浅谈组式高压电场测量和安全距离报警系统

谢雪峰，凌剑波，王佑球，邱兴卫，方文斌，洪　泽

（1.国网安徽省电力公司祁门县供电公司；2.祁门县阳光电力维修工程有限责任公司）

浅谈组式高压电场测量和安全距离报警系统

谢雪峰1，凌剑波1，王佑球1，邱兴卫1，方文斌2，洪泽1

（1.国网安徽省电力公司祁门县供电公司；2.祁门县阳光电力维修工程有限责任公司）

在电力行业的建设发展中，工频电场测量技术一直以来都深受行业的高度重视，它在带电作业安全距离检测和输电线路故障状态检测中发挥着极其重要的作用，对提高和保障线路系统安全稳定运行具有重要现实意义。基于此，本文在分析电场测量的基本原理后，对组式高压电场测量安全距离报警系统的软硬件设计进行了详细的阐述，以期促进电场测量技术优势充分发挥。

电场测量；组式高压电场测量安全距离报警系统；设计

前言

近几年，为满足用户日益增长的电力需求，我国电力基础设施建设力度不断加大，电网改扩建项目规模逐步扩大。与此同时，输配电线线路所发生的故障频率随之增加，对配网系统的带电检修变得越来越需要。若线路发生故障或带电检修安全距离掌握不准确，都将可能会给作业人员造成人身伤害，造成一定经济损失，因而电场测量技术必不可少，开发电场测量安全距离报警系统非常必要。

1　电场测量技术原理

电场测量技术依据的基本原理是：将传感器置于待测电场中，其金属极板在电场中会产生感应电荷，并且其感应电荷与所在电场中的频率变化还是同步的、一致的。利用这一特性对传感器感应电荷进行相应的处理，将其转换成相对应的电压或电流信号，再对该电压/电流信号做进一步的处理（分析计算），即可求出待测电场中的电场场强。从电场测量技术原理的表述中不难分析出，传感器是实现电场测量的最主要、最关键设备之一，是收集电荷信号的必要装置[1]。现阶段，根据这一原理研发的电场测量仪器按照用途的划分主要有交变电场测量仪和静电场测量仪两类。静电场测量在感应电极间感应出的信号为直流信号，且受静电场本身作用其直流分量很小，因而需要通过多级放大处理才能为后续电路提供所需充足电量，才能保证电场测量工作的正常进行。交变电场测量将传感器置于交变电场中，通过对金属极板感应出的待测电场感应电荷，依据同频率变化对感应电荷进行相应的处理，得到两者感应电荷与待测电场中电荷成一定比例关系的电场测量信号，然后借助相关数学计算方法经过相应的计算，进而实现对电场强度的测量。

2　组式高压电场测量安全距离报警系统设计

2.1系统总体设计

本文开发的组式高压电场测量安全距离报警系统，采用C8051F410单片机作为系统核心控制器，整个系统包括主机与从机两大模块。主机模块主要由无线通信系统、单片机处理单元、液晶显示单元、按键控制单元、电源等几个单元组成；从机模块主要由信号处理单元、单片机处理单元、电厂传感器、控制单元、电源、声音报警单元、无线通信系统和液晶显示单元等多个单元组成，具体如图1所示[2]。这样设计的安全距离报警系统的工作原理是：各从机通过按键控制单元对相应的输电线路电压等级进行正确的选择，对传感器采集来的电场信号进行转换得到电压或电流信号；将电压信号经信号处理单元滤波放大后，送至单片机进行模数转换，并对产生的数字滤波、周期波形进行分析，最终将计算出来的电场强度在液晶显示器上显示出来。

2.2系统硬件设计

2.2.1电源电路设计

电源开关电路的设计，主要是实现系统的开关机和为系统的正常运行与各功能模块的正常发挥提供所需电能。为了赋予系统长按开关机功能，并用开关的打开与闭合来完成开关机操作，系统采用热稳定性能良好的三端分流基准源作为电源和SI2305开关。三端分流基准源用2个电阻就可以实现对输出电压在一定范围内（2.5～36V）的随意设置[3]。开机时，按下电源键，电源开关电路中的二极管导通为电容充电，当充电达到一定量时，基准源动作，开关导通为系统供电，系统开始工作，此时电源控制权被转移给初始化程序。当CPU单元检测到电源键被按下一定时间后（设定的关机时长），则关闭电源，实现系统的关机。

图1　组式高压电场测量安全距离报警系统总体设计

2.2.2可控比例放大电路设计

由于组式高压电场测量所能够检测到的电压等级范围在35～750kV之间，范围比较大，因而需要设计一个可控比例放大电路来保证系统对差分电压信号的采集是在适合数模转换范围内进行的，即保证数据采集的合理性。为了实现对微弱电信号的放大处理，要对运算放大器实现低输入偏置电流、低输入失调电压等特性，赋予系统可控增益功能，并适当扩大系统的幅值响应范围，因而在可控比例放大电路的设计中本文采用了多路开关ADG和OP07C精密运算放大器，电路如图2，较好的实现了上述需求。

图2　可控比例放大线路设计图

2.2.3无线通信设计

为了实现主机与从机之间的无线实时通信，实现主机对从机发送数据的完整及时接收，以及无线通信模块本身内部数据的收发控制与通信协议的正常转换，在无线通信模块的设计中，应将无线通信模块与串口相连，让主机对从机地址的查询能够依照串口顺序来进行，并保证传感器采集来的数据可以以一定的频率发送至各个从机[4]。本组式高压电场测量安全距离报警系统采用高性能、低成本、大功率的无线数据传输模块BL100来对系统无线通信进行设计。这种数据传输模块传输速率高，可工作在国家一些开放的频段，且内部自带有数据收发控制功能与通信协议转换功能。

2.3系统软件设计

2.3.1主程序流程设计

组式高压电场测量安全距离报警系统包括主机与从机两大模块，主机主程序设计流程为：系统初始化，向从机发送地址查询信号，从机接收后作出应答，若从机应答的地址与主机发送的地址信号相符，则主机进行校验，否则不做任何回应；校验通过，主机对从机的编号和电场值进行显示；校验错误，系统立即报警。主机向从机不间断的发送地址查询信号，从而实现对从机的实时监控。

从机的主程序流程为：系统延时开机初始化测量，依次完成对各电路模块的自检测；ADC对电压信号进行转换，当一个转换周期结束后，单片机对采集的数据进行分析处理，并将计算出的电场值显示出来；若电场值超过规定上限，从机立刻发出警报并通知主机，从机主程序不断的循环执行，从而实现对电场的不间断测量[5]。

2.3.2主从机通信模块设计

本系统主机与从机之间一次完整的通信主要包括三个环节，即主机询问、从机应答和链路释放。从机无线通信程序主要由串行口中断程序组成，负责将从机的编号和电场值发送给主机，在开机的状态下从机一直处于对被监测电场的信号采集和监听。主机进入中断程序进行寻址，对从机发送来的数据信息进行接收，从而实现双重监控，实现主机与从机之间的实时通信。

2.3.3电场过限报警程序设计

各从机所选择电压等级的不同所对应的报警值也不相同。当检修人员在某一电压等级下实施带电检修作业时，若组式高压电场测量安全距离报警系统计算显示出的电场强小于系统内部设定的场强上限，则表明当前的带电作业场所电场强处于安全范围内，检修人员人身是安全的。若检测到的电场强超出系统内设上限，则系统会立刻发出警报，提醒作业人员退到安全距离范围内，从而有效避免触电等事故的发生。

3　总结

工频电场测量技术在电力行业中的重要性不言而喻。随着我国智能电网建设工程的进一步推进，应对电场测量技术予以进一步的推广应用，积极开发组式高压电场测量安全距离报警系统，对系统软硬件各模块进行科学合理的设计，以保障带电作业的安全性，切实减少输电线路故障发生。总之，电场测量安全距离报警系统还需要不断的完善。

[1]毛 凯.组式高压电场测量和安全距离报警系统研究[D].重庆大学，2014.

[2]王 鑫.水灭火系统对地铁隧道中人员疏散的影响研究[D].沈阳航空航天大学，2015.

[3]林 彬.细水雾灭火系统在汽车涂装车间喷漆室的应用研究[D].中国科学技术大学，2015.

[4]秦国防.分散型高压电气设备温度巡回监测系统的研制[D].重庆大学，2011.

[5]谢正文.餐饮业烟道油垢自燃发火机理及细水雾自动灭火系统研究[D].中南大学，2011.

TM835

A

2095-2066（2016）31-0039-02

2016-10-20

谢雪峰（1984-），男，江苏宜兴人，工程师，本科，主要从事配电网运维管理工作。

凌剑波（1976-），男，安徽歙县人，工程师，本科，主要从事输配电管理工作。

王佑球（1989-），男，安徽黄山徽州人，助工，本科，主要从事变电检修工作。

邱兴卫（1991-），男，江苏盐城人，助工，本科，主要从事变电运维工作。

方文斌（1987-），男，安徽枞阳人，大专，主要从事变电运维工作。

洪 泽（1993-），男，浙江安吉人，本科。