采用螺旋状接地模块的接地装置自动化控制

罗 杰，宋平平，陈锐忠，林少佳

（海南电网有限责任公司琼海供电局，琼海 571400）

对于城市输电线路而言，接地装置的自动安全控制尤为重要。目前常用的普通接地体电流泄露容量较低，无法更好地满足相间短路、雷击等各种故障下的接地需求。文献[1-3]通过仿真研究了接地装置在雷击以及工频短路下的接地特性，提出通过电解粒子或者接地降阻剂的方式降低相应的接地电阻；
文献[4-5]通过铺设砾石或沥青的方式对接地电阻进行均衡。针对接地装置自动控制以及通过接地装置本身进行接地电阻控制的研究相对较少。螺旋状接地模块相比常规普通接地体能够泄露更多的电流。同时，其价格相较于性能相近的薄管状接地模块更为低廉，因此更具性价比。同时，传统接地装置的装设成本较高，通过自动化接地装置的改进，以期节省更多的人力财力。

1.1 自动控制接地装置概述

自动控制接地装置系统由感应部分、控制部分以及接地部分组成[6-7]。其中，感应部分分别对应设置X 轴、Y 轴以及Z 轴的激光感应传感器，用于接收处理相应的信号；
控制部分设置X 轴、Z 轴以及XY坐标平面的伺服电机，用于进行气动调整接地装置；
接地部分设置螺旋式接地装置，并通过两级气缸调节螺旋式接地装置的规格。感应部分的结构示意如图1 所示。

图1 自动控制接地系统感应部分Fig.1 Sensing part of the automatic control grounding system

图1 中，通过激光感应器进行测距并进行夹紧位置的选取，保证接地装置与接地导体连接的安全可靠。压力传感器能够对动触头夹紧的程度进行控制[8-11]，以保证夹紧力度合适，或在连接过程中进行微调。

控制部分的结构示意如图2 所示。

图2 控制部分结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of the control part

图2 中，控制部分通过X 轴、Z 轴以及XY 坐标面的伺服电机进行具体的位置调整。

接地部分的结构示意如图3 所示。

图3 接地部分结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the grounding part structure

图3 中，通过电磁阀、电动气泵等进行螺旋状接地装置的接地部分控制，自动控制模块依据实际情况下发控制指令。

1.2 螺旋状接地模块

螺旋状接地模块通常为7 mm 半径的圆钢按照r 半径环绕螺旋，其具体的结构示意如图4 所示。

图4 螺旋状接地模块结构Fig.4 Structure of spiral grounding module

图4 中，螺旋状接地模块匝间对应的距离用d表示，螺旋绕径用r 表示，垂直方向的长度用h 表示。其中，螺旋状接地模块相比常规的接地体，具有2个方面的优势：一是在同等深度条件下，螺旋状接地模块具有更大的散流长度，电流引流以及流散能力更强[12]；
二是相比传统接地体螺旋状接地模块的使用成本更少，性价比更高[13]。

本文设计系统将螺旋状接地装置与气动筒结合，以实现螺旋状接地装置的可控性，满足结合实际情况进行自动化接地控制的需求。

2.1 控制模块综述

控制模块主要通过自动控制系统对动触头动作以及气动筒升降进行自动调整[14]，以提高带有螺旋状接地线的接地装置装设自动化程度，使接地装置具有更加灵活可靠的工作范围。自动控制模块的工作原理如图5 所示。

图5 自动控制模块工作原理Fig.5 Working principle of the automatic control module

图5 中，中央控制模块由中央处理器CPU、IPM驱动电路、信号检测模块以及信号转换模块等组成。中央控制模块通过不同的传感器采集对应的位置信号、测距信号以及压力信号。信号采集完成之后，对短路接地故障以及雷电击地故障下的安全电流进行计算，以确定螺旋状接地模块的具体接地深度及接触面积。中央控制模块由计算结果发送控制指令，通过电磁阀以及电动气泵进行气动控制，以使螺旋状接地模块的装设长度合理，保证接地装置安全可靠。

2.2 计算安全参数与目标值

2.2.1 短路故障安全参数及目标值

短路故障的情况下，人体双脚的跨步电压的耐受值可以表示为

人体手脚对应接触电压的耐受值可以表示为

式中：RB为人体的电阻；
ρ 为土壤电阻率；
IK为人体对应不同质量时安全电流；
K 为关于质量对应能量系数；
VT为跨步电压。安全电流的计算方式为

式中：t 为电流入地持续的时长。

由此求得人体在站姿情况下对应的跨步电压为

对应的手脚之间的接触电压表示为

综上，工频情况下接触电压以及对应的跨步电压可以表示为

2.2.2 雷电情况下安全参数及目标值

在雷电击地的情况下，雷电会产生10～100 kHz的频率，此时人体安全电流的耐受值与工频电流相比，约为13 倍左右。按照上一小节的推导方式可以得到相应雷击情况下的接触电压以及跨步电压为

式中：ULT为接触电压对应的限值；
ULS为跨步电压对应的限值；
T 为雷击故障时电流持续的时长。

2.3 螺旋状接地模块装设长度

根据计算得到的接触电压和跨步电压来确定螺旋状接地模块的具体安装长度。通过自动控制系统控制气动筒，以实现螺旋状接地模块的实际装设目标。内置螺旋状接地装置中，螺旋状接地装置不同分段对应的泄露电流如图6 所示。

图6 不同分段泄露电流情况Fig.6 Leakage current in different sections

3.1 实验设计

实验设计时设定100 A 幅值的激励电流，300 Ω·m的土壤电阻率。螺旋状接地模块的垂直接地长度通过自动控制系统进行控制。针对不同垂直接地长度以及定长度下内外螺旋状接地装置的匝数配比进行分析。同时对气动自动控制接地装置进行型式试验，验证接地装置是否安全可靠。并结合实际变电站将自动控制接地装置与传统的接地方式进行对比，验证自动化接地装置的装设效率。

3.2 垂直长度与接地电阻分析

自动控制接地装置在不同接地长度的情况下对应的接地电阻如图7 所示。

图7 不同垂直长度接地电阻Fig.7 Different vertical lengths of ground resistance

图7 中，垂直长度在逐渐变长的过程当中，接地电阻逐渐变小。当垂直长度超过4 m 时，接地电阻逐渐趋于平缓。如在实际工程情况中，螺旋状接地装置的线圈匝数设定为6，那么需要控制气动筒，使螺旋状接地装置的垂直接地长度为3 m，由此得到相应的匝间距离为0.25 m，以保证较小的接地电阻，得到安全的跨步电压值。

3.3 线圈匝数与接地电阻分析

自动控制接地装置可以在定长度的情况下，通过调整内置螺旋状接地装置与外置螺旋状接地装置的线圈匝数，以实现对接地电阻的控制，其对应的关系曲线如图8 所示。

图8 不同长度及匝数接地电阻曲线Fig.8 Ground resistance curves of different lengths and turns

图8 中，对于不同垂直接地长度而言，线圈对应的匝数越多，能够得到越小的接地电阻，在匝数超过6 之后，对应的接地电阻逐渐趋于平缓。

3.4 型式试验

依据DL/T879-2021《便捷式接地和接地短路装置》，对设置的自动化控制接地装置进行型式试验。针对线鼻进行拉伸实验，在线鼻侧加设拉伸力，拉伸力的大小为5000 N，线鼻侧没有松动现象。针对自动控制接地装置进行拉伸实验，通过专用夹子固定接地装置的上下两端，并在接地装置的下端添加静载负荷，静载负荷的大小为1470 N，持续时间为5 min。静载负荷撤除后，接地装置不产生形变。对自动化接地装置进行耐压实验，设计的试验电压大小为580 kV，持续的时间为5 min，自动化接地装置工作无异常。同时对自动化接地装置与接地体的连接部分，也即夹紧装置进行实验，夹紧实验的次数为100 次，100 次夹紧实验中夹紧装置均能够正常动作，与接地体连接可靠牢固。

3.5 装设效率对比

某变电站为500 kV，在该变电站进行接地装置的装设实验。实验过程中将传统接地方式、自动控制接地方式以及变负荷后自动控制接地的调整时间进行对比。为减少装设人员对装设时间的影响，选择5名装设人员分别进行传统接地装置以及本文设置接地装置的装设工作，将其装设均值作为对比标准。

经统计，定负荷下传统接地方式5 位装设人员的平均装设时间为318 s 左右，自动控制接地方式5位装设人员的平均装设时间为17 s 左右。对于不同装设人员而言，装设的时间差别不大，也就是说本文设置的自动化接地装置操作简便，上手相对简单。同时，由于装设人员在固定负荷的条件下已经提前掌握了接地参数，因此自动化接地装置的装设时间更短。对于变负荷条件下，自动化接地装置能够根据负荷变化实时调整接地装置的装设规格，平均装设耗时在25 s 之内。也就是在改变负荷的情况下，自动控制接地装置同样能在更短的时间内完成装设，远小于传统接地装置的装设时间，极大提高了装设效率。

从接地装置的作用及实际需求出发，设计了一种能够自动控制接地垂直长度的自动控制接地装置。同时内置螺旋状接地模块，以提高接地电流的引流以及散流效率。中央控制单元通过对信号进行采集，并在内部CPU 中进行计算，得到相应的跨步电压。通过对接地装置进行自动化调整，以保证接地装置工作安全可靠。经过实验验证，该自动化控制接地装置满足实际工作需求，工作安全可靠，操作简便快捷，能够极大提高工作效率，保证现场作业以及接地安全。

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