基于物联网的临时用电接地监测装置设计

叶宇豪 刘之涵 唐 瑭 汪天允 张臻哲

（国网江苏省电力工程咨询有限公司，江苏 南京 210011）

0 引言

在电力建设过程中，施工临时用电是一个贯穿工程始末的重要元素，其带来的安全风险不容忽视。在建设管理的过程中，通常需要重点检查电缆接线是否正确可靠、是否实现“一机一闸一保护”、是否标注出线设备名称、是否做好防火封堵、箱体是否上锁、是否实现可靠接地保护等方面的内容[1]。

在施工现场三级配电体系中，一级配电箱位置固定，二级配电箱位置相对固定，而三级配电箱则由于各种作业需要呈现分布随机、数量众多、形式多样、移动频率高等特点，这就使得存在的问题不易被及时发现，为现场的管理工作带来了诸多困难与挑战。由于作业面缺少可靠接地体、施工作业人员安全意识淡薄、配电箱频繁移动导致线材损坏等原因，配电箱经常失去可靠的接地保护，带来严重的安全风险[2]。为此，需要设计一种可以实时监测配电箱接地状态的装置，且能够及时提醒管理人员该配电箱所处的位置，以便迅速处置险情，消除隐患。

基于上述问题及需求，本文从整体方案设计、传感器方案设计、无线传输方案设计、程序逻辑设计四方面出发，提出了一种基于物联网的临时用电接地监测装置，具有节能、高效、方便安装等特征，能够有效提高施工管理人员工作效率，满足工程管理需要。

1 整体方案设计

根据三级配电箱常见的形态，设计了本装置的整体方案，如图1所示。

图1 整体方案设计图

该装置包括装置主体、太阳能面板、磁吸面板、电阻传感器、电流传感器等。装置主体内包含了用于通信的无线传输模块、用于定位的GPS模块、用于现场警示的声光报警模块、用于供电的蓄电池，装置主体正面为太阳能面板、操作面板与显示屏，背部为磁吸面板。

其中，太阳能面板能够为蓄电池充电，以实现装置的无源运行，降低设备生命周期成本；背部的磁吸面板使得装置能够吸附固定于配电箱表面，方便实现稳定的安装；电阻传感器用于测量配电箱接地体接地电阻的大小，以判断配电箱是否有效接地；电流传感器用于检测配电箱进线电缆上的电流情况，从而判断连接于配电箱的设备是否处于运行中。

2 传感器方案设计

利用传感器实现对配电箱相关电信号的采集，主要包括对电流与电阻数值的获取。

首先，针对进线电缆上的电流数值测量，业界通常采用的检测工具是钳形电流表，其工作原理是利用法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过钳表中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，经过处理后即可得到与一次电流成正比的输出电压。相较于电流互感器而言，这是一种不破坏原有导体结构的高效便捷测量方案。

在本设计中，电流数值仅作为触发信号，并不需要测得实际值，对传感器的精度要求较低。同时综合考虑成本因素与可操作性，上述基本功能可以通过一个罗氏线圈外加相应的调制电路实现[3]。罗氏线圈不含铁磁性材料，无磁滞效应，无磁饱和现象，且尺寸极小，安装简单方便，能够很好地满足设计需要，系统整体设计量程为0～50 A即可满足设备运行要求。

其次，针对接地电阻数值的测量，在施工现场常用的是三点测量法与钳表测量法。其中，三点测量法需要在被测接地体以外安装一个辅助接地极与探测电极，在辅助接地和被测接地体之间加上电流，测量被测接地体和探测电极间的电压降，从而获得接地电阻数值。

但是由于需要安装额外的接地极，三点测量法无法满足本设计对便携性与实用性的需求，故考虑钳表测量法[4]。该方法无须借助额外的接地极，使用方法与钳形电流表类似，其钳上有独立的电压线圈与电流感应线圈，测量时电压线圈在被测回路中激励出一个感应电动势E，被测回路中因此产生相应的回路电流I，且符合如下关系：

式中：RX为接地电阻；RZ为导线电阻。

由于RZ远小于RX，故可忽略不计，则有：

使用钳表测量法的前提是存在与被测接地体并联的可靠接地连接，由于三级配电箱中的接地线取自三相五芯电缆，该接地线已在一级与二级配电箱处实现了可靠接地，因此该测量方法适用于本设计。就本设计而言，采用一组电压线圈与罗氏线圈，配合相应的调制电路即可实现接地电阻的测量功能。

3 无线传输方案设计

为了实现及时通知建设管理人员，本设计采用物联网技术实现报警信息的无线传输[5]，以取代单纯的声光报警与难以适应现场要求的有线传输。

当前主流的物联网解决方案包括蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-IoT，考虑到在实际的工程中，三级配电箱数量众多，且传输距离较远，因此可以排除传输距离较近的蓝牙与Wi-Fi技术。故需要在上述方案的后三者中进行选择，接下来对三者展开对比分析。

首先是ZigBee技术，这是一种低功耗、低速率、低时延的无线通信技术，同时具有网络容量大、安全性高、数据传输可靠等优点。其主要缺点则包括其相关芯片与外围器件成本较高、2.5 GHz频率带来的通信稳定性较差，穿越障碍能力较弱。

其次考虑LoRa技术，这是一种低功耗、长距离的无线通信技术，同时具有成本低、组网节点多、抗干扰性强等优点。但是该技术的缺点也是比较显著的，用户在布设LoRa的过程中需要自己组建网络，这无疑提高了使用门槛；而且随着LoRa设备和网络部署不断增多，频谱之间的相互干扰问题也愈渐突出。

最后分析NB-IoT技术，这是一种低功耗、广覆盖、终端接入量大的无线通信技术，同时NB-IoT无须重新建网，支持在现有的LTE网络上进行改造，原有的射频与天线也能够复用，因而有效降低了网络建设成本。在缺点方面，虽然NB-IoT本身的硬件成本较低，但由于依托于运营商网络，需要持续向运营商支付费用，提高了设备的运营成本。

综合上述分析，可总结出这三种技术方案的特点，对比如表1所示。

表1 无线传输技术方案表

接下来考虑本设计实际的需求。由于问题发生后需要建设管理人员督促施工人员及时整改，并不需要设备的瞬时动作与响应，因此对于无线传输技术的时延要求并不高。该装置回传的信息主要包括故障状态与接地故障所在位置，信息量较少，因此对传输速度与数据量也无较高要求。

本装置主要应用于工程建设场景，工况具有较强的不确定性，施工现场障碍物较多，因此对通信的稳定性、可靠性要求较高。同时由于建设项目的特殊性，本装置具有较强的流动性，因此自行组网的可操作性较低，而利用现有的运营商基站与网络能够很好地满足上述需要，能够有效降低整套装置的建设成本。

经过综合比对与分析，可以确认选用NB-IoT作为本设计的无线传输技术方案。

4 程序逻辑设计

本装置的参数设置及开关机控制均可通过远程指令完成，且均可在装置运行的任意时刻进行参数修改及关机指令发布。程序逻辑流程图如图2所示。

图2 程序逻辑流程图

本装置采用节能化设计，除应用太阳能面板进行供电以外，在运行程序逻辑方面也做出了优化设计。在开机后，本装置首先进入低功耗待机模式，并不执行对接地电阻的监测操作，而是持续监测电流传感器上的电流信息，当三级配电箱所连接的用电器开始工作时，进线电缆上的电流信号即可被本装置监测到，此时程序将启动电阻传感器模块，进入接地电阻监测阶段。在电流监测阶段所需设定的参数主要为电流监测阈值，该数值应当通过现场所接用电设备中最小的额定电流值确定。

同样为了提高节能水平，在接地电阻监测阶段采用了周期性采样监测的方法，即每隔一段预定的时间周期执行一次接地电阻值的监测。当所测得的电阻值大于所预设的阈值时，可以认为该三级配电箱未实现可靠的接地保护，此时启动声光报警功能，同时将报警信息无线传输至管理人员终端，上述报警持续至接地电阻值恢复正常。在接地电阻监测阶段所需要设定的参数主要包括监测周期、报警信息内容和接地电阻阈值，其中接地电阻阈值可参考GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》及GB 50169—2016《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的规定。

5 结论

针对电力建设施工环境下，三级配电箱经常出现使用时不接地、未有效接地、接地意外断开等问题，本文设计了一种基于物联网的临时用电接地监测装置，对数量较多、分布随机的三级配电箱进行统一管理。基于工程现场实际设计出本装置的整体设计方案以后，本文在传感器方案设计中选用了罗氏线圈作为电流传感器、钳表法测量接地电阻值，在无线传输方案设计中选用了低功耗、广覆盖、终端接入量大的NB-IoT技术，在程序逻辑设计中遵循了智能化、节能化的设计方针。

通过完整的设计流程，最终得到的装置不仅能够及时有效发现接地失效的问题，并提示现场施工人员与后台建设管理人员及时消除隐患，同时还具备易使用、低功耗等特点，对于提高施工现场临时用电的安全管理水平具有重要意义。