输电线路检修现场三维安全距离预警系统

陈剑

（国网湖南省电力有限公司汨罗市供电分公司 湖南 汨罗 414400）

引言

电力运维和检修是保证电网系统安全运行的重要环节。近年来，由于机械与高压输电线路相触碰或距离过近而引起的跳闸触电事故时有发生，此类事故可能造成大面积停电、人身伤亡和设备损坏，严重威胁电网的安全运行。

本文设计了一种以距离过限、电场过限作为综合判据的安全距离预警系统；为同时测量各方向的电场强度，设计三维电场传感器，分析传感器的测量原理与测量精度；考虑施工器械吊臂引起的电场畸变，设置不同电压等级的电场报警阈值，最后进行系统整体设计和现场实验测试，验证其预警准确性与可靠性。

1 传感器设计计算

测量电场强度最常用的是悬浮体型传感器。其中，平行板型传感器测量误差不足2%，与最精密的球型传感器精确度非常接近，且制作简单，可以很好地满足工程应用需求，因此本系统采用三维平行板型传感器测量电场。

传感器由X、Y、Z方向的三对测量极板及中间的绝缘材料组成，为正方体结构。极板为边长6cm的正方形薄铜片，导电性能良好。极板间的绝缘材料采用绝缘隔热的环氧树脂，加工成边长7cm的正方体，6个铜极板分别粘在正方体6个面上，并保证各个极板的电气独立性。

与一维平行板传感器不同的是，三维传感器不仅在相对极板间存在电容，相邻极板间也存在电容。因此，每对极板间的电压会受到另外两个方向的电场影响。为确定极板间感应电压与空间电场的关系，需要计算极板间的自电容与互电容[1]。

2 传感器精度分析

为验证所设计三维电场传感器的测量精度以及传感器引起的电场畸变程度，按照试验标准要求，模仿高电压施工现场搭建输电线路电场测量电路，如图1所示。其中，L为模拟输电线路的金属棒；M为模拟施工器械吊臂的竖直接地钢材；调压器T0的调压范围为0～250V，额定容量为5kVA；变压器T的变比为250，额定变容量为6kVA。将RJ-5工频电场仪置于三维电场传感器同一位置，测量电场强度进行对比。RJ-5工频电场仪量程为1～20kV/m；频率范围为30～2000Hz；测量误差为±1.5dB[2]。

调整调压器T0，改变金属棒L两端工频电压，由数字高压表读出电压U，在1～10kV均匀取值10次。用三维电场传感器与RJ-5工频电场仪分别测量，记录相同电压下所测电场强度。同时通过仿真分别计算该位置有无传感器存在时的电场强度进行对比。

对比无传感器存在时的原始电场与有传感器存在时的畸变电场可知，传感器造成的电场畸变小于0.5%，对原电场影响可近似忽略。三维传感器电场测量值与理论电场以及工频电场仪的测量结果基本一致，误差在5%以内。由此可以判定三维电场传感器所测电场基本准确，满足应用要求[3]。

3 报警阈值设定

根据统计，大多数施工触电事故发生在220kV及以下的输电线路，因此系统主要设计35kV、110kV、220kV3个电压等级。国家标准[5]规定，35kV、110kV、220kV输电线路的最小安全距离分别为4.0m、5.0m、6.0m。将此距离作为系统一级距离报警阈值，同时各增加1m作为二级报警阈值。分级报警的设置可留给操作人员足够的反应时间和安全裕度。

针对3种电压等级输电线路的单回路和双回路典型排布方式，利用Maxwell进行电磁场有限元仿真。由于输电线路周围电场分布的一般规律为距输电线路越远，电场强度越弱，因此计算安全距离阈值处的电场强度，即可作为电场报警阈值[4]。

4 系统整体设计

所设计的安全距离预警系统分为位于作业机械上的信号采集端和位于操作监控室的远程报警端。系统由核心控制单元、距离测量单元、电场测量单元、信号处理单元、无线传输单元、声光报警单元共同组成。系统的硬件原理框图如图2所示。

系统的工作流程为：首先选择输电线路电压等级与回路数档位，系统根据输入对应生成不同的报警阈值。机械作业过程中，将三维电场传感器的感应电压处理后送至控制单元，控制单元计算对应的电场强度。同时，多个距离传感器全方位测量施工器械与输电线路间的距离，输入控制单元。控制单元将电场与距离值分别和两级报警阈值相比较，判断达到报警阈值后，经过无线传输传送到接收端，接收端启动分级对应的声光报警提示。当电场与距离报警等级不同时，为最大限度保证安全，采用较高等级作为最终报警等级[5]。

5 结语

三维电场传感器可测量各方向电场，消除电场预警盲区，传感器测量误差在5%以内；研究电场报警阈值，计算输电线路周围电场时，机械吊臂对电场的影响不可忽略，吊臂存在时，电场可增强至原电场的3.5倍。本文系统可实现多电压等级输电线路检修现场的及时可靠预警，可提高施工器械的作业安全性。