工程師教你研制具有帶電報警功能的專用放電棒

　　引言

　　在變電所內(nèi)電容器的日常維修、搶修、預(yù)試等工作中，工作前必須對電容器組及單個電容器進行放電，因為《安規(guī)》上有明確規(guī)定：電纜及電容器接地前應(yīng)逐相充分放電，星形接線電容器的中性點應(yīng)接地、串聯(lián)電容器及與整組電容器脫離的電容器應(yīng)逐個多次放電，裝在絕緣支架上的電容器外殼也應(yīng)放電;同時電力電纜等設(shè)備在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，電力電纜的日常維修、搶修、預(yù)試等工作中，工作前必須對其進行充分放電。但是放電的過程中，殘余電荷產(chǎn)生的電壓是否在安全電壓之下、是否已經(jīng)充分放電，卻沒有專門的驗電裝置，對電纜及電容器放電是否完成沒有明確的指示。

　　1 整體概述

　　電容器帶電報警放電棒的實際應(yīng)用示意圖，如圖1所示。對電容器的放電，必須同時由兩根放電棒完成，高壓電容器兩端的電壓經(jīng)地線回路和兩個限流電阻短接，電容上的剩余電荷逐步泄放為“0”，放電過程中，放電棒高壓端的2kΩ取樣電阻上流過電流，產(chǎn)生電壓信號，由驗電盒對電壓進行采樣、判斷和處理。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　驗電盒是具有帶電報警功能的電容器專用放電棒的核心部件，直接用于對電容器或電纜殘余電荷的檢測。

　　2.1 驗電盒原理框圖

　　驗電盒原理框圖如圖2所示，高壓端信號經(jīng)過直流偏置，進入主控制器，內(nèi)部電池用于直流偏置盒主控制器供電，為了提高測量的準(zhǔn)確度和控制的靈活性，設(shè)計并沒有采取常規(guī)的“分立元件+邏輯芯片”的電路方式，而是選用小規(guī)?？刂破?，控制器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對高壓信號進行精確的測量，同時引腳直接驅(qū)動指示燈和蜂鳴器提示工作人員，裝置且具有自檢功能。

　　2.2 驗電盒電路設(shè)計

　　驗電盒中控制器是ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEGA16L，具有8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，用于將電容器或電纜兩端的高壓端信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　輸入的交直流電壓信號，既有正電壓，又有負(fù)電壓，控制器的ADC輸入只能允許正電壓。因此，電路通過電阻R8給輸入信號提供直流偏置，同時，二極管D1 鉗位輸入信號的幅值，避免超范圍的輸入信號損壞單片機的ADC通道。這樣，輸入的交直流信號，通過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以計算獲得實際高壓端的電壓值，從而根據(jù)電壓的大小，給予不同程序的告警。其電路圖如圖3所示。

　　由于驗電盒的體積較小，只能放入很小的電池，因此，電路的低功耗要求也很高。常規(guī)的分立元件電路耦電很小，只有μA級別，所以可以長期無開關(guān)工作。這里控制器的功耗正常時，可達mA級別，本文為了能提高驗電器的電池續(xù)航能力，設(shè)計中采取了兩個措施，一個是增加電源開關(guān)，不用時，主動切斷電源節(jié)約電池能耗;另一個是使控制器ATMEGA16L在外接無電壓時，進入低功耗模式，這時的電源電流也可以減小至μA級別。內(nèi)部的供電電池為4.5V，而控制器 ATMEGA16L的工作電壓范圍是2.7V-5.5V，電池電壓很低仍能正常工作，還可以通過控制器ATMEGA16L的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測量電池的電壓值，并給予電量提示。

　　2.3 驗電盒面板設(shè)計

　　驗電盒面板由指示燈、按鍵、蜂鳴孔和開關(guān)組成，如圖4所示。指示燈分為高壓指示和電量指示，當(dāng)采樣到有高壓時，高壓指示燈閃爍，電壓越高，閃爍越快，達到額定測量的10kV時，指示燈常亮;電量指示分為3檔，當(dāng)按下自檢鍵時，電量大于80%全亮;電量大于50%兩個亮;電量大于20%一個亮;如果一個燈都不亮，表示電量太低，不能進行驗電操作。電源開關(guān)的作用是斷開驗電盒的供電，起到節(jié)約電量的功能。

　　3 軟件程序設(shè)計

　　放電棒的軟件流程中主要包括了按鍵掃描、試品電壓采樣和電池電壓采樣三個內(nèi)容。電源開關(guān)打開后，首先進行控制器的各個端口和內(nèi)部寄存器的初始化，開啟內(nèi)部掃描定時器;在定時器的中斷中采樣試品上的電壓大小，并判斷試品電壓是否超過閥值電壓300V，大于閥值電壓，啟動聲光報警，并根據(jù)檢測到的電壓的大小改變報警指示燈的閃爍頻率，電壓越大，頻率越快;當(dāng)電壓達到額定電壓時，指示燈常亮。如果電壓小于閥值電壓，表示試品不帶電，則進入下一步按鍵掃描，有鍵按下時，啟動自檢程序，檢測電池電壓，模擬試品帶電狀態(tài)，并將電池的電量與電量指示燈的閃爍次數(shù)關(guān)聯(lián)起來，每閃一次，代表10%電量，當(dāng)電池電量過低時，自檢失敗，電量燈和報警燈都不會閃爍。按鍵掃描和處理完成后，程序再次進入檢測試品電壓的流程，如此循環(huán)判斷和工作，如圖5所示。

　　4 裝置實物圖

　　具有帶電報警功能的電容器專用放電棒，驗電盒及試驗線實物如圖6，其包括放電尖端、驗電盒、接地掛鉤、接地線插口、絕緣伸縮棒、絕緣把手組成。

　　5 推廣應(yīng)用

　　鑒于本文研制的新型具有帶電報警功能的電容器專用放電棒，在工作現(xiàn)場對高壓電容器、高壓電纜的剩余電荷檢測，實現(xiàn)了用一根專用放電棒對剩余電荷進行測試、放電、掛地線的功能，使用方便快、效果顯著，目前已是2014年度國網(wǎng)浙江省電力公司群眾性科技性項目，在浙江省電力系統(tǒng)全面推廣應(yīng)用。

　　6 總結(jié)

　　電容器帶電報警放電棒填補了國內(nèi)對于電容器等需要特別放電的設(shè)備進行放電的空白，是針對變電所電容器組及單個電容進行放電的儀器，不僅解決普通放電棒無法實現(xiàn)對電容器放電的功能，還包括了自動驗電、智能聲光同步報警等功能。同時，裝置實現(xiàn)電容器放電時，兩極短接并接地的特別放電方式，并實現(xiàn)對電容器試驗前，一次完成放電、驗電、掛接地線等功能，從而確保人身和設(shè)備的安全，其具有如下特點。

　　（1）具有帶電報警功能的電容器專用放電棒，解決普通放電棒無法實現(xiàn)的對電容器的放電功能，有了比較實用、新型、安全、合理的專用工器具。

　?。?）具有帶電報警功能的電容器專用放電棒具有全新的主動保護理念，在放電的功能上增加了驗電、掛接地線的功能。

　?。?）具有驗電聲光報警功能，在電纜和電容器等具有存儲電能功能的設(shè)備上放電時，通過聲光兩種方式提醒試驗人員及其他工作人員，設(shè)備是否還處于電能還沒完全放完狀態(tài)。