一种智能近电报警装置实现原理研究

一种智能近电报警装置实现原理研究

张泽浩1,2，鲍兴川1,2，王鹤1,2，彭林1,2，周强3，

（1．全球能源互联网研究院信息通信研究所江苏南京210003；2．国家电网公司电力通信网络技术实验室中国北京102209；3.江苏电力公司检修分公司苏州运维分部江苏苏州2150004；许继电气股份有限公司河南许昌461001）

摘要：对一种智能近电报警装置的实现原理进行研究。基于对三相10kV输电线路的电场强度及电场特性仿真分析，通过计算模型，对检测原理及方法进行了阐述，最后对此智能近电报警装置的近电报警判据及概要设计思路进行阐述。

关键词：输电线路；电场强度；安全距离；近电报警

0引言

目前架空线路的分布范围广，工作运行环境较复杂，作业人员工作时通常是目测确定安全距离，这样就存在诸多隐患，可能造成触电伤亡事件。虽然已有许多防触电的报警设备，但这些近电报警设备存在许多不足，如功能简单、准确度低及不能计算带电物体距离等，这就要求一种新型近电报警装置来满足工作现场的任务需求，新型近电报警装置具备计算带电设备距离及漏电感应检测功能，一旦靠近带电区域，就会发出报警信号提醒工作人员，防止触电伤亡事故的发生。

1线路场强及电场特性分析

1.1电场强度分析

本文采用国际大电网会议工作组推荐的方法，结合Matlab线路的电场分布情况进行仿真计算，以10KV架空输电线路为例进行仿真，参数设置：水平排列三相导线，间距是1，截面积是240，导线距地面垂直高度6.5。通过仿真得出在距离线路0.5（即离地面垂直高度为6.0）时，合成场强达到2500V/m以上。

根据对高度6.5架空线路的电场强度仿真结果，再结合对高度12、10、8架空线路的电场强度仿真，可以得出以下结论：1）对于不同高度架空线路的电场强度，在距离导线0.5时的合成电场强度都在2500V/m左右；2）对于不同高度的线路，其水平方向的电场强度分布特性基本是一致的，虽然在峰值的大小上存在差异，如高6.5的架空线路在距地面1.5处的最大合成电场强度为75V/m左右，高12m的架空线路在距地面1.5m处的最大合成电场强度为22V/m左右。

1.2电场特性分析

对于电场特性的分析,主要是利用Matlab算出以三相导线中B相为圆心的1.5-5.0m圆环范围内的水平电场强度、垂直电场强度以及合成电场强度，通过对电场强度的分析得出结论：1）合成电场的电场强度随着圆环半径的增大而逐渐减小，且减小是以一定数量级进行递减的；2）在同一半径距离的圆环上合成电场强度的数量级基本相同，变化程度与本圆环半径的合成电场强度相比相对较小；3）在同一半径距离的圆环上，水平电场强度和垂直电场强度随着与水平面夹角的不同，电场强度值变化很大并且没有固定的变化规律。

2确定安全距离

2.1计算模型

对输电线路电场强度进行计算，主要是求解时间、空间上场量的分布变化规律，这属于电磁场正问题的分析求解过程，可以通过麦克斯韦方程组解决相关计算问题。对输电线路而言，线路中电流是产生电磁场的场源，电流具有正弦激励的特性，在正弦激励、近场区的条件下，麦克斯韦方程组可对任何一个电磁场量用复相量进行表示，所以工频环境下的麦克斯韦方程组中的场量和源量都是以相量形式表征的空间坐标的函数，各个相量的模都是对应正弦量的有效值。通过对方程组的求解，可以得到输电线路附近水平电场强度和垂直电场强度。

2.2检测原理及方法

架空输电线路附近的电场具备准静态场特性，与静电场的特性基本相同，唯一的区别是电场强度会随着工频频率的变化而缓慢变化，所以可用静电场代替架空输电线路附近电场进行电场特性的分析。在达到静电平衡时静电场中的导体内任意一点的场强为零，所以导体内部的电荷也达到静电平衡，在导体中沿电场线方向重新分布，而此时工频电场强度仍然随着时间变化而变化，其场强值是按照的余弦函数变化，这也就使得导体表面的电荷随时间的变化而变化。电荷在导体中的变化会产生交变电流，交变电流的大小反应场强的大小，交变电流的频率反应场强变化的频率，因此可以通过感生电流计算场源与导体的位置，进一步可确定带电体与检测体的距离。

具体检测方法：利用一种薄铜片进行检测，把薄铜片放在变化的电场中，薄铜片的近电力线侧和远电力线侧的电荷分布会随着时间的变化而变化，假设近电力线和远电力线的电荷密度分别为和，其中的计算公式为，则感生电流为。获得感生电流后，利用特定的信号处理电路进行处理，可以获得相应位置的场强，再通过输电线路周围场强与距离的计算对比关系，最终得出检测点和输电线路间的距离。

3智能近电报警装置的设计

对新型近电报警装置设置三级报警模式：第一级是声光报警，对于10kV输电线路的场强数量级和距离间的关系，将近电报警的判据设置为100，即在距离输电线路大概4m处，就会发出警告。第二级是同时进行声光和振动报警，将近电报警的判据设置为600，即在距离输电线路大概1.5m处，发出声光警告的同时还会进行振动报警。第三级是蜂鸣振动报警，对于10kV输电线路在接近安全作业距离0.7m时，合成场强超过4，所以将第三级近电报警的判据设置为4，一旦接近安全作业距离0.7m时，会持续发出蜂鸣振动报警。

近电报警装置的设计思路是根据近电感应相关理论，通过单极板电极对周围交流电电场强度的变化进行感应，利用模拟信号处理器对获得的信号进行放大、滤波和整流，再利用单片机对处理后的模拟信号进行转换，将模拟信号转换为直流电压信号，再经过对数据的分析处理，最终得到检测点的电场强度值，将获得的电场强度值与预先设定的判据进行比较，判断相应的报警阈值进行相应级别的报警。

4总结

文章通过等效电荷法对10kV输电线路的电场强度及电场特性进行了分析，结合分析结果提出了近电距离计算模型并对智能近电报警装置的检测原理及方法进行了阐述，同时给出了智能近电报警装置的报警判据及设计思路。对一种新型智能近电报警测量装置的实现原理进行了研究。

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