基于人体热释电感应技术的输电线路塔材防盗系统的设计

顾俊杰，袁 奇

（上海市电力公司检修公司输电检修中心，上海 200063）

0 引言

自2005年国家电网公司颁布《十八项电网重大反事故措施》以来，在治理电网重大安全隐患，防范各类事故发生，保障电网安全运行和可靠供电方面发挥了积极作用。2011年5月，国家电网公司发布了《十八项电网重大反事故措施（修订版）》，用以防止发生重大级以上电网、人员和设备事故，强化设备全过程管理，从规划设计、设备选型、安装调试、设备运维以及技改检修等环节，提出反事故措施和要求。上海市电力公司检修公司认真执行《十八项电网重大反事故措施（修订版）》的要求，进一步加大了安全生产的管理和考核力度，深度排查安全生产方面的隐患，全面梳理各类事故的应急预案，通过完善事故应急组织机构，落实抢修值班制度，提升事故应急抢修能力，确保输电线路安全运行，为此提出研发输电线路塔材防盗系统的设想。

1 输电线路塔材被盗状况

1）输电线缆汇总 检修公司目前管辖的高压电缆回路数量为845条，长度为1640 km，其中包括两回国内距离最长、截面最大的500 k V电力电缆。所辖220 k V及以上交流和直流输电线路，包括直流接地线路，数量为342条，全长4904.423 km，杆塔总计9286基。

2）塔材被盗严重 据统计，2011全年发生塔材被盗19起，涉及19条线路，51基杆塔，被盗角钢总计874根，接地极10根，包角钢45块，还有大量脚钉、螺栓和螺帽。例如：2011年10月10日，发现退役线路杨浦2142线36号杆塔，被盗包角铁11块，剩下9块包角铁的大部分紧固螺栓和螺帽已经被盗，随时有倒塔的可能。所幸该塔是零转角耐张塔，两边导线张力平衡，还未发生塔身错位或扭转。后经临时补强和应急补装，才避免了一起可能发生的重大倒塔事故。该转角耐张塔地处中环，一旦发生倒塔事故，后果不堪设想。塔材被盗照片如图1圈注部分所示。

图1 杆塔塔材被盗

3）被盗原因分析 据统计，3年来输电线路塔材被盗次数呈上升趋势，这对电网安全运行带来了极大危害。目前线路塔材防盗措施，主要采取“巡视发现＋报警备案＋后续补装”的模式，由于防盗手段被动，无法做到及时发现、立即响应、立马制止的目的。虽然已经派遣专人、专车巡查，加大与警方的联防协作力度，但是防盗和治理效果并不理想。

按照输电线路设计原则，为了防止塔材被盗，采取在塔脚以上8～10 m内进行防盗电焊，该措施虽在一定程度上加大了偷盗塔材的难度，但因现在的偷盗工器具比较专业，具有小型、携带便捷等特点，且因螺栓本身为铁制，在实际防盗方面的效果不是最好。由于经过点焊的螺栓外部镀锌层遭到破坏，日晒雨淋，长期运行后，点焊处的金属容易发生锈蚀，受力强度明显下降，不利于输电线路的安全运行。特别是地处高速铁路、高速公路、航道等交叉跨越处的铁塔，一旦塔材被盗发生倒塔事故，后果不堪设想。

2 塔材防盗系统设计

2.1 设计要求

目前采用的传统杆塔人防措施已经无法达到防盗要求，而先进的杆塔技防装置又配备不足，为了确保输电线路的安全运行，有效降低塔材人为被盗和受损事故的多次发生，减少因输电线路事故没有得到即时处理而造成重大经济损失和社会危害的目的，拟开发一套基于人体热释电感应技术的输电线路塔材防盗系统，加大防盗力度，从技术层面遏制塔材偷盗行为。

2.2 系统结构与功能

塔材防盗系统拟采用先进的人体探测技术、信息转换技术、无线传输技术和电源供应技术，全天候实施塔材防盗的自动探测，获取即时多渠道通知、即时人为处理等多种信息。经对大量专业文献、技术资料的分析和比对，在排除震动感应探测器、特定音频探测器等监测技术后，确定该套塔材防盗系统拟由热释电探测传感器、数据采集装置、手机报警模块、GSM网络、110指挥中心报警模块和终端手机构成。拟设计的塔材防盗报警系统组成如图2所示。

图2 塔材防盗报警系统结构

2.2.1 热辐射探测技术

热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波，而不同波长的电磁波具有不同的效应，利用不同波长的电磁波效应，可以构建输电线路塔材防盗系统。

1）传感器特点 采用热辐射探测技术，可以快速测定人体发出的特定波长。由热释电传感器构成的热辐射探测装置，其传感原理是利用特殊的热电陶瓷敏感元，在6～15m测距内，快速、准确地感测由运动人体红外线引起的敏感元温度变化信号，经热—电转换后，输出电信号触发控制装置，从而实现智能监控。热辐射探测装置对探测信号特别敏感，具有误报率低、抗干扰强、稳定性好、耗电量少等优点。

2）传感原理 当人体发出的红外线到达传感器顶部光学窗口时，红外辐射能量被敏感元晶体吸收，引起晶体温度变化，产生热释电效应。而当红外辐射能量恒定时，晶体表面电荷被中和平衡而没有电量输出。

3）传感器等值电路 热释电红外传感器型号为P2288，是双敏感元型传感器，具有较高灵敏度、宽视角抗干扰力强等优点。该元件是由相反极性的两个串联晶体组成，能对因冷热气流、环境温度、背景变化幅度及声频噪声产生的干扰，有较强的共模抑制作用，不会产生误动作。而敏感元的表面电荷，经负荷电阻释放产生电压，由场效应管完成阻抗转换，以较低阻抗输出。

4）传感器滤光片 为了使热释电红外传感器只对红外光谱中某一段红外辐射敏感，在热释电体前设置了滤光片。当热释电红外传感器作为入侵防盗报警使用时，主要是使热释电红外传感器对人体外辐射不敏感。需要在热释电体表面贴上波长为7～105m的滤波片，用以避免太阳光的辐射和其它红外辐射的干扰，从而减少虚报和漏报信息。

5）传感器菲涅尔透镜 热释电红外传感器根据物质表面温度不同，发出不同波段的红外光进行温度检测。由于探测到人体的信号比较微弱，所以在红外传感器的表面上需要罩上一块菲涅尔透镜，用以增加信号强度，使探测半径达到10 m以上。菲涅尔透镜为乳白色，呈半透明状，用聚乙烯塑料片制成，对波长为10μm左右的红外线来说是透明的。菲涅尔透镜具有聚焦作用，焦点为5 cm左右，应用时应根据现场设置情况，仔细调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，将透镜固定在传感器正前方1～5 cm处。

2.2.2 数据采集装置

在传感器的正前方安置好菲涅尔透镜后，一旦人体出现在透镜探测防盗区域内时，活动人体热辐射出的红外线通过透镜，在传感器上形成不断交替变化的阴影区和明亮区，使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号，被数据采集装置进行识别，从而达到数据采集的目的。

2.2.3 手机报警模块

在红外探测器检测到有人入侵时，数据采集装置接收到电信号，手机报警模块被激活，立即向预先设置好的手机号码（设备主人）发送短信报警信息，以便设备主人采取应急措施。另外，报警模块拟设定线路名称、杆塔编号、杆塔位置，便于运行人员第一时间确定哪条线路的哪基杆塔发生被盗，有利于后续处理。

2.2.4 GSM网络

GSM是基于时分多址技术的通信体制，是目前全球比较成熟且应用最广泛的一种移动通讯系统。本系统拟采用较为成熟稳定的GSM作为数据传输的系统，通过中国移动公司建成的无缝覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，当热释电感应器的电信号通过放电电路放大后，将利用GSM网络实现无地域限制的实时报警短信息传输，方便实现线路塔材盗窃报警信息的发送，具有覆盖面广、投资小、运营费用少的优点。

当发现塔材被盗时，发送实时报番信息至相关人员手机上，及时响应，紧急处置。另外，塔材被盗现象多发生于人迹罕至的区域，此系统可以实现在无人情况、环境恶劣、超越距离的情况下进行信息的传送。

2.2.5110 指挥中心报警模块

本系统拟与110指挥中心联动，一旦发现被监控杆塔发生被盗现象，系统的报警模块触发GSM网络对设备主任发出警报短信的同时，立即通过无线网络向110指挥中心进行自动报案，确保报案记录及时、有效、准确。

2.2.6 终端手机

系统对手机的技术参数无特殊要求，目前普遍使用的手机都可以作为接收报警短信的终端。为确保报警短信能够及时被处理，建议配置待机时间长，在接收到报警短信后，可发出特殊声光警示的手机。

2.3 探测系统工作原理

当人体在检测区内活动时，离开一个透镜单元的视场，会立即进入另一个透镜单元视场，传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号，从而达到监控是否有人体进入监测区并逗留时间长短的目的。将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器整合使用时的工作原理图，如图3所示。

图3 热释电红外传感器工作原理示意图

2.4 电源供给系统

考虑到防盗系统主要应用于地理位置较为偏僻的杆塔上，接入专用的电源线路比较困难，且后期维护也不方便，因此考虑采用太阳能电池进行整个系统的供电，工作原理如图4所示。

图4 太阳能电源系统结构示意图

在白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，太阳能电池给装置供电同时也给蓄电池充电。在天黑或阴雨天气，控制电路检测到太阳能电池无输出，则关闭充电电路，开启放电电路，由蓄电池给装置供电，确保全天24 h不间断供电。采用太阳能供电和蓄电池并用方式，主要是考虑到系统供电的持续性，不受夜间和阴雨天气的影响，而配置充放电控制器，则使电源系统具有蓄电池过充电和过放电保护功能。

2.5 报警流程

首先由装于塔身的热释电感应器探测防盗区域是否有可疑人员，一旦探测到人体特有的热辐射，且持续时间超过30 s，即刻判定为有偷盗人员对杆塔实施偷盗，触发防盗系统内置的手机报警模块，自动连接GSM网络，它是一种基于时分多址技术、成熟、稳定且应用广泛的移动通信系统。通过中国移动公司的GSM数字蜂窝移动通信网，实现无地域限制的实时报警短信息传输。通过SMS短信功能将杆塔所在位置，对预设的多台手机终端进行报警，收到报警短信的设备主人第一时间赶赴现场处置。另外，可增加110自动短信报警模块，也可待现场处置完毕后自行报警。输电线路塔材防盗系统报警流程如图5所示。

图5 塔材防盗系统报警流程

3 后续研究的关键技术

1）抗干扰更强 杆塔防盗系统是一个实时监测系统，对现场的各种环境干扰，包括由温度或电磁环境的变化而引起的信号波动，是不可忽视的。因此，抗干扰问题关系到系统能否可靠稳定运行的技术关键之一，由于传感器输出的信号经放大电路放大后，相对有些外部信号仍然比较微弱，容易受到外界的干扰，甚至有效信号被淹没在环境中，只有通过软件或硬件的研发，才能提高系统抗干扰的能力，降低误报率，达到准确、可靠报警的目的。

2）传信息更快 考虑到成本因素，杆塔防盗系统目前拟采用传统的GSM技术，但随着通信技术的发展，今后可以3G网络为主，以获取更多的数据量。

3）防盗性更优 杆塔防盗系统因自身部件较多，也有可能成为被盗主体。因此，装置的微型化、防盗性作为研究重点，根据实际把系统安装在塔身不易被人发现的隐蔽处的同时，提高系统本身的防盗技术水平。