雙通道接地引下線導(dǎo)通電阻測試儀的研究與設(shè)計(jì)

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局 姜志彬 孫俊勁 黃漢賢 謝觀成

接地引下線作為電力設(shè)備和地網(wǎng)間的重要連接部分，其作用為將電氣設(shè)備所需接地部分導(dǎo)通到接地網(wǎng)中。可靠、有效的將電力設(shè)備接地引下線與接地網(wǎng)進(jìn)行連接，是保障電力設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障[1]。雖然對(duì)接地引下線的連結(jié)處進(jìn)行過防腐處理，但土壤環(huán)境的特點(diǎn)為潮濕、腐蝕性，因此連結(jié)點(diǎn)在這樣的環(huán)境中必然會(huì)出現(xiàn)銹蝕的情況，造成該引下線與地網(wǎng)接觸點(diǎn)的導(dǎo)通電阻升高，不能滿足電力規(guī)程的要求，在該情況下就會(huì)使運(yùn)行中的設(shè)備存在不安全隱患。當(dāng)導(dǎo)通電阻很高時(shí)就使設(shè)備失去接地的意義和作用，會(huì)造成設(shè)備燒毀，嚴(yán)重時(shí)可能造成電力人員傷亡[2]。

1 現(xiàn)有接地電阻測試儀的弊端

目前國內(nèi)地網(wǎng)導(dǎo)通測試所使用的儀器為單通道測試儀，測試通道僅為一個(gè)，只能進(jìn)行單點(diǎn)測試，使用效率低、測試速度慢、時(shí)間長。測量時(shí)由于與主機(jī)距離較遠(yuǎn)，人員溝通操作時(shí)需配合，一般要2到3人使用對(duì)講機(jī)通話來完成測試的全過程。若要減少測量人員的數(shù)量，測試過程中需測量人員在接地引下線一端接好線路后回到測試儀來查看數(shù)據(jù)的顯示情況，由于接地引下線接點(diǎn)的位置相對(duì)較遠(yuǎn)、測試的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。同時(shí)由于地下引線導(dǎo)通電阻兩個(gè)測試點(diǎn)之前的距離較遠(yuǎn)，一般在直徑50～100米之間的測試范圍。當(dāng)前的導(dǎo)通測試儀連接線纜是通過普通收線盤延長使用，采用手工收放線方式就會(huì)導(dǎo)致打結(jié)、糾纏等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

另外當(dāng)前測試結(jié)果是通過手工記錄，但由于測試接點(diǎn)較多，一般不對(duì)測試點(diǎn)位置進(jìn)行記錄，無法對(duì)導(dǎo)通電阻的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯、對(duì)比分析，生成兩接地點(diǎn)導(dǎo)通電阻變化曲線，無法從導(dǎo)通電阻的變化來分析預(yù)判接地裝置電氣性能的變化。因此需要研究新的測試方法，對(duì)單通道測試原理進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加應(yīng)用功能以提高人機(jī)工效，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試的對(duì)比性。從而改善測試儀的工作效率，增強(qiáng)人機(jī)交互能力，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2 雙通道接地下引線導(dǎo)通電阻測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙道通測試原理

雙通道接地下引線導(dǎo)通電阻的測試使用四線制電壓電流測試法、其通過兩個(gè)開關(guān)電源恒流源模塊，采用共地連接法，10A 恒流電源分別連接兩測試點(diǎn)與參考點(diǎn)之間形成閉合回路，通過兩霍爾電流傳感器進(jìn)行電流采樣；并分別對(duì)兩測試點(diǎn)進(jìn)行電壓采樣，通過電壓與電流的比值計(jì)算出對(duì)應(yīng)測試回路兩點(diǎn)之間的導(dǎo)通電阻（圖1）。

圖1 雙通道測試儀原理圖

測試儀主機(jī)在接地點(diǎn)良好的參考點(diǎn)，夾上公共端試驗(yàn)夾，相對(duì)測試儀主機(jī)為近端點(diǎn)，一般在2米范圍內(nèi)。試驗(yàn)人員分別牽引遠(yuǎn)端試驗(yàn)夾，通過遠(yuǎn)程掌上機(jī)遙控啟動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)放線，當(dāng)達(dá)到遠(yuǎn)端試驗(yàn)點(diǎn)后遙控停止電機(jī)，夾上遠(yuǎn)端試驗(yàn)點(diǎn)。通過遠(yuǎn)程掌上機(jī)對(duì)測試點(diǎn)上的二維碼進(jìn)行掃碼，識(shí)別該試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)信號(hào)，并通過無線模塊傳送至測試儀主機(jī)，通過遠(yuǎn)程掌上機(jī)操作測試儀主機(jī)啟動(dòng)電流源進(jìn)行導(dǎo)通電阻測試，掌上機(jī)與測試儀主機(jī)同步顯示測試結(jié)果。兩個(gè)掌上機(jī)可同時(shí)操作，測試儀主機(jī)按隊(duì)列分時(shí)測試并分屏顯示兩個(gè)測試通道試驗(yàn)結(jié)果，并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，完成一個(gè)測試點(diǎn)的試驗(yàn)。如此反復(fù)完成其他點(diǎn)（圖2）。

圖2 測試儀接地引下線連結(jié)點(diǎn)測試示意圖

雙通道遠(yuǎn)程智能控制接地下引線導(dǎo)通電阻測試儀，其由測試儀主機(jī)、遠(yuǎn)程掌上機(jī)組成。測試儀主機(jī)集成有電動(dòng)收放線纜盤、自動(dòng)排線裝置、丁睛測試線、試驗(yàn)電源、7寸全觸液晶顯示、微型打印機(jī)、測量采樣模塊、2.4G 無線通訊模塊等。遠(yuǎn)程掌上機(jī)包括二維碼識(shí)別模塊、5寸全觸顯示模塊、電池管理模塊等。集成2個(gè)可同時(shí)測試的試驗(yàn)通道、全自動(dòng)線纜收放、線纜存儲(chǔ)、具有遠(yuǎn)程測控、遠(yuǎn)程顯示、一鍵掃碼識(shí)別測試位置，自動(dòng)錄入測試結(jié)果、全方向測試數(shù)據(jù)追溯、對(duì)比分析，生成導(dǎo)通電阻變化曲線等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 測試儀主機(jī)設(shè)計(jì)

測試儀主機(jī)采用輕質(zhì)鋁合金6061材料作為機(jī)箱主機(jī)降低重量，底部設(shè)有2個(gè)定向輪及2個(gè)萬向輪，配合背面的伸縮拉桿、便于移動(dòng)，兩側(cè)設(shè)有搬運(yùn)抬起的把手。前蓋板及右側(cè)蓋板為可拆裝部件，用于安裝內(nèi)部部件，通過螺栓與主機(jī)殼連接，上方設(shè)置一個(gè)30度斜面體及水平面體，斜面用于安裝7寸全觸顯示模塊、用于顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線分析顯示等。頂部平臺(tái)用于安裝打印機(jī)、電源插座、試驗(yàn)端子及2.4G 射頻天線（圖3）。

圖3 測試儀主機(jī)圖

側(cè)蓋板打開后，如圖4所示，內(nèi)部安裝有直流電機(jī)、線盤動(dòng)輪、排線器動(dòng)輪、線盤皮帶、排線皮帶、電源模塊及電池、控制電路板等均安裝在內(nèi)，其中直流電機(jī)通過4個(gè)螺桿與主機(jī)殼連接，電動(dòng)軸連接有電機(jī)動(dòng)輪、設(shè)有2個(gè)雙槽輪，槽上倒梯形結(jié)構(gòu)，用于安裝三角傳動(dòng)皮帶，由電機(jī)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，雙槽輪一條槽通過皮帶帶動(dòng)線盤動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，另一槽通過皮帶帶動(dòng)排線器動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而線盤動(dòng)輪與線盤轉(zhuǎn)軸通過插銷鍵連接，線盤轉(zhuǎn)軸通過兩軸承與機(jī)箱連接，排線器動(dòng)輪與雙向螺桿固定連接，雙向螺桿通過兩軸承與機(jī)箱連接。動(dòng)輪上設(shè)有倒梯型皮帶槽。因此、直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)雙槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而雙槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶分別帶動(dòng)線盤動(dòng)輪及排線器動(dòng)輪，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪通過輪的直徑比來實(shí)現(xiàn)減速及增大線盤的力矩。

圖4 測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從主機(jī)背面視圖可看到線纜出口、排線滑塊、雙向螺桿等結(jié)構(gòu)，線纜出口嵌入有軟件膠墊、避免機(jī)箱割傷線纜，雙向螺桿為加工有正反向半螺紋絲結(jié)構(gòu)，排線滑塊為塑料結(jié)構(gòu)，中間為同樣為正反向半螺紋結(jié)構(gòu)，與雙向螺桿螺紋連接，當(dāng)雙向螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，排線滑塊在螺桿的帶動(dòng)下從一端移動(dòng)至另一端，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到未端時(shí)，因排線滑塊被擋無法運(yùn)動(dòng)，排線滑塊螺紋在壓力的作用下出現(xiàn)塑性變形，滑入反螺紋，使滑塊沿反方向運(yùn)動(dòng)。實(shí)向轉(zhuǎn)軸單向轉(zhuǎn)運(yùn)，帶動(dòng)軸上滑塊做往返直線運(yùn)動(dòng)，而線纜則穿過排線滑塊上的圓孔，在滑塊做往復(fù)動(dòng)運(yùn)過程動(dòng)帶動(dòng)線纜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排線功能。

當(dāng)拆出前蓋板后，可看到線盤結(jié)構(gòu)、排線桿軸承等結(jié)構(gòu)：線盤左右兩側(cè)為圓盤結(jié)構(gòu)，中間為空心軸，軸外焊有空心桿圍成圓柱體，形成線盤轉(zhuǎn)筒。而線盤轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)的轉(zhuǎn)軸則插入線盤軸，通過中間螺桿連接，從而實(shí)現(xiàn)線盤動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)線盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 遠(yuǎn)程掌上機(jī)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制主機(jī)采用的是5寸全觸顯示屏，中部設(shè)有掃碼按鍵、電源開關(guān)、充電接口，背面為掃碼攝像頭、電池倉等結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)一鍵掃碼、自動(dòng)獲取測試點(diǎn)位置。測試點(diǎn)位置二維碼為不銹鋼制作而成的掛牌，預(yù)先固定好在每一個(gè)試驗(yàn)接地點(diǎn)。遠(yuǎn)程掌上機(jī)相當(dāng)于主機(jī)的遠(yuǎn)程桌面，其顯示界面內(nèi)容與主機(jī)一致，通過2.4G 無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作測試啟動(dòng)、遙控電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收放測試線、實(shí)現(xiàn)測試點(diǎn)接地導(dǎo)通電值顯示，主機(jī)打印機(jī)打印等功能（圖5）。

圖5 遠(yuǎn)程掌上機(jī)設(shè)計(jì)圖

2.4 電氣硬件原理：

按功能模塊劃分主機(jī)包含有嵌入式微機(jī)系統(tǒng)、直流電機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊、熱敏打印機(jī)模塊、試驗(yàn)電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及無線通訊模塊。具體的連接方式是將熱敏打印機(jī)、人機(jī)交互模塊通過TTL 串口與嵌入式微機(jī)系統(tǒng)連接、試驗(yàn)電源模塊通過微機(jī)系統(tǒng)IO 口控制繼電器來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)停止。數(shù)據(jù)采集模塊采用12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)串口與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接、無線通訊模塊通過SPI 接口與微機(jī)系統(tǒng)連接（圖6）。

圖6 電氣硬件原理圖

遠(yuǎn)程掌上機(jī)作為測試儀主機(jī)的遠(yuǎn)程桌面，其顯示內(nèi)容實(shí)現(xiàn)與主機(jī)同步。兩者通過2.4G 無線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。實(shí)現(xiàn)了占用體積小，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，為遠(yuǎn)距離測試提供條件，保障了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.5 測試結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證該測試儀器的準(zhǔn)確性與有效性，取四個(gè)接地引下線測試點(diǎn)，使用雙通道測試儀對(duì)測試地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并與傳統(tǒng)單通道測試儀的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可判斷出其準(zhǔn)確性與有效性。通過與傳統(tǒng)單通道采集的數(shù)據(jù)對(duì)比，其平均誤差為0.25%，說明與雙通道測試的數(shù)據(jù)滿足日常試驗(yàn)要求，另外01、02通道其誤差為0說明兩個(gè)通道測試的數(shù)據(jù)一致性高，都滿足測量需求。

表1 測試結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)單通道接地引下線導(dǎo)通電阻測試儀存在的問題，提出了采用四線制電壓電流測試方法對(duì)接地引下線導(dǎo)通電阻進(jìn)行測量，并對(duì)測試儀各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，完成了雙通道接地引下線導(dǎo)通電阻測試儀的研究與設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)雙道同時(shí)測試，具有兩組測試通道，可同時(shí)對(duì)多個(gè)接地點(diǎn)進(jìn)行測試；集測試、放置、電動(dòng)收放線纜于一體的測試儀主機(jī)，便于移動(dòng)、攜帶、提高測試效率；具有與主機(jī)進(jìn)行無線通訊、遠(yuǎn)程操作的智能掌上終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作主機(jī)進(jìn)行測試、數(shù)據(jù)查看，實(shí)現(xiàn)單人完成測試過程，大大提高測試效率。

具有自適應(yīng)全自動(dòng)收線裝置，內(nèi)置電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，可根據(jù)掌上終端指令自動(dòng)回收線纜、同時(shí)根據(jù)電機(jī)電流變化自動(dòng)判斷線纜是否打結(jié)、卡位等并發(fā)生警報(bào)信號(hào)，當(dāng)故障解除后再次自動(dòng)回收線纜，具有良好的人機(jī)功效；智能數(shù)據(jù)分析處理，測試時(shí)可通過掌上終端掃描接地點(diǎn)上放置的二維碼，實(shí)現(xiàn)測試點(diǎn)位置及測試數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)記錄、生成測試點(diǎn)導(dǎo)通電阻變化曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)測試點(diǎn)導(dǎo)通電阻的變化進(jìn)行分析、對(duì)比，提前預(yù)判接地裝置電氣性能完好情況。