李陽(yáng)，朱詩(shī)慧

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411)

變電站接地網(wǎng)狀況是否良好對(duì)電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，定期測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)有無(wú)焊點(diǎn)斷開(kāi)、松脫及腐蝕等缺陷，為地網(wǎng)開(kāi)挖檢查提供試驗(yàn)依據(jù)。目前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中安裝輔助接地極采用人工錘擊的方式進(jìn)行，存在安裝時(shí)安全性差、安裝效率低、單根電流極接地電阻大、測(cè)量完畢后拆除難度大等問(wèn)題，因此，本文提出研制一款可電動(dòng)操作的新型接地極安裝裝置。

1 人工安裝接地極測(cè)試現(xiàn)狀

受氣候、地理?xiàng)l件等因素的的影響，不同變電站接地網(wǎng)周邊土壤堅(jiān)硬程度存在明顯差異，而不同地區(qū)土壤內(nèi)部石塊、樹(shù)木根系以及金屬管道等的分布也存在很大差別。在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)地質(zhì)勘探設(shè)備進(jìn)行提前勘測(cè)的情況下，無(wú)法保證接地極安裝位置一次就選擇合適。實(shí)際測(cè)試中，接地極安裝位置單純靠人為經(jīng)驗(yàn)判斷，需要經(jīng)過(guò)多次嘗試才能尋找到避開(kāi)堅(jiān)硬土壤的安裝位置并將接地極順利打入地下，因此，接地極安裝時(shí)間較長(zhǎng)、安裝效率較低。選取6座不同土壤結(jié)構(gòu)特征的變電站進(jìn)行測(cè)試，表1為測(cè)試時(shí)接地極安裝時(shí)間及重復(fù)選址次數(shù)統(tǒng)計(jì)。

表1 接地極安裝時(shí)間及重復(fù)選址次數(shù)統(tǒng)計(jì)

另外，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)在大地中打入鋼釬、鋼管等金屬構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)安裝接地極。完成單次安裝操作至少需要2人配合，其中1人用手扶持金屬構(gòu)件，另外1人使用錘頭進(jìn)行錘擊，錘頭在錘擊過(guò)程中誤傷另一人的風(fēng)險(xiǎn)較大，導(dǎo)致接地極安裝的安全性較差。

在接地極安裝完畢后，需要對(duì)電流接地極進(jìn)行接地電阻測(cè)試以檢驗(yàn)其阻值是否滿(mǎn)足測(cè)試要求。以HVJE-5A型接地阻抗測(cè)試儀為例，該型號(hào)儀器在使用過(guò)程中要求電流極接地電阻不超過(guò)20 Ω，若不滿(mǎn)足要求，一般需要采用多個(gè)電流極并聯(lián)或向其周?chē)鷿娝姆绞浇底瑁娮柚岛细窈蠓娇砷_(kāi)始測(cè)試。統(tǒng)計(jì)國(guó)網(wǎng)寧東供電公司2014年10座變電站接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中電流極接地電阻測(cè)試情況，如表2所示?？偘惭b次數(shù)為100次，阻值滿(mǎn)足要求的次數(shù)為6次，僅占總次數(shù)的6%，且電流極接地電阻越大，滿(mǎn)足要求所需的并聯(lián)根數(shù)也越多。

表2 單根電流極接地電阻及平均并聯(lián)根數(shù)統(tǒng)計(jì)

在測(cè)試完畢后，需對(duì)打入地下的接地極進(jìn)行拆除，在沒(méi)有可靠機(jī)械設(shè)備進(jìn)行輔助操作的情況下只能依靠人工蠻力進(jìn)行拆除。受接地極插入深度及土壤堅(jiān)實(shí)程度的限制，拆除工作難度較大，單人拆除更不易實(shí)現(xiàn)。如果接地極在安裝過(guò)程中發(fā)生變形、彎曲，拆除時(shí)間會(huì)進(jìn)一步增加。

2 電動(dòng)式接地極安裝裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)人工安裝接地極導(dǎo)致的測(cè)試效率低和安全性差的突出問(wèn)題，本文采用電動(dòng)式打樁、自感應(yīng)破障的方式安裝接地極。針對(duì)接地極接地電阻要小的需求，本文采用打壓注入鹽水的方式進(jìn)行降阻。裝置主要由壓力感應(yīng)模塊、動(dòng)力輸出模塊、輔助降阻模塊和組合接地極四部分組成。

2.1 壓力感應(yīng)模塊

壓力感應(yīng)模塊的核心部件是電阻式應(yīng)變傳感器(見(jiàn)圖1)和四臂全橋測(cè)量轉(zhuǎn)換電路(見(jiàn)圖2)。在電阻式應(yīng)變傳感器當(dāng)中，由于壓阻效應(yīng)的存在，當(dāng)傳感器受到外界壓力的施加時(shí)，薄膜隨著應(yīng)力的變化而移動(dòng)，改變了壓阻材料的電阻率，從而測(cè)得外界壓力[1]。

圖1 電阻式應(yīng)變傳感器

圖2 四臂全橋測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

傳感器通過(guò)緩沖彈簧與接地極桿體根部接觸，接地體入地過(guò)程中遇到堅(jiān)硬土層或石塊時(shí)，彈簧產(chǎn)生彈性形變，與之相連的傳感器應(yīng)變電阻也隨之變形，其阻值發(fā)生變化。四臂全橋測(cè)量轉(zhuǎn)換電路將應(yīng)變電阻的微小電阻變化轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號(hào)輸出[2]，計(jì)算公式為

(1)

使用A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入中央處理器進(jìn)行邏輯運(yùn)算。超出預(yù)先設(shè)定壓力閾值后，發(fā)出指令使動(dòng)力切換傳感器動(dòng)作，釋放沖擊阻塞擋板，將原來(lái)單一的旋轉(zhuǎn)模式切換為沖擊模式，從而有效地進(jìn)行沖擊破障，破除障礙后自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。

2.2 動(dòng)力輸出模塊

動(dòng)力輸出模塊主要由動(dòng)力模塊和傳動(dòng)模塊兩部分組成，為接地極提供可靠連續(xù)的動(dòng)力輸出。

2.2.1 動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要包含供電電源和旋轉(zhuǎn)電機(jī)兩部分。在接地網(wǎng)測(cè)試過(guò)程中，輔助接地極的安裝距離取決于被測(cè)接地網(wǎng)的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度。對(duì)于常規(guī)110 kV變電站，其接地網(wǎng)對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度平均為150 m，電流極的安裝位置則位于變電站外距離地網(wǎng)邊緣至少600 m處。如果裝置選擇交流供電模式，電源線(xiàn)的長(zhǎng)度無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求，會(huì)面臨取電困難的問(wèn)題，但交流供電具有輸出功率大、可控性好的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，本裝置采取24 V大容量鋰電池組直流供電，再經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流的供電模式，不受電源線(xiàn)長(zhǎng)度限制，操作靈活便捷。

為了提升裝置的便攜性，旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用了體積小、重量輕的單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，該種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、調(diào)速方便、可調(diào)范圍廣、啟動(dòng)扭矩大等優(yōu)點(diǎn)。單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子包括定子繞組、定子鐵心、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等，轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸以及風(fēng)扇等[3]。這種電機(jī)的工作電源可以是交流，也可以是直流，因此又叫做交直流兩用電動(dòng)機(jī)。當(dāng)改變電機(jī)工作電壓的大小時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變[4]，因此可根據(jù)土壤堅(jiān)硬程度調(diào)節(jié)至合適的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能與保質(zhì)的雙重目的；同時(shí)，該電機(jī)具備較強(qiáng)的過(guò)載能力，當(dāng)接地極旋轉(zhuǎn)入地過(guò)程中受到較大的切向阻力時(shí)不易被卡住、制動(dòng)，可最大程度縮短接地極的安裝時(shí)間，提高測(cè)試效率。

2.2.2 傳動(dòng)模塊

裝置傳動(dòng)模塊包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒輪、彈簧、撥盤(pán)、圓盤(pán)凸輪、撞軸、傳動(dòng)桿、花鍵軸等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 裝置傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)模式下，電動(dòng)機(jī)通過(guò)相互嚙合的大小齒輪直接將動(dòng)力傳遞給與大齒輪同軸的圓盤(pán)凸輪和驅(qū)動(dòng)齒輪，進(jìn)而傳遞給套筒齒輪，完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞。接地極旋轉(zhuǎn)入地過(guò)程中，當(dāng)遇到石塊等障礙時(shí)可自動(dòng)由旋轉(zhuǎn)模式切換至沖擊模式。沖擊模式下，該模塊以應(yīng)力波的方式進(jìn)行能量傳遞，具有能量密度大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)[5]。此時(shí)，撞軸不與斜面圓柱狀的圓盤(pán)凸輪直接接觸，而是通過(guò)撥盤(pán)撥動(dòng)撞軸作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形成沖擊將石塊擊碎或者使其偏離接地極的運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)定律，接地極的沖擊力大小與其作用在石塊上時(shí)間的乘積和該石塊動(dòng)量的變化量相等，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：F—接地極向下的沖擊力；

T—力的作用時(shí)間；

M—力所作用石塊的質(zhì)量；

V—石塊的速度。

在接地極沖擊石塊時(shí)，土壤中石塊的速度變化量較小，但沖擊力的作用時(shí)間極短，為毫秒級(jí)，因此石塊所受到的沖擊力很大。接地極鉆頭為金剛石材質(zhì)，入地過(guò)程中可等效為剛體，石頭很容易被擊碎或發(fā)生位移，從而達(dá)到破除障礙的目的。

2.3 輔助降阻模塊

輔助降阻模塊借助于柱塞泵輸出的壓力，通過(guò)接地極內(nèi)部注液腔將預(yù)先配置好的化學(xué)降阻劑由集液罐均勻地注入到接地極周?chē)寥乐?，以達(dá)到降低接地極接地電阻的效果。安裝完畢的接地極等效為垂直接地極模型(見(jiàn)圖4)。

圖4 垂直接地極

對(duì)其接地電阻進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)l遠(yuǎn)大于d時(shí)，則

(3)

式中:R—垂直接地極的接地電阻，Ω；

ρ—土壤電阻率，Ω·m；

l—垂直接地極的長(zhǎng)度，m；

d—接地體用圓鋼時(shí)，圓鋼的直徑，m。

由式(3)可知：垂直接地極的直徑越大，周?chē)寥离娮杪试叫?，其接地電阻就越小。本裝置所使用的降阻劑是由幾種物質(zhì)配制而成的化學(xué)降阻劑，由膠體、電解質(zhì)和水分混合組成，具有良好的導(dǎo)電性能。具體應(yīng)用過(guò)程中，這種降阻劑能夠向周?chē)寥肋M(jìn)行滲透，一方面使周?chē)寥赖碾娮杪式档停硪环矫嬗捎谕寥澜Y(jié)構(gòu)的原因，滲透過(guò)程中是以樹(shù)枝狀的形式向四周擴(kuò)散(見(jiàn)圖5)，這就等效地增大了接地體的直徑[6]，結(jié)合以上兩點(diǎn)，注入降阻劑可以有效地降低垂直接地極的接地電阻。

圖5 降阻劑擴(kuò)散

2.4 組合式接地極

本裝置所用接地體(見(jiàn)圖6)長(zhǎng)度設(shè)置為1.20 m，采用中空螺紋式鉆桿和錐形實(shí)心鉆頭組合的型式，鉆桿內(nèi)部設(shè)置中空的注液空腔，空腔到鉆頭截止，鉆桿外表面在水平方向按照90°夾角交錯(cuò)設(shè)置一定數(shù)量的排液小孔通入空腔。輔助降阻裝置包括集水罐、注水管道和水泵三部分組成，配置好的降阻劑通過(guò)輔助降阻裝置打壓至接地極注液空腔，由排液小孔均勻地注入到周?chē)寥乐?，從而?duì)安裝完畢的電流極進(jìn)行有效降阻。

圖6 組合接地極結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證基于壓力感應(yīng)的新型電動(dòng)式接地極安裝裝置的性能滿(mǎn)足工作要求，在寧東地區(qū)所轄10座變電站進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表3)，單根接地極的電動(dòng)安裝平均時(shí)間為1.67 min，相對(duì)于人工安裝平均時(shí)間節(jié)約了35.08 min。

表3 人工安裝接地極與使用該裝置安裝接地極的對(duì)比

在接地極安裝完畢后，利用裝置降阻模塊進(jìn)行輔助降阻以驗(yàn)證其降阻效果，單根電流極接地電阻及平均并聯(lián)根數(shù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 單根電流極接地電阻及平均并聯(lián)根數(shù)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)100次現(xiàn)場(chǎng)安裝中，阻值滿(mǎn)足要求的次數(shù)為62次，使單根電流極接地電阻合格率由6%提升至62%，電流極平均并聯(lián)根數(shù)總體減少，進(jìn)一步縮短了接地阻抗的測(cè)試時(shí)間。測(cè)試完畢后，接地極可在短時(shí)間內(nèi)順利拔出。新型電動(dòng)式接地極安裝裝置的使用，將變電站接地網(wǎng)接地阻抗平均測(cè)試時(shí)間由2 h縮短至0.5 h，極大提升了接地阻抗的測(cè)試效率。

4 結(jié) 論

本文研制的新型電動(dòng)式接地極安裝裝置，解決了接地阻抗測(cè)試中人工安裝接地極所存在的安全性差、安裝效率低、單根電流極接地電阻大、測(cè)量完畢后拆除難度大等問(wèn)題。

該裝置通過(guò)自感應(yīng)壓力變化沖擊破除故障，解決了接地極入地過(guò)程中遇到堅(jiān)硬石塊后需經(jīng)多次重復(fù)安裝的難題。該裝置利用單相串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)提供可靠動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)了接地極由兩人配合手動(dòng)安裝到單人電氣化快速操作的模式轉(zhuǎn)變，使接地極安裝效率較以前得到較大提升。同時(shí)，避免了使用錘頭錘擊使誤傷試驗(yàn)人員的風(fēng)險(xiǎn)降低，提高了測(cè)試過(guò)程中的安全性。另外，為解決由于單根電流極接地電阻大的問(wèn)題，該裝置將普通圓鋼光面接地極改造為中空的含有多個(gè)排液小孔的接地極，通過(guò)使用化學(xué)降阻劑打壓注液的降阻模式，使單根電流極的接地電阻得到大幅度降低，滿(mǎn)足測(cè)試要求所需的電流極，并聯(lián)根數(shù)也隨之減少。

實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置的使用可有效提升變電站接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試效率，其安全性能好，可推廣至發(fā)電、供電、用電企業(yè)以及建筑施工等行業(yè)。鑒于目前在大型接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中普遍采用人工方式安裝輔助接地極的實(shí)際情況，該裝置具有很大的推廣價(jià)值。