國網(wǎng)安徽省電力有限公司 劉大平 姚蘭波 張永奈 國網(wǎng)安徽送變電工程有限公司 劉秀敏 王 超

1 引言

觸電是威脅電力運(yùn)維人員人身安全的重要隱患，主要為間接觸電與直接觸電。針對直接觸電事故，可以以強(qiáng)化操作規(guī)范與安全管理來預(yù)防。但是針對間接觸電的規(guī)范，則需要與帶電體之間維持相應(yīng)的安全距離。然而電力運(yùn)維人員勢必會在工作中近距離接觸高壓設(shè)備，導(dǎo)致長期處在相對危險的環(huán)境之中。

2 可穿戴式電場傳感器測量原理理論

2.1 雙球殼型傳感器的提出

可穿戴式安全警示儀的關(guān)鍵點(diǎn)在于，可以設(shè)計出一款適宜應(yīng)用在可穿戴式電場測量的電場傳感器，該電場傳感器要達(dá)到以下幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：一是傳感器要兼具體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶等特點(diǎn)；二是傳感器適宜應(yīng)用在測量多電氣設(shè)備所出現(xiàn)的繁雜化電場環(huán)境；三是在人體移動或者是有小幅度肢體工作時，傳感器輸要維持穩(wěn)定化[1]。

雙球殼型電場傳感器主要以涵蓋內(nèi)、外球殼和填充介質(zhì)。A、B為兩個半金屬球殼，半徑均在r1，C是完整金屬球殼，半徑在r2，D屬于填充介質(zhì)。那么在進(jìn)行制作的過程之中，要預(yù)先將內(nèi)球殼C放置到兩個半金屬球殼A與B之間，然后添加環(huán)氧樹脂將兩個半球殼壓在一起便可以形成一個完整的球殼，那么為了確保A、B可以形成一個完整的外球殼，便運(yùn)用導(dǎo)電銀漆針對所銜接的縫隙實(shí)施密封。內(nèi)外球殼的厚度在0.5mm。傳感器的輸出信號屬于內(nèi)外球殼電勢差UAB，為了降低空間電場針對輸出信號方面的影響，運(yùn)用屏蔽線來提取所輸出的信號，并通過屏蔽線的屏蔽層和后續(xù)處理電路來進(jìn)行共地處理。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙球殼型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器等效電路分析

空間電場會在傳感器內(nèi)外極板之上出現(xiàn)電勢差，那么在測量該電勢差的時候便可以計算出空間電場的強(qiáng)度。事實(shí)上，受傳感器所固有的電容和引出線因素的影響，無法直接性的將傳感器所輸出的電壓測量出來，因此要計算分析傳感器的參數(shù)。傳感器探頭主要涵蓋傳感器與引出線。

3 帶電作業(yè)人員造成電場畸變因素分析

和之前相對傳統(tǒng)的電場測量儀對比之下，可穿戴式電場測量系統(tǒng)預(yù)先通過工作人員佩戴之后再予以測量。處在電場之中的帶電工作人員，會改善電場的原先分布。其主要因素有以下幾點(diǎn)：一是人體在靜電場之中可以當(dāng)做導(dǎo)體，從理論層面之上來分析電場線處在和人體表面展現(xiàn)出垂直角度，且人體內(nèi)部電場強(qiáng)度是零。然而引發(fā)人體電場畸變的主要因素為各部位的曲率不一，曲率過小的部位便會聚集大量電荷，導(dǎo)致空間電場發(fā)生畸變的情況。研究發(fā)現(xiàn)，不同人體所引發(fā)電場畸變的部位不一，唯有電場畸變的大小會因人而異[2]。

二是安全帽是絕緣體，電場線在碰到高阻抗土體的時候就會出現(xiàn)“排斥”電場的情況，這對于原先電場出現(xiàn)下降而使得電場發(fā)生畸變，那么要以軟件補(bǔ)償?shù)姆绞絹斫鉀Q畸變。

三是在電力作業(yè)的時候，人體的高度、體寬所造成電場畸變不一，身高對豎直方向的電場會出現(xiàn)畸變，體寬則會對水平方向的電場出現(xiàn)畸變。

四是電場傳感器的邊緣效應(yīng)會導(dǎo)致測量信號出現(xiàn)畸變，使得傳感單元檢測的建廠數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，因此要以硬件處理的方式在確保感應(yīng)電荷量充裕的基礎(chǔ)上來弱化邊緣效應(yīng)。

4 可穿戴智能預(yù)警頭盔的設(shè)計分析

4.1 非正交內(nèi)襯的設(shè)計分析

為了達(dá)到預(yù)警裝置的方便快捷性，在通過全方位分析之后，作業(yè)人員的頭部在強(qiáng)電場的時候容易發(fā)生麻痹的現(xiàn)象，在接近帶電體的時候，諸多工況之下，頭部相對其他身體部位離帶電體更接近，所以要將預(yù)警裝置鑲嵌到作業(yè)人員智能預(yù)警頭盔的內(nèi)部[3]。通過預(yù)警裝置嵌入到安全頭盔內(nèi)部，首先設(shè)計一個內(nèi)襯來裝設(shè)預(yù)警設(shè)備，隨即再將其嵌入到安全頭盔之中，結(jié)合安全頭盔的具體形態(tài)，內(nèi)襯的設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 內(nèi)襯模型

內(nèi)襯模型在設(shè)計中涵蓋主控板座、電池座、線槽、傳感器槽1、下載端子槽、傳感器槽2、傳感器槽3。安全頭盔內(nèi)襯中，主控板座主要運(yùn)用在安裝主控板之上，電池座運(yùn)用在安裝電池，線槽運(yùn)用在連接排線的布置，傳感器槽1、傳感器槽2、傳感器槽3則分別是運(yùn)用在安裝傳感器1、傳感器2、傳感器3。為了將各模塊安裝在內(nèi)襯之上，并且為減少輸電環(huán)境下電磁場感染到主控板，由此在處理數(shù)據(jù)的時候而引發(fā)相對較大的誤差、元器件工作不穩(wěn)定等情況，在主控板上部添加一個屏蔽罩，便可較好預(yù)防上述問題[4]。

連接排線主要是將傳感器1、傳感器2、傳感器3、下載端子分別和主控板進(jìn)行連接，電池以兩級導(dǎo)線和主控板來進(jìn)行連接，其主要功能表現(xiàn)在可以為主控板提供充裕的電能，傳感器1、傳感器2、傳感器3實(shí)則就是用來采各放線的電場值。下載端子主要是針對電池實(shí)施充電，且更新主控板的程序，在下載端子之上還會有一個開關(guān)，以開關(guān)來控制主控板、傳感器1、傳感器2、傳感器3等模塊的工作狀態(tài)。主控板實(shí)則是以連接線接收傳感器1、傳感器2、傳感器3所采集到的電場值，以主控板內(nèi)部的MCU處理器來分析處理所采集到的數(shù)據(jù)。

結(jié)合二維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，來提出單位非正交分層的傳感器布局結(jié)構(gòu)，以上述3個傳感器空間部位來進(jìn)行鏡像對稱布局，通過權(quán)重自適應(yīng)的電場強(qiáng)度合成技術(shù)，達(dá)到電場增強(qiáng)方向的快速檢測，降低運(yùn)動過程中電場畸變對于測量結(jié)果的影響情況。具體見圖3所示。

圖3 三維非正交分層的傳感器布局結(jié)構(gòu)

4.2 多矢量傳感器的融合分析

為降低電力作業(yè)工況之下電場強(qiáng)度所出現(xiàn)的測量誤差、降低測量過程中由于未知干擾源所引發(fā)的單個傳感器測量的電場值所引發(fā)的畸變，由此來進(jìn)一步提升電場強(qiáng)度測量的安全可靠性，本文對傳感器非正交、分層、多維的布局構(gòu)建全面化的電廠融合模型。

4.3 測量系統(tǒng)總體設(shè)計

智能預(yù)警頭盔的功能主要集中在檢測電力系統(tǒng)的空間電場，以檢測空間電場數(shù)據(jù)來聯(lián)合人體姿態(tài)等信息，來達(dá)到作業(yè)人員的驗(yàn)電作用，為了達(dá)到精準(zhǔn)化驗(yàn)電階段實(shí)施電場畸變來避免和解決人體抖動出現(xiàn)的電場測量不精準(zhǔn)的情況。在這之中，驗(yàn)電傳感器的設(shè)計，其是運(yùn)用造提取空間電場的信號，然而因檢測電場所出現(xiàn)的畸變，由此引發(fā)驗(yàn)電時無法將安全預(yù)警作用優(yōu)勢發(fā)揮出來。

聯(lián)合智能作業(yè)、安全預(yù)警和可穿戴方式，在確保功能的基礎(chǔ)上考慮整個系統(tǒng)功耗、質(zhì)量與體積等問題。但是可穿戴式電場測量系統(tǒng)要依照作業(yè)規(guī)律來予以設(shè)計，不得新加入輔助設(shè)備而干擾到電力規(guī)范行為，另外要求系統(tǒng)的集成度要嚴(yán)格，不得分離設(shè)計、組裝。尤其針對電力方面的應(yīng)用，要針對系統(tǒng)的感染力、電磁兼容重復(fù)設(shè)計來達(dá)到強(qiáng)電磁場的環(huán)境[5]。

4.4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

因?yàn)殡妶霾杉耸且粋€電容傳感器，信號采集單元以微弱電流信號更換成電壓信號。設(shè)計信號處理電路的時候，通過濾波電路來控制環(huán)境之中的高頻分量。因?yàn)樗斎氲男盘柺菍儆谑治⑷醯慕涣餍⌒盘?，所以在設(shè)計上要通過低噪運(yùn)放實(shí)施前端設(shè)計，通過高信噪比的運(yùn)放當(dāng)作采集單元。

5 可穿戴式電場測量系統(tǒng)試驗(yàn)

5.1 電場測量系統(tǒng)校正試驗(yàn)

該電場測量系統(tǒng)可以通過空間的電場依照比例轉(zhuǎn)化成電壓來予以輸出，為了可以得到傳感器輸出電壓和空間電場之間比例的關(guān)系，要針對電場傳感器實(shí)施校正試驗(yàn)來標(biāo)定傳感器的重要技術(shù)指標(biāo)。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T12720-1991》來針對電場傳感器的標(biāo)定要在一個充裕的已知強(qiáng)度的均勻電場之中來實(shí)施，針對平行板極電的尺寸來進(jìn)行規(guī)范。為了降低傳感器對校準(zhǔn)設(shè)備所產(chǎn)生的影響，平行板之間距離要比電場傳感器側(cè)面尺寸大1.5倍；為了從根本上加大校準(zhǔn)設(shè)備中間均勻電場區(qū)域的范圍，探頭距離上級板或下極板的任何一個邊緣要比板間距大出2倍；為了降低外部設(shè)備對于校準(zhǔn)設(shè)備的干擾度，平行板和地面、校準(zhǔn)人員的間距要比板間距大出2倍，平行板的電壓指示器要放置在校準(zhǔn)設(shè)備外側(cè)并具有屏蔽性。一旦通過上述標(biāo)準(zhǔn)來限制校準(zhǔn)設(shè)備，校準(zhǔn)電場的理論值和實(shí)際值之間的誤差要控制在0.5%以內(nèi)，這要比校準(zhǔn)所需要的高度高很多。本研究傳感器的最大尺寸在25mm（外球殼直徑），結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計算，假使是正方形極板，那么理論層面上極板的邊長最小在175mm。

5.2 電場傳感器性能測試試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之中構(gòu)建單相試驗(yàn)平臺來針對電場測量系統(tǒng)的性能實(shí)施測試。試驗(yàn)平臺的主體主要由導(dǎo)線、導(dǎo)線支架、單相變壓器與單相調(diào)壓器構(gòu)建而成。調(diào)壓器輸入的電壓在220V交流電，輸出0～250V便可以調(diào)節(jié)交流電壓，容量10kVA；升壓變壓器變比為200∶1，容量10kVA。通過升壓變壓器施加導(dǎo)線之上的電壓是0～50kV來調(diào)節(jié)交流電壓。

導(dǎo)線在空間之中會出現(xiàn)電場，（a）、（b）分別是通過EFA-300與自制可穿戴式電場測量系統(tǒng)來實(shí)施電場測量。EFA-300是一款由德國Narda公司所生產(chǎn)的適宜應(yīng)用在工作環(huán)境與公共環(huán)境的電磁場測量儀，電場測量范圍在0.1～200kV/m，測量寬帶在5～1kHz。因此，本文認(rèn)為EFA-300的測量結(jié)果是空間原電場值，主要是用來自制可穿戴式電場測量系統(tǒng)的性能實(shí)施測試。

5.3 三相輸電線試驗(yàn)

在單相輸電線路來模擬平臺主要是為了以試驗(yàn)驗(yàn)證該測量系統(tǒng)在可穿戴式電場測量之中的測量成效，隨即構(gòu)建三相試驗(yàn)平臺。該試驗(yàn)平臺的主體是通過示波器、高壓探頭、支架、三相線路、三相升壓變壓器以及三相調(diào)壓器組建而成。

一是三相調(diào)壓器，輸入的是380V三相電壓，輸出的是0～400V三相電壓。二是三相升壓變壓器變比在1∶50，所以在三相線路上來施加線電壓，并將其控制在0～20kV。三是三相線路由三根銅棒組建而成，通過木制支架來予以支撐。四是高壓探頭，為了預(yù)防調(diào)壓器的示數(shù)誤差，所以要應(yīng)用高壓探頭來直接性的監(jiān)測電壓，高壓探頭變比在1000∶1。五是示波器，主要是用來檢測高壓探頭輸出電壓。六是木制支架分成兩檔，可以將線路的高度設(shè)置在2m或是2.5m，所以結(jié)合不同的具體情況，來設(shè)置三相輸電線路水平排列、正三角排列或者是倒三角排列。七是EFA-300電場測量探頭。八是EFA-300電場測量操作儀所應(yīng)用光纖和探頭來傳輸數(shù)據(jù)。

測量儀精準(zhǔn)化驗(yàn)證為了具體研究并評估人體對于穿戴式電場測量系統(tǒng)方面的影響，來選擇距離輸電線路中部水平距離2.5m的一點(diǎn)來當(dāng)做測量點(diǎn)，運(yùn)用EFA-300與可穿戴式電場測量系統(tǒng)來分別針對電場實(shí)施測量。

在三相繁雜的電場環(huán)境之中，自制電場測量系統(tǒng)與商用電場測量儀測量結(jié)果基本一致，意味著自制測量系統(tǒng)的測量精準(zhǔn)性相對較高。

5.4 穿戴式測量試驗(yàn)

選擇輸電線路中部水平間距2.5m的一點(diǎn)來當(dāng)做測量點(diǎn)，來分別運(yùn)用EFA-300與可穿戴式電場測量系統(tǒng)實(shí)施穿戴式試驗(yàn)。

在進(jìn)行穿戴式測量過程之中，EFA-300的示數(shù)也會變得愈發(fā)不穩(wěn)定，難以實(shí)施精準(zhǔn)化測量。但是自制測量系統(tǒng)的測量結(jié)果相對穩(wěn)定，和空間原電場值展現(xiàn)出正比的關(guān)系，原因是以軟件設(shè)計來校正測量結(jié)果。

6 結(jié)語

目前，針對電力系統(tǒng)工作人員實(shí)施安全預(yù)警所引發(fā)的問題，本文所提出建立在可穿戴式電場測量的安全預(yù)警裝置，由此來設(shè)計出一款可以適宜應(yīng)用在可穿戴式電場測量的新型結(jié)構(gòu)的傳感器，以仿真和試驗(yàn)研究出可穿戴式電場測量之中人體針對電場的影響，并一一驗(yàn)證可穿戴式電廠測量系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，以此來更好的為電力系統(tǒng)工作人員的安全防護(hù)問題提供新型安全解決方案。