CN107576858B - 一种施工机械带电作业电磁环境报警装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施工机械带电作业电磁环境报警装置，包括检测组件、执行组件和PCB控制板；所述检测组件包括电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元；所述执行组件包括电动云台和报警设备；使用方法的步骤如下，S1，采集施工机械所处环境的实时信息；S2，保持安装箱始终与地面平行；S3，计算第一重报警指标；S4，计算第二重报警指标；S5，设置双重声光报警。本发明采用双重化保护报警机制，任意一重保护失效时，另一重能够保证出现数据越线情况时能及时触发声光报警系统，大大提高了作业人员和施工机械作业环境的安全性。采用激光测距方法，使得其具备夜间作业能力。电动云台保证该装置时刻与地面保持水平，在较为恶劣的地形环境中依旧能够正常工作。

Description

一种施工机械带电作业电磁环境报警装置及使用方法

技术领域

本发明属于电力系统高压架空输电线路下方带电作业安全距离报警领域，具体涉及一种基于双重化保护的施工机械带电作业电磁环境报警装置及使用方法。

背景技术

目前，带电作业技术因其大幅降低设备停电次数和时间、有效减少检修流程和成本等特点受到大力发展与推行，是提高供电服务质量、降低电网运维经济损失的重要方式。带电作业需要满足以下技术条件：

1、带电作业过程中流经人体的泄漏电流不超过1mA。

2、带电作业过程中人体表面场强不超过240KV/m。

3、带电作业过程中绝缘设备最小有效绝缘长度满足相关规程要求。

4、带电作业过程中施工机械安全距离满足相关规程要求。

当大型施工机械与高压带电设备的间距小于最小安全距离时，极有可能引起线路跳闸事故。吊车碰线导致对输电线路造成外力破坏的情况也时常发生，这不仅使国民经济遭受巨大损失，且严重影响了企业、居民用电的电能质量。这些事故往往是由于作业人员无法实时确认施工机械是否已经进入区域电气最小安全距离所致。

发明内容

本发明要解决的是现有带电作业施工机械在工作时，容易因超过了与高压输电线路安全距离，造成线路短路跳闸或碰线对杆塔、输电线路造成外力破坏，影响供电服务质量，加大电网运行维护的成本，从而提供一种基于双重保护的施工机械带电作业电磁环境报警装置及其使用方法，当施工机械靠近高压输电线路或带电设备时，通过双重化保护声光报警装置提醒工作人员谨慎作业或者停止作业，避免大型施工机械因超过高压输电线路安全距离造成线路短路跳闸和碰线对杆塔、输电线路造成外力破坏，保障带电作业人员人身安全，减少安全事故和经济损失，提高供电服务质量、降低电网运维经济损失。

一种施工机械带电作业电磁环境报警装置，包括检测组件、执行组件和PCB控制板，检测组件和PCB控制板均安装在安装箱内，安装箱安装在执行组件的电动云台上；所述检测组件包括电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元；所述执行组件包括电动云台和报警设备；电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元分别与PCB控制板的输入端连接，电动云台的执行电机和报警设备分别与PCB控制板的输出端连接，且电动云台安装在安装支架上。

所述电场测量单元包括电场测量模块和平行板电容传感器，平行板电容传感器安装在安装箱外并将检测信号传输至电场测量模块内，电场测量模块将检测信号传输至PCB控制板上。

所述电场测量模块采用的芯片型号为STM32L486RGT6。

所述间距测量单元包括激光测距模块和测距传感解码模块，所述激光测距模块包括激光发生器和激光接收器，激光发生器与PCB控制板的输出端连接，激光接收器接收激光发生器的信号并传输至测距传感解码模块内，测距传感解码模块将解码后的信息传输至PCB控制板内。

所述倾角测量单元包括倾角传感器模块，倾角传感器模块将检测信号传输至PCB控制板，PCB控制板处理后控制电动云台动作。

所述倾角传感器模块的型号为SXZ126T。

所述安装支架包括底板，底板相邻两侧分别安装有挡板，挡板上端设置有挂钩，挂钩挂设在用电设备上。

一种施工机械带电作业电磁环境报警装置的使用方法，步骤如下，S1，采集施工机械所处环境的实时信息；所述实时信息包括施工机械输出环境的电场强度、施工机械与高压架空输电线路边缘间距和施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角。

S1.1，计算施工机械输出环境的电场强度E(t)，计算公式为：

其中，U(t)为平行板电容传感器上所产生的瞬时电压，k为比例系数，C为平行板电容传感器的电容。

S1.2，计算施工机械与高压架空输电线路边缘间距S，计算公式为：

其中，为激光发生器发射组波与接收反射波的相位差，为光尺。

S1.3，倾角传感器模块采用电容微型摆锤法测量施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角θ。

S2，PCB控制板控制电动云台保持安装箱始终与地面平行。

S3，计算第一重报警指标，所述第一重报警指标为高压架空输电线路下方安全距离；输电线路下方安全距离的计算结合带电作业人员与高压设备间最小安全距离和带电作业施工机械与高压架空输电线路边缘线间最小安全距离。

S4，计算第二重报警指标，所述第二重报警指标为高压架空输电线路下方电场强度

S4.1，用无限长直平行导线等效实际输电线路，设定模拟电荷τ存在于输电线路中心位置，且模拟电荷τ满足以下矩阵方程：

其中，u_i为输电线路对地电压，α_ij为电位系数，包括自电位系数和互电位系数，可由镜像法求得。

S4.2，计算单根导线m作用于空间任意一点P(x,y)所产生的场强E_m，计算公式为：

其中，s_m为导线m距点P(x,y)的距离。

S4.3，将大地电位视为零电位，则根据步骤S4.2得到：

其中，s′_m为导线m以大地为镜面的镜像点m′距点P(x,y)的距离。

S4.4，根据步骤S4.3按照叠加原理，计算多个导线对于空间任意一点的合成场强，计算公式为：

其中，E_xm为高压架空输电线路下方合成电场强度水平分量，E_ym为高压架空输电线路下方合成电场强度垂直分量，为水平方向矢量，为垂直方向矢量；

S5，设置双重声光报警。

第一重声光报警是依据激光测距模块传回的检测数据，判断检测数据是否超过第一重报警阈值，若超过则报警；第二重声光报警是依据电场测量单元传回的检测数据，判断检测数据是否越过第二重报警阈值，若越线则触发报警。

本发明采用双重化保护报警机制，任意一重保护失效时，另一重能够保证出现数据越线情况时能及时触发声光报警系统，大大提高了作业人员和施工机械作业环境的安全性。采用激光测距方法，使得其具备夜间作业能力。电动云台保证该装置时刻与地面保持水平，在较为恶劣的地形环境中依旧能够正常工作。且本发明结构精致简洁，可以灵活接入各类现场施工车辆，具有较高的普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置中安装支架的结构示意图。

图3为本发明装置中安装箱的结构示意图。

图4为本发明使用方法的流程图。

图5为500kV单回三相VVV水平排列输电线路下方电场分布情况。

图6为500kV单回三相VVV三角排列输电线路下方电场分布情况。

图7为仿真计算和现场测量结果对比分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图1-3所示，一种施工机械带电作业电磁环境报警装置，包括检测组件、执行组件和PCB控制板6，检测组件和PCB控制板6均安装在安装箱3内，安装箱3安装在执行组件的电动云台2上。所述检测组件包括电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元。所述执行组件包括电动云台2和报警设备；电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元分别与PCB控制板6的输入端连接，电动云台2的执行电机和报警设备分别与PCB控制板6的输出端连接，且电动云台2安装在安装支架1上。所述安装支架1包括底板，底板相邻两侧分别安装有挡板，挡板上端设置有挂钩，挂钩挂设在用电设备上。PCB控制板6集中有通讯接口和电源接口，并提供1.5²电源三芯线接口和1.0²通讯两芯线接口。

具体地，所述电场测量单元包括电场测量模块7和平行板电容传感器9，所述电场测量模块7采用的芯片型号为STM32L486RGT6。平行板电容传感器9安装在安装箱3外并将检测信号传输至电场测量模块7内，电场测量模块7将检测信号传输至PCB控制板6上。电场测量模块7使用电源DC5V，通讯接口为RS-485总线。

所述间距测量单元包括激光测距模块4和测距传感解码模块5，所述激光测距模块4包括激光发生器和激光接收器，使用电源DC12V，通讯接口为RS-485总线。激光发生器与PCB控制板6的输出端连接，激光接收器接收激光发生器的信号并传输至测距传感解码模块5内，测距传感解码模块5将解码后的信息传输至PCB控制板6内。

所述倾角测量单元包括倾角传感器模块8，所述倾角传感器模块8的型号为SXZ126T。倾角传感器模块8使用电源DC12V，串行通讯接口为RS-232-C。倾角传感器模块8将检测信号传输至PCB控制板6，PCB控制板6处理后控制电动云台2动作。

实施例2：一种施工机械带电作业电磁环境报警装置的使用方法，步骤如下，S1，采集施工机械所处环境的实时信息；所述实时信息包括施工机械输出环境的电场强度、施工机械与高压架空输电线路边缘间距和施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角。

S1.1，计算施工机械输出环境的电场强度E(t)，计算公式为：

其中，U(t)为平行板电容传感器9上所产生的瞬时电压，k为比例系数，C为平行板电容传感器9的电容。

具体地，采用平行板电容传感器9作为场强传感器，在工频交变电场环境中，平行板电容传感器的金属极板上会产生交变的感应电荷：Q(t)＝∫σ_S(t)dS。其中，σ_S为极板面电荷密度，S为平行板电容传感器的金属极板面积。

平行板电容传感器的金属极板表面感应电荷Q(t)与周围场强E(t)成正比例关系：Q(t)＝kE(t)。

感应电荷Q(t)作用在平行板电容传感器的金属极板上所产生的瞬时电压U(t)与极板电容C的关系为：

综合上述函数关系式，可以通过测量平行板电容传感器的金属极板上的瞬时电压模拟量计算当前环境下实时电场大小：

S1.2，计算施工机械与高压架空输电线路边缘间距S，计算公式为：

其中，为激光发生器发射组波与接收反射波的相位差，为光尺。

具体地，采用测量时间短、测量范围广的激光测距方法测量带电作业施工机械与输电线路和杆塔等带电设备的距离。测得从激光发生器发射的组波到接收到反射波的时间为：其中，T为调制信号对应的周期，为激光发生器发射组波与接收反射波的相位差。

带电作业施工单位与高压架空输电线路边缘间距为：其中，为光尺。

光尺长度、调制频率和测量精度的关系如表1所示。

表1—光尺长度、调谐频率和测量精度对应关系表

调谐频率	15KHz	15KHz	1.5MHz	15MHz	150MHz
						光尺长度	10000m	1000m	100m	10m	1m
光尺精度	10m	1m	0.1m	0.01m	0.001m

本发明选取调谐频率为1.5MHz，对应的光尺长度为100m，测量精度为0.1m。

S1.3，倾角传感器模块8采用电容微型摆锤法测量施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角θ。

具体地，本发明采用电容微型摆锤法测量施工机械带电作业电磁环境报警装置与地面的相对倾角。摆锤位于左右极板的正中部，由于重力作用，当传感器倾角单元发生倾斜时，摆锤与左、右极板对应电压U₁与U₂相应发生变化，且满足一定关系式：θ＝f(U₁,U₂)。

S2，PCB控制板6控制电动云台2保持安装箱始终与地面平行。由于施工机械带电作业电磁环境报警装置的空间位置会随着施工机械的移动或震动发生改变。为了给装置提供良好稳定的运行环境，测得更为精确的参数结果，设计了基于倾角传感器的自平衡模块。

自平衡模块符合倾斜角、水平仪通用规范：GB/T 191SJ20873-2003；校准标准：JJF1119-2004；电磁干扰试验标准：GB/T17626。

可以在环境温度[-40℃,+85℃]实现±90°倾角的自平衡功能，且测量精度为0.01°。

S3，计算第一重报警指标，所述第一重报警指标为高压架空输电线路下方安全距离；输电线路下方安全距离的计算结合带电作业人员与高压设备间最小安全距离和带电作业施工机械与高压架空输电线路边缘线间最小安全距离。

具体地，输电线路下方安全距离的计算参考了DL409-91《电业安全工作规程》和GB/T19185-2008《交流线路带电作业安全距离计算方法》。考虑了作业人员与带电设备间最小安全距离和大型机械与架空输电线路边缘线间距最小安全距离。

参考GB/T19185-200 8《交流线路带电作业安全距离计算方法》，带电作业人员与高压设备间最小安全距离如表2所示。

表2—带电作业人员与高压设备间最小安全距离

电压等级(kV)	35	66	110	220	330	500
							距离(m)	0.6	0.7	1.0	1.8	2.6	3.6

带电作业施工机械与高压架空输电线路边缘线间最小安全距离如表3所示。

表3—带电作业人员与高压设备间最小安全距离

电压等级(kV)	35	66	110	220	330	500
							垂直方向安全距离(m)	4.0	4.6	5.0	6.0	7.0	8.5
水平方向安全距离(m)	3.5	3.8	4.0	6.0	7.0	8.5

S4，计算第二重报警指标，所述第二重报警指标为高压架空输电线路下方电场强度

采用镜像模拟电荷法对高压架空输电线路下方电场强度进行计算。我国工频输电线路为f＝50Hz，波长为λ＝6000km，波长远大于高压架空输电线路长度。

S4.1，用无限长直平行导线等效实际输电线路，设定模拟电荷τ存在于输电线路中心位置，且模拟电荷τ满足以下矩阵方程：

其中，u_i为输电线路对地电压，α_ij为电位系数，包括自电位系数和互电位系数，可由镜像法求得。

S4.2，计算单根导线m作用于空间任意一点P(x,y)所产生的场强E_m，计算公式为：

其中，s_m为导线m距点P(x,y)的距离。

S4.3，将大地电位视为零电位，则根据步骤S4.2得到：

其中，s′_m为导线m以大地为镜面的镜像点m′距点P(x,y)的距离。

S4.4，根据步骤S4.3按照叠加原理，计算多个导线对于空间任意一点的合成场强，计算公式为：

其中，E_xm为高压架空输电线路下方合成电场强度水平分量，E_ym为高压架空输电线路下方合成电场强度垂直分量，为水平方向矢量，为垂直方向矢量。

为了验证本算法的正确性，图5为基于镜像模拟电荷法计算500kV单回三相VVV水平排列输电线路下方电场分布情况的仿真结果，图6为基于镜像模拟电荷法计算500kV单回三相VVV三角排列输电线路下方电场分布情况的仿真结果。为了验证装置所用算法准确性，选取某500kV单回架空输电线路进行现场实验测试，图7为仿真结果和现场测量对比分析图。误差分证明了装置所采用的基于镜像模拟电荷法的高压输电线路下方电场强度分布推算算法的有效性和准确性。

S5，设置双重声光报警。

第一重声光报警是依据激光测距模块传回的检测数据，判断检测数据是否超过第一重报警阈值，若超过则报警；第二重声光报警是依据电场测量单元传回的检测数据，判断检测数据是否越过第二重报警阈值，若越线则触发报警。

具体地，第一重保护是基于距离保护的保护机制，即以GB/T19185-200 8《交流线路带电作业安全距离计算方法》为标准，当测距模块传回来的数据超过报警阈值则出发报警。第二重保护是基于电场强度、电压等级和机械与输电线路边缘间距三者对应关系的推算间接保护机制，旨在当第一重保护失效时，第二重保护能够确保出现数据越线情况时能及时出发报警。双重保护机制下，任意一重保护发生越线都要及时出发声光报警，从而保证带电作业人员的人身安全，避免经济损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：包括检测组件、执行组件和PCB控制板(6)，检测组件和PCB控制板(6)均安装在安装箱(3)内，安装箱(3)安装在执行组件的电动云台(2)上；所述检测组件包括电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元；所述执行组件包括电动云台(2)和报警设备；电场测量单元、间距测量单元和倾角测量单元分别与PCB控制板(6)的输入端连接，电动云台(2)的执行电机和报警设备分别与PCB控制板(6)的输出端连接，且电动云台(2)安装在安装支架(1)上。

2.根据权利要求1所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述电场测量单元包括电场测量模块(7)和平行板电容传感器(9)，平行板电容传感器(9)安装在安装箱(3)外并将检测信号传输至电场测量模块(7)内，电场测量模块(7)将检测信号传输至PCB控制板(6)上。

3.根据权利要求2所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述电场测量模块(7)采用的芯片型号为STM32L486RGT6。

4.根据权利要求1所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述间距测量单元包括激光测距模块(4)和测距传感解码模块(5)，所述激光测距模块(4)包括激光发生器和激光接收器，激光发生器与PCB控制板(6)的输出端连接，激光接收器接收激光发生器的信号并传输至测距传感解码模块(5)内，测距传感解码模块(5)将解码后的信息传输至PCB控制板(6)内。

5.根据权利要求1所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述倾角测量单元包括倾角传感器模块(8)，倾角传感器模块(8)将检测信号传输至PCB控制板(6)，PCB控制板(6)处理后控制电动云台(2)动作。

6.根据权利要求5所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述倾角传感器模块(8)的型号为SXZ126T。

7.根据权利要求1所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：所述安装支架(1)包括底板，底板相邻两侧分别安装有挡板，挡板上端设置有挂钩，挂钩挂设在用电设备上。

8.根据权利要求1-7中任一所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置，其特征在于：使用方法的步骤如下，S1，采集施工机械所处环境的实时信息；所述实时信息包括施工机械输出环境的电场强度、施工机械与高压架空输电线路边缘间距和施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角；

S2，PCB控制板(6)控制电动云台(2)保持安装箱始终与地面平行；

S3，计算第一重报警指标，所述第一重报警指标为高压架空输电线路下方安全距离；输电线路下方安全距离的计算结合带电作业人员与高压设备间最小安全距离和带电作业施工机械与高压架空输电线路边缘线间最小安全距离；

S4，计算第二重报警指标，所述第二重报警指标为高压架空输电线路下方电场强度计算公式为：

其中，E_xm为高压架空输电线路下方合成电场强度水平分量，E_ym为高压架空输电线路下方合成电场强度垂直分量，为水平方向矢量，为垂直方向矢量；

S5，设置双重声光报警；

第一重声光报警是依据激光测距模块传回的检测数据，判断检测数据是否超过第一重报警阈值，若超过则报警；第二重声光报警是依据电场测量单元传回的检测数据，判断检测数据是否越过第二重报警阈值，若越线则触发报警。

9.根据权利要求8所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置的使用方法，其特征在于：在步骤S1中，具体步骤为，S1.1，计算施工机械输出环境的电场强度E(t)，计算公式为：

其中，U(t)为平行板电容传感器(9)上所产生的瞬时电压，k为比例系数，C为平行板电容传感器(9)的电容；

S1.2，计算施工机械与高压架空输电线路边缘间距S，计算公式为：

其中，为激光发生器发射组波与接收反射波的相位差，为光尺；

S1.3，倾角传感器模块(8)采用电容微型摆锤法测量施工机械带电作业电磁环境报警装置相对地面的倾角θ。

10.根据权利要求8所述的施工机械带电作业电磁环境报警装置的使用方法，其特征在于：在步骤S4中，具体步骤为，

S4.1，用无限长直平行导线等效实际输电线路，设定模拟电荷τ存在于输电线路中心位置，且模拟电荷τ满足以下矩阵方程：

其中，u_i为输电线路对地电压，α_ij为电位系数，包括自电位系数和互电位系数，可由镜像法求得；

S4.2，计算单根导线m作用于空间任意一点P(x,y)所产生的场强E_m，计算公式为：

其中，s_m为导线m距点P(x,y)的距离；

S4.3，将大地电位视为零电位，则根据步骤S4.2得到：

其中，s′_m为导线m以大地为镜面的镜像点m′距点P(x,y)的距离；

S4.4，根据步骤S4.3按照叠加原理，计算多个导线对于空间任意一点的合成场强，计算公式为：

其中，E_xm为高压架空输电线路下方合成电场强度水平分量，E_ym为高压架空输电线路下方合成电场强度垂直分量，为水平方向矢量，为垂直方向矢量。