葉宇豪 劉之涵 唐 瑭 汪天允 張臻哲

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210011）

0 引言

在電力建設(shè)過程中，施工臨時(shí)用電是一個(gè)貫穿工程始末的重要元素，其帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。在建設(shè)管理的過程中，通常需要重點(diǎn)檢查電纜接線是否正確可靠、是否實(shí)現(xiàn)“一機(jī)一閘一保護(hù)”、是否標(biāo)注出線設(shè)備名稱、是否做好防火封堵、箱體是否上鎖、是否實(shí)現(xiàn)可靠接地保護(hù)等方面的內(nèi)容[1]。

在施工現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)配電體系中，一級(jí)配電箱位置固定，二級(jí)配電箱位置相對(duì)固定，而三級(jí)配電箱則由于各種作業(yè)需要呈現(xiàn)分布隨機(jī)、數(shù)量眾多、形式多樣、移動(dòng)頻率高等特點(diǎn)，這就使得存在的問題不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)場(chǎng)的管理工作帶來了諸多困難與挑戰(zhàn)。由于作業(yè)面缺少可靠接地體、施工作業(yè)人員安全意識(shí)淡薄、配電箱頻繁移動(dòng)導(dǎo)致線材損壞等原因，配電箱經(jīng)常失去可靠的接地保護(hù)，帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。為此，需要設(shè)計(jì)一種可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電箱接地狀態(tài)的裝置，且能夠及時(shí)提醒管理人員該配電箱所處的位置，以便迅速處置險(xiǎn)情，消除隱患。

基于上述問題及需求，本文從整體方案設(shè)計(jì)、傳感器方案設(shè)計(jì)、無線傳輸方案設(shè)計(jì)、程序邏輯設(shè)計(jì)四方面出發(fā)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的臨時(shí)用電接地監(jiān)測(cè)裝置，具有節(jié)能、高效、方便安裝等特征，能夠有效提高施工管理人員工作效率，滿足工程管理需要。

1 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)三級(jí)配電箱常見的形態(tài)，設(shè)計(jì)了本裝置的整體方案，如圖1所示。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)圖

該裝置包括裝置主體、太陽(yáng)能面板、磁吸面板、電阻傳感器、電流傳感器等。裝置主體內(nèi)包含了用于通信的無線傳輸模塊、用于定位的GPS模塊、用于現(xiàn)場(chǎng)警示的聲光報(bào)警模塊、用于供電的蓄電池，裝置主體正面為太陽(yáng)能面板、操作面板與顯示屏，背部為磁吸面板。

其中，太陽(yáng)能面板能夠?yàn)樾铍姵爻潆姡詫?shí)現(xiàn)裝置的無源運(yùn)行，降低設(shè)備生命周期成本；背部的磁吸面板使得裝置能夠吸附固定于配電箱表面，方便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的安裝；電阻傳感器用于測(cè)量配電箱接地體接地電阻的大小，以判斷配電箱是否有效接地；電流傳感器用于檢測(cè)配電箱進(jìn)線電纜上的電流情況，從而判斷連接于配電箱的設(shè)備是否處于運(yùn)行中。

2 傳感器方案設(shè)計(jì)

利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)配電箱相關(guān)電信號(hào)的采集，主要包括對(duì)電流與電阻數(shù)值的獲取。

首先，針對(duì)進(jìn)線電纜上的電流數(shù)值測(cè)量，業(yè)界通常采用的檢測(cè)工具是鉗形電流表，其工作原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過鉗表中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)，經(jīng)過處理后即可得到與一次電流成正比的輸出電壓。相較于電流互感器而言，這是一種不破壞原有導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效便捷測(cè)量方案。

在本設(shè)計(jì)中，電流數(shù)值僅作為觸發(fā)信號(hào)，并不需要測(cè)得實(shí)際值，對(duì)傳感器的精度要求較低。同時(shí)綜合考慮成本因素與可操作性，上述基本功能可以通過一個(gè)羅氏線圈外加相應(yīng)的調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)[3]。羅氏線圈不含鐵磁性材料，無磁滯效應(yīng)，無磁飽和現(xiàn)象，且尺寸極小，安裝簡(jiǎn)單方便，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)量程為0～50 A即可滿足設(shè)備運(yùn)行要求。

其次，針對(duì)接地電阻數(shù)值的測(cè)量，在施工現(xiàn)場(chǎng)常用的是三點(diǎn)測(cè)量法與鉗表測(cè)量法。其中，三點(diǎn)測(cè)量法需要在被測(cè)接地體以外安裝一個(gè)輔助接地極與探測(cè)電極，在輔助接地和被測(cè)接地體之間加上電流，測(cè)量被測(cè)接地體和探測(cè)電極間的電壓降，從而獲得接地電阻數(shù)值。

但是由于需要安裝額外的接地極，三點(diǎn)測(cè)量法無法滿足本設(shè)計(jì)對(duì)便攜性與實(shí)用性的需求，故考慮鉗表測(cè)量法[4]。該方法無須借助額外的接地極，使用方法與鉗形電流表類似，其鉗上有獨(dú)立的電壓線圈與電流感應(yīng)線圈，測(cè)量時(shí)電壓線圈在被測(cè)回路中激勵(lì)出一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，被測(cè)回路中因此產(chǎn)生相應(yīng)的回路電流I，且符合如下關(guān)系：

式中：RX為接地電阻；RZ為導(dǎo)線電阻。

由于RZ遠(yuǎn)小于RX，故可忽略不計(jì)，則有：

使用鉗表測(cè)量法的前提是存在與被測(cè)接地體并聯(lián)的可靠接地連接，由于三級(jí)配電箱中的接地線取自三相五芯電纜，該接地線已在一級(jí)與二級(jí)配電箱處實(shí)現(xiàn)了可靠接地，因此該測(cè)量方法適用于本設(shè)計(jì)。就本設(shè)計(jì)而言，采用一組電壓線圈與羅氏線圈，配合相應(yīng)的調(diào)制電路即可實(shí)現(xiàn)接地電阻的測(cè)量功能。

3 無線傳輸方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)及時(shí)通知建設(shè)管理人員，本設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的無線傳輸[5]，以取代單純的聲光報(bào)警與難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求的有線傳輸。

當(dāng)前主流的物聯(lián)網(wǎng)解決方案包括藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-IoT，考慮到在實(shí)際的工程中，三級(jí)配電箱數(shù)量眾多，且傳輸距離較遠(yuǎn)，因此可以排除傳輸距離較近的藍(lán)牙與Wi-Fi技術(shù)。故需要在上述方案的后三者中進(jìn)行選擇，接下來對(duì)三者展開對(duì)比分析。

首先是ZigBee技術(shù)，這是一種低功耗、低速率、低時(shí)延的無線通信技術(shù)，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)則包括其相關(guān)芯片與外圍器件成本較高、2.5 GHz頻率帶來的通信穩(wěn)定性較差，穿越障礙能力較弱。

其次考慮LoRa技術(shù)，這是一種低功耗、長(zhǎng)距離的無線通信技術(shù)，同時(shí)具有成本低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是該技術(shù)的缺點(diǎn)也是比較顯著的，用戶在布設(shè)LoRa的過程中需要自己組建網(wǎng)絡(luò)，這無疑提高了使用門檻；而且隨著LoRa設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署不斷增多，頻譜之間的相互干擾問題也愈漸突出。

最后分析NB-IoT技術(shù)，這是一種低功耗、廣覆蓋、終端接入量大的無線通信技術(shù)，同時(shí)NB-IoT無須重新建網(wǎng)，支持在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行改造，原有的射頻與天線也能夠復(fù)用，因而有效降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。在缺點(diǎn)方面，雖然NB-IoT本身的硬件成本較低，但由于依托于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，需要持續(xù)向運(yùn)營(yíng)商支付費(fèi)用，提高了設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本。

綜合上述分析，可總結(jié)出這三種技術(shù)方案的特點(diǎn)，對(duì)比如表1所示。

表1 無線傳輸技術(shù)方案表

接下來考慮本設(shè)計(jì)實(shí)際的需求。由于問題發(fā)生后需要建設(shè)管理人員督促施工人員及時(shí)整改，并不需要設(shè)備的瞬時(shí)動(dòng)作與響應(yīng)，因此對(duì)于無線傳輸技術(shù)的時(shí)延要求并不高。該裝置回傳的信息主要包括故障狀態(tài)與接地故障所在位置，信息量較少，因此對(duì)傳輸速度與數(shù)據(jù)量也無較高要求。

本裝置主要應(yīng)用于工程建設(shè)場(chǎng)景，工況具有較強(qiáng)的不確定性，施工現(xiàn)場(chǎng)障礙物較多，因此對(duì)通信的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。同時(shí)由于建設(shè)項(xiàng)目的特殊性，本裝置具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，因此自行組網(wǎng)的可操作性較低，而利用現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)商基站與網(wǎng)絡(luò)能夠很好地滿足上述需要，能夠有效降低整套裝置的建設(shè)成本。

經(jīng)過綜合比對(duì)與分析，可以確認(rèn)選用NB-IoT作為本設(shè)計(jì)的無線傳輸技術(shù)方案。

4 程序邏輯設(shè)計(jì)

本裝置的參數(shù)設(shè)置及開關(guān)機(jī)控制均可通過遠(yuǎn)程指令完成，且均可在裝置運(yùn)行的任意時(shí)刻進(jìn)行參數(shù)修改及關(guān)機(jī)指令發(fā)布。程序邏輯流程圖如圖2所示。

圖2 程序邏輯流程圖

本裝置采用節(jié)能化設(shè)計(jì)，除應(yīng)用太陽(yáng)能面板進(jìn)行供電以外，在運(yùn)行程序邏輯方面也做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在開機(jī)后，本裝置首先進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，并不執(zhí)行對(duì)接地電阻的監(jiān)測(cè)操作，而是持續(xù)監(jiān)測(cè)電流傳感器上的電流信息，當(dāng)三級(jí)配電箱所連接的用電器開始工作時(shí)，進(jìn)線電纜上的電流信號(hào)即可被本裝置監(jiān)測(cè)到，此時(shí)程序?qū)?dòng)電阻傳感器模塊，進(jìn)入接地電阻監(jiān)測(cè)階段。在電流監(jiān)測(cè)階段所需設(shè)定的參數(shù)主要為電流監(jiān)測(cè)閾值，該數(shù)值應(yīng)當(dāng)通過現(xiàn)場(chǎng)所接用電設(shè)備中最小的額定電流值確定。

同樣為了提高節(jié)能水平，在接地電阻監(jiān)測(cè)階段采用了周期性采樣監(jiān)測(cè)的方法，即每隔一段預(yù)定的時(shí)間周期執(zhí)行一次接地電阻值的監(jiān)測(cè)。當(dāng)所測(cè)得的電阻值大于所預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，可以認(rèn)為該三級(jí)配電箱未實(shí)現(xiàn)可靠的接地保護(hù)，此時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警功能，同時(shí)將報(bào)警信息無線傳輸至管理人員終端，上述報(bào)警持續(xù)至接地電阻值恢復(fù)正常。在接地電阻監(jiān)測(cè)階段所需要設(shè)定的參數(shù)主要包括監(jiān)測(cè)周期、報(bào)警信息內(nèi)容和接地電阻閾值，其中接地電阻閾值可參考GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定。

5 結(jié)論

針對(duì)電力建設(shè)施工環(huán)境下，三級(jí)配電箱經(jīng)常出現(xiàn)使用時(shí)不接地、未有效接地、接地意外斷開等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的臨時(shí)用電接地監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)數(shù)量較多、分布隨機(jī)的三級(jí)配電箱進(jìn)行統(tǒng)一管理。基于工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)出本裝置的整體設(shè)計(jì)方案以后，本文在傳感器方案設(shè)計(jì)中選用了羅氏線圈作為電流傳感器、鉗表法測(cè)量接地電阻值，在無線傳輸方案設(shè)計(jì)中選用了低功耗、廣覆蓋、終端接入量大的NB-IoT技術(shù)，在程序邏輯設(shè)計(jì)中遵循了智能化、節(jié)能化的設(shè)計(jì)方針。

通過完整的設(shè)計(jì)流程，最終得到的裝置不僅能夠及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)接地失效的問題，并提示現(xiàn)場(chǎng)施工人員與后臺(tái)建設(shè)管理人員及時(shí)消除隱患，同時(shí)還具備易使用、低功耗等特點(diǎn)，對(duì)于提高施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電的安全管理水平具有重要意義。