新型电动式接地极安装装置的研制

李阳，朱诗慧

(国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 银川 750411)

变电站接地网状况是否良好对电力设备安全稳定运行起着至关重要的作用，定期测量接地网接地阻抗可以及时发现接地网有无焊点断开、松脱及腐蚀等缺陷，为地网开挖检查提供试验依据。目前现场测试中安装辅助接地极采用人工锤击的方式进行，存在安装时安全性差、安装效率低、单根电流极接地电阻大、测量完毕后拆除难度大等问题，因此，本文提出研制一款可电动操作的新型接地极安装装置。

1 人工安装接地极测试现状

受气候、地理条件等因素的的影响，不同变电站接地网周边土壤坚硬程度存在明显差异，而不同地区土壤内部石块、树木根系以及金属管道等的分布也存在很大差别。在没有专业地质勘探设备进行提前勘测的情况下，无法保证接地极安装位置一次就选择合适。实际测试中，接地极安装位置单纯靠人为经验判断，需要经过多次尝试才能寻找到避开坚硬土壤的安装位置并将接地极顺利打入地下，因此，接地极安装时间较长、安装效率较低。选取6座不同土壤结构特征的变电站进行测试，表1为测试时接地极安装时间及重复选址次数统计。

表1 接地极安装时间及重复选址次数统计

另外，在实际测试过程中，通过在大地中打入钢钎、钢管等金属构件来实现安装接地极。完成单次安装操作至少需要2人配合，其中1人用手扶持金属构件，另外1人使用锤头进行锤击，锤头在锤击过程中误伤另一人的风险较大，导致接地极安装的安全性较差。

在接地极安装完毕后，需要对电流接地极进行接地电阻测试以检验其阻值是否满足测试要求。以HVJE-5A型接地阻抗测试仪为例，该型号仪器在使用过程中要求电流极接地电阻不超过20 Ω，若不满足要求，一般需要采用多个电流极并联或向其周围泼水的方式降阻，电阻值合格后方可开始测试。统计国网宁东供电公司2014年10座变电站接地网接地阻抗测试中电流极接地电阻测试情况，如表2所示。总安装次数为100次，阻值满足要求的次数为6次，仅占总次数的6%，且电流极接地电阻越大，满足要求所需的并联根数也越多。

表2 单根电流极接地电阻及平均并联根数统计

在测试完毕后，需对打入地下的接地极进行拆除，在没有可靠机械设备进行辅助操作的情况下只能依靠人工蛮力进行拆除。受接地极插入深度及土壤坚实程度的限制，拆除工作难度较大，单人拆除更不易实现。如果接地极在安装过程中发生变形、弯曲，拆除时间会进一步增加。

2 电动式接地极安装装置的设计

针对人工安装接地极导致的测试效率低和安全性差的突出问题，本文采用电动式打桩、自感应破障的方式安装接地极。针对接地极接地电阻要小的需求，本文采用打压注入盐水的方式进行降阻。装置主要由压力感应模块、动力输出模块、辅助降阻模块和组合接地极四部分组成。

2.1 压力感应模块

压力感应模块的核心部件是电阻式应变传感器(见图1)和四臂全桥测量转换电路(见图2)。在电阻式应变传感器当中，由于压阻效应的存在，当传感器受到外界压力的施加时，薄膜随着应力的变化而移动，改变了压阻材料的电阻率，从而测得外界压力[1]。

图1 电阻式应变传感器

图2 四臂全桥测量转换电路

传感器通过缓冲弹簧与接地极杆体根部接触，接地体入地过程中遇到坚硬土层或石块时，弹簧产生弹性形变，与之相连的传感器应变电阻也随之变形，其阻值发生变化。四臂全桥测量转换电路将应变电阻的微小电阻变化转化为放大的电压信号输出[2]，计算公式为

(1)

使用A/D转换模块将输出信号转换为数字量送入中央处理器进行逻辑运算。超出预先设定压力阈值后，发出指令使动力切换传感器动作，释放冲击阻塞挡板，将原来单一的旋转模式切换为冲击模式，从而有效地进行冲击破障，破除障碍后自动恢复原来的状态。

2.2 动力输出模块

动力输出模块主要由动力模块和传动模块两部分组成，为接地极提供可靠连续的动力输出。

2.2.1 动力模块

动力模块主要包含供电电源和旋转电机两部分。在接地网测试过程中，辅助接地极的安装距离取决于被测接地网的对角线长度。对于常规110 kV变电站，其接地网对角线的长度平均为150 m，电流极的安装位置则位于变电站外距离地网边缘至少600 m处。如果装置选择交流供电模式，电源线的长度无法满足测量要求，会面临取电困难的问题，但交流供电具有输出功率大、可控性好的优点。综合考虑，本装置采取24 V大容量锂电池组直流供电，再经逆变器转换为交流的供电模式，不受电源线长度限制，操作灵活便捷。

为了提升装置的便携性，旋转电机采用了体积小、重量轻的单相串励电动机，该种电机具有结构简单、制造成本较低、调速方便、可调范围广、启动扭矩大等优点。单相串励电动机由定子和转子两大部分构成，定子包括定子绕组、定子铁心、机壳、端盖和电刷装置等，转子包括转子铁心、电枢绕组、换向器、转轴以及风扇等[3]。这种电机的工作电源可以是交流，也可以是直流，因此又叫做交直流两用电动机。当改变电机工作电压的大小时，电机的转速也随之改变[4]，因此可根据土壤坚硬程度调节至合适的转速，达到节能与保质的双重目的；同时，该电机具备较强的过载能力，当接地极旋转入地过程中受到较大的切向阻力时不易被卡住、制动，可最大程度缩短接地极的安装时间，提高测试效率。

2.2.2 传动模块

装置传动模块包括电机转轴、转轴带动齿轮、弹簧、拨盘、圆盘凸轮、撞轴、传动杆、花键轴等，结构设计见图3。

图3 装置传动模块设计

旋转模式下，电动机通过相互啮合的大小齿轮直接将动力传递给与大齿轮同轴的圆盘凸轮和驱动齿轮，进而传递给套筒齿轮，完成整个运动及动力传递。接地极旋转入地过程中，当遇到石块等障碍时可自动由旋转模式切换至冲击模式。冲击模式下，该模块以应力波的方式进行能量传递，具有能量密度大、结构紧凑的优点[5]。此时，撞轴不与斜面圆柱状的圆盘凸轮直接接触，而是通过拨盘拨动撞轴作往复直线运动形成冲击将石块击碎或者使其偏离接地极的运动方向。根据经典力学定律，接地极的冲击力大小与其作用在石块上时间的乘积和该石块动量的变化量相等，计算公式如下：

(2)

式中：F—接地极向下的冲击力；

T—力的作用时间；

M—力所作用石块的质量；

V—石块的速度。

在接地极冲击石块时，土壤中石块的速度变化量较小，但冲击力的作用时间极短，为毫秒级，因此石块所受到的冲击力很大。接地极钻头为金刚石材质，入地过程中可等效为刚体，石头很容易被击碎或发生位移，从而达到破除障碍的目的。

2.3 辅助降阻模块

辅助降阻模块借助于柱塞泵输出的压力，通过接地极内部注液腔将预先配置好的化学降阻剂由集液罐均匀地注入到接地极周围土壤中，以达到降低接地极接地电阻的效果。安装完毕的接地极等效为垂直接地极模型(见图4)。

图4 垂直接地极

对其接地电阻进行计算，当l远大于d时，则

(3)

式中:R—垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ—土壤电阻率，Ω·m；

l—垂直接地极的长度，m；

d—接地体用圆钢时，圆钢的直径，m。

由式(3)可知：垂直接地极的直径越大，周围土壤电阻率越小，其接地电阻就越小。本装置所使用的降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，由胶体、电解质和水分混合组成，具有良好的导电性能。具体应用过程中，这种降阻剂能够向周围土壤进行渗透，一方面使周围土壤的电阻率降低，另一方面由于土壤结构的原因，渗透过程中是以树枝状的形式向四周扩散(见图5)，这就等效地增大了接地体的直径[6]，结合以上两点，注入降阻剂可以有效地降低垂直接地极的接地电阻。

图5 降阻剂扩散

2.4 组合式接地极

本装置所用接地体(见图6)长度设置为1.20 m，采用中空螺纹式钻杆和锥形实心钻头组合的型式，钻杆内部设置中空的注液空腔，空腔到钻头截止，钻杆外表面在水平方向按照90°夹角交错设置一定数量的排液小孔通入空腔。辅助降阻装置包括集水罐、注水管道和水泵三部分组成，配置好的降阻剂通过辅助降阻装置打压至接地极注液空腔，由排液小孔均匀地注入到周围土壤中，从而对安装完毕的电流极进行有效降阻。

图6 组合接地极结构

3 应用效果

为了验证基于压力感应的新型电动式接地极安装装置的性能满足工作要求，在宁东地区所辖10座变电站进行测试。

根据测试结果(见表3)，单根接地极的电动安装平均时间为1.67 min，相对于人工安装平均时间节约了35.08 min。

表3 人工安装接地极与使用该装置安装接地极的对比

在接地极安装完毕后，利用装置降阻模块进行辅助降阻以验证其降阻效果，单根电流极接地电阻及平均并联根数统计如表4所示。

表4 单根电流极接地电阻及平均并联根数统计

现场100次现场安装中，阻值满足要求的次数为62次，使单根电流极接地电阻合格率由6%提升至62%，电流极平均并联根数总体减少，进一步缩短了接地阻抗的测试时间。测试完毕后，接地极可在短时间内顺利拔出。新型电动式接地极安装装置的使用，将变电站接地网接地阻抗平均测试时间由2 h缩短至0.5 h，极大提升了接地阻抗的测试效率。

4 结 论

本文研制的新型电动式接地极安装装置，解决了接地阻抗测试中人工安装接地极所存在的安全性差、安装效率低、单根电流极接地电阻大、测量完毕后拆除难度大等问题。

该装置通过自感应压力变化冲击破除故障，解决了接地极入地过程中遇到坚硬石块后需经多次重复安装的难题。该装置利用单相串励式电动机经齿轮传动提供可靠动力输出，实现了接地极由两人配合手动安装到单人电气化快速操作的模式转变，使接地极安装效率较以前得到较大提升。同时，避免了使用锤头锤击使误伤试验人员的风险降低，提高了测试过程中的安全性。另外，为解决由于单根电流极接地电阻大的问题，该装置将普通圆钢光面接地极改造为中空的含有多个排液小孔的接地极，通过使用化学降阻剂打压注液的降阻模式，使单根电流极的接地电阻得到大幅度降低，满足测试要求所需的电流极，并联根数也随之减少。

实际应用表明，该装置的使用可有效提升变电站接地网接地阻抗测试效率，其安全性能好，可推广至发电、供电、用电企业以及建筑施工等行业。鉴于目前在大型接地网接地阻抗测试中普遍采用人工方式安装辅助接地极的实际情况，该装置具有很大的推广价值。