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基于ToF技术的高压输电线路带电作业安全监测方法

发表时间：2020/12/21 来源：《基层建设》2020年第24期作者：常明远李攀

[导读] 摘要：高压输电线路带电作业是电网设备检测、检修维护和改造的重要手段，是保证电力系统可靠稳定运行的重要技术措施，具有显著的社会效益和经济效益，保证作业人员安全和电网稳定运行是带电作业的核心任务。

        国网宁夏电力有限公司检修公司宁夏银川 750011
        摘要：高压输电线路带电作业是电网设备检测、检修维护和改造的重要手段，是保证电力系统可靠稳定运行的重要技术措施，具有显著的社会效益和经济效益，保证作业人员安全和电网稳定运行是带电作业的核心任务。提高高压输电线路带电作业的安全性需要从技术手段、工器具支持和管理等多个方面进行，可通过开发实时监测及预警系统来规范作业操作，实现带电作业的安全实施。基于此，本篇文章对基于ToF技术的高压输电线路带电作业安全监测方法进行研究，以供参考。
        关键词：ToF技术；高压输电线路；带电作业；安全监测方法
        引言
        随着我国电网的迅速发展，带电作业已经成为我国输电线路抢修消缺、电网设备检测以及维护的重要手段。输电带电作业是一项“高空、高压、高危险”工作，作业人员必须在规定的安全范围内工作，与不同电位的物体保证足够的安全距离，带电作业安全防护是带电作业顺利实施的关键因素。目前，我国输电带电作业的人员安全主要是依靠具有丰富实际操作经验的监护人员的监督及作业人员的自觉性来实现。在实际的作业过程中，由于现场作业点多面广、工作繁重，作业人员易疲劳，精力不够集中，容易发生违反操作规程、忽视安全距离等行为，从而导致安全事故的发生。
        1 ToF技术原理
        ToF技术通过计算光发射与反射时间或相位之间的差来生成深度信息，从而检测到光源发射了一个协调良好的红外光线，该光线反射在物体后面，传感器接收反射光，并计算出所拍摄物体的距离(图1显示了ToF的测量信号)。
        TOF测量的基本公式:d = 12(nφβ/2μ)(1)光源发出的光信号μ波长，通常为850nm；n是光脉冲数，β是延迟相，与最终结果的精度密切相关。已知光速c以40MHz频率计算，最大测量距离为3.25米。由于较高频率的测量较小，一般TOF技术测量的最大距离小于光在半个周期内到达的距离，这也是3d tof技术未来发展所面临的挑战。

        基于ToF技术可实现对工作区域的距离变化进行实时监测，为作业中的安全隐患提供实时可靠的预警信息。
        2 高压输电线路的故障分析
        （1）外力影响。对于超高压输电线路而言，外力破坏一直是故障产生的主要原因，通常情况下，外力破坏一般在春季比较高发，因为在外力破坏的各种类型里，其中风吹异物的影响最大，据不完全统计，在所有的外力破坏类型中，风吹异物产生的跳闸占70%，吊车触碰产生的跳闸占据15%，其他因素产生的跳闸占据15%。春天因为其季节原因，大风天气相对会多一些，而且无论是春游还是施工都有可能带来杂物，因此，刮风天气的异物影响以及施工期间的吊车碰线现象容易产生。外力影响线路的故障修复成功率相对比较低，一旦外力对线路造成了破坏，特别容易导致输电线路停止运行。（2）雷击故障。通常情况下，输电线路的雷击故障更多会出现在山区的输电线路上，因为输电线路的雷击故障会受到当地落雷密度的直接影响，因此需要根据地域不同找出落雷次数最多的月份，这样才能更好地保护输电线路。输电线路受到雷击的概率与线路所在的地理位置有着直接关系。雷击故障的发生地点比较分散，据不完全统计，在输电线路的雷击故障中，山顶、山坡的故障数量能够占据雷击故障总数的65%。一般而言，因为输电线路会受到断路器的保护，所以在遇到雷击故障时，修复成功率相对较高。在所有与输电线路有关的故障统计中，雷击故障排在所有故障的第9位，因为输电线路的安装位置比较分散，无论是山区还是田野，都有输电线路的存在，大部分的雷击故障就发生在山区以及田野中。山区的雷电比较高发，而空旷的平原在出现雷电时，输电线路通常会有吸引雷电的作用。（3）鸟害故障。输电线路的鸟害故障与季节关系比较大，而且这种故障在发生时会有一定的突发性。对于输电线路而言，在鸟类的筑巢期十分容易发生线路故障问题，对于大多数鸟类而言，春季与夏季是繁殖期，在这一时间段，鸟类相对比较容易成群出现，从而为输电线路的鸟害故障留下隐患。
        3 基于ToF技术的带电作业安全监测方法
        3.1安全距离监测原理

                        图2 安全距离监测原理示意
        Fig.2 Schematicdiagramofsafetydistancemonitoring
        距离监控原理(见图2)表明，监控区域是运营公司所在的三维区域，在带电作业期间操作人员仅限于该区域。监控深度d指定要监控的区域从中间平面上的相机侧沿深度方向的距离。监视深度公差e表示指定监视区域的厚度。监控宽度w指定监控区域的宽度，操作者允许的活动宽度。监视高度h表示监视区域的高度和操作者允许的活动高度。安全监控边界指示受监控区域与四个相机中心边界对齐，其中操作者已超出安全监控边界。这表明运行中存在安全风险，通过声报警装置向监控系统发出报警，并指示操作人员操作安全。
        3.1带电作业空间区域划分以图1等电位带电作业为典型工况。在等电位作业时，图3中距离S1、S2与S3不得小于标准中所规定距离。S1为导线与上方横担之间的竖直距离；S2为导线与杆塔塔身之间的水平距离；S3为导线与下方横担之间的竖直距离。根据规定的最小安全距离，可对作业空间区域进行划分，分为作业区域U1、安全区域U2和报警区域U3，作业人员的活动空间限制在作业区域U1内，其具体划分如图4。其中，安全区域U2为外层长方体，作业区域U1为内层长方体，将U2−U1定义为报警区域U3。U1的边界定义为报警区域控制线，U2的边界定义为安全区域控制线。h为最小安全距离，作业人员与安全区域控制线上边界、右边界和下边界的距离分别为S1−h、S2−h和S3−h，此时，U2的长、高分别为：

        式中：L2为安全区域U2的长度；H2为安全区域U2的高度，U2的宽度方向为沿导线方向，作业人员在宽度方向移动并不影响安全监测，故U2的宽度W2可根据实际情况确定。
        3.3带电作业安全监测方法
        深度相机安装在图3所示杆塔塔身上。对于等电位带电作业安全监测，其基本原理是防止工作于作业区域的作业人员发生越过报警区域控制线的情况。依据2.2.1节所述的区域划分，利用深度相机获取作业区域U1边界上的点云数据，即报警区域控制线上的点云数据，对数据进行处理并判断作业人员身体部位是否穿越了报警区域控制线，若穿越需报警提醒相关作业人员。
        结束语
        综上所述，TOF技术为主动测量，通过发送经过调制的近红外光线来测距，因而不依赖环境光线;成像速度快，实时性好，能够及时对事故做出响应;精度高，8m范围内依然能够保持厘米级别的精度，这些特点为监测预警系统的可靠性提供了保障。

        图3 等电位带电作业空间划分及监测示意图
        Fig.3 Schematicofthedivisionandinspectionoftheequalpotentialliveworkingspace
        参考文献
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