彭紅剛， 王牧浪， 何澤斌， 徐 研

(廣州供電局有限公司， 廣東 廣州 510000)

輸電線路桿塔的接地系統(tǒng)是保障線路安全運行的重要環(huán)節(jié)，桿塔接地電阻是表征其接地性能的重要指標。在輸電線路的運維工作中，保證桿塔接地電阻在合理的區(qū)間內(nèi)，能使輸電線路有較高的耐雷水平，有效減少雷害事故，并有效限制線路接地故障條件下桿塔附近的接觸電壓和跨步電壓，防止人畜觸電事故。然而，在實際運維工作中，花費大量人力物力測量得到的桿塔接地電阻數(shù)據(jù)的可利用率仍然很低。各省市電力公司仍需每年申請專項科研項目開展線路的防雷接地改造工作，造成了嚴重的資源浪費。

綜合分析，引起上述現(xiàn)象的主要原因包括以下3個方面：1)在測量環(huán)節(jié)中，所需記錄的數(shù)據(jù)多、工作量大，對測量人員的專業(yè)性要求較高，現(xiàn)有工作方法效率低，且有一定的錯誤率，導致大量的測量數(shù)據(jù)難以取信；2)在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)中，尚無統(tǒng)一的標準尺度和專業(yè)的評估方法，運行人員很難根據(jù)測量數(shù)據(jù)直接判斷接地裝置狀態(tài)的運行情況；3)在運維管理環(huán)節(jié)中，不能對測量工作的全業(yè)務流程實現(xiàn)監(jiān)管和查詢?？赡艽嬖诙韫ず蛿?shù)據(jù)造假情況，測量數(shù)據(jù)的客觀真實性難以保證。

基于以上分析，有必要開發(fā)一種接地電阻測量的智能終端設備。在桿塔接地電阻測量過程中實現(xiàn)“一鍵式”完成“測量+上傳”，直接將測量得到的“離線數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)化為“線上數(shù)據(jù)”。有效提高測量環(huán)節(jié)中的工作效率，減少錯誤率。同時，建立用戶可查詢的輸電線路桿塔接地參數(shù)的大數(shù)據(jù)云平臺，并結合接地裝置的運行狀態(tài)評估方法和接地故障風險分級方法，提高測量數(shù)據(jù)的利用率，支撐運維管理決策。 本文的闡述重點是圍繞一種輸電線路桿塔接地電阻信息化測量設備的開發(fā)，應用本設備進行了實驗室測量和實地現(xiàn)場測量，通過與傳統(tǒng)測量方法進行實測的對比分析知：該設備體積小、重量輕、操作簡單用時少、測量精度高。

1 接地電阻測量的常用方法及存在問題分析

1.1 三極法的基本原理

根據(jù)桿塔接地電阻的定義，如果需要測量桿塔的接地電阻，則首先需要在接地裝置中注入一定大小的電流。然后，在與接地裝置一定距離的位置處設置一個可提供電流回路的電流極，使經(jīng)接地裝置散流到周圍土壤中的注入電流重新再回到可用于測量的電流回路中，并用電流表測得該電流。同時，為了測得接地裝置的電位，需要設置一個可用于測量電位差的電壓極，且該電壓極應設置在零電位點處。這樣，通過測量回路中電壓電流關系的簡單計算便可以得到該桿塔接地裝置的接地電阻。接地電阻測量回路見圖1。

圖 1 接地電阻測量回路原理圖

1.2 回路法的基本原理

回路法測量桿塔接地電阻是最新的一版DL/T475-2017《接地裝置特性參數(shù)測量導則》中推薦的測量方法。該方法是由最早的“鉗表法”發(fā)展而來。鉗表法由于其使用方法簡單、現(xiàn)場測量工作量小的特點，在桿塔接地測量運維中得到了廣泛的應用。但實際應用中，鉗表法的缺點也十分明顯：測量所采用的電流較小，測量穩(wěn)定性和準確率相對低。

采用回路法進行測量時，將被測桿塔所有的接地引下線拆除并用金屬短接在一起，作為被測接地裝置的測試引線。再由被測接地裝置、接地裝置桿塔、避雷線、遠方多級桿塔及其接地裝置和大地形成的回路中接入測試儀器。測量回路見圖2。

圖 2 回路法測量桿塔接地電阻的原理示意圖

1.3 桿塔接地系統(tǒng)運維測量過程中存在的問題分析

1)現(xiàn)有測量方法的優(yōu)劣對比 在電力行業(yè)標準DL/T475-2017中，明確提出了線路運維工作中桿塔接地電阻測量的2種方法：三極法和回路法。這2種方法主要是從桿塔接地電阻測量回路的選擇和設置的不同進行了分類。兩種方法的對比見表1。

表1 三極法和回路法優(yōu)缺點對比

2)運維測量過程中存在的問題 在傳統(tǒng)的運維測量過程中，所有的測量條件和測量數(shù)據(jù)都需要技術人員手動記錄。在測量的各環(huán)節(jié)中，所需記錄的數(shù)據(jù)多、工作量大，對測量人員的專業(yè)性要求較高?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的工作方法效率低，且有一定的錯誤率。導致大量的測量數(shù)據(jù)難以取信。同時，運維管理人員不能對測量工作的全業(yè)務流程實現(xiàn)監(jiān)管和查詢?？赡艽嬖诙韫ず蛿?shù)據(jù)造假情況，測量數(shù)據(jù)的客觀真實性難以保證。

傳統(tǒng)的線路運維中桿塔接地測量過程的主要問題:

現(xiàn)場測量環(huán)節(jié)，1)采用手抄記數(shù)，工作量大，對測量人員的專業(yè)性要求較高。所需記錄的數(shù)據(jù)多，可能遺漏關鍵的條件或參數(shù)。效率低，且有一定的錯誤率。2)不能實現(xiàn)測量過程的全流程痕跡記錄。運維工作的過程難以監(jiān)管。可能存在惰工和數(shù)據(jù)造假情況，測量數(shù)據(jù)的客觀真實性難以保證。

后期數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，1)需錄入、統(tǒng)計的數(shù)據(jù)量較大，效率低，且有一定的錯誤率。2)由于缺乏統(tǒng)一方法，運維部門對數(shù)據(jù)的使用率較低。3)缺乏集中的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析工作的效率較低，且效果不佳。在接地裝置的狀態(tài)評估方面，大多憑經(jīng)驗判斷，難以科學指導隨后的運檢工作計劃。

2 測量系統(tǒng)的設計方案

2.1 整體設計思路

本桿塔接地電阻信息化測量設備主要包括以下8個設計模塊：中央處理器模塊，異頻激勵源模塊，信號采集模塊(電流、電壓)，數(shù)據(jù)儲存模塊，LCD顯示模塊，通訊模塊，GPS定位模塊，電池及電源模塊等八個模塊。系統(tǒng)整體裝置結構見圖3。

圖 3 輸電線路桿塔接地裝置電阻信息化測量系統(tǒng)框圖

當操作人員使用該信息化設備進行桿塔接地電阻測量時，中央處理器模塊發(fā)送一個信號指令給異頻激勵源模塊，異頻激勵源模塊在布置的測量回路中分別產(chǎn)生一個47 Hz和53 Hz的異頻電流源，如圖3中過程(1)、(2)。此時，通過信號采集模塊對桿塔接地裝置的電壓、電流信號進行測量采集，并將測得的電壓、電流信號傳輸至中央處理器模塊，如圖3中過程(3)、(4)。同時，GPS定位模塊將設備的地理位置信息傳送至中央處理器模塊，如圖3中過程(5)。中央處理器模塊通過計算處理得到一系列本次測量的最終數(shù)據(jù)，傳送至LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，實現(xiàn)人機交互，如圖3中過程(6)。隨后，通訊模塊將本次測量的最終數(shù)據(jù)上傳至遠端監(jiān)控中心的服務器中，如圖3中過程(7)。最后，當中心服務器收到本次測量的最終數(shù)據(jù)，服務器發(fā)送“測量成功”的指令返回至通訊模塊并通過顯示模塊告知操作人員，如圖3中過程(8)。另外，操作人員也可通過顯示操作系統(tǒng)，對存儲模塊中的歷史測量數(shù)據(jù)進行查詢讀取，如圖3中過程(9)。

測量操作人員在桿塔接地電阻測量回路的布置中可根據(jù)現(xiàn)場實際條件及精度要求，自行選擇采用三極法或回路法進行回路布置，并將對應方法通過設備通訊模塊上傳至服務器。

2.2 主要硬件的設計方案

2.2.1 異頻激勵源模塊本設備中異頻激勵源模塊主要將中央處理器模塊產(chǎn)生的47 Hz和53 Hz信號進行放大輸出。由于需要產(chǎn)生不低于30 W的輸出功率，又需要保證設備工作時不產(chǎn)生過度的能量消耗，因此選擇TPA3118作為核心放大器。異頻測量源的產(chǎn)生原理框圖見圖4。

圖 4 異頻測量源的產(chǎn)生原理框圖

2.2.2 信號采集處理模塊本設備信號采集模塊的設計中，電壓信號的采集使用的是1∶1隔離變壓器，次級按比例分壓形成6個不同檔位(6/12，5/12，4/12，3/12，2/12，1/12)的電壓值，依據(jù)實時負載電壓強度，中央處理器會控制繼電器選擇合適通道。電流信號的采集使用霍爾電流傳感器，分辨率為189 mV/A，能將電流信號轉(zhuǎn)換為純凈的電壓信號。

根據(jù)實際測試，電壓、電流傳感器均具有良好的頻率響應和精確的信號輸出。在負載為20 Ω，滿功率情況下，負載電壓與測量電壓對比見圖5。

圖 5 負載電壓與測量電壓對比

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊由于本信息化設備需要工作在各種自然環(huán)境中，設備與后臺服務器需要通過蜂窩網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，在某些無網(wǎng)絡信號覆蓋的地區(qū)采集的桿塔接地電阻結果無法及時上傳到服務器，所以需要將采集的數(shù)據(jù)進行本地保存，以備網(wǎng)絡恢復后續(xù)傳。本設備采用Micro SD卡作為存儲介質(zhì)，最大能存儲4 GB數(shù)據(jù)，掉電不易失。本設備亦支持USB通信，通過USB連接PC，用戶可將Micro SD數(shù)據(jù)讀出。

2.2.4LCD顯示模塊本設備采用3.5寸液晶顯示屏作為人機交互窗口，使用串口與中央處理器進行通訊。顯示屏顯示的內(nèi)容主要包括：測量步驟選擇、測量結果顯示、電池剩余電量、當前時間、當前經(jīng)緯度坐標、當前信號強度、歷史測試數(shù)據(jù)查看等。

2.2.5GPS定位與通訊模塊為保證被測數(shù)據(jù)的真實性、唯一性以及系統(tǒng)的可擴展性，本設備采用GPS定位模塊標定被測桿塔的實際位置。GPS定位模塊選型為GPS-1513模塊，使用串口與中央處理器模塊進行通訊。

設備與后臺服務器的數(shù)據(jù)傳輸采用GSM網(wǎng)絡通信方法，可以使用GPRS數(shù)據(jù)流量和短信兩種手段傳輸數(shù)據(jù)，具體可根據(jù)實際情況選擇。通訊模塊選型為SIM800，使用串口與中央處理器模塊進行通訊。

2.3 軟件系統(tǒng)主程序設計

依照設備開發(fā)的技術路線，本設備的測量系統(tǒng)有如下3方面的主要功能：1)接地電阻的數(shù)據(jù)測量，2)測量結果及GPS信息的即時數(shù)據(jù)通信，3)歷史測量數(shù)據(jù)的查詢和顯示。在信息化接地電阻測量設備的主程序設計中，圍繞這3個方面的主要功能進行了充分的考慮設計(圖6)。

圖 6 “測量”功能操作流程圖

3 設備技術指標及實地測量結果

3.1 主要技術指標

設備外箱使用專業(yè)級電子設備工程儀表箱，采用開細胞核結構設計，重量輕，強度高，耐候性好，具有防水、防撞擊、防塵等特性(圖7)。技術指標:尺寸232 mm×192 mm×111 mm, 輸出波形為標準正弦波，頻率47/53 Hz，最大輸出電流大于500 mA，測量精度1%。

圖 7 負載電壓與測量電壓對比

3.2 現(xiàn)場桿塔測量結果

為了驗證異頻法信息化測量設備的現(xiàn)場測量情況，項目組對部分輸電線路桿塔的接地電阻進行了實地現(xiàn)場測量。每次測量中，項目組首先采用了本項目所研制的異頻法信息化測量設備基于回路法進行現(xiàn)場測量，隨后還采用ZC-8系列接地電阻測量儀(搖表)基于三極法進行了測量。

通過現(xiàn)場實地測量，得到5組有效測量數(shù)據(jù)(表2)。

從表2可以看到，本設備測量結果穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強，特別適用于電磁環(huán)境復雜地區(qū)的桿塔測量。同時，每基塔的平均測量時間僅為9 min，與三極法相比，能有效節(jié)省86%的測量時間，并大幅降低了測量中工作強度。

表2 異頻法信息化測量設備實地測量結果

4 結論

1)本文針對現(xiàn)有常用的桿塔接地電阻測量方法中存在的共性問題，提出了一種桿塔接地電阻的信息化測量運維方法，并研發(fā)了一套桿塔接地電阻的信息化測量設備。實現(xiàn)了在接地測量的現(xiàn)場通過“一鍵式”操作完成接地參數(shù)的“數(shù)據(jù)測量”和“數(shù)據(jù)上傳”，有效提高測量環(huán)節(jié)中的工作效率，減少了整個運維工作中的錯誤率。

2)通過現(xiàn)場多種方法的試驗對比研究，表明本文研制的信息化測量設備測量精度高、抗干擾能力強，特別適用于電磁環(huán)境復雜地區(qū)的桿塔測量。能大幅提高接地運維測量中的工作效率，有效推進電網(wǎng)接地運維的信息化和數(shù)據(jù)化，工程應用前景廣闊。