采用螺旋狀接地模塊的接地裝置自動(dòng)化控制

羅 杰，宋平平，陳銳忠，林少佳

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司瓊海供電局，瓊海 571400）

對(duì)于城市輸電線路而言，接地裝置的自動(dòng)安全控制尤為重要。目前常用的普通接地體電流泄露容量較低，無(wú)法更好地滿足相間短路、雷擊等各種故障下的接地需求。文獻(xiàn)[1-3]通過(guò)仿真研究了接地裝置在雷擊以及工頻短路下的接地特性，提出通過(guò)電解粒子或者接地降阻劑的方式降低相應(yīng)的接地電阻；文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)鋪設(shè)礫石或?yàn)r青的方式對(duì)接地電阻進(jìn)行均衡。針對(duì)接地裝置自動(dòng)控制以及通過(guò)接地裝置本身進(jìn)行接地電阻控制的研究相對(duì)較少。螺旋狀接地模塊相比常規(guī)普通接地體能夠泄露更多的電流。同時(shí)，其價(jià)格相較于性能相近的薄管狀接地模塊更為低廉，因此更具性價(jià)比。同時(shí)，傳統(tǒng)接地裝置的裝設(shè)成本較高，通過(guò)自動(dòng)化接地裝置的改進(jìn)，以期節(jié)省更多的人力財(cái)力。

1 自動(dòng)控制接地裝置

1.1 自動(dòng)控制接地裝置概述

自動(dòng)控制接地裝置系統(tǒng)由感應(yīng)部分、控制部分以及接地部分組成[6-7]。其中，感應(yīng)部分分別對(duì)應(yīng)設(shè)置X 軸、Y 軸以及Z 軸的激光感應(yīng)傳感器，用于接收處理相應(yīng)的信號(hào)；控制部分設(shè)置X 軸、Z 軸以及XY坐標(biāo)平面的伺服電機(jī)，用于進(jìn)行氣動(dòng)調(diào)整接地裝置；接地部分設(shè)置螺旋式接地裝置，并通過(guò)兩級(jí)氣缸調(diào)節(jié)螺旋式接地裝置的規(guī)格。感應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)控制接地系統(tǒng)感應(yīng)部分Fig.1 Sensing part of the automatic control grounding system

圖1 中，通過(guò)激光感應(yīng)器進(jìn)行測(cè)距并進(jìn)行夾緊位置的選取，保證接地裝置與接地導(dǎo)體連接的安全可靠。壓力傳感器能夠?qū)?dòng)觸頭夾緊的程度進(jìn)行控制[8-11]，以保證夾緊力度合適，或在連接過(guò)程中進(jìn)行微調(diào)。

控制部分的結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。

圖2 控制部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the control part

圖2 中，控制部分通過(guò)X 軸、Z 軸以及XY 坐標(biāo)面的伺服電機(jī)進(jìn)行具體的位置調(diào)整。

接地部分的結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 接地部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the grounding part structure

圖3 中，通過(guò)電磁閥、電動(dòng)氣泵等進(jìn)行螺旋狀接地裝置的接地部分控制，自動(dòng)控制模塊依據(jù)實(shí)際情況下發(fā)控制指令。

1.2 螺旋狀接地模塊

螺旋狀接地模塊通常為7 mm 半徑的圓鋼按照r 半徑環(huán)繞螺旋，其具體的結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 螺旋狀接地模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of spiral grounding module

圖4 中，螺旋狀接地模塊匝間對(duì)應(yīng)的距離用d表示，螺旋繞徑用r 表示，垂直方向的長(zhǎng)度用h 表示。其中，螺旋狀接地模塊相比常規(guī)的接地體，具有2個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：一是在同等深度條件下，螺旋狀接地模塊具有更大的散流長(zhǎng)度，電流引流以及流散能力更強(qiáng)[12]；二是相比傳統(tǒng)接地體螺旋狀接地模塊的使用成本更少，性價(jià)比更高[13]。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)將螺旋狀接地裝置與氣動(dòng)筒結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)螺旋狀接地裝置的可控性，滿足結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)化接地控制的需求。

2 自動(dòng)控制模塊

2.1 控制模塊綜述

控制模塊主要通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)觸頭動(dòng)作以及氣動(dòng)筒升降進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整[14]，以提高帶有螺旋狀接地線的接地裝置裝設(shè)自動(dòng)化程度，使接地裝置具有更加靈活可靠的工作范圍。自動(dòng)控制模塊的工作原理如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)控制模塊工作原理Fig.5 Working principle of the automatic control module

圖5 中，中央控制模塊由中央處理器CPU、IPM驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)模塊以及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊等組成。中央控制模塊通過(guò)不同的傳感器采集對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)、測(cè)距信號(hào)以及壓力信號(hào)。信號(hào)采集完成之后，對(duì)短路接地故障以及雷電擊地故障下的安全電流進(jìn)行計(jì)算，以確定螺旋狀接地模塊的具體接地深度及接觸面積。中央控制模塊由計(jì)算結(jié)果發(fā)送控制指令，通過(guò)電磁閥以及電動(dòng)氣泵進(jìn)行氣動(dòng)控制，以使螺旋狀接地模塊的裝設(shè)長(zhǎng)度合理，保證接地裝置安全可靠。

2.2 計(jì)算安全參數(shù)與目標(biāo)值

2.2.1 短路故障安全參數(shù)及目標(biāo)值

短路故障的情況下，人體雙腳的跨步電壓的耐受值可以表示為

人體手腳對(duì)應(yīng)接觸電壓的耐受值可以表示為

式中：RB為人體的電阻；ρ 為土壤電阻率；IK為人體對(duì)應(yīng)不同質(zhì)量時(shí)安全電流；K 為關(guān)于質(zhì)量對(duì)應(yīng)能量系數(shù)；VT為跨步電壓。安全電流的計(jì)算方式為

式中：t 為電流入地持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)。

由此求得人體在站姿情況下對(duì)應(yīng)的跨步電壓為

對(duì)應(yīng)的手腳之間的接觸電壓表示為

綜上，工頻情況下接觸電壓以及對(duì)應(yīng)的跨步電壓可以表示為

2.2.2 雷電情況下安全參數(shù)及目標(biāo)值

在雷電擊地的情況下，雷電會(huì)產(chǎn)生10～100 kHz的頻率，此時(shí)人體安全電流的耐受值與工頻電流相比，約為13 倍左右。按照上一小節(jié)的推導(dǎo)方式可以得到相應(yīng)雷擊情況下的接觸電壓以及跨步電壓為

式中：ULT為接觸電壓對(duì)應(yīng)的限值；ULS為跨步電壓對(duì)應(yīng)的限值；T 為雷擊故障時(shí)電流持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)。

2.3 螺旋狀接地模塊裝設(shè)長(zhǎng)度

根據(jù)計(jì)算得到的接觸電壓和跨步電壓來(lái)確定螺旋狀接地模塊的具體安裝長(zhǎng)度。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)筒，以實(shí)現(xiàn)螺旋狀接地模塊的實(shí)際裝設(shè)目標(biāo)。內(nèi)置螺旋狀接地裝置中，螺旋狀接地裝置不同分段對(duì)應(yīng)的泄露電流如圖6 所示。

圖6 不同分段泄露電流情況Fig.6 Leakage current in different sections

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定100 A 幅值的激勵(lì)電流，300 Ω·m的土壤電阻率。螺旋狀接地模塊的垂直接地長(zhǎng)度通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。針對(duì)不同垂直接地長(zhǎng)度以及定長(zhǎng)度下內(nèi)外螺旋狀接地裝置的匝數(shù)配比進(jìn)行分析。同時(shí)對(duì)氣動(dòng)自動(dòng)控制接地裝置進(jìn)行型式試驗(yàn)，驗(yàn)證接地裝置是否安全可靠。并結(jié)合實(shí)際變電站將自動(dòng)控制接地裝置與傳統(tǒng)的接地方式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證自動(dòng)化接地裝置的裝設(shè)效率。

3.2 垂直長(zhǎng)度與接地電阻分析

自動(dòng)控制接地裝置在不同接地長(zhǎng)度的情況下對(duì)應(yīng)的接地電阻如圖7 所示。

圖7 不同垂直長(zhǎng)度接地電阻Fig.7 Different vertical lengths of ground resistance

圖7 中，垂直長(zhǎng)度在逐漸變長(zhǎng)的過(guò)程當(dāng)中，接地電阻逐漸變小。當(dāng)垂直長(zhǎng)度超過(guò)4 m 時(shí)，接地電阻逐漸趨于平緩。如在實(shí)際工程情況中，螺旋狀接地裝置的線圈匝數(shù)設(shè)定為6，那么需要控制氣動(dòng)筒，使螺旋狀接地裝置的垂直接地長(zhǎng)度為3 m，由此得到相應(yīng)的匝間距離為0.25 m，以保證較小的接地電阻，得到安全的跨步電壓值。

3.3 線圈匝數(shù)與接地電阻分析

自動(dòng)控制接地裝置可以在定長(zhǎng)度的情況下，通過(guò)調(diào)整內(nèi)置螺旋狀接地裝置與外置螺旋狀接地裝置的線圈匝數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地電阻的控制，其對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線如圖8 所示。

圖8 不同長(zhǎng)度及匝數(shù)接地電阻曲線Fig.8 Ground resistance curves of different lengths and turns

圖8 中，對(duì)于不同垂直接地長(zhǎng)度而言，線圈對(duì)應(yīng)的匝數(shù)越多，能夠得到越小的接地電阻，在匝數(shù)超過(guò)6 之后，對(duì)應(yīng)的接地電阻逐漸趨于平緩。

3.4 型式試驗(yàn)

依據(jù)DL/T879-2021《便捷式接地和接地短路裝置》，對(duì)設(shè)置的自動(dòng)化控制接地裝置進(jìn)行型式試驗(yàn)。針對(duì)線鼻進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，在線鼻側(cè)加設(shè)拉伸力，拉伸力的大小為5000 N，線鼻側(cè)沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)自動(dòng)控制接地裝置進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)專用夾子固定接地裝置的上下兩端，并在接地裝置的下端添加靜載負(fù)荷，靜載負(fù)荷的大小為1470 N，持續(xù)時(shí)間為5 min。靜載負(fù)荷撤除后，接地裝置不產(chǎn)生形變。對(duì)自動(dòng)化接地裝置進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電壓大小為580 kV，持續(xù)的時(shí)間為5 min，自動(dòng)化接地裝置工作無(wú)異常。同時(shí)對(duì)自動(dòng)化接地裝置與接地體的連接部分，也即夾緊裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，夾緊實(shí)驗(yàn)的次數(shù)為100 次，100 次夾緊實(shí)驗(yàn)中夾緊裝置均能夠正常動(dòng)作，與接地體連接可靠牢固。

3.5 裝設(shè)效率對(duì)比

某變電站為500 kV，在該變電站進(jìn)行接地裝置的裝設(shè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將傳統(tǒng)接地方式、自動(dòng)控制接地方式以及變負(fù)荷后自動(dòng)控制接地的調(diào)整時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。為減少裝設(shè)人員對(duì)裝設(shè)時(shí)間的影響，選擇5名裝設(shè)人員分別進(jìn)行傳統(tǒng)接地裝置以及本文設(shè)置接地裝置的裝設(shè)工作，將其裝設(shè)均值作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，定負(fù)荷下傳統(tǒng)接地方式5 位裝設(shè)人員的平均裝設(shè)時(shí)間為318 s 左右，自動(dòng)控制接地方式5位裝設(shè)人員的平均裝設(shè)時(shí)間為17 s 左右。對(duì)于不同裝設(shè)人員而言，裝設(shè)的時(shí)間差別不大，也就是說(shuō)本文設(shè)置的自動(dòng)化接地裝置操作簡(jiǎn)便，上手相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于裝設(shè)人員在固定負(fù)荷的條件下已經(jīng)提前掌握了接地參數(shù)，因此自動(dòng)化接地裝置的裝設(shè)時(shí)間更短。對(duì)于變負(fù)荷條件下，自動(dòng)化接地裝置能夠根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)整接地裝置的裝設(shè)規(guī)格，平均裝設(shè)耗時(shí)在25 s 之內(nèi)。也就是在改變負(fù)荷的情況下，自動(dòng)控制接地裝置同樣能在更短的時(shí)間內(nèi)完成裝設(shè)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)接地裝置的裝設(shè)時(shí)間，極大提高了裝設(shè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

從接地裝置的作用及實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)控制接地垂直長(zhǎng)度的自動(dòng)控制接地裝置。同時(shí)內(nèi)置螺旋狀接地模塊，以提高接地電流的引流以及散流效率。中央控制單元通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并在內(nèi)部CPU 中進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的跨步電壓。通過(guò)對(duì)接地裝置進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整，以保證接地裝置工作安全可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該自動(dòng)化控制接地裝置滿足實(shí)際工作需求，工作安全可靠，操作簡(jiǎn)便快捷，能夠極大提高工作效率，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)以及接地安全。