一种配电网接地线数字化装置手柄的设计

摘要：现有的配电网接地操作中，难以实时掌握接地线实时情况，而数字化装置可通过传感器等技术，实时监测接地线的连接状态。接地线数字化装置手柄可方便采集并监测配电网运行状态，发现潜在安全隐患并发出预警。本文对配网接地线数字化装置的硬件部分三维软件建模和力学仿真分析，包括硬件装置整体三维建模，绘制封装数字化装置手柄的设计效果图，并进行有限元力学性能仿真分析，设计合适的数字化装置手柄模型，确保在实际应用中满足强度和稳定性的要求。

关键词：数字化装置手柄；三维建模；力学仿真

0.引言

电力系统中进行停电检修作业时须先在工作地段各端和有可能送电到停电线路的分支线上挂接地线，是预防故障复电而危害电力设备和操作人员的安全短路装置。接地线管理仍然采用传统的管理模式，依靠操作人员在工作现场人工操作[1-2]。一旦工作地点较多时，管理人员缺乏现场的实时信息，接地线的管理处于盲区，频繁的接地线使用很容易造成误挂误拆、漏挂漏拆的现象，继而造成带地线送电等恶性误操作事件，严重威胁人身安全及电网运行稳定性[3-4]。

本文设计接地线的手柄，在手柄上附加智能终端，智能终端高度集成通信模组、存储模块、天线和指令反馈，尺寸小、功耗低，可完整实现 GPS 定位、数据通信功能。因此，本文在现有接地线基础上改进设计，采用接地线数字化装置手柄，为配电网的现场采集并监测配电网运行状态提供了一种新方法，能快速查找故障位置，有效提高配电网供电可靠性。

1 .数字化装置手柄设计效果

本手柄进行了创新性的设计，手柄设计首次采用握把式安装方式，实现了产品的快速安装，且力学仿真性能满足要求，为产品现场安装提供了新方法。

手柄主体采取一体化设计，由握把和腔体组成，握把上刻有握把凹痕，简洁美观的同时使产品便于抓握，握把内部是直径为空心柱，安装时直接手持握把将产品插入接地操作杆使之填满空心圆柱，安装简洁快速省时省力，柱体下方有螺纹处理，在套入接地操作杆后，拧上固定环，即可实现产品安装。

数字化装置手柄前端为立方体空腔，空腔内部有大小不一的孔洞，孔洞形状大小与安装在其内部的电路板完全对应，在安装时将电路板扣入，拧上螺丝即可实现安装，同时产品上端同样开有孔洞，用于穿出收发天线、烧录程序和观察指示灯状态等，安装简便易于后期维护。数字化装置手柄设计3D效果图如图1所示。

2.数字化装置手柄设计3D打印

采用专业的三维设计软件，选用SolidWorks建模软件，对硬件装置进行整体三维建模。绘制数字化装置手柄图，根据接地操作杆型号，确定基本几何形状，如尺寸、形状、孔位和厚度。然后对内部布局设计，依据硬件组件的大小和形状，设计内部支撑结构和组件的安装位置，确保所有内部组件能稳固安装，方便维护和更换，并考虑电池、显示器、定位器、发射器的空间分布，确保合理的内部布局，避免空间浪费。最后外壳细化设计，考虑到装置的实际使用环境，对外壳的防水、防尘进行设计，确保外壳不仅功能实用，还具有美观的外观。

数字化装置手柄的制作可采用熔融堆积3d打印增材制造技术，该技术对于复杂结构拥有精度较高、易于加工、等优势，只需建立三维模型，再选好合适的摆放角度，即可通过3d打印直接做出模型，产品内部空腔结构较为复杂，对于不同电路板的型号做结构上的变动，可直接在三维软件根据电路板尺寸对产品进行修改，修改完成后使用3d打印。

3.数字化装置手柄力学仿真

对配网接地线数字化装置封装外壳，进行有限元力学性能仿真分析。首先是建模导入，将三维模型导入到有限元分析软件中，为仿真分析做准备。并根据实际使用情况，设定边界条件和载荷条件。接着网格划分，对模型进行网格划分，选择合适的网格大小和平滑度，提高仿真结果的精确性。然后进行力学性能仿真。最后，根据仿真结果，识别设计中的薄弱环节，对模型进行优化和改进，并多次迭代仿真，不断优化设计，确保外壳的力学性能达到设计要求。

手柄选用ABS塑料，前端为立方体空腔，本文设计手柄采用厚度为8.5cm，ABS塑料具有一定的伸展性，其断裂伸长率通常在15%-40%左右，在受到外部压力时，ABS塑料能在这个伸长率范围内形变而不断裂。因此，考虑伸展性最不利（断裂伸长率最小）的情况，近似计算由允许最小形变长度8.5×0.15=1.275mm。

为模拟接地线可能未安装紧固，高空掉落地面受外力冲击，在仿真中可考虑施加垂直向下和纵向向里的作用力，如在ANSYS仿真软件中施加垂直于手柄的应力仿真，仿真软件中不断调整压力的大小，直至立方体空腔发生接近断裂形变，空腔上表面受外力作用使产生形变，当结构产生形变为1.275mm，此时测得所受外力约为1324N，接地线数字化装置手柄受外力形变图如图3所示。接地线数字化装置手柄施加外力数值如图4所示。综合分析，该设计数字化装置手柄能承受力较好，结构设计坚固，能满足日常外力冲击等受力要求，稳定和承重型能较好。

4.结语

本文设计的数字化接地线装置，为电力行业的接地系统智能化发展奠定了基础。装置融合了传感器技术、通信技术和数字信号处理技术等多学科成果，为解决传统接地技术提供了新的途径，促使电力安全标准向更精确、更智能方向发展，带动了整个电力接地设备制造业向数字化转型，提高了电力系统运行的可靠性和安全性，对配电网的安全运行有重要的工程应用价值。

项目基金：

国网湖南省电力有限公司群创项目资助（配网接地线数字化装置5216N0240001）

5.参考文献

[1]侯震，王华，王佩霖，等.配网接地线安全监管系统的研究[J].流体测量与控制，2024，5（05）：83-86+90.