大型施工机械带电作业安全报警系统)

(国网湖北省电力有限公司中超建设管理公司，湖北 武汉 430073

当大型施工机械邻近带电体时，通过声光报警装置提醒现场工作人员谨慎作业或者停止作业，避免大型施工机械因超过了与高压输电线路的安全距离所造成的线路短路跳闸和碰线对杆塔、输电线路造成的外力破坏。可以提高电网供电的可靠性，保障带电作业人员人身安全，减少安全事故和经济损失[1-2]。

带电作业技术的推行大幅降低了设备停电次数和时间，有效减少了检修流程和成本，提高了生产效率，降低了停电损失[3-4]。然而，由于大型施工机械过于靠近高压带电设备引起的线路跳闸事故甚至由吊车碰线导致对输电线路造成外力破坏的情况时有发生，这不仅使国民经济遭受巨大损失，且严重影响了企业、居民用电的供电服务质量。作业人员无法准确确定施工区域电气安全距离是导致这一问题的主要因素。因此，为了有效杜绝吊车过于靠近高压带电设备甚至触碰高压带电设备导致事故发生，本文对大型施工机械带电作业安全报警系统进行研究[5-6]。

国内外学者对于高压输电线路工频电磁场环境的研究已经进行了多年。随着近年来计算机、网络等技术的迅速发展，逐步实现了对作业人员和施工车辆周围电磁场环境智能监控、及时报警，保证了施工人员的人身安全，避免了电力设备的事故损失。关于国内工频电场的限值，DL/T5092-1999《(110-500)kV架空送电线路设计技术规程》规定：500 kV输电线路距离地面1 m处的较大未畸变电场应不超过4 kV/m。我国国家电网公司于2005年组织国内高等院校、设计院等科研单位对特高压交流输电杆件技术进行了研究，制定了我国特高压输电线路的工频电场、工频磁场和可听噪声的限值参考[7-8]。

本文结合我国高压输电线路下带电作业的特点及难点，研究设计了大型施工机械带电作业安全报警系统，为带电作业人员及施工设备提供安全保障。

1 系统设计原理

大型施工机械带电作业安全报警系统包括：电场测量模块、距离测量模块、车载参数测量平台自平衡模块、声光报警模块、供电电源模块、按键输入模块、输出显示模块、数据处理模块等。图1为大型机械带电作业安全报警系统整体设计原理框图。

图1 系统整体设计原理框图

如图1所示，由场强传感器、距离传感器和倾角传感器获得的模拟信号经过A/D转换送到单片机中进行数据处理分析。MCU对各传感器采集到的实时数据进行处理，将运算处理过后的指令发送给声光报警模块和自平衡模块。根据阈值报警判据，若接收到判断越线信号，则触发声光报警模块，对现场带电作业人员及设备进行保护。

为了保证车载式参数测量仪的空间稳定性和测量结果的精确性，设计了基于倾角传感器的自平衡模块。如图2所示，U1和分别为U2摆锤的左极板和右极板与各自对应电极间的电压，当倾角传感器倾斜时，U1和U2随之发生变化，且与倾角满足一定函数关系式[9]：

α=f(U1,U2)

(1)

图2 倾角传感器

所设计的倾角传感器遵循倾角传感器生产标准：GB/T 191 SJ20873-2003倾斜角、水平仪通用规范；校准标准：JJF1119-2004电子水平仪校准规范；电磁干扰试验标准：GB/T17626。可以测得的倾角范围为±90°，测量精度为0.01°。

2 基于最小安全距离的保护报警系统

考虑工作人员与带电设备间最小安全距离，参照国标DL409-91《电业安全工作规程(电力线路部分)》，设置工作人员与带电设备间的最小安全距离S为最小电气安全距离Se与人体在带电作业中的活动范围Sa之和[10]：

S=Se+Sa

(2)

其中，人体在带电作业中的活动范围Sa为0.2～1 m；最小电气安全距离Se为

(3)

式中，E90%为耐受冲击电压最大值的90%；kt为综合影响因素系数，kt的取值取决于包括温度、湿度、风速等现场工作环境因素；ke为经验系数，取值为ke=2.17。《电业安全工作规程》对于最小安全距离的行业标准如表1所示。

表1 作业人员与带电设备间最小安全距离

考虑大型机械与架空输电线路间的安全距离。参考国标GB/T19185-2008《交流线路带电作业安全距离计算方法》，设置大型机械与架空输电线路边缘线间最小安全距离如表2所示[11]。

表2 大型机械与架空输电线路边缘线间最小安全距离

以500 kV单回三相输电线路VVV水平排列导体布置方式和500 kV单回三相输电线路VVV三角排列导体布置方式为例，见图3、图4所示。

图3 500 kV单回三相输电线路VVV水平排列导体布置方式

图4 500 kV单回三相输电线路VVV三角排列导体布置方式

图3和图4中实线空心圆分别代表500 kV单回三相输电线路VVV水平排列和三角排列方式导体所处空间位置，虚线圆所包围范围为作业人员与架空输电线路间最小安全距离报警范围，实线矩形所包围范围为大型机械与架空输电线路间最小安全距离报警范围。

第一重带电作业安全距离报警系统报警范围S为

S=km(S1∪S2)

(4)

式中，S1为作业人员与架空输电线路最小安全距离报警范围；S2为大型机械与架空输电线路最小安全距离报警范围；km为报警裕度范围，取值为1.05。

3 基于电磁环境推断的保护报警系统

基于电磁环境推断的保护报警系统是考虑了高压输电线路电压等级、高压输电线路下方电磁环境和施工机械与高压带点体间距3种关联参数的保护方式。

3.1 高压输电线路下方电场强度计算

在计算高压输电线路下方电场强度时，设定以下初始化模型：

① 输电线路视为无线长直圆柱导体，且三相输电线路彼此平行，半径一致；

② 不考虑横担、杆塔等临近设备的影响；

③ 忽略输电线路电压降落；

④ 认为地面电位为0。

多导线输电线路单位长度等效电荷量满足以下矩阵方程：

(5)

式中，τ为各相输电线路单位长度等效电荷量；α为各相输电线路电位系数；u为各相输电线路单位长度相电压。

输电线路电位系数矩阵可由镜像法求得，包含了输电线路自电位系数和互电位系数[12-14]。见图5。

图5 电位系数矩阵镜像法计算示意图

图5中，m和n代表平行长直导体，m′和n′则分别代表m和n相较于地的镜像位置，根据高斯定理，导线m在空间任意一点P(x,y)产生的场强为

(6)

大地的电位为0，则有

(7)

根据叠加原理，k根导线在空间任意一点P(x,y)产生的电场强度的矢量和为

(8)

3.2 基于电磁环境推断的场强越线报警系统

以500 kV单回三相输电线路为例，分别计算VVV(三相绝缘子都采用V串绝缘子)水平排列、VVV三角排列情况下输电线路下方电场强度分布情况。

3.2.1 VVV水平排列

图6为500 kV单回三相输电线路VVV水平排列结构示意图。其中，输电线路对地高度为13 m，相间距为15 m，采用高压输电线路下方电场强度计算模型对电场分布进行仿真计算如图7所示。

图6 500 kV单回三相输电线路VVV水平排列导体布置方式镜像结构图

图7 500 kV单回三相VVV水平排列输电线路下方电场分布

由图7可知，线路正常运行状态，VVV水平排列输电线路下方电场对称分布，且峰值出现在距线路中心15～18 m处，即在两边相输电线路下方，此后电场强度随着远离边相输电线路的方向逐渐减小。

3.2.2 VVV三角排列

图8为500 kV单回三相输电线路VVV三角排列结构示意图。其中，中相输电线路对地高度为10 m，边相输电线路对地高度为25 m，相间距为20 m，高压输电线路下方电场强度分布仿真计算如图9所示。

图8 500 kV单回三相输电线路VVV三角排列导体布置方式镜像结构图

图9 500 kV单回三相VVV三角排列输电线路下方电场分布情况

由图9可知，线路正常运行状态，VVV水平排列输电线路下方电场对称分布，且峰值出现在中相输电线路正下方，整体离中心越远则场强越小，在边相输电线路下方再次出现电场强度极大值。

4 实验分析

4.1 现场报警越线测试

选取某500 kV单回架空输电线路进行现场实验测试，主要测试对照对象为VVV水平排列500 kV单回三相输电线路。现场测试环境：测量环境温度为32.4 ℃；相对湿度为82.4%RH；大气压力为100.3 kPa；风速为0～1.8 m/s；可听噪声为72 dB；运行情况为设备均带电投运。

安装于高压作业车吊斗上进行试验的报警装置如图10所示。

4.2 测试结果和仿真结果对比分析

实验测量起始点选取中相输电线路正下方，沿原理中心点的方向继续测量。每个测点间距2 m，测量距离为38 m，测量点总数为20个，记录时需等示数稳定后再读数。现场测量结果和仿真计算结果如表3所示。

图10 大型施工机械带电作业报警装置现场安装图

表3 500 kV单回三相VVV水平排列输电线路下方仿真结果和现场测试结果

根据表3中的数据，绘制实验和仿真对比分析图，如图11所示。

图11 实验和仿真对比分析图

由于在计算高压输电线路下方电场强度计时忽略了横担、杆塔等临近设备等会对电场环境产生影响的因素，仿真计算结果与现场测量结果相比要略高一些。距中心点距离较近时，仿真计算结果与现场测量结果的相对误差较小，验证了基于仿真推断的报警系统的可行性与精确性。

5 结束语

设计了一种大型施工机械带电作业安全报警系统，通过仿真和现场实验验证了该系统的可行性与安全性，可以有效提高电网供电的可靠性，保障带电作业人员的人身安全，减少安全事故和经济损失。

(1) 安全保护报警系统组成：场强测量模块、距离测量模块、车载平台自平衡模块、声光报警模块、供电电源模块、按键输入模块、输出显示模块、数据处理模块等。分析了报警系统的工作原理和内部各模块的实现方案和连接关系。

(2) 提出了双重保护声光报警方案，基于最小安全距离保护的报警系统是通过判断测距模块采集到的距离信息是否超过最小安全报警阈值的报警系统。基于电磁环境推断的安全距离保护系统是综合考虑电场强度、电压等级、高压输电线导体排布方式和设备所处位置等参数信息的报警系统。

(3) 对基于最小安全距离保护和基于电磁环境推断的大型机械设备带电作业双重保护系统进行的仿真推断和现场实验验证了双重化带电作业安全报警系统的可行性与精确性。