一種新型安全接地線裝置的研制與應用

羅天宇，李小來，金 哲，馬 立，張立明，曹 鋮，史明君，黃鈺涵，屈 直

（國網湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

電網的安全生產不僅僅關系到電力系統自身的穩定、效益和發展，而且直接影響到廣大電力用戶的利益和安全，影響國民經濟的健康發展、社會秩序的穩定和人民日常生產生活。隨著超、特高壓線路的建設和使用規模的大幅增加，線路檢修施工的作業難度也在不斷加大［1-5］。

在停電線路上進行檢修工作，時刻需要防范感應電傷人，國家電網有限公司《安規》（線路部分）第3.4.5條規定：“裝設接地線應先接接地端，后接導線端，接地線應接觸良好，連接可靠?！钡娏ο到y內感應電傷人事件仍時有發生。感應電壓傷人事件的事故原因大致有以下兩點：第一，作業人員沒有嚴格按照《安規》要求的操作流程操作；第二，由于接地線掛設不牢固，造成作業過程中接地線脫落，失去了保護線路作業人員安全的作用［6-7］。

為了有效防止感應電傷人事件的發生，針對以上兩點事故原因，設計了一種適用于電力施工的新型安全接地線，在線路作業人員裝設接地線時，該裝置可以檢測接地線夾具壓力，僅當接地線夾具壓力達到設定值后，作業人員才可鎖定接地端夾具，并操作導線端，以保證接地線掛設牢固。

1 新型安全接地線裝置的設計

1.1 新型安全接地線裝置總體方案的擬定

本文設計的新型安全接地線裝置分為壓力檢測和夾具固定兩個模塊。檢測模塊的作用為檢測夾具壓力，同時將情況反饋給作業人員，保證作業人員掛牢接地線；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。

該裝置總體方案如圖1所示。

1.2 壓力檢測模塊設計

判斷接地線掛設是否牢固，現有做法為人工拉拽檢驗，即安裝接地線后，進行人工拉拽測試，若接地線夾具不發生位移，則證明掛接牢固。本文查閱文獻［8-14］得知，當拉力方向垂直于夾具壓力方向時，使夾具發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，小組設定判斷接地線是否固定牢固標準如下：對接地線接地端、導線端夾具，施加垂直于夾具壓力方向的拉力水平分解力700 N，若夾具不發生滑動，則代表夾具夾緊，接地線固定牢固。

物體處于將要滑動，但又未滑動的臨界狀態時，阻礙其相對滑動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摩擦力，可根據滑動摩擦力的計算公式［13］，計算使接地線夾具不發生滑動的最小壓力Nmin1，μ為動摩擦因數。

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

表1 不同材料間的動摩擦因數μTable 1 Dynamic friction factors μ between different materials

依據表1，取最大值作為Nmin1的標準，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。

壓力感應模塊有多種類型，其主要區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，并按照一定規律，將壓力信號轉換成電信號［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致彈簧管位移，從而帶動霍爾片移動，改變施加在霍爾片上的磁感應強度，依據霍爾效應，將磁感應強度的變化轉換成霍爾電勢的變化，實現對壓力的測量，有著較高的靈敏度，但測量精度受溫度變化影響較大。

2） 應變式傳感器。其原理為測量物體受力變形所產生的應變，并將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化，實現對壓力的測量，有著測試范圍寬、輸出特性線性好、性能穩定，能在惡劣環境下使用的特點。

對兩種壓力傳感器進行溫度實驗，設置在0 ℃～50 ℃ 6檔溫度下，分別對2種傳感器施加1 kN的壓力，記錄其測量誤差百分比，測試結果如表2所示。

表2 傳感器溫度實驗記錄表Table 2 Sensor temperature experiment records

根據表2 數據，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 傳感器溫度實驗記錄折線圖Fig.3 Line chart of sensor temperature experiment record

通過圖3可以看出，應變式傳感器測量誤差隨溫度變化更小，考慮到實際線路作業時，所面臨的四季溫差大、工作環境復雜等因素，本文選擇應變式壓力傳感器制作壓力感應模塊，并繪制如圖4所示壓力感應模塊接線圖。

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

壓力感應部分設計完成后，決定用單片機制作信號處理模塊。單片機在整個系統設計中至關重要，要滿足大內存、高速率、通用性等要求［19-23］，鑒于以上考慮，本文選擇ST89C52 單片機作為整個系統的主控芯片，主控電路由STC89C52單片機及晶振電路和復位電路組成，由5 V電源負責供電，兩者電路原理圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 信號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 系統電源電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of system power supply circuit

壓力檢測模塊工作流程為：作業人員操作接地線進行短路接地操作，使接地線夾具受壓產生應變，通過裝設在接地線夾具內側的電阻應變片，將應變變化轉化為電阻值變化，即壓力傳感器輸出電流信號。由于電流信號作為模擬信號，無法被單片機直接讀?。?4-26］，則由型號為HX711 的模數轉換器將模擬信號轉化為數字信號［27-34］，并傳輸給單片機，由單片機將信號處理完畢后，通過控制LED 燈的通斷，告知線路作業人員接地線夾具壓力是否達到設定值，從而判斷接地線是否安裝到位。

1.3 夾具固定模塊設計

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，以及連接導線端的連接栓組合而成，如圖7所示。

圖7 接地端結構設計圖Fig.7 Design diagram of ground terminal structure

使用時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，通過頂桿的旋轉帶動頂塊向下運動，使套筒與角鋼塔材接觸并壓緊，僅當接地端壓力達到設定值時，限位栓松動，使連接導線端的連接栓從連接孔中滑出，此時作業人員才可操作導線端，從源頭上防止了接地線掛設順序錯誤的行為。

將制作完成的新型安全接地線的導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物圖Fig.8 Physical diagram of the anti- detachment grounding wire device

2 新型安全接地線的現場應用

2021年8月-2021年9月，線路運維人員使用新型安全接地線裝置，在祁韶線沿段桿塔進行使用測試，并監測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場測試圖Fig.9 Field test diagram of the new safety grounding wire device

圖10 接地線夾具壓力監測結果Fig.10 Ground wire clamp pressure monitoring results

測試結果表明，相比于傳統接地線，使用本文研制的新型安全接地線裝置進行掛設接地線操作時，通過實時監測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牢固程度導致接地線松脫的事故風險。同時，該裝置在作業人員操作接地端掛設完成后，才能解鎖連接栓并操作導線端夾具，從根本上避免了因接地線掛接順序錯誤而導致的感應電傷人事故風險。該裝置具有安裝方便、結構簡單可靠的優點，滿足電力系統對電力施工接地線的要求。

3 結語

本文制作的新型安全接地線裝置，實現了檢測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電力施工接地線基本無異，學習成本低，拆裝簡單，便攜性強。

該裝置在電力系統推廣應用可以避免線路作業人員使用接地線時掛設順序錯誤，同時，作業人員使用該接地線進行短路接地操作，能夠直觀判斷接地線掛設情況，保證接地線掛設牢固，并在掛設牢固后保持夾具壓力值在安全范圍內，避免了作業人員因接地線松脫而失去保護，可以有效減少感應電傷人事故的發生，提高線路運維工作的安全性。