一种线路保护区内移动吊车施工智能防触碰监测系统

国网重庆长寿供电公司 廖晓东 冯 俊 马 超

一种线路保护区内移动吊车施工智能防触碰监测系统

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近年来高空施工越来越多，由于机械过于靠近高压带电设备而引起线路短路跳闸事故经常发生，本文对交流输电线路进行了模拟试验和测试，对球形电场感应传感器的感应电流进行了理论计算，并在实验室环境下对报警装置的工作性能进行了测试，利用标准电场对装置进行了校正。

电场感应；高压线；近电报警；GPS

1 研究背景

随着工农业生产的日益发展，电网的建设规模有了突飞猛进的发展，但是所面临的问题也越来越多。近年来全国各省频发高空施工机械由于过于靠近高压带电设备而引起线路短路跳闸事故，有些还造成了大面积的停电，使国民经济生产遭受了严重损失，给人们生活与社会活动带来了很大的影响。发生高空施工机械引起跳闸事故，究其原因，除了操作人员的大意外，高压设备是否带电、施工设备是否进入高场强区、是否接近规程规定的最小安全距离，均没有应有的提示。特别是电力系统外的施工人员往往不懂高压，可能根本没有在高压电力设备附近施工一定要有安全距离的概念，因此发生事故就不可避免了。

以下几则关于吊车碰触高压线事故的新闻报道：2009年7月10日，吊车驾驶员周某因他观察不周，所操控的吊车吊臂顶端碰到了六七米高的高压线，致使手抓钢丝吊绳的装卸工触电倒地。公诉机关以过失致人死亡罪对周某提起诉讼。此案一审被判处有期徒刑一年，缓刑两年和 28 万元的民事赔偿协议。2009年7月2日9时36分，北京市朝阳区十八里店乡附近多个用户的用电瞬间中断。这是最近12天来，连续第6起吊车触碰高压线引发的事故。2009年8月13 日下午2时许，广东增城朱村附近的一条基坑路上，一辆吊车在吊装作业时，由于安全距离不足导致高压线路对吊车放电。该事故造成 500 千伏蓄增乙线停运 55 分钟。多家养猪场60头生猪被当场电死，强大的短路电流引起多条10 千伏配网线路跳闸，朱村供电所3台配电开关柜烧毁，当地超过一千件正在使用的家用电器被烧毁，直接造成超过百万元的经济损失。据悉，这是500千伏蓄增线在短短1个月内发生的第二起流动作业碰线事件。7月10日清晨6时50分，属于广河高速建设项目指挥部的一部吊车，在无人监护的情况下，擅自进入线路保护区内吊装作业，由于安全距离不足，导致线路对吊车放电，地面吊装人员重度烧伤。以上事故案例全国数不胜数，拒不完全统计,每年至少要发生一百多起高空吊车碰触高压线的事故,一旦发生,损失往往是很惨重的，造成设备损坏、人员伤亡、大面积停电等等往往无法避免。

起重机械作业大部份处在有电的作业环境，触电（电击）也是发生在起重机械作业中常见的伤亡事故。图1 给出了2001至2003年北京电网主系统输电线路跳闸情况，外力破坏主要有电力设备的破坏和盗窃以及大型施工机械作业、施工误碰撞高压线等几种情况。近年来，在电力线路保护区内，塔吊、吊车等大型施工机械违章作业，造成的供电故障呈快速上升趋势。2012年至今，因移动吊车或固定塔吊引起线路跳闸达8条次，其中110千伏黔鱼东线因移动吊车吊装货物引起线路2次跳闸，110千伏朱雷线因固定塔吊摆臂引起线路3次跳闸，220千伏长朱东线、110千伏涪牵东线因移动吊车吊卸货物各引起线路1次跳闸，固定塔吊、移动吊车的外力破坏成为影响长寿电网安全的重要因素对我们电网的运行造成了非常大的安全隐患。

图1 架空线路外力破坏统

图2 系统模块见图

图3 数据传输原理图

因此，如何有效地杜绝吊车触碰高压线引发的这类事故有着重要的意义。为防止高空施工机械引起跳闸事故，除了必要的组织措施外，先进可靠的技术措施将可以避免各种人为的和各种环境因素的影响，将是安全措施的必要手段和保障。为此，需要一种高电压现场施工安全距离报警器，它装在施工机械的顶部以及与线路等高的位置上，在施工设备靠近带电的导线时，达到有可能威胁安全时给予“有电”提示，在达到作业规程规定的一般距离时给出“注意”提示；在达到作业规程规定的最小安全距离时给出“停止操作”的命令。

高压输电线和工程用吊车这两者之间并没有直接的物理联系，而且一个静止， 另一个是运动的。高压线的安全距离跟输电线路的电压有关，因为击穿的很大因素取决于所施加的电压，电压大则电场强度大，则容易被击穿。需要吊车操作员在操作过程中，时时感知到障碍物—输电线成为我们的目标。而高压输电线的基本物理特征有以下几个方面：

电场：交流输电线路输送的交流电是50Hz的，那么在输电线路空间就会产生50Hz的工频电场。总体来讲，距离输电线路近则电场强度越高，随着距离的增加电场强度呈现递减的趋势，电场强度与电压成正比，因此可以利用空间的电场信号来知道高空作业车与高压输电线的距离，以此来判断吊车是否安全。磁场：由于交流输电线路的磁场是与线路的电流有关系的，电流大则磁场强度大，然而输电线路的电流是随负荷的变化而变化的，即磁场是随负荷变化的。与高压线的安全距离是与电压相关的，与电流大小无关，因此不能用磁场的大小来判断吊车与高压线的距离。物理尺寸：由于输电线路的导线非常细，因此测量与高压线的距离是很困难的，尽管目前有测量高压线距地面高度的测高仪，但很难自动实时地测量与高压线的距离。从以上三种特征看，决定从电场入手进一步研究。

2 设计思路

为贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针落在电力通信工程施工作业中人的安全、设备的安全、线路的安全，做到以人为本、主抓预防。电力、通信、油田、矿山、建设工程中经常使用到大型机械，高空作业车、高空作业平台、起重机械、吊塔、吊车、栽桩机，消防车等设备，这些机械设备在电力高压线、高压变电站等环境中施工作业，危险度极高，极易造成触电事故，稍有不慎就会造成机毁人亡。因为这些设备一般臂展较长（高），设备操作受注意力、判断力、视力范围、风力风向、设备运动的惯性等因素的影响，这些因素中只要有一点出现意外，极有可能造成设备与高压电缆（设备）相碰，形成触电事故。

本文设计一种防止大型机械设备在高压电力作业时触电事故发生的近电预警装置，可以避免因野蛮施工和违章作业而造成的碰触高压带电设备，发生恶性事故，是一种有效的预控手段，保证了操作者能够在安全范围内从事作业，维护了电网的安全稳定运行,同时通过“线路保护区机械施工智能防触电安全预警定位在线监测系统”的工作平台，规范了安全措施，提升了工作效率，创造了经济价值和社会效益,事实上任何一次事故带来的损失都是足以解决大批次预防设备的投入，安全就是质量，安全就是效率。

图4 施工现场的实例图

本文具体研究“线路保护区机械施工智能防触电安全预警定位在线监测系统”，主要包括如下部分：1、线路保护区机械施工智能防触电安全预警定位在线监测系统终端：包含高压近电探测单元；无线2.4G发射单元及接收单元；高压近电防触碰预警单元；高压近电防触碰监控及GPS定位单元；预警语音装置；探测单元供电单元及高压近电防触碰预警监控定位供电单元。2、监控中心管理平台：包括线路保护区机械施工智能防触电安全预警定位在线监测系统报警软件、定位软件、中心接警机及监控电脑。3、工作原理：将接收到的监测信号进行前端分析处理，取出50Hz工频信号，经过数字滤波排除干扰信号，依据分析的信号强度，当达到预设值时发出无线报警信号传给接收端，接收端在接收到该信号后报警，提示设备和人员已接近强电，应及早注意和规避危险，同时启动高压近电报警信号及GPS位置信息上传至监控中心，监控中心值班人员通过管理平台及时查看高压近电预警位置及车辆编号、名称，及时通知相关人员，系统同时会向输电线路检修人员发送告警信息及工程车辆编号等，收到险情信息后，立即赶往现场处理险情。该系统只对220V以上工频50Hz-60Hz的电压预警，设备电路通过数字滤波抗干扰，稳定可靠，特别注意：预警系统不对直流、高频、静电预警，它主要是针对室外工频高压架空导线预警。系统模块简图如图2所示。

系统分为高压近电探测单元、无线2.4G发射单元及接收单元、高压近电防触碰预警单元、高压近电防触碰监控及GPS定位单元、预警语音装置、探测单元供电单元及高压近电防触碰预警监控定位供电单元、监控中心管理平台（包括高压近电防触碰智能预警定位软件、中心接警机及监控电脑）。

本文所设计的“线路保护区机械施工智能防触电安全预警定位在线监测系统”将接收到的监测信号进行前端分析处理，取出50Hz工频信号，经过数字滤波排除干扰信号，依据分析的信号强度，当达到预设值时发出无线报警信号传给接收端，接收端在接收到该信号后报警，提示设备和人员已接近强电，应及早注意和规避危险，同时启动高压近电报警信号及GPS位置信息上传至监控中心，监控中心值班人员通过管理平台及时查看高压近电预警位置及车辆编号、名称，及时通知相关人员，系统同时会向输电线路检修人员发送告警信息及工程车辆编号等，收到险情信息后，立即赶往现场处理险情。

3 技术条件

图5 施工现场的实例图

图6 施工现场的实例图

图7 施工现场的实例图

本系统技术关键主要是高压近电感应探测技术、无线2.4G传输技术、高压防触碰预警处理技术、GPS定位传输技术、无线公网数据传输技术、电子低温环境加热技术、监控中心服务器软件管理技术、系统防高磁高压抗干扰技术等技术问题。

3.1 高压近电感应探测技术：作为安全智能预警设备可减少或避免因作业车在作业时与高压带电导线非接触放电而产生的事故，本系统对220V-500Kv交流工频50Hz-60Hz的电压预警，如何感应到电压信号，电路如何抗干扰都是感应探测的关键技术。

3.2 无线2.4G传输技术：通过采用2.4G的通讯频道，实现真正的数字无线通讯技术采，实现远距离的数据通讯，采用数据包的型式通过通讯协议可对实际通讯信息的内容加密、验证、纠错、地址核对等功能，解决设备之间互联互通的需求，做到速度更快、更稳定、抗干扰、及时传输。

3.3 高压防触碰预警数据处理技术：数据处理ASIC芯片具有自主知识产权，可靠快速功耗极低，此芯片的功耗在uA级，在此领域内可谓标新立异，ASIC芯片也体现了公司的研发实力，系统需要将高压感应接收后进行数字编码处理，并驱动语音警示，发出报警及位置信息等，这是系统的主机，是研发核心。

3.4 GPS定位传输技术：系统需要将车辆定位，需要将GPS技术融入到我司系统中，这也是系统的关键技术。

3.5 GSM/GPRS无线公网数据传输技术：GSM/GPRS无线公网数据传输技术是第三代移动通信技术的简称是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，是一项全新的网络技术，实现数据的远程采集、传输、储存和处理功能，具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强、无需铺设电缆、投资成本低等优势。数据传输原理如图2所示，在移动3G信号覆盖区域内，充分利用3G公共网络通信平台，实现中心对多点的语音、短信、数据传输，见图3所示；

3.6 电子低温环境加热技术：本技术主要针对电子设备在低温下开机所需加热升温，解决电子设备在低温状态下无法正常使用以及现有耐低温部件成本高的技术问题。在主机及屏幕内所需加热的所有器件和部件上放置薄膜加热片，薄膜加热片在主机及屏幕内呈多点、不同平面上分布，薄膜加热片有两只引脚，接直流或交流电源。薄膜加热片的形状与被加热器件相匹配，薄膜加热片通过耐高温导热胶固定在被加热器件表面。实现了电子设备器部件在低温条件下可正常工作，经检测，设备一般可在-40℃-60℃工作。

3.7 监控中心服务器软件管理技术：控制中心的设计相对于监测站的设计开发来讲较为简单，硬件设计少，除了普通微机（或工作站、工控机）外，还需要网络接入设备（若无线通信采用自行设计的模块实现，则须开发专用的无线网卡插入微机主板的预留总线插槽中）。控制中心的设计开发主要集中在应用软件的设计开发上，一般是基于Windows操作系统的。当前用于此类软件开始、调试的工具较多，且功能强大，控制中心软件的设计带来便利。

4 系统功能及优势

图8 施工现场的实例图

本系统应用面极广各种作业车辆均可使用，包括吊车、升降平台车、打井钻探设备等都可以安装使用，该产品作为安全智能预警设备可减少或避免因作业车在作业时与高压带电导线非接触放电而产生的事故，设备电路通过数字滤波抗干扰，稳定可靠。特别注意：预警系统不对直流、高频、静电预警，它主要是针对室外工频高压架空导线预警。采用2.4G的通讯频道速度更快更稳定，抗干扰，及时传输。安装，使用方便可靠。实现真正的数字无线通讯。技术采用2.4G通讯频率，可实现远距离的数据通讯，采用数据包的型式通过通讯协议可对实际通讯信息的内容加密、验证、纠错、地址核对等功能，解决设备之间互联互通的需求。

本系统发射端与接收端各有一个独立地址，不重复，多套设备之间同时工作互不干扰。支持多个发送端可任意组合，解决多种不同的机械的需求。适应多种工况情况多等级电压可调支持电压10Kv、35Kv、110Kv、220Kv及以上电压，能符合各种电力环境。具有自检功能，可自检自身状态。可根据需要增加无源开关点、485接口（支持MODBUS通讯协议），支持CAN总线等功能，可与其它设备互联互通。数据采集处理ASIC芯片具有自主知识产权，可靠快速功耗极低，此芯片的功耗在uA级，在此领域内可谓标新立异，ASIC芯片也体现了公司的研发实力。其功耗很低，适合各种设备使用。支持外置电源接口（12V-24V）。安装简单。无需专业人员。

5 工程实施图例

图4-图8为本系统应用在施工现场的实例图，该系统能够精确的实现预警功能。

6 总结

本文通过对电场感应无线近电报警装置进行了理论分析、方案制定，对产品的研制提供了理论基础依据，将理论转化成设备，并应用到了生产中，该项技术为高压带电设备下施工的必备安全装置奠定了坚实的技术基础，并提供了相应的设计制造依据。所设计的系统具有体积小，抗干扰能力强，报警可靠，误报率低，采用无线通讯报警方式，装置底部有磁钢吸附于吊臂， 安装方便，拆卸容易，能实现在操作室就能知道吊臂与高压线的距离情况，根据现场的实际情况，可以同时安装多套电场感应无线近电报警装置，实现对多个方向的高压线进行距离预警。通过理论研究与实际应用结合，能够较好的实现输电线路防外破工作。

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