双重保险的近电预警装置研究

魏家鸣 卢奕峦 曹宇超 周讯杰 蔡 畅 苗盈涵 徐懂理

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167）

1 课题研究意义

随着电力行业的发展，高压线路已经非常普遍，经过高压输电，在同等功率的情况下，电压等级越高所流过的电流就越小，因此高压输电线路能使输电时的电流减小，降低电流产生的热损耗以及长距离输电所使用的材料成本。虽然高压线路输电更为经济高效，但是其本身还是存在着一些不可忽视的安全性问题。首先是自然灾害的影响，这是不可抗因素，我们不能准确地作出预判并解决；其次是人为因素，有可能会出现一些作业车触碰高压线从而导致触电跳闸、人员伤亡的事故。

除了加强对作业人员的培训、设置安全提示标牌之外，为了在源头上遏制这种事件的发生，需要研制出一种有效并且准确率较高的装置，当作业车辆靠近高压线路时，装设于车辆最高点的装置将会处理其采集的信号。因为输电电压等级不同，输电线路周围的场强大小会有很大区别，所以在装设装置前，要根据吊车工作的区域的电压等级，对阈值进行预设。当吊车工作时，这个装置会根据距离的不同进行场强的测量，当场强达到预设的一个值时，其内部的预警装置会被触发，单片机会进行信号的放大，并通过无线传输将信号传输至吊车的驾驶室内，同时依靠蜂鸣器发出报警声，提醒吊车司机注意安全距离，以防发生吊车碰线的事故。

据调查了解，目前市面上有此类装置售卖，但装置功能过于单一。为了改善近电预警装置的功能，使其更加精确、使用范围更广，能覆盖各种类型的预警情况，减少吊车碰线事故的发生，本装置采用传统的场强测量装置，并具备对吊臂与输电线路间测距的功能，可通过无线传输远距离信号，使预警更加精确及时。其具体原理如图1所示。

图1 近电预警装置原理图

2 场强测量模块

2.1 高压输电导线周围电场

高压输电导线作为带电导体，周围存在准静态电场，它是只由电荷产生的。这个电场将随着输电线内部电流的变化而呈现50 Hz变化。随着电压等级的升高，其工频电场强度也会变大。根据麦克斯韦理论，输电导线周围的电场应该有三个正比于1/r3、1/r2、1/r（r为监测点距场源的距离）的分量[1]。

利用等效电荷法分析单相或多相高压输电线路下工频电场强度：计算出单位长度导线上的等效电荷后，则空间内任一点的电场强度均可根据叠加原理求得。

如图2中P点电场强度可以表示为：

式中，xi，yi为导线坐标；m为导线数；Li，Li′分别为所计算点到导线的距离以及所计算点的镜像到导线的距离；ε表示电容率[2]。

图2 空间电场强度求解示意图

2.2 工频电场检测（传感器模块的工作原理）

传感器单元的核心部件是感应电极，靠近高压输电线路时，在强电场的作用下，由于静电感应原理，传感器上会产生感应电势。静电感应是一个带电物体与不带电的导体由于电荷间的相互作用，在相互靠近时，异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端，在外电场的作用下导体中电荷在导体中重新分布的现象。静电感应只与线路设备的电压有关，与线路设备的负载电流无关，无论是空载还是充电线路，都能取得相应的感应能量（信号），可靠性高。

如图3所示，有带负电的导体A和金属导体B。金属导体B缓慢接近导体A，在静电感应作用下，电荷在导体内部重新分布。在金属导体B内部，正电荷由于电场力的作用向带电体A侧聚集，负电荷则反向移动。当导体内部电势处处相等、电场强度处处为零时达到静电平衡，这种通过静电感应从而让金属从不带电到带电的转换，就叫感应起电。

图3 静电感应原理图

对于近电报警装置来说，高压输电线相当于图3中的带电体A，传感器的感应电极则充当了图中的导体B。在线路中流过电流时，导体表面会产生感应电荷，感应电荷会引起传感器感应电极上的电荷分布，只需将这部分感应电荷信号转化为电流信号，再经过滤波放大，就能得到报警器所需的报警信号。

因为高压直流电流和高压交流电流在输电导体上引起的电荷分布不同，需对交直流电做不同的分析。对于高压直流输电线路，导体表面的电荷为固定极性。而对于高压交流输电线路，导线极性随电流以工频正负变化，从而传感器的感应电极上也感应出以工频交变的感应电荷信号。

此外，近电预警装置与待测导线的距离和电压等级也会对预警信号产生影响。相较于低等级的线路，高电压等级的线路将流过更大的电流，从而在导线表面感应出更多的感应电荷，产生更强的电场，引起的感应电荷信号也将加强。对于同等级的输电线路，距离越远静电感应的效果越不明显，感应电荷信号也越弱。

考虑到输电线的交直流类型、输电线电压等级、传感器与输电线之间的距离等因素对传感器感应电荷信号的影响，需要通过仿真实验，模拟不同情况下触发近电报警的工作状态，以计算在不同情况下的报警信号阈值。在现场使用时，需根据实际工作状态选择不同档位。

3 超声波测距模块

超声波传感器是实现声电转换的装置，又称“超声波探头”或者“超声换能器”。这种装置能发射超声波并接收超声波回波，将其转换为电信号。目前常见的超声波发射和接收器件标称频率一般为40 kHz，如果频率取值过低，则外界杂音干扰较多；如果频率取值过高，则超声波在传播过程中衰减较大[3]。

声波在其传播介质中被定义为纵波，当声波在其传播路径上遇到大于自身波长的障碍物时，会产生回波。超声波测距是通过接收障碍物所反射的回波，利用超声波在同种介质中传播速度不变的性质，在当地声速v已知的条件下，并由单片机实时计算出超声波传播所用时间T，从而得到目标物体与传感器之间的距离

测距系统在测距开始后发出一连串的脉冲信号，计数器开始计数，检测到回波信号后，单片机关停计数器，根据计数脉冲的重复周期t，得到超声波传播所用时间T=n×t，n为脉冲计数器计数值。这样，可以将对目标距离D的测定转换为测定脉冲数n，从而将连续的时间量转换为离散的脉冲数。

目标距离D与脉冲数n的关系式如下：

式中，f为计数器脉冲频率。

由上式可知，计数器脉冲频率f越高，则测距精度越高。

考虑到超声波的传播速度与温度有关，对于理想的气体介质，v=其中γ为气体的绝热体积系数（空气为1.4），R为摩尔气体常数，m为1 mol空气质量，均为已知常数，因此超声波波速v仅与绝对温度T有关。以空气中的声速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340 m/s为基准，温度每升高1℃，声速就增加约0.607 m/s。

而测速装置在某一地区使用时，因温度变化并不是很大，可认为声速是基本不变的。

4 信号传输模块

近电预警装置工作后，一旦作业车辆与高压输电线路的距离小于所规定的安全距离，传感器采集到的电场信号经过放大滤波、A/D转换以后就会通过单片机编译比较并发送给驾驶室内的报警装置。

整个近电预警装置由两个单片机控制，一个在车辆外部的装置内，另一个在车辆内部的装置内，而无线收发模块负责两个装置之间的信号传输。信号采集模块对采集信号进行处理并判断是否需要报警，并将结果通过装有蜂鸣器的无线模块发送给报警装置，当测量得出的场强大小超过所设定的值时，操作中的报警装置确认信号并打开语音报警，扬声器发出语音提示。我们采用的是WT588D语音芯片，这种芯片可以重复录制语音，其内部配有的储存器足够支持系统的使用[5]。

工程车辆吊臂车的吊臂展开时最长可达百米，这就要求两模块必须以无线的方式进行信号传输，并且无线传输的距离应该达到200 m以上。信号采集模块完成强电信号的检测处理及报警信号的无线传送功能，报警模块需要接收信号采集模块发送出的无线信号。在有障碍物干扰的情况下，两个模块之间无线通信的有效距离也应保持在100 m左右，比较后最终选择NRF905无线收发模块实现两模块的无线通信[6-7]。

NRF905直线可视通信距离200～300 m，它是32脚封装，供电电压为1.9～3.6 V。非常适用于低功耗、低成本的系统设计。我们装设在工程车吊臂上的部分采用电池供电，由于有一定的更换难度，所以NRF905的低功耗刚好可以满足设计要求[8]。

5 声光报警电路模块

装置内应同时存在两个声光报警电路，原理图如图4所示。一个与测场强模块相连，一个与超声波测距模块相连，两个部分是分开的，但只要其中有一个报警装置作用就可以认为达到临界安全距离了。声光报警电路中同时存在LED灯和蜂鸣器两种装置，只要条件满足灯和蜂鸣器同时作用。无线传输模块暂时先考虑只对光信号进行传输，初步想法是达到临界场强时触发声光报警电路可对光信号进行传递，并能在终端观察到灯闪烁的现象。

6 无线传输光信号模块

如图5所示，传输信号被加到交流电的正弦波，并通过电力线传输到LED设备。在进入LED之前将AC载波分为两部分，一个整流为直流，用于照明，另一部分用于调制。最后通过带通滤波器控制LED的发光强度。调制后的光载波信号通过光电二极管转换为电信号，然后由解调器解码并发送到终端。

图4 声光报警电路示意图

图5 无线传输光信号模块原理

7 超声波测距模块与声光报警电路模块之间的连接

7.1 硬件部分

在推挽模式下，将载波40 kHz的10个脉冲群加到变压器的原方上，并通过升压变换用超声换能器发射。超声波接收器传感器将接收到的超声波发送到放大器进行放大。这是一个高增益、低噪声放大器。在检测到放大信号之后，检测回波被发送到比较器的正输入端。换能器对声脉冲的直接接收能力将决定最小可测量距离[9]。发射端、接收端原理框图如图6所示。

图6 发射端、接收端原理框图

7.2 软件部分

AT89C2051及其开发应用系统具有表达能力强、可移植性强、语言简单、表达灵活、代码质量高、结构化设计简单、使用方便等优点。超声波测距仪是基于AT89C51单片机设计开发的[10]。

8 结语

在施工过程中由于各种复杂因素的影响，往往单一标准会对施工安全造成不利影响。本文通过对输电线路电场强度及电场特性的分析，结合分析结果提出了近电距离计算模型，并对智能近电报警装置的检测原理及方法进行了阐述，在此基础上研制了一种新型的双重保险的近电预警装置，采用两个标准对近电进行衡量，提高了安全性与稳定性，可以防止塔吊司机误操作，避免触电伤亡事故发生，保证人身安全，产生良好的经济效益。