输电线路检修现场三维安全距离预警系统*

王 麒，殷 铭，杨富磊，张松刚，何正浩

（1.国网河南省电力公司郑州供电公司，郑州 450000；2.华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）

0 引言

电力运维和检修是保证电网系统安全运行的重要环节。近年来，由于机械与高压输电线路相触碰或距离过近而引起的跳闸触电事故时有发生[1]，此类事故可能造成大面积停电、人身伤亡和设备损坏，严重威胁电网的安全运行。

此类问题的传统解决方式包括树立安全警示牌、设置竹排保护屏障、提高操作人员安全意识等[2]。在输电线路检修现场，对于线路是否带电、施工机械是否进入高场强区均没有相应提示，而现有的近电报警装置往往存在报警判据单一、难以应对复杂电磁环境、监测范围小、不适用大型机械等问题。由于电力电缆反射面积小、反光能力低，导致距离传感器对电缆识别的难度大，同时距离传感器测量角度较窄，限制了距离报警的可靠性；现有的一维电场传感器又存在一定缺陷，当测量方向电场较弱，而垂直于测量方向的电场分量已经达到危险范围时，传感器难以识别。因此，以电场或距离作为单一报警判据时，可能产生报警系统漏判现象。

针对上述问题，本文设计了一种以距离过限、电场过限作为综合判据的安全距离预警系统；为同时测量各方向的电场强度，设计三维电场传感器，分析传感器的测量原理与测量精度；考虑施工器械吊臂引起的电场畸变，设置不同电压等级的电场报警阈值，最后进行系统整体设计和现场实验测试，验证其预警准确性与可靠性。

1 传感器设计计算

测量电场强度最常用的是悬浮体型传感器。其中，平行板型传感器测量误差不足2%，与最精密的球型传感器精确度非常接近[3]，且制作简单，可以很好地满足工程应用需求，因此本系统采用三维平行板型传感器测量电场。

传感器由X、Y、Z方向的三对测量极板及中间的绝缘材料组成，为正方体结构。极板为边长6 cm的正方形薄铜片，导电性能良好。极板间的绝缘材料采用绝缘隔热的环氧树脂，加工成边长7 cm的正方体，6个铜极板分别粘在正方体6个面上，并保证各个极板的电气独立性。

与一维平行板传感器不同的是，三维传感器不仅在相对极板间存在电容，相邻极板间也存在电容。因此，每对极板间的电压会受到另外两个方向的电场影响。为确定极板间感应电压与空间电场的关系，需要计算极板间的自电容与互电容。

以下极板为零电位参考点，首先考虑上极板Z单独作用的情况。设上极板电势为φ0，其他极板电势为0，则传感器内部电势φ的分离变量形式的试探解为：

代入边界条件，由于拉普拉斯方程为线性方程，可利用叠加定理，将所有特解相加，解得传感器内部电势φ可表示为式（3）所示形式：

式中：m、n为奇数；d为每对平行板间的距离。

根据电场强度与电势的关系，可由式（4）求得自电容与互电容，即：

式中：ε1为极板间绝缘介质的介电常数；C0、C1分别为每对极板间的自电容与互电容。

分析传感器感应电压与空间电场的关系。由于极板间相互绝缘，各极板内外表面应分布等量反向的电荷，且在空间内形成对称的电场分布。由此可知，极板外表面电场由本身电荷作用产生，而内表面电场则由极板本身电荷与相邻极板内侧电荷叠加作用产生。

以上极板Z为例，首先考虑空间电场E只存在垂直方向的分量E的情况。根据高斯定理可得上极板Z外表面电荷量QZout为：

式中：σZout为上极板Z外表面电荷密度；ε0为空气介电常数。

上极板内表面电荷量满足如下关系：

考虑空间电场分量EX、EY作用，由式（5）、式（6）、式（9）可知极板电势φ在自身、对极板以及相邻极板的内表面感应的电荷量。以上极板与下极板为例，其内表面电荷量满足：

根据对称性，其他极板电荷量与电势的关系均可表示。由于极板内外电荷大小相等，方向相反，结合式（7），可最终得到传感器周围电场强度E与极板感应电压UX、UY、UZ的关系，即：

由此，可以通过测量三对极板之间的感应电压，得到传感器所处位置的电场强度。

2 传感器测量精度分析

为验证所设计三维电场传感器的测量精度以及传感器引起的电场畸变程度，按照试验标准要求[4]，模仿高电压施工现场搭建输电线路电场测量电路，如图1所示。其中，L为模拟输电线路的金属棒；M为模拟施工器械吊臂的竖直接地钢材；调压器T0的调压范围为0～250 V，额定容量为5 kVA；变压器T的变比为250，额定变容量为6 kVA。将RJ-5工频电场仪置于三维电场传感器同一位置，测量电场强度进行对比。RJ-5工频电场仪量程为1～20 kV/m；频率范围为30～2 000 Hz；测量误差为i 1.5 dB。

图1 传感器测量精度对比实验平台电路

调整调压器T0，改变金属棒L两端工频电压，由数字高压表读出电压U，在1～10 kV均匀取值10次。用三维电场传感器与RJ-5工频电场仪分别测量，记录相同电压下所测电场强度。同时通过仿真分别计算该位置有无传感器存在时的电场强度进行对比。结果如表1所示。

表1 电场理论计算值与实验测量值

对比无传感器存在时的原始电场与有传感器存在时的畸变电场可知，传感器造成的电场畸变小于0.5%，对原电场影响可近似忽略。三维传感器电场测量值与理论电场以及工频电场仪的测量结果基本一致，误差在5%以内。由此可以判定三维电场传感器所测电场基本准确，满足应用要求。

3 报警阈值设定

根据统计，大多数施工触电事故发生在220 kV及以下的输电线路，因此系统主要设计35 kV、110 kV、220 kV 3个电压等级。国家标准[5]规定，35 kV、110 kV、220 kV输电线路的最小安全距离分别为4.0 m、5.0 m、6.0 m。将此距离作为系统一级距离报警阈值，同时各增加1 m作为二级报警阈值。分级报警的设置可留给操作人员足够的反应时间和安全裕度。

针对3种电压等级输电线路的单回路和双回路典型排布方式，利用Maxwell进行电磁场有限元仿真。由于输电线路周围电场分布的一般规律为距输电线路越远，电场强度越弱[6-8]，因此计算安全距离阈值处的电场强度，即可作为电场报警阈值。

35 kV输电线路单回路计算模型采用上字型直线塔，相线选用LGJ-185，架空地线选用GJ-50。根据安全距离报警阈值，在模型中选取4个测点，其中P1、P2距离输电线路4 m，P3、P4距离输电线路5 m。模型尺寸与测点位置如图2所示。

图2 35 kV单回线输电线路示意图

图3 35 kV单回线输电线路各测点电场强度

实际应用时，电场传感器固定在接近吊臂顶端位置。吊臂的存在会对其附近电场围产生影响。为研究吊臂对电场的影响，分别计算无吊臂存在，吊臂与地面呈45h、90h时的电场分布。吊臂用截面40 cm 50 cm的接地金属杆代替，使吊臂与各测点等高，且顶端距离测点15 cm。不同工况下待测点的电场强度如图3所示。

从仿真结果可知，吊臂的存在会使其附近的电场强度成倍增加，最大差距可达3.5倍。故模拟计算电场阈值时需在测点附近加入吊臂模型，才能准确反映现场情况。同时，吊臂的角度变化对电场影响较小，因而计算时可取吊臂与地面呈45h、90h的典型情况进行研究。

以同样的方式对35 kV、110 kV、220 kV电压等级的单、双回线输电线路进行仿真计算，取最小电场值计算结果作为电场报警阈值，结果如表2所示。

表2 电场报警阈值设定

4 系统整体设计

所设计的安全距离预警系统分为位于作业机械上的信号采集端和位于操作监控室的远程报警端。系统由核心控制单元、距离测量单元、电场测量单元、信号处理单元、无线传输单元、声光报警单元共同组成。系统的硬件原理框图如图4所示。

图4 安全距离预警系统结构框图

系统的工作流程为：首先选择输电线路电压等级与回路数档位，系统根据输入对应生成不同的报警阈值。机械作业过程中，将三维电场传感器的感应电压处理后送至控制单元，控制单元计算对应的电场强度。同时，多个距离传感器全方位测量施工器械与输电线路间的距离，输入控制单元。控制单元将电场与距离值分别和两级报警阈值相比较，判断达到报警阈值后，经过无线传输传送到接收端，接收端启动分级对应的声光报警提示。当电场与距离报警等级不同时，为最大限度保证安全，采用较高等级作为最终报警等级。

5 现场实验测试

为郑州某变电站施工现场的起重器械安装本预警系统，测试系统可靠性。将信号采集端安装于吊臂顶端，信号接收端置于吊臂操作室内。针对35 kV、110 kV、220 kV输电线路，操纵吊臂以不同角度从上端、下端、外侧分别接近输电线路，各进行30次实验，记录各级报警发生时吊臂顶端与输电线路的距离。各级报警距离最大、最小值如表3所示。

表3 系统最小报警距离

现场实验结果表明，预警系统报警距离最小值均大于安全距离，且最大距离与安全阈值误差小于4%。本文设计的三维安全预警系统可以实现在规定施工器械进入最小安全距离之前及时预警，且预警距离准确，能够满足设计要求。

6 结束语

本文为了解决检修机械过于接近高压输电线路引发的安全问题，设计了一种三维安全距离预警系统，得出以下结论。

（1）三维电场传感器可测量各方向电场，消除电场预警盲区，传感器测量误差在5%以内。

（2）研究电场报警阈值，计算输电线路周围电场时，机械吊臂对电场的影响不可忽略，吊臂存在时，电场可增强至原电场的3.5倍。

（3）经实验验证，本文系统可实现多电压等级输电线路检修现场的及时可靠预警，可提高施工器械的作业安全性。