APP監控軟件采用公網4G無線通訊方式傳遞信息，整個系統向現場操作人員、單位內監護人員、外出工作人員持續地傳送實時監測信息，遇到安全隱患實時發出聲光報警信號，從而提醒工作人員和管理人員的注意，以免發生被高壓線電擊的事故。該系統具有報警可靠、安裝簡單、拆卸容易等優點，不需要附加其他附屬設施，不影響施工操作，能夠在最大程度上避免事故發生。

3.2 項目研究內容的理論和實踐依據

3.2.1 采用電場強度的大小判斷施工機械與高壓線的距離的理論依據

通過ANSYS電場仿真軟件分別對110kV單回和雙回輸電線路，以及220kV分裂導線的空間電場強度進行仿真計算，找出距離與電場強度的關系。可得出如下規律：

（1）電場強度大小與架空線路相對于大地的電壓成正比，電場的影響范圍和峰值隨著電壓等級的提高而增加；（2）距離110kV高壓線4m的電場場強和距離220kV高壓線6m的電場場強是很接近的，用這一個電場強度可以作為任意電壓等級下的報警閾值；（3）三相交流架空線路的排列方式不同，周圍的電場強度也不同。水平排列時對周圍環境的影響最大；正三角排列次之；倒三角最小；（4）離架空線路的遠近和電場大小成正比，越近，電場就越大；（5）在同一個海平面，距導線邊相投影距離相同的時候，電場強度最大的點基本上是與架空線路的最大弧垂處距離最近的點。

由上得知，電場強度的大小是與高壓線距離息息相關的，可根據架空輸電線路工頻電場隨距離遞減的規律來獲得該位置與高壓線的距離，使施工機械與高壓線距離報警成為可能。

3.2.2 通過球形電場傳感器進行距離報警的理論依據

本項目所采用電場感應傳感器，實際是一個電容探頭的金屬球面，結構如圖2所示。球形電場傳感器由空心球體和測量電容Cm組成。球形電場傳感器的感應區是將球體表面分成兩瓣，并涂有金屬層，兩個金屬感應層彼此絕緣，在球內通過Cm連接起來。圖3給出了球形電場傳感器位于由點電荷Q（t）產生的非均勻電場時的情況，設球形電場傳感器所在的空間點為M，球形電場傳感器放入電場前M點的電場強度為Em。當把球形電場傳感器放入電場中M點后，在電場力作用下會在兩個金屬半球表面上感應出微量電荷，這些表面微量電荷在測量電容Cm上將產生一個微小的電壓。通過測量這個微小的感應電壓就可以得到電場強度Em。

3.2.3 近電報警系統的實踐依據

本項目對交流輸電線路進行了電場計算和計算機仿真，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系統的工作性能進行了測試，利用標準電場對裝置進行了校正。近電檢測裝置是基于金屬在電場中產生表面感應電荷的原理進行設計的，將金屬表面的感應電荷轉化為電流信號，經過50Hz的選頻濾波、信號放大，單片機進行采樣，將測量的結果轉化為距離信息，憑借成熟的短距離無線通訊技術發送至近電接收裝置，裝置根據接收到的指令信息做出聲光報警，提醒操作人員注意，同時通過成熟的公網通訊技術將現場檢測信息傳輸到遠程監控主站和手機app上，方便管理人員實時掌握現場情況，從而避免觸電事故的發生，防患于未然。

4 項目研究的關鍵和難點

4.1 高壓電場計算分析與實驗測試

高壓電場是該項目的重中之重，其中較復雜的問題就是三相交流輸電的空間電場分布，它隨著時間、空間位置、氣象條件特別是濕度的變化而變化。該項目的關注點安全距離報警，因此需要關注最大電場這一關鍵點，只要確定任意一點的位置就可以確定其最大電場且不會隨著時間的變化而變化。研究高壓電場的時空變化，是本項目的客觀基礎，是為了明確安全距離預警的本質依據，高壓電場計算分析主要以35kV、110kV、220kV的導線和分裂導線分別在空間不同位置的最大合成電場為對象進行研究。

4.2 近電檢測裝置設計、研制與實驗測試

研究高壓電場感應裝置的結構、形狀、尺寸大小等與電場感應量大小的關系，研制參數大小合適的感應裝置并進行實驗，測試其電場感應性能與參數是否符合實際要求。

4.3 數據處理與閾值整定技術

高壓電場感應數據與安全距離關系的研究，進行必要的處理，與各種報警閾值的設定進行比較，建立對應的報警關系。

4.4 整套系統的研制、實驗、優化、改進

研究整套系統結構、器件選擇、硬件、軟件以及數據傳送的設計和器件集成制作，精心實驗調試、優化、改進。整套系統將包括高壓電場感應、無線通訊、接收裝置、聲光報警、遠程監控主站系統等功能模塊。在建立一對一通訊單元系統基礎上，將研究設計多單元復合系統，即多測量單元多接收單元復合系統，以便實際使用可靈活選擇。

5 項目研究內容和實施方案

5.1 高壓電場的計算分析及實驗測試

該項目的客觀基礎就是對高壓電場時空變化的研究，為安全距離預警提供本質依據，高壓電場計算的研究對象分別是35kV、110kV、220kV的導線和分裂導線，以及他們在不同空間位置的最大合成電場是多少？

擬采用ANSYS電場仿真軟件分別對110kV單回和雙回輸電線路，以及220kV分裂導線的空間電場強度進行仿真計算，找出距離與電場強度的關系。

5.2 高壓電場感應裝置設計、研制與實驗測試

研究高壓電場感應裝置的結構、形狀、尺寸大小等與電場感應量大小的關系，研制參數大小合適的感應裝置并進行實驗，測試其電場感應性能與參數是否符合實際要求。

對球形感應電極的原理進行了理論論證，得出采用電場感應方法來獲得高電壓安全距離的可行性。通過對球形感應電極的原理進行理論計算，證明通過球形電場傳感器進行距離報警的可行性。球形電場傳感器由感應電極ANT、高輸入阻抗放大器AMP及其外圍器件組成。

5.3 數據處理與閾值整定技術

研究高壓電場感應數據與安全距離的關系，進行必要的處理，與各種報警閾值的設定進行比較，建立對應的報警關系。

5.4 無線數據通訊技術

無線數據通訊技術的研究內容主要是無線通訊系統結構、硬件、軟件以及數據傳送規約的設計和器件集成制作。

采用2.4G短距離無線通信技術和公網4G通信技術完成系統各部件之間的通訊。

5.5 近電檢測裝置和近電接收裝置研制、實驗、優化、改進

研究裝置結構、器件選擇、硬件、軟件以及數據傳送的設計和器件集成制作，精心實驗調試、優化、改進。在建立一對一通訊單元系統基礎上，將研究設計多單元復合系統，即多檢測單元多接收單元復合系統，以便實際使用可靈活選擇。

近電檢測裝置和近電報警裝置的硬件設計基于ARM平臺，軟件主要有初始化模塊、ADC數據采集模塊、計算比較模塊、代碼識別模塊、UART發送和接收模塊和聲光報警模塊、遠程通訊等模塊組成。

5.6 近電遠程監控主站系統

開發基于C/S、B/S架構和GIS地理信息系統的遠程監控主站系統，具有實時監測、實時報警、遠程實時調度的全方位監控功能。擬基于.NET體系開發平臺。

5.7 手機APP監控軟件的開發

利用移動互聯網APP技術，開發手機APP監控軟件，外出人員亦可通過手機實時掌握現場作業情況，并可通過手機實時調度。

6 預期目標和成果形式

（1）研制高電壓現場施工機械防近電報警系統1套（近電檢測裝置一套，近電接收裝置一套，遠程近電監控主站系統一套和手機APP監控軟件一套）。（2）編制高電壓現場施工機械必備安全裝置技術導則1套。（3）中文期刊發表論文1-2篇，申請專利1項。

7 合作單位或依托工程單位落實情況

本項目擬于北京國電恒瑞科技有限公司合作，該公司與中國科學院、華北電力大學等科研院校有深度合作，在電網智能監控、安全防護方面有深厚的技術積累和試驗條件，同時該公司研究團隊有多年面向智能電網應用的電場傳感器研究經驗，研制的傳感器體積小，空間分辨率高，功耗低，穩定性好，可靠性高，可同時測量靜電場和交變電場，可用于單點電場探測或區域多點無線組網電場探測。

8 項目承擔單位的條件

8.1 項目負責人

祁效智。

8.2 項目主要研究人員

郝祉、吳正強、閆小飛、祁建勛、楊俊峰、周新明、丁宏偉、常鈺、萬歡。

8.3 實驗條件

項目單位具有良好的研發環境和研發設備設施，研發團隊實力雄厚，涵蓋了高電壓技術、電力電子、通信等多種專業。其中不乏多年連續從事本項技術的資深工程師，業內專家人士，也有畢業不久但專業知識功底深厚又富有干勁的業務骨干，他們不僅鉆研能力強、技術經驗豐富且具有較強的需求分析能力、和技術實施能力。一線的運行管理人員可對裝置設計、功能規劃、系統計算、數據分析、管理需求等方面提供了研發支持。

9 項目的進度安排

編寫要求：（表1）。

（1）列出分年度計劃研究內容和人員、設備安排；

（2）分年度提供成果的內容和形式，要具有可檢查性。

10 項目經費預算

表2。

11 有關證明文件

12 對指南內容的響應情況

13 項目經費預算編制依據及額度偏差說明

附件1，附件2。