自勵型防人身觸電警示裝置的研究

劉勛 姬俊 汪新康 劉瑋 劉民杰

【摘 ?要】隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工頻繁。吊車、施工、風(fēng)箏、釣魚等誤碰導(dǎo)線引起電力線路跳閘的情況時有發(fā)生。究其原因一是人們?nèi)狈﹄姎獍踩ＷR，二是現(xiàn)場缺乏必要的安全警示提醒標(biāo)志，導(dǎo)致車輛、機(jī)具、認(rèn)為誤碰運行中的電力線路，給電力線路的運行造成了嚴(yán)重的安全隱患。

【關(guān)鍵詞】裝置;原理;運用

引言

自勵型防人身觸電警示裝置就是解決上述矛盾而開發(fā)的一種警示裝置。本裝置可以發(fā)出強(qiáng)光、高音告警。正常運行情況下，在夜間、白天發(fā)出強(qiáng)光，可見距離視天氣狀況可以達(dá)到100-500米。在安裝有雷達(dá)的裝置上，可以實現(xiàn)對接近導(dǎo)線的機(jī)具、車輛、人員的感知，根據(jù)電力線路運行電壓等級的不同設(shè)置不同的告警距離。當(dāng)有異物接近導(dǎo)線時，發(fā)出頻閃光（高壓危險和禁止垂釣），同時發(fā)出警告音，提醒車輛駕駛員、垂釣愛好者注意上方帶電導(dǎo)線，降低外力破壞造成電力線路跳閘的可能性。

自勵型防人身觸電警示裝置可以廣泛應(yīng)用在城鄉(xiāng)結(jié)合部，運行環(huán)境復(fù)雜，施工工地附近，道路、橋梁附近、魚塘、河流等易發(fā)生碰觸導(dǎo)線問題的電力線路上，可以永久安裝，也可以根據(jù)實際情況臨時安裝，安裝簡便，使用方法靈活?？捎行ε鲇|導(dǎo)線的危險進(jìn)行告警和預(yù)警。

經(jīng)過分析外力破壞造成的電力線路跳閘，占全年累計電力線路跳閘原因的20%左右，給電力企業(yè)的安全生產(chǎn)，地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定均造成嚴(yán)重影響，造成事故跳閘的直接經(jīng)濟(jì)損失在數(shù)萬至數(shù)十萬不等。本項目實施后可以有效降低外力破壞造成的電力線路跳閘事故。每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益在15-150萬元之間，間接經(jīng)濟(jì)效益（考慮停電造成的電量損失）在50-550萬元之間。降低跳閘率還直接提到了電網(wǎng)可靠性，獲取較好的社會效益。

1.目前該類型裝置的社會應(yīng)用情況

由于施工車輛、機(jī)具、放風(fēng)箏、垂釣等碰觸導(dǎo)線造成的跳閘在近年來占比較大，所以國內(nèi)的防外力破壞研究也是在近年來才興起的新型技術(shù)。與本產(chǎn)品相似的裝置目前還沒有見過報道。一般情況下僅制作簡易反光牌掛放于事故多發(fā)處，但此種反光牌需要光線照射反光方可見，效果并不明顯。

目前國內(nèi)外針對類似線路的警示項目的研究還不多，主要是針對高壓取電的項目研究以及針對電子顯示的項目研究，也有一些廠家在研發(fā)類似的設(shè)備，但還沒有成型的產(chǎn)品，大量的在使用金屬警示牌，印反光警示字，以提醒相關(guān)車輛塔吊人員。

2.研究的內(nèi)容及原理

本裝置的供電是利用自勵型感應(yīng)取電技術(shù)，通過電力線路周圍感應(yīng)的電磁能量來獲取電能。本裝置將輸電線路導(dǎo)線周圍的電磁能量轉(zhuǎn)化為電能，為安裝在導(dǎo)線上的LED警示牌提供穩(wěn)定的電源，能保證負(fù)載設(shè)備的長期穩(wěn)定供電。同時，利用先進(jìn)的白光LED發(fā)光技術(shù)，提高警示牌在夜間的可視距離，并結(jié)合微波雷達(dá)探測技術(shù)，實現(xiàn)對接近導(dǎo)線的機(jī)具、車輛、人員、異物的感知。當(dāng)有物體接近導(dǎo)線時，發(fā)出頻閃光，同時發(fā)出警告音，提醒車輛駕駛員或機(jī)具操作員注意上方帶電導(dǎo)線，降低外力破壞造成配電線路跳閘的可能性。

自勵型感應(yīng)電源的基本原理：

我國的高壓交流線路指10KV、35kV、110kV、220kV、500kV、750kV和1000kV（后兩項僅在國網(wǎng)存在）等級的線路。線路有單導(dǎo)線、二分支導(dǎo)線和四分支導(dǎo)線等，常用的導(dǎo)線截面積（mm2）等級為：50、70、95（以上僅在35kV線路用）、120、150、185（以上僅在110V線路用）、240、300、400，二分支線2x185、2x240、2x300、2x400、2x500、2x600、2x630、2x700和四分支線4x300、4x400、4x500、4x600等。

根據(jù)電學(xué)原理（法拉第法則），對電磁場進(jìn)行割切，就會感應(yīng)出電荷，現(xiàn)在的電磁場是按工頻作正弦規(guī)律變化的，對以一定方式放置在此電磁場內(nèi)的金屬導(dǎo)體就會存在割切，就會感應(yīng)產(chǎn)生電能，這就是感應(yīng)取電（也稱CT取電）的基本原理。

白光LED技術(shù)發(fā)光原理：

50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 LED發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

微波雷達(dá)探測技術(shù)原理：

雷達(dá)式微波探測器是一種將微波收、發(fā)設(shè)備合置的探測器，工作原理基于多普勒效應(yīng)。微波的波長很短，在1mm～1000mm之間，因此很容易被物體反射。微波信號遇到移動物體反射后會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即經(jīng)反射后的微波信號與發(fā)射波信號的頻率會產(chǎn)生微小的偏移。

采用多普勒雷達(dá)的原理，將微波發(fā)射天線與接收天線裝在一起。使用體效應(yīng)管作微波固態(tài)振蕩源，通過與波導(dǎo)的組合，形成一個小型的發(fā)射微波信號的發(fā)射源。探頭中的肖基特檢波管與同一波導(dǎo)組成單管波導(dǎo)混頻器作為接收機(jī)與發(fā)射源耦合回來的信號混頻，從而得到一個頻率差，再送到低頻放大器處理后控制報警的輸出。微波段的電磁波由于波長較短，穿透力強(qiáng)，玻璃、木板、磚墻等非金屬材料都可穿透。

3.該裝置的關(guān)鍵點及難點

（1）一體化設(shè)計解決絕緣難的技術(shù)。感應(yīng)取電的互感器套在感應(yīng)導(dǎo)線上，盡管用環(huán)氧樹脂灌注的互感線圈具有約3kV的耐壓，但遠(yuǎn)低于線路上的高壓，因此，通過電源導(dǎo)線連接的用電設(shè)備不宜安裝固定在桿塔鐵架上（絕緣難解決?。姆奖闩c可靠考慮，互感器、電源單元和用電設(shè)備都安裝在與高壓線同一等電位體上。這樣，用電設(shè)備本身的體積重量要受限制，而對環(huán)境氣候的適應(yīng)性、使用壽命及可靠性都要相當(dāng)高;用電設(shè)備內(nèi)的元器件能在強(qiáng)電磁場下正常工作。

（2）寬范圍電流取電技術(shù)。電力線路上的負(fù)荷隨季節(jié)、假期、晝夜等起伏很大，而固化在互感器內(nèi)的線圈變比是固定的，雖然，電源單元的電子電路在一定范圍內(nèi)具有穩(wěn)壓的能力，但高壓線路電流的起伏范圍要遠(yuǎn)大于能穩(wěn)壓的范圍，特別是短路電流（達(dá)幾十上百kA）出現(xiàn)瞬間，對電源單元和用電設(shè)備的安全造成嚴(yán)重威脅！冬季夜間的低負(fù)荷電流，又會因供出電能太低使用電設(shè)備不能正常工作。

面對這個還未徹底解決的技術(shù)問題，目前，廠家提出訂購“CT取電”電源時，要求用戶給出電力線路的平均電流或選定廠家劃分的起伏范圍。

事實上，解決這項技術(shù)問題，我們還需要努力，需要探索！諸如：采用選擇利用鐵芯材料的“磁滯回線”特性，使在小電流時，工作在導(dǎo)磁率高特性，特大電流時工作在深度磁飽和特性;

又如：隨線路電流大小自動改變鐵芯的磁阻;又如：采用幾個不同導(dǎo)磁率，不同變比的互感器同時掛在一條高壓線路上，隨線路電流大小自動選取合適的互感器供電;又如：針對短路特大電流的瞬間，自動跳開給電源單元的供電，保護(hù)用電設(shè)備，電流回復(fù)正常又能正常供電;又如：針對短路特大電流的瞬間，通過增掛的“電勢湖”或“超電容”，壓低供電的浪涌等等，都還要研究和實踐。

（3）微波雷達(dá)探測技術(shù)的穩(wěn)定性。采用多普勒雷達(dá)的原理，探測超高車輛、異物，由于導(dǎo)線不斷晃動，探測的準(zhǔn)確性也是項目研究的關(guān)鍵。

4.裝置的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

本項目實施后可以有效降低外力破壞造成的電力線路跳閘事故。每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益在15-150萬元之間，間接經(jīng)濟(jì)效益（考慮停電造成的電量損失）在50-550萬元之間。降低跳閘率還直接提到了電網(wǎng)可靠性，提高了客戶的滿意度，獲取較好的社會效益。