雙重保險的近電預警裝置研究

魏家鳴 盧奕巒 曹宇超 周訊杰 蔡 暢 苗盈涵 徐懂理

（南京工程學院電力工程學院，江蘇南京211167）

1 課題研究意義

隨著電力行業的發展，高壓線路已經非常普遍，經過高壓輸電，在同等功率的情況下，電壓等級越高所流過的電流就越小，因此高壓輸電線路能使輸電時的電流減小，降低電流產生的熱損耗以及長距離輸電所使用的材料成本。雖然高壓線路輸電更為經濟高效，但是其本身還是存在著一些不可忽視的安全性問題。首先是自然災害的影響，這是不可抗因素，我們不能準確地作出預判并解決；其次是人為因素，有可能會出現一些作業車觸碰高壓線從而導致觸電跳閘、人員傷亡的事故。

除了加強對作業人員的培訓、設置安全提示標牌之外，為了在源頭上遏制這種事件的發生，需要研制出一種有效并且準確率較高的裝置，當作業車輛靠近高壓線路時，裝設于車輛最高點的裝置將會處理其采集的信號。因為輸電電壓等級不同，輸電線路周圍的場強大小會有很大區別，所以在裝設裝置前，要根據吊車工作的區域的電壓等級，對閾值進行預設。當吊車工作時，這個裝置會根據距離的不同進行場強的測量，當場強達到預設的一個值時，其內部的預警裝置會被觸發，單片機會進行信號的放大，并通過無線傳輸將信號傳輸至吊車的駕駛室內，同時依靠蜂鳴器發出報警聲，提醒吊車司機注意安全距離，以防發生吊車碰線的事故。

據調查了解，目前市面上有此類裝置售賣，但裝置功能過于單一。為了改善近電預警裝置的功能，使其更加精確、使用范圍更廣，能覆蓋各種類型的預警情況，減少吊車碰線事故的發生，本裝置采用傳統的場強測量裝置，并具備對吊臂與輸電線路間測距的功能，可通過無線傳輸遠距離信號，使預警更加精確及時。其具體原理如圖1所示。

圖1 近電預警裝置原理圖

2 場強測量模塊

2.1 高壓輸電導線周圍電場

高壓輸電導線作為帶電導體，周圍存在準靜態電場，它是只由電荷產生的。這個電場將隨著輸電線內部電流的變化而呈現50 Hz變化。隨著電壓等級的升高，其工頻電場強度也會變大。根據麥克斯韋理論，輸電導線周圍的電場應該有三個正比于1/r3、1/r2、1/r（r為監測點距場源的距離）的分量[1]。

利用等效電荷法分析單相或多相高壓輸電線路下工頻電場強度：計算出單位長度導線上的等效電荷后，則空間內任一點的電場強度均可根據疊加原理求得。

如圖2中P點電場強度可以表示為：

式中，xi，yi為導線坐標；m為導線數；Li，Li′分別為所計算點到導線的距離以及所計算點的鏡像到導線的距離；ε表示電容率[2]。

圖2 空間電場強度求解示意圖

2.2 工頻電場檢測（傳感器模塊的工作原理）

傳感器單元的核心部件是感應電極，靠近高壓輸電線路時，在強電場的作用下，由于靜電感應原理，傳感器上會產生感應電勢。靜電感應是一個帶電物體與不帶電的導體由于電荷間的相互作用，在相互靠近時，異種電荷被吸引到帶電體附近，而同種電荷被排斥到遠離帶電體的導體另一端，在外電場的作用下導體中電荷在導體中重新分布的現象。靜電感應只與線路設備的電壓有關，與線路設備的負載電流無關，無論是空載還是充電線路，都能取得相應的感應能量（信號），可靠性高。

如圖3所示，有帶負電的導體A和金屬導體B。金屬導體B緩慢接近導體A，在靜電感應作用下，電荷在導體內部重新分布。在金屬導體B內部，正電荷由于電場力的作用向帶電體A側聚集，負電荷則反向移動。當導體內部電勢處處相等、電場強度處處為零時達到靜電平衡，這種通過靜電感應從而讓金屬從不帶電到帶電的轉換，就叫感應起電。

圖3 靜電感應原理圖

對于近電報警裝置來說，高壓輸電線相當于圖3中的帶電體A，傳感器的感應電極則充當了圖中的導體B。在線路中流過電流時，導體表面會產生感應電荷，感應電荷會引起傳感器感應電極上的電荷分布，只需將這部分感應電荷信號轉化為電流信號，再經過濾波放大，就能得到報警器所需的報警信號。

因為高壓直流電流和高壓交流電流在輸電導體上引起的電荷分布不同，需對交直流電做不同的分析。對于高壓直流輸電線路，導體表面的電荷為固定極性。而對于高壓交流輸電線路，導線極性隨電流以工頻正負變化，從而傳感器的感應電極上也感應出以工頻交變的感應電荷信號。

此外，近電預警裝置與待測導線的距離和電壓等級也會對預警信號產生影響。相較于低等級的線路，高電壓等級的線路將流過更大的電流，從而在導線表面感應出更多的感應電荷，產生更強的電場，引起的感應電荷信號也將加強。對于同等級的輸電線路，距離越遠靜電感應的效果越不明顯，感應電荷信號也越弱。

考慮到輸電線的交直流類型、輸電線電壓等級、傳感器與輸電線之間的距離等因素對傳感器感應電荷信號的影響，需要通過仿真實驗，模擬不同情況下觸發近電報警的工作狀態，以計算在不同情況下的報警信號閾值。在現場使用時，需根據實際工作狀態選擇不同檔位。

3 超聲波測距模塊

超聲波傳感器是實現聲電轉換的裝置，又稱“超聲波探頭”或者“超聲換能器”。這種裝置能發射超聲波并接收超聲波回波，將其轉換為電信號。目前常見的超聲波發射和接收器件標稱頻率一般為40 kHz，如果頻率取值過低，則外界雜音干擾較多；如果頻率取值過高，則超聲波在傳播過程中衰減較大[3]。

聲波在其傳播介質中被定義為縱波，當聲波在其傳播路徑上遇到大于自身波長的障礙物時，會產生回波。超聲波測距是通過接收障礙物所反射的回波，利用超聲波在同種介質中傳播速度不變的性質，在當地聲速v已知的條件下，并由單片機實時計算出超聲波傳播所用時間T，從而得到目標物體與傳感器之間的距離

測距系統在測距開始后發出一連串的脈沖信號，計數器開始計數，檢測到回波信號后，單片機關停計數器，根據計數脈沖的重復周期t，得到超聲波傳播所用時間T=n×t，n為脈沖計數器計數值。這樣，可以將對目標距離D的測定轉換為測定脈沖數n，從而將連續的時間量轉換為離散的脈沖數。

目標距離D與脈沖數n的關系式如下：

式中，f為計數器脈沖頻率。

由上式可知，計數器脈沖頻率f越高，則測距精度越高。

考慮到超聲波的傳播速度與溫度有關，對于理想的氣體介質，v=其中γ為氣體的絕熱體積系數（空氣為1.4），R為摩爾氣體常數，m為1 mol空氣質量，均為已知常數，因此超聲波波速v僅與絕對溫度T有關。以空氣中的聲速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s為基準，溫度每升高1℃，聲速就增加約0.607 m/s。

而測速裝置在某一地區使用時，因溫度變化并不是很大，可認為聲速是基本不變的。

4 信號傳輸模塊

近電預警裝置工作后，一旦作業車輛與高壓輸電線路的距離小于所規定的安全距離，傳感器采集到的電場信號經過放大濾波、A/D轉換以后就會通過單片機編譯比較并發送給駕駛室內的報警裝置。

整個近電預警裝置由兩個單片機控制，一個在車輛外部的裝置內，另一個在車輛內部的裝置內，而無線收發模塊負責兩個裝置之間的信號傳輸。信號采集模塊對采集信號進行處理并判斷是否需要報警，并將結果通過裝有蜂鳴器的無線模塊發送給報警裝置，當測量得出的場強大小超過所設定的值時，操作中的報警裝置確認信號并打開語音報警，揚聲器發出語音提示。我們采用的是WT588D語音芯片，這種芯片可以重復錄制語音，其內部配有的儲存器足夠支持系統的使用[5]。

工程車輛吊臂車的吊臂展開時最長可達百米，這就要求兩模塊必須以無線的方式進行信號傳輸，并且無線傳輸的距離應該達到200 m以上。信號采集模塊完成強電信號的檢測處理及報警信號的無線傳送功能，報警模塊需要接收信號采集模塊發送出的無線信號。在有障礙物干擾的情況下，兩個模塊之間無線通信的有效距離也應保持在100 m左右，比較后最終選擇NRF905無線收發模塊實現兩模塊的無線通信[6-7]。

NRF905直線可視通信距離200～300 m，它是32腳封裝，供電電壓為1.9～3.6 V。非常適用于低功耗、低成本的系統設計。我們裝設在工程車吊臂上的部分采用電池供電，由于有一定的更換難度，所以NRF905的低功耗剛好可以滿足設計要求[8]。

5 聲光報警電路模塊

裝置內應同時存在兩個聲光報警電路，原理圖如圖4所示。一個與測場強模塊相連，一個與超聲波測距模塊相連，兩個部分是分開的，但只要其中有一個報警裝置作用就可以認為達到臨界安全距離了。聲光報警電路中同時存在LED燈和蜂鳴器兩種裝置，只要條件滿足燈和蜂鳴器同時作用。無線傳輸模塊暫時先考慮只對光信號進行傳輸，初步想法是達到臨界場強時觸發聲光報警電路可對光信號進行傳遞，并能在終端觀察到燈閃爍的現象。

6 無線傳輸光信號模塊

如圖5所示，傳輸信號被加到交流電的正弦波，并通過電力線傳輸到LED設備。在進入LED之前將AC載波分為兩部分，一個整流為直流，用于照明，另一部分用于調制。最后通過帶通濾波器控制LED的發光強度。調制后的光載波信號通過光電二極管轉換為電信號，然后由解調器解碼并發送到終端。

圖4 聲光報警電路示意圖

圖5 無線傳輸光信號模塊原理

7 超聲波測距模塊與聲光報警電路模塊之間的連接

7.1 硬件部分

在推挽模式下，將載波40 kHz的10個脈沖群加到變壓器的原方上，并通過升壓變換用超聲換能器發射。超聲波接收器傳感器將接收到的超聲波發送到放大器進行放大。這是一個高增益、低噪聲放大器。在檢測到放大信號之后，檢測回波被發送到比較器的正輸入端。換能器對聲脈沖的直接接收能力將決定最小可測量距離[9]。發射端、接收端原理框圖如圖6所示。

圖6 發射端、接收端原理框圖

7.2 軟件部分

AT89C2051及其開發應用系統具有表達能力強、可移植性強、語言簡單、表達靈活、代碼質量高、結構化設計簡單、使用方便等優點。超聲波測距儀是基于AT89C51單片機設計開發的[10]。

8 結語

在施工過程中由于各種復雜因素的影響，往往單一標準會對施工安全造成不利影響。本文通過對輸電線路電場強度及電場特性的分析，結合分析結果提出了近電距離計算模型，并對智能近電報警裝置的檢測原理及方法進行了闡述，在此基礎上研制了一種新型的雙重保險的近電預警裝置，采用兩個標準對近電進行衡量，提高了安全性與穩定性，可以防止塔吊司機誤操作，避免觸電傷亡事故發生，保證人身安全，產生良好的經濟效益。