基于可见激光技术的电网安全围栏创新设计与应用

基于可见激光技术的电网安全围栏创新设计与应用

周驭涛 刘瀚林 王祥东 邓月辉 周胤宇

（广东电网责任有限公司惠州供电局  广东 惠州  516001）

摘要：在变电站运行设备维修工作中，现有硬质围栏在面对GIS设备等特殊结构时存在隔离面不明显、警示效果欠佳、操作繁琐且存在危险性等问题。为解决以上问题，本文基于可见激光技术提出了一种可自动报警的电网安全围栏装置，该装置由可任意旋转角度的可见激光发射器和激光接收报警器组成，可有效应对电网维修作业中的安全隐患。

关键词：可见激光技术；可见激光发射器；激光接收报警器

一、引言

电力行业作为社会经济发展的引擎之一，电网的安全性直接关系到国家能源供应的可靠性。随着电网规模的不断扩张，传统的硬质围栏技术在某些特殊场景下显露出不足之处，迫切需要一种新型、创新的安全围栏技术。本文通过对可见激光技术的研究，提出了一种具有自动报警功能的激光围栏技术，可见激光围栏技术通过结合激光的发射、传播和接收原理，实现了对工作区域的自动报警隔离。其设计中的旋转控制系统和报警系统使得该技术在电网维修、工业生产和危险设备周围等多个场景中具有广泛的应用前景，为提升工作场所的安全性和效率提供了一种创新的解决方案。

二、传统硬质围栏的局限性

目前传统硬质围栏在电网维修作业中的应用存在一系列局限性，特别是在处理GIS（气体绝缘开关设备）等特殊场景时，这些问题更为显著。以下是传统硬质围栏的局限性：

（1）布置复杂：传统硬质围栏的安装需要考虑电网结构、设备位置等因素，导致布置相对繁琐。特别是在处理GIS等复杂设备时，由于其结构特殊，硬质围栏的布置难度增加，可能需要对围栏进行多次调整，消耗大量的时间和人力资源。

（2）警示效果不佳：传统硬质围栏通常采用明显的视觉标识来进行警示，然而在一些特殊场景，尤其是与GIS等设备相关的维修作业中，这样的警示效果可能不够明显。围栏的视觉感知受到设备结构的影响，难以形成清晰的隔离面，降低了作业人员对危险区域的警觉性。

（3）操作不灵活： 传统硬质围栏需要人工搭建和调整，对于需要频繁进入和退出的维修作业来说，操作相对不够灵活。在GIS等高处设备的维修作业中，需要不断调整围栏的高度和位置，增加了作业人员的操作负担。

（4）适应性差： 由于硬质围栏通常是固定的，对于复杂的电网结构和特殊设备布局，传统围栏难以提供足够的适应性。作业人员可能会因为围栏无法完全贴合设备形状而面临误入危险区域的风险。

（5）固定难度大： 在一些特殊场景中，如高处设备或空间狭小的地方，传统硬质围栏的固定可能会面临困难。这可能导致围栏不牢固，容易被外部因素干扰或破坏，从而降低了安全隔离的效果。

综合来看，传统硬质围栏在电网维修作业中存在的这些局限性使得其难以满足日益复杂和高风险的电力设备维护需求。因此，对于安全围栏技术的改进和创新迫在眉睫，激光围栏技术因其可见激光的特性而成为一种有望解决这些问题的新型方案。

三、可见激光围栏技术工作原理

可见激光技术是一种利用可见光范围内的激光来进行各种应用的技术。激光是一种特殊类型的光，它是一种高度聚焦的、相干的、单色的光束，可见激光技术使用在人类可见光谱范围内的激光，通常包括红色、绿色和蓝色的激光。而激光围栏技术是基于可见激光技术利用可任意旋转角度的可见激光发射器和激光接收报警器两部分，实现对工作区域的精准隔离和自动报警。其原理主要涉及激光的发射、传播和接收相关过程。

3.1、激光发射

在激光围栏技术中，可见激光发射器是系统的关键组成部分，其任务是产生可见光的激光束。这一步骤涉及激光源（通常采用激光二极管）的激发，通过精确的光学调节，形成可见激光平面。光学调节包括激光平面的方向和角度调整，这是通过旋转控制系统实现的，使激光平面在工作区域形成一个明显的检修隔离面。

3.2、激光传播

激光平面的传播是指激光在空间中的传播过程，形成一个可见的、明确的隔离面。这个平面不仅可以垂直于地面，还可以通过旋转控制系统水平旋转，适应不同工作场景的需求。在传播过程中，激光平面的稳定性和清晰度是确保系统正常运行的关键因素。

3.3、激光接收报警

激光接收报警器是激光围栏技术的第二个核心组件，其任务是接收激光平面发出的激光信号。激光信号的接收被阻断的情况发生在工作人员越过激光平面时，这一时刻激光接收报警器即刻感知到这一变化。该部件需要具备高灵敏度和快速响应的特性，以确保系统对激光平面状态变化的即时感知。

3.4、自动报警

当激光信号的接收被阻断时，报警系统立即发出声音报警。这一过程是通过系统内部的实时监测和分析实现的，其目的是提醒工作人员越过了隔离面，降低安全风险。报警系统的设计需要兼顾灵敏性和稳定性，以确保在各种工作场景下可靠触发。

四、可见激光围栏技术结构设计与动作机理

4.1、可见激光围栏技术的结构设计

激光围栏技术的设计包括可见激光发射器和激光接收报警器两个主要组件，其结构设计充分考虑了在电网维修作业等特殊场景中的实际需求。可见激光安全围栏外部结构如图1 所示。

图1 可见激光围栏安全围栏外部结构

4.1.1、可见激光发射器

可见激光发射器通常由激光源、发射光路调节装置和旋转控制系统三部分组成。可见激光发射器是激光围栏技术的核心部件，其设计需要充分考虑可旋转角度、激光平面形成和可靠的固定。

（1）旋转控制系统： 设备内置可旋转的控制系统，包括水平和垂直方向的旋转机构。这使得激光发射器能够在三维空间内任意调整角度，以适应不同工作场景。

（2）激光源： 高亮度可见光激光源，通常采用激光二极管。该激光源能够发出明显的可见光束，形成清晰的激光平面。

（3）光路调节装置： 光路调节装置用于调整激光束的方向，确保形成一个清晰的、可见的激光平面。这可以通过光学反射或透镜系统来实现。

（4）固定装置： 可见激光发射器需要可靠的固定装置，确保在不同高度或位置调整后能够牢固地固定在墙壁、设备外壳等位置。

4.1.2、激光接收报警器

激光接收报警器是激光围栏技术的另一关键组件，其设计主要包括激光接收器、报警系统和电源系统。

（1）激光接收器： 用于接收激光发射器发出的激光信号。激光接收器需要高灵敏度和高分辨率，以确保及时、准确地检测激光平面的状态。

（2）报警器： 报警系统通过处理激光接收器接收到的信号，判断激光平面是否被阻断。一旦检测到激光信号的变化，即有工作人员越过激光平面，报警系统会触发声音报警。

（3）电源系统：为整个激光接收报警器提供电力支持，通常采用可充电电池或连接电源线的方式。

4.2、可见激光围栏技术的动作机理

激光围栏技术的动作机理涉及激光发射器和激光接收报警器之间的协同工作，通过以下步骤实现对工作区域的安全隔离和自动报警：

4.2.1、形成激光平面

可见激光发射器通过旋转控制系统调整激光平面的角度。 旋转控制系统允许激光发射器在水平和垂直方向上自由旋转，使得激光平面的角度可以随需求调整。这个设计考虑到电网维修作业的复杂性，不同场景可能需要不同的激光平面角度。

激光源发出激光束，经过光路调节装置形成一个可见的激光平面在工作地点。激光源采用高亮度可见光激光二极管，确保产生明显可见的光束。光路调节装置通过精确的光学调整确保形成的激光平面清晰可见。这个激光平面在工作地点被用于隔离带电设备或危险区域，为作业人员提供一个可视的安全边界。

4.2.2、接收激光信号

激光接收器持续接收激光平面发出的激光信号。 激光接收器是一个高灵敏度的组件，能够持续地接收激光信号。这个过程是实时的，以确保能够迅速检测到激光平面状态的任何变化。

当工作人员越过激光平面时，激光信号的接收会被阻断。 这是激光围栏技术的核心触发点，表示有人员越过了安全隔离区域。激光接收器立即感知到这一变化，将其转化为电信号，为后续报警触发做好准备。

4.2.3、触发自动报警

报警系统检测到激光信号的变化，即接收被阻断，系统立即触发声音报警。 报警系统是激光围栏技术的安全监控核心，通过对激光信号的状态进行实时监测，能够在危险发生时迅速做出响应。声音报警是一个直观、高效的方式，能够迅速引起工作人员的警觉。

这一过程实现了对工作人员越过隔离面的自动报警功能。 自动报警机制确保了激光围栏技术在各种工作场景下的实用性，不依赖于人工操作，降低了发生事故的概率，提高了工作现场的整体安全性。

整体的可见激光围栏技术动作流程如图2，通过这一设计流程，激光围栏技术在电网维修作业中不仅提供了可靠的安全隔离手段，同时通过自动报警机制，有效提高了作业人员对危险区域的实时警觉性。这种动作机理的协同工作为电力设备维护提供了一种高效而可靠的安全防护方案。

五、结语

可见激光围栏技术通过结合激光的发射、传播和接收原理，实现了对工作区域的自动报警隔离。其设计中的旋转控制系统和报警系统使得该技术在电网维修、工业生产和危险设备周围等多个场景中具有广泛的应用前景。

（1）在电网维修现场，激光发射器可固定在高处，通过旋转控制系统调整激光平面的角度，形成一个清晰的检修隔离面。当工作人员跨越检修隔离面时，激光接收报警器会接收到激光信号的变化，立即发出声音报警，提醒作业人员注意安全。（2）在工业生产线上，激光围栏技术可以用于划定禁入区域。通过激光发射器的角度调整，形成可见的安全隔离平面，一旦有人员进入该区域，激光接收报警器即刻发出报警，确保生产过程中的安全性。（3）在危险设备周围，激光发射器可以灵活安装，通过旋转控制系统快速调整激光平面的角度，形成一个清晰的安全区域。激光接收报警器在检测到有人员进入危险区域时，立即发出报警，降低了危险设备操作的风险。

六、致谢

感谢刘瀚林、王祥东、邓月辉、周胤宇同志对本文提供的指导意见和建议，在此表示感谢。

参考文献：

[1] 于春辉，吴 昊，李焴强，张 峰.一种新型智能化电力施工安全围栏设计.山东电力技术，2016,43(09):70-73.

[2] 蒋京辰.高压试验场红外电子围栏设计.电子制作，2021(20):90-100.