牽引變電所接地極施工新型工裝的應(yīng)用

王生旭　張冬鑫　霍紅果　龐沛赫

摘 要：接地裝置是鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，接地裝置的施工質(zhì)量及檢修質(zhì)量對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)垂直接地極施工工藝落后、施工效率低、檢修定位困難等問(wèn)題，文章提出運(yùn)用小型機(jī)械接地極鉆孔裝置，同時(shí)應(yīng)用北斗高精度定位系統(tǒng)，改變施工工藝，提高施工效率和查找定位效率。

關(guān)鍵詞：垂直接地極;接地極鉆孔裝置;北斗高精度定位

中圖分類號(hào)：TV523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.014

國(guó)內(nèi)電氣化鐵路建設(shè)持續(xù)不斷快速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)作為整個(gè)電氣化鐵路的心臟，其重要性不言而喻。隨著鐵路牽引負(fù)荷和短路電流不斷增大，以及自動(dòng)化控制程度越來(lái)越高，對(duì)牽引供電系統(tǒng)安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高。保證其安全可靠的一個(gè)重要因素，就是接地系統(tǒng)的可靠性。工作接地、保護(hù)接地、防雷接地等功能的實(shí)現(xiàn)，均需通過(guò)牽引變電所接地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，接地裝置是維護(hù)牽引變電所安全可靠運(yùn)行，保障運(yùn)行人員和電氣設(shè)備安全的基礎(chǔ)。

鐵路牽引變電所的接地裝置通常采用復(fù)合接地形式，水平接地體一般采用150 mm2的銅絞線，埋深為0.8 m;垂直接地極一般采用長(zhǎng)度為2.5 m的Φ20 mm銅棒，整體埋入地下后，頂部與水平接地體熱熔焊接，垂直接地極的埋深達(dá)3.3 m（距±0 mm）[1]。垂直接地極直徑20 mm，銅棒質(zhì)地較軟，傳統(tǒng)的施工工藝易造成彎曲變形等現(xiàn)象，且接地極無(wú)精確位置，給檢修造成諸多不便，檢修效率低。小型接地極鉆孔裝置的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)一次成孔、無(wú)損安裝，且能達(dá)到設(shè)計(jì)深度，并結(jié)合北斗高精度定測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)接地極精準(zhǔn)定位，進(jìn)而提高施工及檢修效率。

1 應(yīng)用背景

鐵路牽引變電所的垂直接地極施工一般在設(shè)備基礎(chǔ)澆筑后進(jìn)行，設(shè)備基礎(chǔ)錯(cuò)落分置在院內(nèi)，為了保證設(shè)備基礎(chǔ)完好，大型機(jī)械設(shè)備無(wú)法進(jìn)入場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行鉆孔施工。因此，垂直接地極安裝通常采用人工施工工藝。

傳統(tǒng)的垂直接地極的施工方法一般有兩種：一種為人工使用大錘直接將2.5 m長(zhǎng)的接地極夯入地下，由于接地極質(zhì)地較軟，在大錘敲擊過(guò)程中極易由于力度掌握不當(dāng)，造成接地極彎曲使其結(jié)構(gòu)損壞，接地極埋深不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，從而降低了接地系統(tǒng)的安全可靠性;另一種為人工使用洛陽(yáng)鏟進(jìn)行挖孔，再將接地極直接埋入孔中并夯實(shí)，此種方法雖然避免了接地極的損壞，但施工效率低下，增加了施工成本且影響施工進(jìn)度。傳統(tǒng)接地極位置的確認(rèn)，只能根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙測(cè)量確定大概位置，由于定位不精準(zhǔn)，查找費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響檢修效率。

因此，為提高現(xiàn)場(chǎng)接地極施工機(jī)械化、專業(yè)化程度，針對(duì)實(shí)際需求，筆者自行研制了垂直接地極鉆孔裝置，應(yīng)用效果良好。該裝置體形小巧，能夠穿梭于設(shè)備基礎(chǔ)之間及水平接地極溝內(nèi)，便捷易操作;該裝置可快速一次成孔2.5 m深，使垂直接地極不需夯擊即可滿足埋深要求，不會(huì)對(duì)接地極造成損傷，采用機(jī)械作業(yè)，顯著提升了施工效率。同時(shí)，該裝置配備北斗高精度定位裝置，在打孔安裝接地極的同時(shí)精確定位坐標(biāo)，并在每個(gè)接地極建立每個(gè)接地極的坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于運(yùn)營(yíng)單位后期維護(hù)[2]。

2 接地極鉆孔裝置

2.1 裝置結(jié)構(gòu)組成

接地極鉆孔裝置主要由可升降支架、鉆孔發(fā)動(dòng)機(jī)及鉆桿、升降驅(qū)動(dòng)裝置以及北斗高精度定位裝置組成。

2.2 升降支架

升降支架采用高強(qiáng)度型材，整體強(qiáng)度高且重量輕。上部移動(dòng)支架和下部支架之間采用嵌套滑動(dòng)連接，上部移動(dòng)支架滑動(dòng)上升至最高位置，支架整體高度可達(dá)到2.6 m，可以保證鉆孔發(fā)動(dòng)機(jī)及鉆桿的活動(dòng)范圍不小于2.5 m。在非工作狀態(tài)下，上部移動(dòng)支架滑動(dòng)下降至最低位置，上部移動(dòng)支架和下部支架嵌套重合，整個(gè)裝置的高度縮減一半，在搬運(yùn)移動(dòng)時(shí)整個(gè)裝置非常方便，更適合場(chǎng)地狹窄的電纜溝內(nèi)打孔作業(yè)。

2.3 鉆孔發(fā)動(dòng)機(jī)及鉆桿

鉆孔發(fā)動(dòng)機(jī)采用技術(shù)成熟穩(wěn)定、馬力十足的發(fā)動(dòng)機(jī)，不受外部臨時(shí)電源限制。鉆桿采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，螺旋葉片環(huán)繞焊接在鉆桿上，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將土帶出孔外;連接部位采用卡槽式插接，該種連接方式不會(huì)產(chǎn)生由于旋轉(zhuǎn)扭力造成的卡滯，拆卸方便，長(zhǎng)度可進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。鉆桿連接方式如圖1所示。

2.4 升降驅(qū)動(dòng)裝置

升降驅(qū)動(dòng)裝置由手動(dòng)絞盤及鋼絲繩組成。手動(dòng)絞盤采用自鎖式，手動(dòng)絞盤上自帶鎖止裝置，在手搖絞盤過(guò)程中，鎖止裝置可以自動(dòng)鎖住提升鉆桿或下降鉆桿，用以控制鉆桿提升或下降的速度。在上部移動(dòng)支架底端設(shè)置動(dòng)滑輪一組，在提升過(guò)程中可以減輕手搖絞盤的力量。

2.5 北斗高精度定位裝置

在牽引變電所的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，可能會(huì)出現(xiàn)檢查接地網(wǎng)焊接點(diǎn)質(zhì)量或增加接地引線等情況，傳統(tǒng)的接地極位置確認(rèn)只能根據(jù)圖紙測(cè)量確定大概位置，影響檢修效率。應(yīng)用北斗高精度定位裝置，可以準(zhǔn)確定位鉆孔的位置，形成一整套垂直接地極安裝坐標(biāo)數(shù)據(jù)，方便運(yùn)營(yíng)單位查找使用，提高檢修效率。

定位裝置測(cè)量如圖2所示。

3 鉆孔裝置的使用方法

該裝置需要兩名工人配合操作使用，將鉆孔裝置推至鉆孔位置，通過(guò)手搖絞盤提升上部移動(dòng)支架至與鉆孔深度一致的高度，進(jìn)行鉆桿連接。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，搖動(dòng)絞盤以放松鋼絲繩，發(fā)動(dòng)機(jī)和上部移動(dòng)支架通過(guò)自身重力和螺旋鉆孔方式下降鉆孔，在下鉆的同時(shí)，鉆桿的螺旋葉片同時(shí)將土旋出孔外。達(dá)到鉆口深度后，搖動(dòng)絞盤以牽引鋼絲繩，提升發(fā)動(dòng)機(jī)和上部移動(dòng)支架。

4 施工工藝

4.1 施工流程

采用鉆孔裝置施工，工具體積小、重量輕，兩人即可操作。該工具可以穿梭于基礎(chǔ)之間或接地溝內(nèi)，機(jī)械化鉆孔，施工效率高，施工流程如圖3所示。

4.2 施工準(zhǔn)備

按施工圖紙要求確定變電所內(nèi)接地體設(shè)置的位置及走向，用白灰粉作出明顯標(biāo)志。檢查接地極規(guī)格與型號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。檢查安裝前工作所需的工具及材料是否齊全，并及時(shí)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。按照設(shè)計(jì)文件或施工圖紙中的要求，定測(cè)水平接地網(wǎng)的路徑以及垂直接地極的位置。根據(jù)定測(cè)位置開挖水平接地溝，開挖深度滿足設(shè)計(jì)要求。技術(shù)交底已完成，并培訓(xùn)完成。

4.3 地網(wǎng)溝開挖

從變電所一側(cè)平行向另一側(cè)開挖接地網(wǎng)溝，并將棄土統(tǒng)一堆放在土溝一側(cè)，以便接地體敷設(shè)。開挖深度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)定，通常開挖深度應(yīng)比設(shè)計(jì)值深50 mm～100 mm，在遇有路面時(shí)深度不小于1 000 mm。與電纜交叉的地方，地網(wǎng)溝深度要在電纜溝施工深度以下300 mm。

4.4 測(cè)量定位

接地極位置根據(jù)牽引變電所接地平面布置圖，應(yīng)用北斗定位裝置定測(cè)，并在已開挖完成的地網(wǎng)溝底做出相應(yīng)標(biāo)識(shí)，將位置坐標(biāo)修改標(biāo)識(shí)在竣工圖紙上，便于運(yùn)行后的檢修查找。

4.5 機(jī)械鉆孔

根據(jù)定測(cè)的垂直接地極位置，將新型施工工裝移至指定孔位處。將鉆頭對(duì)準(zhǔn)定測(cè)標(biāo)識(shí)鉆孔，對(duì)準(zhǔn)后在定位裝置上讀取坐標(biāo)并記錄。最后，將記錄坐標(biāo)修改標(biāo)識(shí)在竣工圖紙上，便于運(yùn)行后的檢修更換。操作新型施工工具打孔作業(yè)，操作時(shí)注意控制勻速打孔，防止過(guò)快，使孔內(nèi)土不能及時(shí)旋出，不能成孔。打孔過(guò)程中，新型工具要穩(wěn)固，不能傾斜，保證打孔垂直。

4.6 接地極安裝

將垂直接地極插入已鉆好的孔內(nèi)，并用橡膠錘砸?guī)紫拢ＷC接地極底部與孔底接觸緊密。

4.7 地網(wǎng)焊接及回填夯實(shí)

采用原土回填垂直接地極與土壤間的縫隙，如果土壤電阻率較高，就采用降阻劑填縫?；靥顣r(shí)分層回填，每300 mm夯實(shí)一次，采用專用工具套住垂直接地極錘擊夯實(shí)，夯實(shí)填縫的專用工具如圖4所示。

水平接地體和垂直接地極間的焊接采用熱熔焊，焊接前應(yīng)保證被焊接件無(wú)污物，模具內(nèi)部無(wú)上次焊接的焊渣塊或焊渣粉末;使用噴燈烘干被焊接件和模具，使其盡可能不含水分;模具的規(guī)格或形式，與被焊接地體的規(guī)格相互配合;點(diǎn)火操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)1.5 m內(nèi)，不得有無(wú)關(guān)人員停留;現(xiàn)場(chǎng)1 m～2 m范圍內(nèi)，不得有易燃物品擺放。

放熱焊劑反應(yīng)結(jié)束后，任何人不得直接接觸模具和被模具件，待模具和被焊接件自然冷卻10 s～20 s，將模具從被焊物品中剝離開。焊接后檢查熔接頭包裹是否嚴(yán)密，表面是否光滑且無(wú)貫穿性氣孔;否則，應(yīng)重新焊接。

5 應(yīng)用效果

接地極鉆孔裝置在多條鐵路牽引變電所、分區(qū)所內(nèi)的垂直接地施工中應(yīng)用，從使用情況來(lái)看，使用該裝置進(jìn)行鉆孔作業(yè)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單安全，鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)要求。相比傳統(tǒng)的人工垂直接地極施工方法，垂直接地極施工效率明顯提升，在安裝過(guò)程中未發(fā)生銅棒彎折、損壞等情況，垂直接地極安裝一次合格率達(dá)到了100%。

現(xiàn)場(chǎng)分別采用人工大錘敲入法、人工洛陽(yáng)鏟挖孔和機(jī)械鉆孔裝置三種方式施工，筆者統(tǒng)計(jì)了三種施工方式的平均施工時(shí)間、安裝時(shí)垂直接地極損傷情況，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，采用接地極鉆孔裝置的施工方式，在施工時(shí)間和垂直接地極安裝后的完好程度上，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式。使用該裝置，有助于提高施工工藝質(zhì)量和施工效率。

對(duì)已安裝完成的垂直接地極進(jìn)行查找測(cè)試，隨機(jī)選擇幾個(gè)垂直接地極進(jìn)行查找。使用北斗定位裝置根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)定位以及根據(jù)圖紙相對(duì)位置開挖兩種方式查找，挖到垂直接地極時(shí)的開挖面積如表2所示。

筆者查找接地極位置時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用北斗定位坐標(biāo)的方式查找，可準(zhǔn)確找到接地極;采用圖紙相對(duì)位置查找，需要大面積開挖，方可找到接地極。經(jīng)檢驗(yàn)，采用北斗定位技術(shù)施工，定位坐標(biāo)準(zhǔn)確，可顯著提高檢修查找效率。

6 結(jié)語(yǔ)

新型鉆孔機(jī)械工裝在京原、集通等鐵路牽引變電所、分區(qū)所內(nèi)應(yīng)用，從使用效果來(lái)看，該工裝可以在絕大多數(shù)的土質(zhì)中鉆孔，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單安全，鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)要求。相比傳統(tǒng)的接地極施工方法，該方法施工效率明顯提升，在安裝過(guò)程中未發(fā)生銅棒彎折、損壞等情況，垂直接地極安裝一次合格率達(dá)到了100%。北斗高精度定位裝置的運(yùn)用，形成了每個(gè)點(diǎn)位的精確坐標(biāo)，為后期的運(yùn)營(yíng)檢修查找提供了精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)，明顯提高了檢修效率。該工裝可在變電所接地極施工中廣泛推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 任永杰.一種垂直接地極專用裝置的研究[J].供用電，2016，33（1）：76-79.

[2] 馮素園.淺談北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)狀、發(fā)展及應(yīng)用[J].通訊世界，2016（9）：227.