陳劍

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司汨羅市供電分公司 湖南 汨羅 414400）

引言

電力運(yùn)維和檢修是保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。近年來，由于機(jī)械與高壓輸電線路相觸碰或距離過近而引起的跳閘觸電事故時(shí)有發(fā)生，此類事故可能造成大面積停電、人身傷亡和設(shè)備損壞，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

本文設(shè)計(jì)了一種以距離過限、電場(chǎng)過限作為綜合判據(jù)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)；為同時(shí)測(cè)量各方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)三維電場(chǎng)傳感器，分析傳感器的測(cè)量原理與測(cè)量精度；考慮施工器械吊臂引起的電場(chǎng)畸變，設(shè)置不同電壓等級(jí)的電場(chǎng)報(bào)警閾值，最后進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證其預(yù)警準(zhǔn)確性與可靠性。

1 傳感器設(shè)計(jì)計(jì)算

測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度最常用的是懸浮體型傳感器。其中，平行板型傳感器測(cè)量誤差不足2%，與最精密的球型傳感器精確度非常接近，且制作簡(jiǎn)單，可以很好地滿足工程應(yīng)用需求，因此本系統(tǒng)采用三維平行板型傳感器測(cè)量電場(chǎng)。

傳感器由X、Y、Z方向的三對(duì)測(cè)量極板及中間的絕緣材料組成，為正方體結(jié)構(gòu)。極板為邊長(zhǎng)6cm的正方形薄銅片，導(dǎo)電性能良好。極板間的絕緣材料采用絕緣隔熱的環(huán)氧樹脂，加工成邊長(zhǎng)7cm的正方體，6個(gè)銅極板分別粘在正方體6個(gè)面上，并保證各個(gè)極板的電氣獨(dú)立性。

與一維平行板傳感器不同的是，三維傳感器不僅在相對(duì)極板間存在電容，相鄰極板間也存在電容。因此，每對(duì)極板間的電壓會(huì)受到另外兩個(gè)方向的電場(chǎng)影響。為確定極板間感應(yīng)電壓與空間電場(chǎng)的關(guān)系，需要計(jì)算極板間的自電容與互電容[1]。

2 傳感器精度分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)三維電場(chǎng)傳感器的測(cè)量精度以及傳感器引起的電場(chǎng)畸變程度，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，模仿高電壓施工現(xiàn)場(chǎng)搭建輸電線路電場(chǎng)測(cè)量電路，如圖1所示。其中，L為模擬輸電線路的金屬棒；M為模擬施工器械吊臂的豎直接地鋼材；調(diào)壓器T0的調(diào)壓范圍為0～250V，額定容量為5kVA；變壓器T的變比為250，額定變?nèi)萘繛?kVA。將RJ-5工頻電場(chǎng)儀置于三維電場(chǎng)傳感器同一位置，測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。RJ-5工頻電場(chǎng)儀量程為1～20kV/m；頻率范圍為30～2000Hz；測(cè)量誤差為±1.5dB[2]。

調(diào)整調(diào)壓器T0，改變金屬棒L兩端工頻電壓，由數(shù)字高壓表讀出電壓U，在1～10kV均勻取值10次。用三維電場(chǎng)傳感器與RJ-5工頻電場(chǎng)儀分別測(cè)量，記錄相同電壓下所測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)通過仿真分別計(jì)算該位置有無(wú)傳感器存在時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比無(wú)傳感器存在時(shí)的原始電場(chǎng)與有傳感器存在時(shí)的畸變電場(chǎng)可知，傳感器造成的電場(chǎng)畸變小于0.5%，對(duì)原電場(chǎng)影響可近似忽略。三維傳感器電場(chǎng)測(cè)量值與理論電場(chǎng)以及工頻電場(chǎng)儀的測(cè)量結(jié)果基本一致，誤差在5%以內(nèi)。由此可以判定三維電場(chǎng)傳感器所測(cè)電場(chǎng)基本準(zhǔn)確，滿足應(yīng)用要求[3]。

3 報(bào)警閾值設(shè)定

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)施工觸電事故發(fā)生在220kV及以下的輸電線路，因此系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)35kV、110kV、220kV3個(gè)電壓等級(jí)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定，35kV、110kV、220kV輸電線路的最小安全距離分別為4.0m、5.0m、6.0m。將此距離作為系統(tǒng)一級(jí)距離報(bào)警閾值，同時(shí)各增加1m作為二級(jí)報(bào)警閾值。分級(jí)報(bào)警的設(shè)置可留給操作人員足夠的反應(yīng)時(shí)間和安全裕度。

針對(duì)3種電壓等級(jí)輸電線路的單回路和雙回路典型排布方式，利用Maxwell進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元仿真。由于輸電線路周圍電場(chǎng)分布的一般規(guī)律為距輸電線路越遠(yuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度越弱，因此計(jì)算安全距離閾值處的電場(chǎng)強(qiáng)度，即可作為電場(chǎng)報(bào)警閾值[4]。

4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)分為位于作業(yè)機(jī)械上的信號(hào)采集端和位于操作監(jiān)控室的遠(yuǎn)程報(bào)警端。系統(tǒng)由核心控制單元、距離測(cè)量單元、電場(chǎng)測(cè)量單元、信號(hào)處理單元、無(wú)線傳輸單元、聲光報(bào)警單元共同組成。系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示。

系統(tǒng)的工作流程為：首先選擇輸電線路電壓等級(jí)與回路數(shù)檔位，系統(tǒng)根據(jù)輸入對(duì)應(yīng)生成不同的報(bào)警閾值。機(jī)械作業(yè)過程中，將三維電場(chǎng)傳感器的感應(yīng)電壓處理后送至控制單元，控制單元計(jì)算對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)，多個(gè)距離傳感器全方位測(cè)量施工器械與輸電線路間的距離，輸入控制單元。控制單元將電場(chǎng)與距離值分別和兩級(jí)報(bào)警閾值相比較，判斷達(dá)到報(bào)警閾值后，經(jīng)過無(wú)線傳輸傳送到接收端，接收端啟動(dòng)分級(jí)對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警提示。當(dāng)電場(chǎng)與距離報(bào)警等級(jí)不同時(shí)，為最大限度保證安全，采用較高等級(jí)作為最終報(bào)警等級(jí)[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

三維電場(chǎng)傳感器可測(cè)量各方向電場(chǎng)，消除電場(chǎng)預(yù)警盲區(qū)，傳感器測(cè)量誤差在5%以內(nèi)；研究電場(chǎng)報(bào)警閾值，計(jì)算輸電線路周圍電場(chǎng)時(shí)，機(jī)械吊臂對(duì)電場(chǎng)的影響不可忽略，吊臂存在時(shí)，電場(chǎng)可增強(qiáng)至原電場(chǎng)的3.5倍。本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)輸電線路檢修現(xiàn)場(chǎng)的及時(shí)可靠預(yù)警，可提高施工器械的作業(yè)安全性。