輸電線路防外破雙鑒預警系統的研究與應用

周夢麟

西安翔麟電力科技有限公司

摘 要：

輸電線路由于長期架設在野外，容易受到外力因素的破壞。在外力導致輸電線路受到破壞的幾種類型中，施工車輛碰線成為近年來主要的外破因素。對于外破常用的防治技術手段為加裝各類警示牌，但警示牌在夜間無法發揮警示作用。雷達探測技術與激光技術的多元化發展，給輸電線路防外破工作提供了新的思路。鑒于此，研究了輸電線路防外破技術手段存在的不足和相關裝置的功能缺陷，針對施工車輛碰線問題，提出了一種依托雷達及激光應用技術并結合智能化聲光電預警裝置的防外破雙鑒預警系統，從而實現輸電線路隱患的防治。

0 引言

電力系統輸電線路所起的作用主要是遠距離、高容量傳輸電能，隨著電網規模的發展，現階段輸電線路縱橫交錯，電網已變得越來越復雜，輸電線路受到的外力破壞也逐年增多，輸配電線路運行事故屢有發生。例如，地面超高施工機械和超高交通工具在行駛和操作過程中與帶電運行的高壓輸配電線安全距離不足，造成放電或碰撞事故[1]。目前，雖然“高壓危險”的警示牌隨處可見，但警示牌存在夜間無法辨識，失去警示作用的問題。此外，少數單位采用LED發光管或發光警示帶，此類產品功耗過大、安裝復雜，閃光強度較小，無聲音輔助預警[2]，而且電力桿塔并無可用的市電交流電源。而發光牌或電子警示屏等裝置，往往是災害事故發生之后才觸發，缺乏主動實時預警探測功能[3]。城鎮道路與公路多樣性突出，有些地區夜晚環境噪聲較大，發光牌或電子警示屏等產品安裝高度不一，對于過往司機的警示能力較弱，無法有效發揮作用。

本文對微波雷達與激光應用多重技術手段進行有效融合[4]，依據輸電線路實際工況，提出了一種新型預警系統，它既能替代傳統警示牌，又能在災害發生之前發出有效預警，且具備聲、光、電多種警示方式，能夠實現隱患防治的目的。

1 防外破雙鑒預警系統研究

1.1 預警探測技術選用

目前，智能探測有幾種常用的技術：被動紅外探測技術、主動紅外探測技術、激光探測技術、多普勒微波感應技術。

（1）被動紅外探測技術：人體都有恒定的體溫，一般在37 ℃左右，會發出特定波長10μm左右的紅外線，被動紅外探測器就是靠探測人體發射的10μm左右的紅外線而進行工作的。被動紅外探測器本身不發出信號，只是被動接收外界的紅外能量。當人體移動時，人體溫度與周圍環境溫度存在差別，被動探測器對這種差別的變化進行處理后就會輸出報警信號。被動紅外探測技術優點：本身不發出任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價格低廉。缺點：容易受各種熱源、陽光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探測器接收；易受射頻輻射干擾；環境溫度和人體溫度接近時，探測靈敏度明顯下降，有時會短時失靈。

（2）主動紅外探測技術：主動紅外入侵探測器由發射機和接收機組成，其中發射機由電源、發光源和光學系統組成，接收機由光學系統、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。主動紅外探測器是一種紅外線光束遮擋型報警器。正常情況下，接收機收到的是一個穩定的光信號，當有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機收到的紅外信號發生變化，提取這一變化，經放大和適當處理，控制器就會發出報警信號。圖1為某高速入口處安裝的紅外限高裝置[5]。

（3）激光探測技術：激光探測與紅外探測類似，激光對射探測器由激光發射機、激光接收機組成，以四束獨立的激光束為警戒線。激光束發射的角度小，光束集中且單位光束能量強，目標接收激光束的功率密度是紅外發光二極管光束的數倍，因而穿透雨、雪、霧、風沙能力強，極大地降低了誤報率。

（4）多普勒微波感應技術：也稱微波雷達（多普勒）感應探測，基于電磁波的多普勒原理來實現。微波雷達對物體的移動有快速反應，因此特別適用于快速行動物體的偵測。這種探測方式與其他探測方式相比具有如下優點：非接觸探測；不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適應惡劣環境；抗射頻干擾能力強；輸出功率僅有2～5 mW，對人體不構成危害；探測距離遠[6]。

綜上，本系統主要采用前置808 nm激光對射及5.8 GHz微波雷達感應雙鑒探測方式，基于多普勒原理，以平板天線發射和接收微波高頻信號，感知覆蓋范圍內物體（人員、車輛、機具、飛鳥等）的相對移動信號，經單片機嵌入式程序分析運算安全距離后，對于具有危險因素的超高車輛，立即發出聲、光、電警示信號，防止誤碰、誤傷高壓線，保障輸電線路穩定運行。

1.2 防外破雙鑒預警系統結構設計

防外破雙鑒預警系統結構主要包括前置裝置（一對）及裝置本體兩部分，如圖2所示。

其中，前置裝置主要包括：10—光伏供電管理單元、11—前置雙鑒檢測單元（808 nm激光對射/5.8 GHz微波雷達感應）、12—RF433M遠距離無線射頻發射單元。裝置本體主要包括：20—光伏供電管理單元、21—定時計數裝置、22—RF433M遠距離無線射頻接收單元、23—多路開關處理控制單元、231—圖像抓拍取證單元、232—4G Modem、233—LED頻閃控制器、234—LED發光警示牌、235—發聲控制單元、236—大功率揚聲器、237—532 nm激光警示線陣列。

2 防外破雙鑒預警系統應用設計

輸電線路防外破雙鑒預警系統工作原理如圖3所示。

（1）前置裝置安裝在距離電力線桿前15 m的立桿上，其中光伏供電管理單元10內置光伏電池組及太陽能板，將光能轉換為電能持續向前置雙鑒檢測單元11及RF433M遠距離無線射頻發射單元12提供工作電源。

（2）前置雙鑒檢測單元11安裝在車輛限高的距離下（立桿頂部距離光纜弧垂最低點1～2 m處），并持續向公路另一側發射不可見的多束紅外激光及5.8 GHz微波雷達信號，當超高車輛超過此距離，將遮斷一束或多束激光，根據5.8 GHz微波雷達發射脈沖和接收的時間差測算出超限距離，此時前置雙鑒檢測單元11向RF433M遠距離無線射頻發射單元12發出有效報警信號。RF433M遠距離無線射頻發射單元12接收到報警信號后，將此信號通過RF433M微波發送至RF433M遠距離無線射頻接收單元22。

（3）如圖4所示，裝置本體中，懸掛在光纜的光伏供電管理單元20向多路開關處理控制單元23提供工作電源，多路開關處理控制單元23通過總線向裝置本體其他組件供電。

（4）裝置本體中，多路開關處理控制單元23向定時計數裝置21發出工作指令，定時計數裝置21開始計時計數，同時多路開關處理控制單元23通過并行接口分別向532 nm激光線陣列237輸出控制信號，控制持續發出激光陣列警示線；向發聲控制單元235輸出控制信號，驅動大功率揚聲器236發出警示音；向LED頻閃控制器233輸出控制信號，驅動LED發光警示牌234閃爍發光；向圖像抓拍取證單元231輸出控制信號，驅動抓拍現場圖像，并通過4G Modem 232向遠程管理員發送現場圖像，便于后續追溯取證。

（5）裝置本體中，定時計數裝置21達到一個預設的定時周期后，通過多路開關處理控制單元23并行接口發出停止指令，重新進入待機循環狀態。

3 結語

本文依據當前輸電線路防外力破壞的實際情況及常見的外破技防措施，研制了一套采用前置808 nm激光對射以及5.8 GHz微波雷達感應的雙重探測預警系統，并采用裝置本體與前置裝置分離的設計，傳輸采用RF433M微波，實現了災害前預警、過程中報警以及事后全程影像取證。多種技術手段促使司機能在遠距離及早發現光纜，及時采取避讓措施，有效避免事故的發生。

下一步研究重點將放在該系統的研發成本降低與現場安裝實施的結構設計簡化方面，并將該系統的推廣應用納入輸電線路防外破綜合治理的重要一環。

審核編輯：湯梓紅