摘要：针对输电线路防外力破坏实用化问题，设计了输电线路防外力破坏预警系统。介绍了检测装置和报警装置的硬件和软件设计流程，并介绍了后台管理系统和监控APP。通过对110kV和220kV输电线路进行现场试验验证，该系统运行良好，能够对输电线路的外力破坏进行预警。
关键词：电力系统；防外力破坏；电场传感器；输电线路；预警系统；
前沿
在输电线路附近施工的大型机械设备容易出现误碰输电线路引起导线断裂，造成电力事故和人员伤亡，给输电线路的安全运行带来巨大压力。目前，电力企业一般采用人工巡检、人员驻守等方式防止输电线路遭受外力破坏。视频监控技术受监控范围和有效性的限制，对环境因素要求高，而且不具有安全警示和风险预警的功能。本文结合输电线路防外力破坏的现状和实际需求，研究高压输电线路附近空间电场的关键特征量和分布规律，建立基于电场测量传感器的动态距离计算模型，实时计算大型机械设备吊臂距离高压输电线的距离，实现输电线线路防外力破坏的实时预警，在智能检测、智能预警和远程监控等方面有重要创新，研发的预警系统在某供电公司进行了户外现场测试试验。
1输电线路防外力破坏预警技术及实现
输电线路防外力破坏预警系统主要面临两方面的问题：一方面，大型机械设备在施工时具有位置不固定的特点，需要预警系统能够有效判断出吊臂距离输电线的距离；另一方面，由于施工场地距离电力部门监控中心较远，当出现危险预警时需要现场作业员和电力企业均能查看预警信息，需要实现远程监控和智能预警。基于上述问题研发了输电线路防外力破坏预警系统，包括智能检测、智能预警和远程监控等关键技术，其中智能检测解决了大型机械设备吊臂距离输电线的距离问题，智能预警实现了本地预警和远程报警，远程监控实现了对施工现场设备的远程监控。下面从输电线路防外力破坏预警系统的预警原理和系统组成展开论述。
1.1预警原理
输电线路防外力破坏预警系统的基本原理是通过检查架空输电线路在空间产生的电场强度，通过算法计算出测量点与导线之间的距离。相对于入侵的物体，运行中的输电线路中的任意一相可以看成无线长直导线。架空输电线路的工频电场是一种准静态场，工频电场由电压产生。球形工频电场检测传感器采用球形电容检测感应电压的方法来检测电场，一维球形传感器的结构如图1所示，将一个空心金属球壳切割成两部分，通过绝缘物质将两个半球连接在一起，并在两个半球中间并联一个测量电容，两个半球分别构成了传感器的两个电极。对球形电容传感器进行电路分析，球形电容传感器等效为电压源，测量电容等效为负载。
图1球形电容传感器结构图
1.2系统组成
输电线路防外力破坏预警系统包括检测装置、报警装置、后台管理系统和监控APP。系统的总体架构框图如图3所示。
检测装置安装在大型机械设备吊臂的顶端，报警装置安装在操作室内，通过低功耗无线射频进行数据交互，检测装置和报警装置具有体积小、重量轻、功耗低和安装方便的特点。检测装置获取大型机械设备的机械臂顶端的电场数据，并通过算法计算出检测装置距离输电线的距离，通过低功耗无线射频将距离数据发送到报警装置，报警装置对距离数据进行处理分析，根据检测装置距离输电线路的距离范围进行不同等级的声光报警，提醒作业人员注意设备的操作。同时通过GPＲS网络将报警信息
图3系统总体架构图
发送到后台服务器。工作人员可以通过后台管理系统进行报警状态查看。监控APP能够接收报警信息的实时推送，便于电力工作人员进行报警定位和采取事故应急预案。
2检测装置与报警装置的设计
检测装置采用模块化设计，总体包括电场传感器模块、电量检测模块、ＲF433射频模块、电池模块和MSP430单片机模块等。球形电场传感器采集的电场模拟信号经过MSP430单片机的模数转换（ADC）成数字信号［15－17］，并通过单片机内部运行的算法将电场数据转为距离数据；通过ＲF433射频模块将距离数据发送给报警装置；电量检测模块用于检测电池的电量信息，当电池的电量低于设定阈值后能够进行低电量报警；ＲF433射频模块用于检测装置和报警装置的无线连接，采用无线传输的方式便于装置的安装，使得装置的体积更小、功耗更低；气压传感器用于获取检测装置的当前海拔值；电池用于为检测装置提供电能；MSP430单片机具有超低功耗，用于检测装置的AD采样和数据处理。
ＲF433射频模块选择TI公司的CC1101芯片，具有超低功耗和价格低廉的特点［18］，其部分电路原理图如图4所示。
图4ＲF433射频通信电路
检测装置选用超低功耗的电子元器件，增加检测装置的使用时长，本文设计的检测装置的电池电量能够使用两年以上。由于检测装置安装在大型机械设备的吊臂前端，应选择具有良好的抗振动、防水、防老化、耐高温和便于安装的外壳结构。
3后台管理系统与监控APP
3.1后台管理系统
监控APP软件的主要功能包括：当安装输电线路防外力破坏报警系统的大型机械设备在施工时，吊臂顶端距离输电线路的距离小于安全距离，监控APP能够接收到服务器推送的报警信息，同时能够获取工程车辆的位置信息，便于电力运维人员及时采取措施。监控APP能够查看工程车辆的运行轨迹，便于对工程车辆进行统一管理。
3.2试验验证
对输电线路防外力破坏预警系统进行试验验证，在无锡某条110kV输电线路和某条220kV输电线路进行了现场测试试验。将检测装置安装在输电线路附近施工吊车的吊臂顶端，报警装置安装在作业室内，当安装检测装置的吊臂顶端与输电线的距离小于设定阈值时，报警装置实行本地声光报警，同时监控APP能够显示检测装置处于危险环境中；当距离大于设定阈值时，报警装置不进行声光报警，监控APP显示检测装置处于安全状态，同时通过后台管理系统能够查看到上述的状态。试验表明，输电线路防外力破坏预警系统能够满足不同电压等级下不同安全距离的外力入侵危险预警。测试结果满足实际工程需求，能够实现输电线路输电线路附近大型机械设备施工车辆的防外力破坏预警工作的需求。
结束语
本文结合电力企业对输电线路防外力破坏的实际需求及实践经验，将电场检测传感器应用到输电线路的防外力破坏预警中，研究了基于电场传感器的输电线路新型防外力破坏技术，开发输电线路防外力破坏预警系统。将检测装置安装在大型机械设备的吊臂顶端，报警装置安装在操作室内，同时通过后台管理系统能够查看设备的状态数据，便于电力运维人员查看报警信息。本系统提高了吊车等大型机械设备对输电线路外力破坏的实时监控效率，保障了输电线路下方施工的大型机械设备、人员安全，避免安全事故的发生，同时提高了电力部门的工作效率，提高供电可靠性，对电网的安全稳定运行具有重要意义。
参考文献：
［1］陆佳政，周特军，吴传平，等．某省级电网220kV及以上输电线路故障统计与分析［J］．高电压技术，2016，42（1）：200－207．
［2］杨振伟，易伟，陈键．输电线路外力破坏故障的分析与防治［J］．吉林电力，2015，43（5）：48－50．
［3］李洪兵，王灿，陈世勇，等．输电线路防外力破坏预警系统的设计与实现［J］．测控技术，2015，34（6）：142－145．
［4］杨帆，余艺种，叶富彬．高压输电线视频智能处理防外力破坏方法［J］．四川电力技术，2015，1（38）：22－24
论文作者:胡安康
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/29
标签：外力论文; 线路论文; 电场论文; 装置论文; 距离论文; 吊臂论文; 输电线论文; 《基层建设》2019年第4期论文;