新型電動式接地極安裝裝置的研制

李陽，朱詩慧

(國網(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)狀況是否良好對電力設(shè)備安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，定期測量接地網(wǎng)接地阻抗可以及時發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)有無焊點斷開、松脫及腐蝕等缺陷，為地網(wǎng)開挖檢查提供試驗依據(jù)。目前現(xiàn)場測試中安裝輔助接地極采用人工錘擊的方式進(jìn)行，存在安裝時安全性差、安裝效率低、單根電流極接地電阻大、測量完畢后拆除難度大等問題，因此，本文提出研制一款可電動操作的新型接地極安裝裝置。

1 人工安裝接地極測試現(xiàn)狀

受氣候、地理條件等因素的的影響，不同變電站接地網(wǎng)周邊土壤堅硬程度存在明顯差異，而不同地區(qū)土壤內(nèi)部石塊、樹木根系以及金屬管道等的分布也存在很大差別。在沒有專業(yè)地質(zhì)勘探設(shè)備進(jìn)行提前勘測的情況下，無法保證接地極安裝位置一次就選擇合適。實際測試中，接地極安裝位置單純靠人為經(jīng)驗判斷，需要經(jīng)過多次嘗試才能尋找到避開堅硬土壤的安裝位置并將接地極順利打入地下，因此，接地極安裝時間較長、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)行測試，表1為測試時接地極安裝時間及重復(fù)選址次數(shù)統(tǒng)計。

表1 接地極安裝時間及重復(fù)選址次數(shù)統(tǒng)計

另外，在實際測試過程中，通過在大地中打入鋼釬、鋼管等金屬構(gòu)件來實現(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，錘頭在錘擊過程中誤傷另一人的風(fēng)險較大，導(dǎo)致接地極安裝的安全性較差。

在接地極安裝完畢后，需要對電流接地極進(jìn)行接地電阻測試以檢驗其阻值是否滿足測試要求。以HVJE-5A型接地阻抗測試儀為例，該型號儀器在使用過程中要求電流極接地電阻不超過20 Ω，若不滿足要求，一般需要采用多個電流極并聯(lián)或向其周圍潑水的方式降阻，電阻值合格后方可開始測試。統(tǒng)計國網(wǎng)寧東供電公司2014年10座變電站接地網(wǎng)接地阻抗測試中電流極接地電阻測試情況，如表2所示?？偘惭b次數(shù)為100次，阻值滿足要求的次數(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

在測試完畢后，需對打入地下的接地極進(jìn)行拆除，在沒有可靠機械設(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實程度的限制，拆除工作難度較大，單人拆除更不易實現(xiàn)。如果接地極在安裝過程中發(fā)生變形、彎曲，拆除時間會進(jìn)一步增加。

2 電動式接地極安裝裝置的設(shè)計

針對人工安裝接地極導(dǎo)致的測試效率低和安全性差的突出問題，本文采用電動式打樁、自感應(yīng)破障的方式安裝接地極。針對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(見圖1)和四臂全橋測量轉(zhuǎn)換電路(見圖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，薄膜隨著應(yīng)力的變化而移動，改變了壓阻材料的電阻率，從而測得外界壓力[1]。

圖1 電阻式應(yīng)變傳感器

圖2 四臂全橋測量轉(zhuǎn)換電路

傳感器通過緩沖彈簧與接地極桿體根部接觸，接地體入地過程中遇到堅硬土層或石塊時，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輸出[2]，計算公式為

(1)

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

2.2 動力輸出模塊

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

2.2.1 動力模塊

動力模塊主要包含供電電源和旋轉(zhuǎn)電機兩部分。在接地網(wǎng)測試過程中，輔助接地極的安裝距離取決于被測接地網(wǎng)的對角線長度。對于常規(guī)110 kV變電站，其接地網(wǎng)對角線的長度平均為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，電源線的長度無法滿足測量要求，會面臨取電困難的問題，但交流供電具有輸出功率大、可控性好的優(yōu)點。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，不受電源線長度限制，操作靈活便捷。

為了提升裝置的便攜性，旋轉(zhuǎn)電機采用了體積小、重量輕的單相串勵電動機，該種電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、調(diào)速方便、可調(diào)范圍廣、啟動扭矩大等優(yōu)點。單相串勵電動機由定子和轉(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機。當(dāng)改變電機工作電壓的大小時，電機的轉(zhuǎn)速也隨之改變[4]，因此可根據(jù)土壤堅硬程度調(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，該電機具備較強的過載能力，當(dāng)接地極旋轉(zhuǎn)入地過程中受到較大的切向阻力時不易被卡住、制動，可最大程度縮短接地極的安裝時間，提高測試效率。

2.2.2 傳動模塊

裝置傳動模塊包括電機轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸帶動齒輪、彈簧、撥盤、圓盤凸輪、撞軸、傳動桿、花鍵軸等，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3。

圖3 裝置傳動模塊設(shè)計

旋轉(zhuǎn)模式下，電動機通過相互嚙合的大小齒輪直接將動力傳遞給與大齒輪同軸的圓盤凸輪和驅(qū)動齒輪，進(jìn)而傳遞給套筒齒輪，完成整個運動及動力傳遞。接地極旋轉(zhuǎn)入地過程中，當(dāng)遇到石塊等障礙時可自動由旋轉(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[5]。此時，撞軸不與斜面圓柱狀的圓盤凸輪直接接觸，而是通過撥盤撥動撞軸作往復(fù)直線運動形成沖擊將石塊擊碎或者使其偏離接地極的運動方向。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間的乘積和該石塊動量的變化量相等，計算公式如下：

(2)

式中：F—接地極向下的沖擊力；

T—力的作用時間；

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，土壤中石塊的速度變化量較小，但沖擊力的作用時間極短，為毫秒級，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圍土壤中，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(見圖4)。

圖4 垂直接地極

對其接地電阻進(jìn)行計算，當(dāng)l遠(yuǎn)大于d時，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—垂直接地極的長度，m；

d—接地體用圓鋼時，圓鋼的直徑，m。

由式(3)可知：垂直接地極的直徑越大，周圍土壤電阻率越小，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)用過程中，這種降阻劑能夠向周圍土壤進(jìn)行滲透，一方面使周圍土壤的電阻率降低，另一方面由于土壤結(jié)構(gòu)的原因，滲透過程中是以樹枝狀的形式向四周擴散(見圖5)，這就等效地增大了接地體的直徑[6]，結(jié)合以上兩點，注入降阻劑可以有效地降低垂直接地極的接地電阻。

圖5 降阻劑擴散

2.4 組合式接地極

本裝置所用接地體(見圖6)長度設(shè)置為1.20 m，采用中空螺紋式鉆桿和錐形實心鉆頭組合的型式，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圍土壤中，從而對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

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

根據(jù)測試結(jié)果(見表3)，單根接地極的電動安裝平均時間為1.67 min，相對于人工安裝平均時間節(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

現(xiàn)場100次現(xiàn)場安裝中，阻值滿足要求的次數(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試時間。測試完畢后，接地極可在短時間內(nèi)順利拔出。新型電動式接地極安裝裝置的使用，將變電站接地網(wǎng)接地阻抗平均測試時間由2 h縮短至0.5 h，極大提升了接地阻抗的測試效率。

4 結(jié) 論

本文研制的新型電動式接地極安裝裝置，解決了接地阻抗測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、測量完畢后拆除難度大等問題。

該裝置通過自感應(yīng)壓力變化沖擊破除故障，解決了接地極入地過程中遇到堅硬石塊后需經(jīng)多次重復(fù)安裝的難題。該裝置利用單相串勵式電動機經(jīng)齒輪傳動提供可靠動力輸出，實現(xiàn)了接地極由兩人配合手動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，避免了使用錘頭錘擊使誤傷試驗人員的風(fēng)險降低，提高了測試過程中的安全性。另外，為解決由于單根電流極接地電阻大的問題，該裝置將普通圓鋼光面接地極改造為中空的含有多個排液小孔的接地極，通過使用化學(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，滿足測試要求所需的電流極，并聯(lián)根數(shù)也隨之減少。

實際應(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)接地阻抗測試中普遍采用人工方式安裝輔助接地極的實際情況，該裝置具有很大的推廣價值。