一種新型安全接地線裝置的研制與應(yīng)用

羅天宇，李小來，金 哲，馬 立，張立明，曹 鋮，史明君，黃鈺涵，屈 直

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

電網(wǎng)的安全生產(chǎn)不僅僅關(guān)系到電力系統(tǒng)自身的穩(wěn)定、效益和發(fā)展，而且直接影響到廣大電力用戶的利益和安全，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展、社會(huì)秩序的穩(wěn)定和人民日常生產(chǎn)生活。隨著超、特高壓線路的建設(shè)和使用規(guī)模的大幅增加，線路檢修施工的作業(yè)難度也在不斷加大［1-5］。

在停電線路上進(jìn)行檢修工作，時(shí)刻需要防范感應(yīng)電傷人，國(guó)家電網(wǎng)有限公司《安規(guī)》（線路部分）第3.4.5條規(guī)定：“裝設(shè)接地線應(yīng)先接接地端，后接導(dǎo)線端，接地線應(yīng)接觸良好，連接可靠?！钡娏ο到y(tǒng)內(nèi)感應(yīng)電傷人事件仍時(shí)有發(fā)生。感應(yīng)電壓傷人事件的事故原因大致有以下兩點(diǎn)：第一，作業(yè)人員沒有嚴(yán)格按照《安規(guī)》要求的操作流程操作；第二，由于接地線掛設(shè)不牢固，造成作業(yè)過程中接地線脫落，失去了保護(hù)線路作業(yè)人員安全的作用［6-7］。

為了有效防止感應(yīng)電傷人事件的發(fā)生，針對(duì)以上兩點(diǎn)事故原因，設(shè)計(jì)了一種適用于電力施工的新型安全接地線，在線路作業(yè)人員裝設(shè)接地線時(shí)，該裝置可以檢測(cè)接地線夾具壓力，僅當(dāng)接地線夾具壓力達(dá)到設(shè)定值后，作業(yè)人員才可鎖定接地端夾具，并操作導(dǎo)線端，以保證接地線掛設(shè)牢固。

1 新型安全接地線裝置的設(shè)計(jì)

1.1 新型安全接地線裝置總體方案的擬定

本文設(shè)計(jì)的新型安全接地線裝置分為壓力檢測(cè)和夾具固定兩個(gè)模塊。檢測(cè)模塊的作用為檢測(cè)夾具壓力，同時(shí)將情況反饋給作業(yè)人員，保證作業(yè)人員掛牢接地線；限位模塊的作用為鎖定接地線夾具，將夾具壓力維持在限定范圍內(nèi)。

該裝置總體方案如圖1所示。

1.2 壓力檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

判斷接地線掛設(shè)是否牢固，現(xiàn)有做法為人工拉拽檢驗(yàn)，即安裝接地線后，進(jìn)行人工拉拽測(cè)試，若接地線夾具不發(fā)生位移，則證明掛接牢固。本文查閱文獻(xiàn)［8-14］得知，當(dāng)拉力方向垂直于夾具壓力方向時(shí)，使夾具發(fā)生位移所需的拉力值最小，且成年男性其雙臂最大拉力約為700 N。

由此，小組設(shè)定判斷接地線是否固定牢固標(biāo)準(zhǔn)如下：對(duì)接地線接地端、導(dǎo)線端夾具，施加垂直于夾具壓力方向的拉力水平分解力700 N，若夾具不發(fā)生滑動(dòng)，則代表夾具夾緊，接地線固定牢固。

物體處于將要滑動(dòng)，但又未滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，阻礙其相對(duì)滑動(dòng)的阻力稱最大靜摩擦力［13］，以接地線接地端夾具為例，如圖2所示。

圖2 最大靜摩擦力示意圖Fig.2 Schematic diagram of maximum static friction force

若拉力水平分解力為FL，由于最大靜摩擦力稍大于滑動(dòng)摩擦力，可根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式［13］，計(jì)算使接地線夾具不發(fā)生滑動(dòng)的最小壓力Nmin1，μ為動(dòng)摩擦因數(shù)。

由式（1）可知，當(dāng)致使接地線夾具滑動(dòng)的FL一定時(shí)，Nmin1僅與接觸材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ有關(guān)。小組查得不同材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ［13］，并根據(jù)公式算得不同摩擦材料下的Nmin1，如表1所示。

表1 不同材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)μTable 1 Dynamic friction factors μ between different materials

依據(jù)表1，取最大值作為Nmin1的標(biāo)準(zhǔn)，即Nmin1=1.75 kN。為避免夾具壓力超過而量程損壞傳感器，傳感器量程必須大于Nmin1，以留出一定的裕度，本文選擇量程為3 kN的壓力傳感器。

壓力感應(yīng)模塊有多種類型，其主要區(qū)別為壓力傳感器類別不同。壓力傳感器的作用是感受壓力信號(hào)，并按照一定規(guī)律，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)［15-18］，其有以下兩種常用類型：

1） 霍爾式傳感器。其作用原理為外部力的作用導(dǎo)致彈簧管位移，從而帶動(dòng)霍爾片移動(dòng)，改變施加在霍爾片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，依據(jù)霍爾效應(yīng)，將磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量，有著較高的靈敏度，但測(cè)量精度受溫度變化影響較大。

2） 應(yīng)變式傳感器。其原理為測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變，并將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量，有著測(cè)試范圍寬、輸出特性線性好、性能穩(wěn)定，能在惡劣環(huán)境下使用的特點(diǎn)。

對(duì)兩種壓力傳感器進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，設(shè)置在0 ℃～50 ℃ 6檔溫度下，分別對(duì)2種傳感器施加1 kN的壓力，記錄其測(cè)量誤差百分比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器溫度實(shí)驗(yàn)記錄表Table 2 Sensor temperature experiment records

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，繪制出壓力傳感器誤差隨溫度變化的折線圖如圖3所示。

圖3 傳感器溫度實(shí)驗(yàn)記錄折線圖Fig.3 Line chart of sensor temperature experiment record

通過圖3可以看出，應(yīng)變式傳感器測(cè)量誤差隨溫度變化更小，考慮到實(shí)際線路作業(yè)時(shí)，所面臨的四季溫差大、工作環(huán)境復(fù)雜等因素，本文選擇應(yīng)變式壓力傳感器制作壓力感應(yīng)模塊，并繪制如圖4所示壓力感應(yīng)模塊接線圖。

圖4 壓力感應(yīng)模塊接線電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of the wiring circuit of the pressure sensing module

壓力感應(yīng)部分設(shè)計(jì)完成后，決定用單片機(jī)制作信號(hào)處理模塊。單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性等要求［19-23］，鑒于以上考慮，本文選擇ST89C52 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，主控電路由STC89C52單片機(jī)及晶振電路和復(fù)位電路組成，由5 V電源負(fù)責(zé)供電，兩者電路原理圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 信號(hào)處理模塊接線電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the wiring circuit of the signal processing module

圖6 系統(tǒng)電源電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of system power supply circuit

壓力檢測(cè)模塊工作流程為：作業(yè)人員操作接地線進(jìn)行短路接地操作，使接地線夾具受壓產(chǎn)生應(yīng)變，通過裝設(shè)在接地線夾具內(nèi)側(cè)的電阻應(yīng)變片，將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化，即壓力傳感器輸出電流信號(hào)。由于電流信號(hào)作為模擬信號(hào)，無法被單片機(jī)直接讀取［24-26］，則由型號(hào)為HX711 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)［27-34］，并傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)將信號(hào)處理完畢后，通過控制LED 燈的通斷，告知線路作業(yè)人員接地線夾具壓力是否達(dá)到設(shè)定值，從而判斷接地線是否安裝到位。

1.3 夾具固定模塊設(shè)計(jì)

接地端由固定框、固定框的上邊框螺紋連接的頂桿、頂桿底端固接的頂塊、固定框的下邊框上的連接孔和限位栓，以及連接導(dǎo)線端的連接栓組合而成，如圖7所示。

圖7 接地端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.7 Design diagram of ground terminal structure

使用時(shí)接地端需夾在角鋼塔材上，將角鋼塔材夾在固定框的上、下邊框之間，通過頂桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)頂塊向下運(yùn)動(dòng)，使套筒與角鋼塔材接觸并壓緊，僅當(dāng)接地端壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，限位栓松動(dòng)，使連接導(dǎo)線端的連接栓從連接孔中滑出，此時(shí)作業(yè)人員才可操作導(dǎo)線端，從源頭上防止了接地線掛設(shè)順序錯(cuò)誤的行為。

將制作完成的新型安全接地線的導(dǎo)線端與接地端通過可拆卸連接栓連接，即可成為如圖8 所示的新型安全接地線裝置。

圖8 新型安全接地線裝置實(shí)物圖Fig.8 Physical diagram of the anti- detachment grounding wire device

2 新型安全接地線的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2021年8月-2021年9月，線路運(yùn)維人員使用新型安全接地線裝置，在祁韶線沿段桿塔進(jìn)行使用測(cè)試，并監(jiān)測(cè)記錄了使用過程中該裝置夾具壓力最小值，如圖9、圖10所示。

圖9 新型安全接地線裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.9 Field test diagram of the new safety grounding wire device

圖10 接地線夾具壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Ground wire clamp pressure monitoring results

測(cè)試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)接地線，使用本文研制的新型安全接地線裝置進(jìn)行掛設(shè)接地線操作時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并鎖定接地線夾具壓力，能夠有效避免因人工拉拽判斷接地線掛設(shè)牢固程度導(dǎo)致接地線松脫的事故風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該裝置在作業(yè)人員操作接地端掛設(shè)完成后，才能解鎖連接栓并操作導(dǎo)線端夾具，從根本上避免了因接地線掛接順序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的感應(yīng)電傷人事故風(fēng)險(xiǎn)。該裝置具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，滿足電力系統(tǒng)對(duì)電力施工接地線的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文制作的新型安全接地線裝置，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)接地線夾具壓力并防止接地線松脫的功能。該裝置使用方法與傳統(tǒng)電力施工接地線基本無異，學(xué)習(xí)成本低，拆裝簡(jiǎn)單，便攜性強(qiáng)。

該裝置在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用可以避免線路作業(yè)人員使用接地線時(shí)掛設(shè)順序錯(cuò)誤，同時(shí)，作業(yè)人員使用該接地線進(jìn)行短路接地操作，能夠直觀判斷接地線掛設(shè)情況，保證接地線掛設(shè)牢固，并在掛設(shè)牢固后保持夾具壓力值在安全范圍內(nèi)，避免了作業(yè)人員因接地線松脫而失去保護(hù)，可以有效減少感應(yīng)電傷人事故的發(fā)生，提高線路運(yùn)維工作的安全性。