输电铁塔防误登智能脚钉研究与应用

王 磊，许建清，金桂如

（国网江苏淮安供电分公司，江苏 淮安 223001）

随着电力行业的快速发展，输电铁塔的建设和使用数量不断增加，确保这些设施的安全运行至关重要[1]。然而，由于输电铁塔分布广泛、外形相似，有时工作人员会登上错误的铁塔，这不仅浪费了时间和资源，还可能引发安全隐患。此外，非法攀登铁塔的情况也时有发生[2]。这些误攀登事件不仅可能引发安全事故，还可能对整个电力供应产生严重影响，目前，尚无误登输电杆塔预警装置的研究。本文开展输电铁塔防误登智能脚钉研究，在出现误攀登时，后台系统能够快速感知，并防止未经授权的人员非法攀登并迅速采取措施。该脚钉集状态感应、防误登实时报警、后台感知、警示设备、联网管理于一体，若误登带电杆塔，检修人员脚踩脚钉，脚钉上安装的传感器发出信号，随即发出警告声音并后台提醒，避免误登塔事件的发生。

1 输电铁塔防误登智能脚钉结构框架

智能脚钉由脚钉、传感器、电源、报警设备等装置组成，各装置功能如下：

脚钉内置的高精度多功能压力、震动传感器可实时感知是否人员登塔；

采用超低功耗设计，利用太阳能电板为内置蓄电池；

误登塔时，报警设备作用，及时提醒作业人员；

前端脚钉和后端终端采用无线通信技术，后台设置线路是否停电，是否可登塔作业，如误登杆塔，前端脚钉收到信号后报警并后台实时收到提醒。

装置的总体框架如图1 所示。

图1 输电铁塔防误登智能脚钉结构框架

2 输电铁塔防误登智能脚钉各部件设计方案

2.1 脚钉主体

采购电容传感器原器件，设计并绘制传感器控制电路，根据传感器的特性和控制电路的要求，编译控制程序，以实现对传感器信号的处理和控制。

设计脚踏图纸，绘制L 型塑料脚踏的图纸。图纸详细标注脚踏的形状、尺寸、材料以及制作细节等。在获得了详细的设计图纸后，采用3D 打印技术进行脚踏的制作。3D 打印技术不仅可以快速制作出脚踏原型，还能精确地按照设计图纸进行制作，保证了制作的质量。在打印完成后，小组成员进行了毛边的修剪，确保脚踏的平滑，以便后续的组装工作。最后进行脚踏的组装和紧固，按照设计图纸组装，确保脚踏的稳定性和坚固性。对防护结构的承重能力进行测试，具体数据如表1 所示，承重能力均高于250 kg，满足人员体重要求。

表1 L 型塑料脚钉承重能力测试kg

2.2 主体控制箱

控制器方面，选择8051 单片机作为主控芯片，绘制电路图时，充分考虑8051 单片机的特性和项目需求，将所有外设、存储器和扩展接口合理布局，进行电路板的制作和测试。在主控电路板测试通过后，编写包括初始化、输入输出控制、数据运算等在内的主程序。在编写过程中，借助了Keil C51 等开发工具，对程序进行编译、调试和优化，确保程序的正确性和可读性。

声光报警器方面，设计控制模块，将各个控制模块按照预设的连接方式和顺序进行连接。在连接过程中，小组成员注重线路的耐压和抗干扰能力，以确保系统的稳定运行。对不同的场景，开展有效距离测试，如表2 所示。夜间农田位置，装置的告警能力最好。自动声光告警装置的灯光信号有效传输距离在白天阳光充足时，仍可以达60 m；声音信号在白天城镇道路等噪音较大的地方，有效传输距离仍可以达到50 m，满足现场需要。

表2 输电铁塔防误登智能脚钉报警信号有效距离测试

电源方面，因为单晶硅光伏板转换效率高、性能稳定，选择其作为供电电源，考虑输电铁塔的结构和环境条件，为光伏板设计专用固定支架，将其与输电铁塔的供电线路连接起来。将组装好太阳能电池板进行测试，测试其在同一天内不同时刻下供电能力，并根据测试结果绘制了折线图。查阅气象资料，xx 地区的平均日照强度在500～2 000 lx 之间，选择500 lx、1 000 lx、2 000 lx 3 种情况下的光照强度进行实验，测试结果如表3 所示，最低输出功率为104 W，能满足设备最大功率的要求。光伏板配合锂电池，为系统提供电源。

2.3 数据后台

通信方面，NB-LoT 是一种窄带物联网技术，具有低功耗、大连接、广覆盖等特点。将NB-LoT模块与后台服务器连接，开展协议配置和网络调试。在这个步骤中，须在输电铁塔上安装智能脚钉，并将脚钉与已连接的后台服务器进行配置。同时，对脚钉进行测试，确保其能够准确无误地接收和发送信息。

前后端方面，开发物联网后端控制平台，满足实时监控和远程控制需求，并且可以与各种传感器和执行器进行无缝连接。编写数据传输代码，将传感器采集的数据从前端设备传输到后端服务器，并进行必要的解析和处理。完成数据传输代码的编写之后，编译前后端程序。

3 应用效果

对脚钉开展整体调试，测试控制信号的传输、电源的稳定性以及系统的整体性能，如图2 所示。

图2 新型输电铁塔防误登智能脚钉整体调试

测试异常攀爬告警时间，共计试验50 次，并记录耗时情况，具体数据如图3 所示，经过测试，最长时间为17 s，该时间足以确保攀爬人员接近安全距离前便发出告警信号。

图3 异常攀爬告警时间分布图

4 结束语

本文设计并构建了一种新型输电铁塔防误登智能脚钉，脚钉集状态感应、防误登实时报警、后台感知、警示设备、联网管理于一体，后台系统能够快速感知误攀登行为并声光告警，防止未经授权的人员非法攀登，并迅速采取措施，避免误登带电杆塔等安全事故。