智能型高压试验安全防护体系的设计与应用

潘国华 刘鹏飞

（国网桐乡市供电公司）

智能型高压试验安全防护体系的设计与应用

潘国华 刘鹏飞

（国网桐乡市供电公司）

电气试验是电网建设和电网运维必不可少的重要环节。鉴于电气试验一般具有高电压特性，进行电气试验必须配以一定的安全防护措施。文章首先对当前的试验防护方法进行介绍，分析其存在问题；其次提出智能型高压试验安全防护体系的设计架构，该架构着眼于变被动型防护为主动型防护，且集成试验时相关参数的自动采集和展示功能；再次就实现以上架构的主要技术点进行阐述。最后分析了新型安全防护体系在桐乡市供电公司高压试验中的应用情况。应用结果表明，文章所设计体系具有一定前瞻性，可做适当推广。

高压试验；安全防护；智能型；红外触发

0 引言

电气高压试验对于检测电力设备的状态优劣有着不可替代的作用。随着电力设备序列的不断扩展和电力运维要求的逐日提升，高压试验的对象与项目均在不断增加之中。由于高压试验的主要特点是试验时会产生高电压，因此做好安全防护工作始终是电气试验的核心要求之一［1］。传统的安全防护体系以安全围栏、绳等作为隔离工具，辅之以必要的监护人员，总体上属于被动式防护。这种防护方法对于小型试验（如10kV断路器打耐压）是满足防护要求的，但对于大型试验（如主变试验、母线试验等）却会存在视觉死角等问题［2］；另外，随着外包劳务的增加，大量系统外人员参与到电网建设和变电检修中来，这些人虽然经受了一定的安全培训，但安全意识、风险意识可能存在一定偏差，可能会在试验期间做出跨越遮拦、触碰设备等违规动作，这给有效的试验管理带来了挑战。

为了改善以上问题，国内外众多专家投入大量精力予以研究。文献［3］从技术前瞻的角度就综合性防护系统建设进行了构思，但未有具体实现和应用；文献［4］设计了基于无线射频识别的试验防护装置，虽然具备主动防护的雏形，但作用距离近，满足不了大型试验的需求；文献［5］提出将红外触发机制应用于高压试验防护，实现了灵活防护、远距离防护等目标，但未能做到“报警+断电+试验参数展示”的一体化。

综上，当前的电气试验防护体系虽然逐步由被动型转为主动型，但尚未达到智能化要求。笔者结合国网桐乡市供电公司的实际状况，就智能型高压试验安全防护体系进行总体设计，并寻找保定华创进行设备研制，最后投入现场使用并取得良好效果。

1 智能型高压试验防护体系的需求分析

首先介绍当前大部分试验场合的安全管控。

1）采用安全围栏、绳。即用绝缘性能和机械性能良好的尼龙绳或植物纤维绳将高压试验工作范围与四周进行隔离，并在围栏上向外悬挂“止步，高压危险！”等安全标识牌（颜色为醒目的红绿交替），以防止无关人员误入操作区。

2）采用安全警示带。即用以荧光绿为主体颜色的安全带将试验区进行圈定，再配以安全标识牌。

显然，以上传统的安全防护方法的优点是成本低廉、布置方便，缺点为：①主要依赖制度考核来保证相关人员的安全意识，安全隐患的不确定程度高；②仅以视觉作为警示“媒介”，警示手段单一；③需要配置足够的监护力量（特别对于大型试验）。

在厘清了传统型试验防护体系的不足之后，结合文献［3］关于“变电设备高压试验安全防护措施分类”，提出以下需求：

1）防护体系的形状应能根据试验现场的不同环境组成长方形、品字形、椭圆形等多个“款式”；且考虑大型试验的空间延伸，单边布防距离应可在0～50m范围内任意调节。

2）要有明显的通断灯光报警，使得一旦出现异常情况就能被及时发现；另外，基于对“主动防卫”的考量，当有人闯入隔离试验检修区域时，防护体系应自动切断试验电源，从源头消除危险因素。

3）断电后采用人工手动开关恢复供电电源。目的是确保所有异常被排除后再开启试验工作。

此外，考虑到电气试验时对相关参数的掌控（如电流、电压、温度、湿度等），要求智能化高压试验安全防护体系须集成电气量采集、环境状态显示等功能，这样就可使试验准备工作大为简便。

2 技术构思与总体架构

前已述及，文献［5］认为红外线具有方向性好、不穿透人体以及对人体无伤害等特点，可被用于检测高压试验区内有无异常人员进入。因此，本文引进基于光束遮断感应原理的红外线围栏来作为智能型高压试验安全防护体系的关键部件之一。该部件成对出现，其工作原理为：一端由发射器发射红外线，形成警戒线；另一端由受光器接收，若有物体通过，光线被遮断，受光器信号发生变化，经放大处理后发出电、声信号用以报警。相关示意见图1。

图1 基于光速遮断感应原理的红外线围栏工作示意

由于红外围栏没有实体，为了加强防护，其应与传统围栏配合使用，相关示意见图2所示。

图2 红外围栏与实体围栏的配合使用

在确定基于红外触发机制的关键思路后，再考虑温湿度显示、电气量采集等需求，最后形成图3所示的总体架构。在该架构指引下：①试验进行中所需的输入电压（220V或380V）将通过防护体系产生并被实时显示；②红外栅栏在检测到异物进入后，将产生负反馈信号，并通过中央单片机对三相交流接触器执行断开操作，实现紧急情况下的断源保护。

图3 智能型高压试验安全防护体系的总体架构

3 关键环节的技术探析

在智能型高压试验安全防护体系研制中，关键环节主要为：①红外信号的比较与隔离；②红外信号的锁存；③红外对射装置响应时间的确定。

1）红外信号的比较与隔离。本文选择的红外避障传感器在无阻碍物时信号线输出为低电压0.5～2.5V，有阻碍物时输出为高电压0.5～2.5V。为了保证信号处理单元获得精准的指示信号，首先需要对红外栅栏产生的信号进行比较和隔离。为此选用由LM358组成的电压比较器和电压跟随器完成信号的比较放大与隔离，详见图4所示。另外，因高压试验时电磁干扰非常强大，为了避免漏报或者误报，现场布置的导线均需选用带屏蔽导线。

图4 红外信号处理电路

2）红外信号的锁存。为了使异常出现时红外栅栏输出的高电平信号能够驱动继电器，需要将该信号进行锁存以维持持续响应。本文采用74HC373锁存器芯片来实现该目的，详见图5所示。

图5 红外信号的脉冲锁存电路

说明：①OC为输出使能信号，置低电平时输出锁存的信号；ENG为锁存使能信号，其状态由输出1Q决定。②红外栅栏未检测到异常时，中央单片机给出的逻辑处理结果为低电平，此时有：1D低电平→1Q低电平→ENG高电平，锁存器处于数据传输模式。③当红外栅栏检测到有物体遮挡时，中央单片机给出的逻辑处理结果为高电平，此时有：1D高电平→1Q高电平→ENG低电平，锁存器处于读锁存模式，1Q将持续输出高电平。

3）红外对射装置的响应时间。合理的响应时间设置能够滤除不必要的干扰，同时避免迟报、漏报等现象。通常是以l0m/s的运行速度来计算最短遮光时间的［6］。由于安全防护体系主要为了保证人身安全，因此以人为考察对象。不失一般性，可假定人的宽度为20cm，则在l0m/s速度下的最短遮断时间为20ms。因此，可以确定，当遮断时间大于20ms，则启动报警回路；当遮断时间小于20ms，则认为是系统偶发的干扰而予以忽略。

4 应用情况

在完成设备研制后，保定华创公司采取模拟遮挡的方法进行系统动作测试（输出部分串接灯泡），各项数据均符合预期目标。之后，国网桐乡市供电公司进行了实际使用，并对使用情况进行技术统计（时间为两个月），相关情况如下表所示。

表 智能型高压试验安全防护系统的实际使用情况

另外，在试用时段内（变电所预试），发生过两起因变电运维人员搬运大件物品而“触碰”红外警戒线导致试验设备电源自动中断的情况。这从侧面说明了智能型高压试验安全防护系统在消除试验工作时的安全隐患方面的作用。

5 结束语

本文设计的智能型高压试验安全防护系统成功地将红外触发机制应用于高压试验区的强制隔离，并实现被动防护向主动防护的转变。另外，本项设计把现场高压试验所需用到的温度、湿度、时间、电流、电压、连接电缆盘、接线端、各型插孔、警灯、声音报警器集中于一台设备，真正实现一机多能、既高效又便捷。国网桐乡市供电公司的应用实践表明，智能型高压试验安全防护系统具有巨大的推广价值。

［1］张勇. 高电压设备使用人员安全防护系统研究［J］. 内蒙古石油化工， 2011， 33（4）： 59-60.

［2］金雍奥， 曲金秋， 周志昊， 等. 变电设备高压试验安全防护措施［J］. 电气技术， 2015， 42（5）： 85-87.

［3］贺伟军， 王坚诚， 虞伟. 高压试验安全防护系统建设研究［J］. 中国电业（技术版）， 2014， 29（1）： 28-31.

［4］徐光洁， 贾楠， 袁朝晖. 一种新型电力高压智能安全监护装置研究［J］. 机电信息， 2013， 384（30）： 136-137.

［5］仲崇山， 韩筱慧， 吴冰， 等. 高压试验人身安全防护系统的研制［J］. 华中电力， 2009， 22（5）： 25-28.

［6］钱锡颖， 舒建华. 新型高压试验安全防护装置设计分析［J］. 机电信息， 2012， 321（3）： 114-115.

2016-06-03）