智能电子围栏警报装置的研制

智能电子围栏警报装置的研制

何振铭

（佛山市顺德区威泰电力工程有限公司）

摘要:电气设备试验的工作涉及到高电压、大电流以及作业环境等方面，是一项危险性较高的工作，而且试验的现场基本是在公共地方进行，所以试验过程中必须要做好人员的监护，确保试验期间无关人员进入试验区域，保障他人的人身安全。为了减少监护人员投入、提高监护工作的响应速度以及提高监护的可靠性，笔者研发出一套智能电子围栏警报装置，代替了传统的专人监护，装置由控制主机、光栅以及红外探测装置、声光报警系统以及无线通讯模块组成，可以形式一个封闭式的无线通讯电子围栏，与传统的围栏相比保护范围更广、响应迅速、无死角以及摆放方便。装置同时兼备报警功能与超越报警跳闸功能，从预防和保护两方面进行试验期间的现场监护，保证监护的可靠性。

关键字：危险性较高，响应速度，可靠性，报警功能，超越跳闸功能

前言

2017年顺德供电局龙江供电所工作会议上提出我们必须不断的创新，以新思路、新方法、新工艺来开展“电力建设工程施工安全年”和“安全生产月”活动，佛山市顺德区威泰电力工程有限公司试验班组提出配网基建电气试验通常位于行人密集的道路边或居民密集区域，常规的电气试验作业围栏存在容易倒塌、厂家和居民等无关人员因询问相关供电信息闯入进入试验区域；如果在电气试验过程中出现无关人员闯入试验工作区域的安全距离不足的情况，将会导致电气试验作业中出现触电危险甚至造成人身伤害。

因此，设计、制作一种新型的电气试验智能围栏警报装置，做到有效、主动控制相关人员与带电体的保持安全距离，确保闯入人员安全距离不足的情况果断切断电源，顺利开展电气试验作业，同时避免酿成人身伤亡事故，是摆在我们面前的问一个重要的课题。有鉴于此，笔者研制出一套智能电子围栏警报装置。

1、现状分析

1.1现状

目前，在配网基建和业扩项目中通常位于行车道路边或居民密集区，在设备投运前电气试验一般的工作流程都是在试验作业前装设塑胶围栏、悬挂安全警示围网的安全措施：

今年来，随着配网基建和业扩项目增多，需要电气试验的任务随之增加，我们对2016年度及2017年上半年威泰公司电气试验情况进行了统计：

2016年电气试验的项目总数是98项，其中行车道路边的试验场地的电气试验项目数是26项，占比27%；居民密集区的试验项目数是27项，占比58%；配电房室内的电气试验项目数是15项，占比15%。

2017年1月-3月电气试验的项目总数是23项，其中行车道路边的试验场地的电气试验项目数是6项，占比26%；居民密集区的试验项目数是15项，占比65%；配电房室内的电气试验项目数是2项，占比9%。

由以上统计数据可知，居民密集区电气试验任务较多，2016年共57项（占比58%）,2017上半年共15项（占比65%），且都必须采取塑胶围栏和悬挂安全警示围网的方式作为其安全措施，由此可推断，电气试验围栏装设安全措施使用较多（平均使用频率达61.5%），而电气试验过程中围蔽容易倒塌、出现外来人员旁观、误入试验区域和询问电力方面等问题，外来人员误碰正在试验设备带电部位触电风险高。

1.2目前做法比较

笔者对比了现在最为普遍的做法，即塑胶围栏以及铁马围栏，塑胶围栏虽然重量轻、携带方便和绝缘性好，但是容易受外力推倒。铁马围栏的重量大和容易导电的物理性限制其使用于临近无带电设备的试验，因此塑胶围栏成为现时常用的围栏安全措施。

在电气试验3米范围四周装设塑胶围栏，同时悬挂安全警示围网，并设置专职安全监护人负责监护试验操作人员，防止出现违章操作及无关人员超越限位（即安全极限距离），随时提示相关人员，保证安全试验。

现时的安全围栏措施只是安全距离的辅助工具，不会自动警报和发生意外切断试验电源，必须依靠专职安全监护人目测警报和手动切断电源，这是十分“被动”的警报方式，稍有不留神，无关人员容易误入试验区域，导致触电人身伤害。

笔者随机抽查16年参与的基建配网和业扩工程2个试验班组，通过对现场工作负责人的采访，统计电气试验作业时围栏跌倒、外来人员靠近和误入试验区域情况数据，其中试验1班参与试验项目数量是24项，发生过围栏跌倒的次数是4次，发生发生外来人员靠近或误入试验区域的项目数量16项，不安全情况出现率是83%；试验2班参与试验项目数量是48项，发生过围栏跌倒的次数是8次，发生发生外来人员靠近或误入试验区域的项目数量34项，不安全情况出现率是87%；

从上述的数据统计可以看出，电气试验作业不安全情况高达87%，说明大部分的电气试验作业现场缺乏能够主动发现危险和避免危险的能力，需要依赖辅助工具提示警报。

综上所述，电气试验作业环境复杂，围蔽容易倒塌、经常出现外来人员旁观、误入试验区域，外来人员误碰正在试验设备带电部位触电风险高，现场监护人如果继续使用塑料围栏，进行辅助电气试验的安全措施，已经难以满足安全作业要求。

因此，施工现场需要一个既可探测人员闯入自动警报，同时能在紧急情况下，准确、自动切断试验电源的装置。

1.3方向确定

综合现场的情况，笔者想制造一个既能实现无线控制、平面探测，自动感应物体进入触电危险区时，能及时发出警报信号，发生意外情况时又能及时断开电源的装置，使安全围栏能够化“被动”为“主动”，避免人身安全事故的发生。

2、方案目标

2.1确定方案目标

为了制作一个既可实现肉眼可视警报，又有自动断电保护警报功能的新型装置，以确保电气试验作业时，能自动、有效提醒外来人员与带电设备保持安全距离。

2.1.1、方案目标：我们的目标是电气试验智能围栏警报装置报警准确率100%。

2.1.2、目标值：为保证电气试验智能围栏警报装置报警准确率100%，需要实现以下两个目标值：

装置实现电气试验作业区域3米范围声音警报；外来人员误入试验试验作业区域1.5米范围切断电源停止试验。

2.2目标可行性分析

2.2.1可行性分析一：

查找相关技术资料，如红外微波探测器、红外线探测器的探测距离均达到12米，而且市面上有很多探测距离大、反应速度块、灵敏度较好的红外线防盗报警系统，而且探测距离大于3米。

现时的探测介质的探测距离符合常规电气试验安全距离的要求，可作为装置技术介质参考，装置电气试验作业区域3米范围声光警报是可行的。

2.2.2可行性分析二：

根据国家试验技术标准CUB/T16927.1的规定，为确保试验的安全性，10kV及以下的电气设备试验时安全距离不应小于1.5米，防止有可能出现异常放电安全距离不应小于3米。

现时有规范的技术标准规定，作为装置断电保护的标准参考，装置设置外来人员误入试验试验作业区域1.5米范围切断电源停止试验是可行的。

3、方案设计与确定

为使装置做到遥控启停、自动感应、快速警报以及准确断电，我们小组从“警报信号”、“保护信号”“人体感知模式”、“控制装置”四方面选择合适的装置制造方案。

3.1警报信号的选择

笔者通过查找技术知识书籍、网上查询，提出红外微波探测智能围栏报警装置和超声波智能围栏报警装置两个技术方案。通过两种介质的测试对比红外微波既探测距离范围大，又能实现平面扇形辐射，能实现作业区域平面覆盖，且红外微波能有效对人与动物感应，灵敏度可以调节的良好特性；且能够扇形探测，有较好的感应覆盖能力，因此成为了我们技术首选。

3.2保护信号的选择

电气试验作业通常涉及高电压，试验作业过程中如果出现外来人员或小动物误碰带电设备，后果将非常严重。应该使用一种技术介质，可适用于人员闯入时能准确保护动作呢，笔者通过资料的查找，选取了红外单束光栅和多束光栅两种比较常见的介质进行了比较。经比较红外多束光栅稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，有较好电子栏杆特性，因此成为保护信号的首选方案。

3.3人体感知方案的选择

肉眼感观（视觉）和声音感受（听觉）都能判断安全距离，但声音感受更能立即、有效、直接地起到防止闯入试验区域的警示提醒。因为现场试验作业人员主要精力都是放在试验作业，人体视觉感应以现场作业为主进行感应，因此，自动警报装置人体感知方式选择方面，我们选择听觉方式，即以警铃响进行报警。

3.4控制装置的选择

控制装置是智能电子围栏警报系统的核心，是接收报警信号与保护信号，并对其进行逻辑分析后控制电源动作的关键部件。这要求控制装置具备稳定性以及功能全面性，为了安装布防方便，也要求装置具备无线接收模块，消除有线信号传输带来的不便。

3.5方案确定

经过方案的选择与论证，最终笔者选择使用红外探头作为警报感应波检测，电子红外多束光栅作为跳闸保护信号检测，声音警报（听觉）作为人体感知的模式，选择扇形平面布置作为装置使用的整体布局，选择STM32F103开发板作为控制装置的核心，选择交流接触器作为断电保护装置重要组成，选择无线通信作为装置的控制和数据处理进行系统组建，如图3-1。

图3-1智能电子围栏报警装置原理图

4、应用实践

对智能电子围栏警报装置应用实践，笔者选择了户外分支箱和户内配电房设备试验等多处不同环境现场测试使用该装置，统计了智能围栏警报装置的使用情况如下：

表4-1智能电子围栏警报装置使用情况统计表

智能电子围栏警报装置，经使用测试，电气试验作业不安全情况出现率为零，装置使用方便快捷，安全性高，达到预期的目标，使得电气试验作业的效率和安全性有了极大的提高，能确保电气试验过程中的安全距离和安全监护均符合有关规范要求，消除了人身安全风险隐患。

我们将该装置向正在实施的部分配网工程和试验班组进行推广，效果良好，电气试验不安全情况出现率均为零，工作效率得到提高，安全性也得到了保障。

表4-2推广应用效果表

结束语

智能电子围栏报警系统的应用，不但大大减少了施工人员现场围蔽布置时间，最重要的是提高了现场安全监护的可靠性，把被动保护转变为主动保护。智能电子围栏报警装置的适用性广，基本能满足各种各样的施工现场，具备推广应用的价值。

参考文献:

[1]红外探测器环境试验方法GB/T15430-1995

[2]国家试验技术标准CUB/T16927.1

[3]作者:夏玮玮，刘云《短距离无线通信技术及其实验》

[4]作者:王芳//徐振著作《集成电路芯片测试》

[5]《中华人民共和国国家标准:入侵报警系统工程设计规范(GB50394-2007)》

[6]作者:王兆安《电力电子技术（第5版）》

[7]作者:丁镇生《电子电路设计与应用手册》