輸電線路桿塔接地電阻信息化測(cè)量設(shè)備的開發(fā)

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(yùn)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(biāo)。在輸電線路的運(yùn)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(shí)際運(yùn)維工作中，花費(fèi)大量人力物力測(cè)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(qǐng)專項(xiàng)科研項(xiàng)目開展線路的防雷接地改造工作，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

綜合分析，引起上述現(xiàn)象的主要原因包括以下3個(gè)方面：1)在測(cè)量環(huán)節(jié)中，所需記錄的數(shù)據(jù)多、工作量大，對(duì)測(cè)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(cuò)誤率，導(dǎo)致大量的測(cè)量數(shù)據(jù)難以取信；2)在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)中，尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺度和專業(yè)的評(píng)估方法，運(yùn)行人員很難根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)直接判斷接地裝置狀態(tài)的運(yùn)行情況；3)在運(yùn)維管理環(huán)節(jié)中，不能對(duì)測(cè)量工作的全業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)監(jiān)管和查詢。可能存在惰工和數(shù)據(jù)造假情況，測(cè)量數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)性難以保證。

基于以上分析，有必要開發(fā)一種接地電阻測(cè)量的智能終端設(shè)備。在桿塔接地電阻測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“一鍵式”完成“測(cè)量+上傳”，直接將測(cè)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(cè)量環(huán)節(jié)中的工作效率，減少錯(cuò)誤率。同時(shí)，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(tái)，并結(jié)合接地裝置的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法和接地故障風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的利用率，支撐運(yùn)維管理決策。 本文的闡述重點(diǎn)是圍繞一種輸電線路桿塔接地電阻信息化測(cè)量設(shè)備的開發(fā)，應(yīng)用本設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)測(cè)的對(duì)比分析知：該設(shè)備體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單用時(shí)少、測(cè)量精度高。

1 接地電阻測(cè)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(cè)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(shè)置一個(gè)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(cè)量的電流回路中，并用電流表測(cè)得該電流。同時(shí)，為了測(cè)得接地裝置的電位，需要設(shè)置一個(gè)可用于測(cè)量電位差的電壓極，且該電壓極應(yīng)設(shè)置在零電位點(diǎn)處。這樣，通過(guò)測(cè)量回路中電壓電流關(guān)系的簡(jiǎn)單計(jì)算便可以得到該桿塔接地裝置的接地電阻。接地電阻測(cè)量回路見圖1。

圖 1 接地電阻測(cè)量回路原理圖

1.2 回路法的基本原理

回路法測(cè)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(cè)量導(dǎo)則》中推薦的測(cè)量方法。該方法是由最早的“鉗表法”發(fā)展而來(lái)。鉗表法由于其使用方法簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作量小的特點(diǎn)，在桿塔接地測(cè)量運(yùn)維中得到了廣泛的應(yīng)用。但實(shí)際應(yīng)用中，鉗表法的缺點(diǎn)也十分明顯：測(cè)量所采用的電流較小，測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率相對(duì)低。

采用回路法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將被測(cè)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(cè)接地裝置的測(cè)試引線。再由被測(cè)接地裝置、接地裝置桿塔、避雷線、遠(yuǎn)方多級(jí)桿塔及其接地裝置和大地形成的回路中接入測(cè)試儀器。測(cè)量回路見圖2。

圖 2 回路法測(cè)量桿塔接地電阻的原理示意圖

1.3 桿塔接地系統(tǒng)運(yùn)維測(cè)量過(guò)程中存在的問題分析

1)現(xiàn)有測(cè)量方法的優(yōu)劣對(duì)比 在電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T475-2017中，明確提出了線路運(yùn)維工作中桿塔接地電阻測(cè)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(cè)量回路的選擇和設(shè)置的不同進(jìn)行了分類。兩種方法的對(duì)比見表1。

表1 三極法和回路法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2)運(yùn)維測(cè)量過(guò)程中存在的問題 在傳統(tǒng)的運(yùn)維測(cè)量過(guò)程中，所有的測(cè)量條件和測(cè)量數(shù)據(jù)都需要技術(shù)人員手動(dòng)記錄。在測(cè)量的各環(huán)節(jié)中，所需記錄的數(shù)據(jù)多、工作量大，對(duì)測(cè)量人員的專業(yè)性要求較高。現(xiàn)有傳統(tǒng)的工作方法效率低，且有一定的錯(cuò)誤率。導(dǎo)致大量的測(cè)量數(shù)據(jù)難以取信。同時(shí)，運(yùn)維管理人員不能對(duì)測(cè)量工作的全業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)監(jiān)管和查詢。可能存在惰工和數(shù)據(jù)造假情況，測(cè)量數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)性難以保證。

傳統(tǒng)的線路運(yùn)維中桿塔接地測(cè)量過(guò)程的主要問題:

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)節(jié)，1)采用手抄記數(shù)，工作量大，對(duì)測(cè)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(guān)鍵的條件或參數(shù)。效率低，且有一定的錯(cuò)誤率。2)不能實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全流程痕跡記錄。運(yùn)維工作的過(guò)程難以監(jiān)管。可能存在惰工和數(shù)據(jù)造假情況，測(cè)量數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)性難以保證。

后期數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，1)需錄入、統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量較大，效率低，且有一定的錯(cuò)誤率。2)由于缺乏統(tǒng)一方法，運(yùn)維部門對(duì)數(shù)據(jù)的使用率較低。3)缺乏集中的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(píng)估方面，大多憑經(jīng)驗(yàn)判斷，難以科學(xué)指導(dǎo)隨后的運(yùn)檢工作計(jì)劃。

2 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)思路

本桿塔接地電阻信息化測(cè)量設(shè)備主要包括以下8個(gè)設(shè)計(jì)模塊：中央處理器模塊，異頻激勵(lì)源模塊，信號(hào)采集模塊(電流、電壓)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(gè)模塊。系統(tǒng)整體裝置結(jié)構(gòu)見圖3。

圖 3 輸電線路桿塔接地裝置電阻信息化測(cè)量系統(tǒng)框圖

當(dāng)操作人員使用該信息化設(shè)備進(jìn)行桿塔接地電阻測(cè)量時(shí)，中央處理器模塊發(fā)送一個(gè)信號(hào)指令給異頻激勵(lì)源模塊，異頻激勵(lì)源模塊在布置的測(cè)量回路中分別產(chǎn)生一個(gè)47 Hz和53 Hz的異頻電流源，如圖3中過(guò)程(1)、(2)。此時(shí)，通過(guò)信號(hào)采集模塊對(duì)桿塔接地裝置的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量采集，并將測(cè)得的電壓、電流信號(hào)傳輸至中央處理器模塊，如圖3中過(guò)程(3)、(4)。同時(shí)，GPS定位模塊將設(shè)備的地理位置信息傳送至中央處理器模塊，如圖3中過(guò)程(5)。中央處理器模塊通過(guò)計(jì)算處理得到一系列本次測(cè)量的最終數(shù)據(jù)，傳送至LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如圖3中過(guò)程(6)。隨后，通訊模塊將本次測(cè)量的最終數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心的服務(wù)器中，如圖3中過(guò)程(7)。最后，當(dāng)中心服務(wù)器收到本次測(cè)量的最終數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)送“測(cè)量成功”的指令返回至通訊模塊并通過(guò)顯示模塊告知操作人員，如圖3中過(guò)程(8)。另外，操作人員也可通過(guò)顯示操作系統(tǒng)，對(duì)存儲(chǔ)模塊中的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢讀取，如圖3中過(guò)程(9)。

測(cè)量操作人員在桿塔接地電阻測(cè)量回路的布置中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及精度要求，自行選擇采用三極法或回路法進(jìn)行回路布置，并將對(duì)應(yīng)方法通過(guò)設(shè)備通訊模塊上傳至服務(wù)器。

2.2 主要硬件的設(shè)計(jì)方案

2.2.1 異頻激勵(lì)源模塊本設(shè)備中異頻激勵(lì)源模塊主要將中央處理器模塊產(chǎn)生的47 Hz和53 Hz信號(hào)進(jìn)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(shè)備工作時(shí)不產(chǎn)生過(guò)度的能量消耗，因此選擇TPA3118作為核心放大器。異頻測(cè)量源的產(chǎn)生原理框圖見圖4。

圖 4 異頻測(cè)量源的產(chǎn)生原理框圖

2.2.2 信號(hào)采集處理模塊本設(shè)備信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)中，電壓信號(hào)的采集使用的是1∶1隔離變壓器，次級(jí)按比例分壓形成6個(gè)不同檔位(6/12，5/12，4/12，3/12，2/12，1/12)的電壓值，依據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載電壓強(qiáng)度，中央處理器會(huì)控制繼電器選擇合適通道。電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為純凈的電壓信號(hào)。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，電壓、電流傳感器均具有良好的頻率響應(yīng)和精確的信號(hào)輸出。在負(fù)載為20 Ω，滿功率情況下，負(fù)載電壓與測(cè)量電壓對(duì)比見圖5。

圖 5 負(fù)載電壓與測(cè)量電壓對(duì)比

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由于本信息化設(shè)備需要工作在各種自然環(huán)境中，設(shè)備與后臺(tái)服務(wù)器需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在某些無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的地區(qū)采集的桿塔接地電阻結(jié)果無(wú)法及時(shí)上傳到服務(wù)器，所以需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存，以備網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后續(xù)傳。本設(shè)備采用Micro SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，最大能存儲(chǔ)4 GB數(shù)據(jù)，掉電不易失。本設(shè)備亦支持USB通信，通過(guò)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(shè)備采用3.5寸液晶顯示屏作為人機(jī)交互窗口，使用串口與中央處理器進(jìn)行通訊。顯示屏顯示的內(nèi)容主要包括：測(cè)量步驟選擇、測(cè)量結(jié)果顯示、電池剩余電量、當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)、當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度、歷史測(cè)試數(shù)據(jù)查看等。

2.2.5GPS定位與通訊模塊為保證被測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、唯一性以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本設(shè)備采用GPS定位模塊標(biāo)定被測(cè)桿塔的實(shí)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(jìn)行通訊。

設(shè)備與后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸采用GSM網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(jìn)行通訊。

2.3 軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

依照設(shè)備開發(fā)的技術(shù)路線，本設(shè)備的測(cè)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(cè)量，2)測(cè)量結(jié)果及GPS信息的即時(shí)數(shù)據(jù)通信，3)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的查詢和顯示。在信息化接地電阻測(cè)量設(shè)備的主程序設(shè)計(jì)中，圍繞這3個(gè)方面的主要功能進(jìn)行了充分的考慮設(shè)計(jì)(圖6)。

圖 6 “測(cè)量”功能操作流程圖

3 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及實(shí)地測(cè)量結(jié)果

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備外箱使用專業(yè)級(jí)電子設(shè)備工程儀表箱，采用開細(xì)胞核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重量輕，強(qiáng)度高，耐候性好，具有防水、防撞擊、防塵等特性(圖7)。技術(shù)指標(biāo):尺寸232 mm×192 mm×111 mm, 輸出波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率47/53 Hz，最大輸出電流大于500 mA，測(cè)量精度1%。

圖 7 負(fù)載電壓與測(cè)量電壓對(duì)比

3.2 現(xiàn)場(chǎng)桿塔測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證異頻法信息化測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，項(xiàng)目組對(duì)部分輸電線路桿塔的接地電阻進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。每次測(cè)量中，項(xiàng)目組首先采用了本項(xiàng)目所研制的異頻法信息化測(cè)量設(shè)備基于回路法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，隨后還采用ZC-8系列接地電阻測(cè)量?jī)x(搖表)基于三極法進(jìn)行了測(cè)量。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，得到5組有效測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)。

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

表2 異頻法信息化測(cè)量設(shè)備實(shí)地測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

1)本文針對(duì)現(xiàn)有常用的桿塔接地電阻測(cè)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(cè)量運(yùn)維方法，并研發(fā)了一套桿塔接地電阻的信息化測(cè)量設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了在接地測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)“一鍵式”操作完成接地參數(shù)的“數(shù)據(jù)測(cè)量”和“數(shù)據(jù)上傳”，有效提高測(cè)量環(huán)節(jié)中的工作效率，減少了整個(gè)運(yùn)維工作中的錯(cuò)誤率。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多種方法的試驗(yàn)對(duì)比研究，表明本文研制的信息化測(cè)量設(shè)備測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于電磁環(huán)境復(fù)雜地區(qū)的桿塔測(cè)量。能大幅提高接地運(yùn)維測(cè)量中的工作效率，有效推進(jìn)電網(wǎng)接地運(yùn)維的信息化和數(shù)據(jù)化，工程應(yīng)用前景廣闊。