面向多組態(tài)線路的非接觸式防外破裝置研究

謝修成，花國(guó)祥，2，李 鵬，2

（1.南京信息工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211800；2.無(wú)錫學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，無(wú)錫 214105）

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，被譽(yù)為電力傳輸?shù)臉蛄海陌踩\(yùn)行是電網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)展的堅(jiān)實(shí)保障[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸電線路附近的施工吊車(chē)越來(lái)越多，常發(fā)生吊車(chē)吊臂觸碰線路導(dǎo)致的相地間短路、斷線、跳閘等事故，甚至造成人員的傷亡，因此保證輸電線路的安全更加重要。現(xiàn)有的紅外感應(yīng)探測(cè)器[2]、雷達(dá)探測(cè)器[3]等設(shè)備具有良好的識(shí)別率，但紅外設(shè)備在使用過(guò)程中易受光源以及射頻的干擾，輸電線路環(huán)境具有大量電磁波，也會(huì)對(duì)雷達(dá)設(shè)備產(chǎn)生干擾且雷達(dá)設(shè)備價(jià)格昂貴，因此現(xiàn)有方式存在一定的安全隱患，在復(fù)雜的多組態(tài)環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)條件受限產(chǎn)生排查困難的情況。

為解決這些問(wèn)題，希望提供一種適配現(xiàn)場(chǎng)需求的經(jīng)濟(jì)、可靠、便捷的檢測(cè)方法，減少事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種適配低壓電纜的非接觸式測(cè)量方案，基于電容耦合效應(yīng)，測(cè)量線纜的表面電壓獲取電壓有效值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜錯(cuò)接和損傷的非接觸檢測(cè)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]提出了非接觸式電力電壓頻率信息和波形信息電力電壓測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用于高壓的測(cè)量環(huán)境時(shí)，測(cè)量精度低，有待于進(jìn)一步的優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于家用電壓領(lǐng)域的非接觸式電壓測(cè)量裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，不適用于高壓測(cè)量環(huán)境。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，文章針對(duì)多組態(tài)輸電線路外力破壞的非接觸式方法進(jìn)行研究，并結(jié)合暫態(tài)過(guò)電壓測(cè)量和非接觸式電壓測(cè)量方法[8-9]，提出了一種用于多組態(tài)輸電線路的非接觸式防外破裝置并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，通過(guò)Ansoft Maxwell 軟件仿真建模計(jì)算分析多組態(tài)輸電線路的電場(chǎng)分布形式，完成了線路單相和三相的穩(wěn)定性和線性度試驗(yàn)及分析，結(jié)果表明該裝置可應(yīng)用于多組態(tài)環(huán)境下的防外破監(jiān)測(cè)工作中，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)進(jìn)行預(yù)警的功能，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)適配現(xiàn)場(chǎng)需求的智能、可靠、便捷的方法提供研究方向。

1 非接觸式電壓測(cè)量原理

1.1 電場(chǎng)分布規(guī)律

輸電線路附近的電場(chǎng)強(qiáng)度和距離之間呈現(xiàn)二次反比例關(guān)系，輸電線路附近的電場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)線電壓存在如下關(guān)系：

式中：a 是導(dǎo)線半徑；r 是距離；er是源點(diǎn)指向場(chǎng)點(diǎn)的單位向量；v0（t）導(dǎo)體電位。

為驗(yàn)證電場(chǎng)的分布規(guī)律，搭建10 kV 輸電線路三相水平排列模型[10-12]，輸電線路計(jì)算模型為無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，導(dǎo)線采用橫截面為120 mm2的鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線之間的相間距為0.7 m，距離地面為6.5 m，三相導(dǎo)線施加的電壓激勵(lì)源如下：

對(duì)輸電線路排列模型計(jì)算分析，選取輸電線路水平高度的A 相導(dǎo)線所在位置作為測(cè)試的起點(diǎn)并向外側(cè)移動(dòng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化曲線如圖1所示。

圖1 輸電線路電場(chǎng)隨距離變化曲線圖Fig.1 Transmission line electric field variation curve with distance

由圖1 可知，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的變化而變化，二者之間存在著一種反比例的關(guān)系，該曲線顯示輸電線路水平方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增大在快速下降。在距離輸電線路水平高度A 相導(dǎo)線外側(cè)5 cm 處的電場(chǎng)強(qiáng)度衰減至15073 V/m，在距離輸電線路水平方向0.7 m 時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度衰減至498 V/m。可以通過(guò)檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，并根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和距離之間的關(guān)系為防外破工作提供預(yù)警。

1.2 電壓測(cè)量原理

文中設(shè)計(jì)的非接觸式吊車(chē)防外破裝置利用輸電線路的高壓端和非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測(cè)量面積之間的電容作為高壓電容，利用非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測(cè)量面積和接地外殼之間的電容作為低壓電容[13]。使用時(shí)，將防外破裝置固定于吊車(chē)吊臂前端，非接觸式吊車(chē)防外破裝置的測(cè)量原理和等效電路如圖2 所示。

圖2 等效模型圖及等效電路圖Fig.2 Equivalent model diagram and equivalent circuit diagram

其中U 是輸電線路相對(duì)于大地的電位，Zcable是輸電線路的等效電路，C1是輸電線路的高壓端和非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測(cè)量面積之間的耦合電容，C2是非接觸式傳感器感應(yīng)裝置的有效測(cè)量面積和接地外殼之間的寄生電容。根據(jù)等效電路圖可得，非接觸式防外破裝置的系統(tǒng)傳遞函數(shù)H 為

當(dāng)jω（C1+C2）Zcable?1 時(shí)，系統(tǒng)工作在頻率較低或者電容較小的場(chǎng)合，稱(chēng)之為積分工作狀態(tài)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

假設(shè)電纜線的中心導(dǎo)體為無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，其相對(duì)于大地電位為φ，相對(duì)介電常數(shù)為εr，測(cè)量端采用銅片作為感應(yīng)電極，銅片面積為S，中心導(dǎo)體軸線距離外殼的距離為k，中心導(dǎo)體半徑為k1，如圖3 所示。

圖3 測(cè)量原理圖Fig.3 Measurement schematic

由泊松方程和第一類(lèi)邊界條件可得：

式中：ε0是真空介電常數(shù)；F（r）是測(cè)量端的銅片到中心導(dǎo)體的距離向量；E（r，t）是中心導(dǎo)體電位在裝置測(cè)量端的銅片所在位置產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度。在此電場(chǎng)作用下，裝置測(cè)量端的銅片電極表面會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷Q。由高斯定理可知，在此面積微元上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量為

隨著中心導(dǎo)體電位在裝置金屬薄片所在位置產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化，面積微元上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷數(shù)量也隨之發(fā)生變化。所以感應(yīng)電荷在與測(cè)量裝置的輸出電纜連接的采樣電阻Zcable上產(chǎn)生的電壓為

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于電容C1和C2很小，此時(shí)條件jω（C1+C2）Zcable?1 仍然滿(mǎn)足[14]。

2 抗干擾能力分析

多組態(tài)輸電線路周?chē)妶?chǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在發(fā)生誤報(bào)警的情況，利用Ansoft 建立同塔雙回模型和線路故障模型，仿真計(jì)算多組態(tài)環(huán)境下的電場(chǎng)分布規(guī)律，研究該設(shè)計(jì)方案的可行性和適應(yīng)性。

2.1 同塔雙回模型分析

利用Ansoft Maxwell 軟件建立10 kV 和35 kV輸電線路同塔架設(shè)仿真模型，并采用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算分析，輸電線周?chē)碾妶?chǎng)分布矢量云圖如圖4 所示，10 kV 和35 kV 輸電線路均帶電和10 kV不帶電、35 kV 帶電時(shí)2 種狀態(tài)下電場(chǎng)強(qiáng)度和距離之間的變化曲線如圖5 所示。

圖4 矢量云圖Fig.4 Vector cloud image

圖5 電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化曲線Fig.5 Variation curve of electric field strength with distance

由圖分析，均帶電時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于10 kV不帶電且35 kV 帶電時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，在安全距離位置時(shí)，2 種情況下的電場(chǎng)強(qiáng)度大小分別為436.3 V/m和313.6 V/m，且隨著距離的增大場(chǎng)強(qiáng)也在不斷變小，當(dāng)距離遠(yuǎn)到1.5 m 左右時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化呈平穩(wěn)趨勢(shì)。因此在同塔架設(shè)時(shí)，線路的電場(chǎng)強(qiáng)度變化呈現(xiàn)反比例的規(guī)律性波動(dòng)，對(duì)采樣的效果無(wú)影響，裝置在使用過(guò)程中設(shè)置好安全距離的閾值，便不會(huì)發(fā)生誤報(bào)警的情形。

2.2 線路故障環(huán)境分析

輸電線路發(fā)生故障時(shí)，線路周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化，假設(shè)輸電線路發(fā)生A 相故障和AB 兩相同時(shí)發(fā)生故障，利用Ansoft Maxwell 仿真計(jì)算，10 kV輸電線路水平高度的故障側(cè)和非故障側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離之間的變化曲線如圖6 所示，可以看出線路故障時(shí)，無(wú)論是故障側(cè)還是非故障側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值均大幅下降，但是總體趨勢(shì)仍然是呈現(xiàn)二次反比例的函數(shù)關(guān)系。

圖6 故障時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化曲線Fig.6 Variation curve of electric field strength with distance at fault

由圖可知，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，線路附近的場(chǎng)強(qiáng)分布已經(jīng)發(fā)生了較大的改變，在距離輸電線0.7 m處依舊有電場(chǎng)，此時(shí)故障側(cè)和非故障側(cè)所測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度小于輸電線路正常時(shí)所測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度，故障側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度小于非故障側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度。由仿真計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出在0.7 m 的安全距離時(shí)，輸電線路A 相發(fā)生故障時(shí)兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)分別為142.9 V/m 和639.6 V/m，輸電線路AB 兩相發(fā)生故障時(shí)兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)分別為80.4 V/m 和579.6 V/m，因此在進(jìn)行防外破預(yù)警工作時(shí)，正確的設(shè)置裝置的閾值范圍，可以避免誤報(bào)警的情況發(fā)生。

3 防外破裝置的整體設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸式防外破裝置由前置采集端和后置預(yù)警端組成，采集端負(fù)責(zé)采集吊車(chē)易觸碰輸電線路位置的電壓，預(yù)警端負(fù)責(zé)將采集的電壓與安全距離的電壓對(duì)比并給出相應(yīng)的報(bào)警信息。防外破裝置由電源電路設(shè)計(jì)模塊、MCU 控制模塊、濾波放大模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及無(wú)線通信模塊等部分組成[15]，裝置的測(cè)量架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 裝置測(cè)量架構(gòu)圖Fig.7 Device measurement architecture diagram

非接觸式防外破裝置處理器采用低功耗、高性能的STM32F103 芯片，能夠在確保精度的同時(shí)對(duì)電壓快速采樣，采樣電路如圖8 所示，R1、R2、R3和C1組成降壓電路，防止電壓過(guò)高破壞裝置，并通過(guò)濾波電路，放大電路對(duì)電壓信號(hào)處理，獲取裝置的采樣值。

圖8 裝置采樣部分電路圖Fig.8 Circuit diagram of the sampling part of the device

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置的軟件程序包含ADC 初始化、信號(hào)處理分析、串口通信以及聲光報(bào)警等模塊。數(shù)據(jù)傳輸采樣DMA 通道，DMA 方式可以提供設(shè)備和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，可以有效節(jié)約CPU 資源。ADC采樣選擇持續(xù)采樣模式，DMA 數(shù)據(jù)選擇循環(huán)傳輸模式，協(xié)同保證電壓測(cè)量實(shí)時(shí)性，軟件設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.9 Software design flow chart

4 防外破裝置的測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的裝置方案是否具有可行性，搭建了10 kV 的輸電線路模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行多組態(tài)輸電線路防外破的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試裝置在不同距離時(shí)使用的穩(wěn)定性、線性度。

4.2 測(cè)試分析

利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)變壓器將電壓提升至10 kV，裝置和輸電線路電纜保持水平，改變裝置感應(yīng)極板和輸電線路電纜的水平距離，并記錄每間隔10 cm 時(shí)示波器所測(cè)量的波形，距離電纜線0.7 m 和1.5 m 時(shí)的波形如圖10 所示，由于測(cè)試環(huán)境周?chē)嬖诟蓴_，波形存在失真現(xiàn)象，但整體呈現(xiàn)正弦變化規(guī)律，在可接受的范圍。

圖10 示波器測(cè)量波形Fig.10 Oscilloscope measurement waveform

4.2.1 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析的目的是為了測(cè)試裝置的感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓和距離之間的關(guān)系曲線。示波器所測(cè)電壓有效值以及裝置所測(cè)的感應(yīng)電壓隨距離之間的變化曲線如圖11 所示，隨著距離的增加，示波器和裝置測(cè)到的電壓和距離之間呈現(xiàn)一種反比例下降的關(guān)系，其變化規(guī)律符合電場(chǎng)強(qiáng)度與距離的變化規(guī)律，表明文中的方案具有可行性。將危險(xiǎn)報(bào)警距離設(shè)置為0.7 m 處的電壓，將1.5 m 處裝置感應(yīng)到的電壓設(shè)置為安全預(yù)警電壓，并設(shè)定好相應(yīng)距離時(shí)的閾值，實(shí)現(xiàn)裝置非接觸式防外破功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置測(cè)量電壓要高于示波器所測(cè)電壓有效值，將多次測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)周?chē)嬖陔姶鸥蓴_，影響裝置測(cè)量的電壓值，示波器所測(cè)電壓與裝置測(cè)量電壓之間的誤差在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足預(yù)期要求，表明防外破裝置的預(yù)警效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)定閾值范圍內(nèi)準(zhǔn)確報(bào)警，隨著裝置與電纜線的接近，預(yù)警效果達(dá)到預(yù)期。

圖11 電壓有效值和距離之間的關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curve between voltage RMS and distance

4.2.2 線性度分析

線性度分析的目的是獲取裝置感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓和輸電線路電場(chǎng)強(qiáng)度的線性度。根據(jù)輸電線路場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算公式算出距離輸電線路電纜不同距離的場(chǎng)強(qiáng)，結(jié)合示波器所測(cè)不同距離時(shí)的電壓有效值，得到如圖12 所示的感應(yīng)電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度的線性度擬合曲線，橫軸為輸電線路電纜的電場(chǎng)強(qiáng)度E，縱軸為感應(yīng)電壓U，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)線性相關(guān)系數(shù)R=0.9977，表明裝置感應(yīng)電壓的線性度良好，校準(zhǔn)系數(shù)k=0.06533，b=0.01314，則線性度擬合曲線的公式為U=0.06533E+0.01314。因此裝置的感應(yīng)電壓U 和輸電線纜的電場(chǎng)強(qiáng)度E 的線性度較高，線性度良好，可以滿(mǎn)足裝置非接觸式防外破的功能。

圖12 線性曲線圖Fig.12 Linear graph

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多組態(tài)輸電線路環(huán)境設(shè)計(jì)了一款非接觸式防外破裝置，介紹了非接觸式測(cè)量原理，結(jié)合仿真軟件進(jìn)行了抗干擾分析并給出了結(jié)果，設(shè)計(jì)了裝置的整體框架并對(duì)裝置的穩(wěn)定性和線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析并。結(jié)果表明在多組態(tài)的環(huán)境下裝置的抗干擾能力良好，裝置感應(yīng)極板的感應(yīng)電壓變化規(guī)律符合電場(chǎng)的變化規(guī)律，可有效地提高裝置預(yù)警段準(zhǔn)確度，具有可靠的使用價(jià)值，能實(shí)現(xiàn)便捷的檢測(cè)方式，為多組態(tài)線路的防外破提供智能化的新方式。