一种新型安全接地线装置的研制与应用

罗天宇，李小来，金 哲，马 立，张立明，曹 铖，史明君，黄钰涵，屈 直

（国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

电网的安全生产不仅仅关系到电力系统自身的稳定、效益和发展，而且直接影响到广大电力用户的利益和安全，影响国民经济的健康发展、社会秩序的稳定和人民日常生产生活。随着超、特高压线路的建设和使用规模的大幅增加，线路检修施工的作业难度也在不断加大［1-5］。

在停电线路上进行检修工作，时刻需要防范感应电伤人，国家电网有限公司《安规》（线路部分）第3.4.5条规定：“装设接地线应先接接地端，后接导线端，接地线应接触良好，连接可靠。”但电力系统内感应电伤人事件仍时有发生。感应电压伤人事件的事故原因大致有以下两点：第一，作业人员没有严格按照《安规》要求的操作流程操作；第二，由于接地线挂设不牢固，造成作业过程中接地线脱落，失去了保护线路作业人员安全的作用［6-7］。

为了有效防止感应电伤人事件的发生，针对以上两点事故原因，设计了一种适用于电力施工的新型安全接地线，在线路作业人员装设接地线时，该装置可以检测接地线夹具压力，仅当接地线夹具压力达到设定值后，作业人员才可锁定接地端夹具，并操作导线端，以保证接地线挂设牢固。

1 新型安全接地线装置的设计

1.1 新型安全接地线装置总体方案的拟定

本文设计的新型安全接地线装置分为压力检测和夹具固定两个模块。检测模块的作用为检测夹具压力，同时将情况反馈给作业人员，保证作业人员挂牢接地线；限位模块的作用为锁定接地线夹具，将夹具压力维持在限定范围内。

该装置总体方案如图1所示。

1.2 压力检测模块设计

判断接地线挂设是否牢固，现有做法为人工拉拽检验，即安装接地线后，进行人工拉拽测试，若接地线夹具不发生位移，则证明挂接牢固。本文查阅文献［8-14］得知，当拉力方向垂直于夹具压力方向时，使夹具发生位移所需的拉力值最小，且成年男性其双臂最大拉力约为700 N。

由此，小组设定判断接地线是否固定牢固标准如下：对接地线接地端、导线端夹具，施加垂直于夹具压力方向的拉力水平分解力700 N，若夹具不发生滑动，则代表夹具夹紧，接地线固定牢固。

物体处于将要滑动，但又未滑动的临界状态时，阻碍其相对滑动的阻力称最大静摩擦力［13］，以接地线接地端夹具为例，如图2所示。

图2 最大静摩擦力示意图Fig.2 Schematic diagram of maximum static friction force

若拉力水平分解力为FL，由于最大静摩擦力稍大于滑动摩擦力，可根据滑动摩擦力的计算公式［13］，计算使接地线夹具不发生滑动的最小压力Nmin1，μ为动摩擦因数。

由式（1）可知，当致使接地线夹具滑动的FL一定时，Nmin1仅与接触材料间的动摩擦因数μ有关。小组查得不同材料间的动摩擦因数μ［13］，并根据公式算得不同摩擦材料下的Nmin1，如表1所示。

表1 不同材料间的动摩擦因数µTable 1 Dynamic friction factors µ between different materials

依据表1，取最大值作为Nmin1的标准，即Nmin1=1.75 kN。为避免夹具压力超过而量程损坏传感器，传感器量程必须大于Nmin1，以留出一定的裕度，本文选择量程为3 kN的压力传感器。

压力感应模块有多种类型，其主要区别为压力传感器类别不同。压力传感器的作用是感受压力信号，并按照一定规律，将压力信号转换成电信号［15-18］，其有以下两种常用类型：

1） 霍尔式传感器。其作用原理为外部力的作用导致弹簧管位移，从而带动霍尔片移动，改变施加在霍尔片上的磁感应强度，依据霍尔效应，将磁感应强度的变化转换成霍尔电势的变化，实现对压力的测量，有着较高的灵敏度，但测量精度受温度变化影响较大。

2） 应变式传感器。其原理为测量物体受力变形所产生的应变，并将机械构件上应变的变化转换为电阻变化，实现对压力的测量，有着测试范围宽、输出特性线性好、性能稳定，能在恶劣环境下使用的特点。

对两种压力传感器进行温度实验，设置在0 ℃～50 ℃ 6档温度下，分别对2种传感器施加1 kN的压力，记录其测量误差百分比，测试结果如表2所示。

表2 传感器温度实验记录表Table 2 Sensor temperature experiment records

根据表2 数据，绘制出压力传感器误差随温度变化的折线图如图3所示。

图3 传感器温度实验记录折线图Fig.3 Line chart of sensor temperature experiment record

通过图3可以看出，应变式传感器测量误差随温度变化更小，考虑到实际线路作业时，所面临的四季温差大、工作环境复杂等因素，本文选择应变式压力传感器制作压力感应模块，并绘制如图4所示压力感应模块接线图。

图4 压力感应模块接线电路原理图Fig.4 Schematic diagram of the wiring circuit of the pressure sensing module

压力感应部分设计完成后，决定用单片机制作信号处理模块。单片机在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性等要求［19-23］，鉴于以上考虑，本文选择ST89C52 单片机作为整个系统的主控芯片，主控电路由STC89C52单片机及晶振电路和复位电路组成，由5 V电源负责供电，两者电路原理图分别如图5和图6所示。

图5 信号处理模块接线电路原理图Fig.5 Schematic diagram of the wiring circuit of the signal processing module

图6 系统电源电路原理图Fig.6 Schematic diagram of system power supply circuit

压力检测模块工作流程为：作业人员操作接地线进行短路接地操作，使接地线夹具受压产生应变，通过装设在接地线夹具内侧的电阻应变片，将应变变化转化为电阻值变化，即压力传感器输出电流信号。由于电流信号作为模拟信号，无法被单片机直接读取［24-26］，则由型号为HX711 的模数转换器将模拟信号转化为数字信号［27-34］，并传输给单片机，由单片机将信号处理完毕后，通过控制LED 灯的通断，告知线路作业人员接地线夹具压力是否达到设定值，从而判断接地线是否安装到位。

1.3 夹具固定模块设计

接地端由固定框、固定框的上边框螺纹连接的顶杆、顶杆底端固接的顶块、固定框的下边框上的连接孔和限位栓，以及连接导线端的连接栓组合而成，如图7所示。

图7 接地端结构设计图Fig.7 Design diagram of ground terminal structure

使用时接地端需夹在角钢塔材上，将角钢塔材夹在固定框的上、下边框之间，通过顶杆的旋转带动顶块向下运动，使套筒与角钢塔材接触并压紧，仅当接地端压力达到设定值时，限位栓松动，使连接导线端的连接栓从连接孔中滑出，此时作业人员才可操作导线端，从源头上防止了接地线挂设顺序错误的行为。

将制作完成的新型安全接地线的导线端与接地端通过可拆卸连接栓连接，即可成为如图8 所示的新型安全接地线装置。

图8 新型安全接地线装置实物图Fig.8 Physical diagram of the anti- detachment grounding wire device

2 新型安全接地线的现场应用

2021年8月-2021年9月，线路运维人员使用新型安全接地线装置，在祁韶线沿段杆塔进行使用测试，并监测记录了使用过程中该装置夹具压力最小值，如图9、图10所示。

图9 新型安全接地线装置现场测试图Fig.9 Field test diagram of the new safety grounding wire device

图10 接地线夹具压力监测结果Fig.10 Ground wire clamp pressure monitoring results

测试结果表明，相比于传统接地线，使用本文研制的新型安全接地线装置进行挂设接地线操作时，通过实时监测并锁定接地线夹具压力，能够有效避免因人工拉拽判断接地线挂设牢固程度导致接地线松脱的事故风险。同时，该装置在作业人员操作接地端挂设完成后，才能解锁连接栓并操作导线端夹具，从根本上避免了因接地线挂接顺序错误而导致的感应电伤人事故风险。该装置具有安装方便、结构简单可靠的优点，满足电力系统对电力施工接地线的要求。

3 结语

本文制作的新型安全接地线装置，实现了检测接地线夹具压力并防止接地线松脱的功能。该装置使用方法与传统电力施工接地线基本无异，学习成本低，拆装简单，便携性强。

该装置在电力系统推广应用可以避免线路作业人员使用接地线时挂设顺序错误，同时，作业人员使用该接地线进行短路接地操作，能够直观判断接地线挂设情况，保证接地线挂设牢固，并在挂设牢固后保持夹具压力值在安全范围内，避免了作业人员因接地线松脱而失去保护，可以有效减少感应电伤人事故的发生，提高线路运维工作的安全性。