工程師教你研制具有帶電報警功能的專(zhuān)用放電棒

　　引言

　　在變電所內電容器的日常維修、搶修、預試等工作中，工作前必須對電容器組及單個(gè)電容器進(jìn)行放電，因為《安規》上有明確規定：電纜及電容器接地前應逐相充分放電，星形接線(xiàn)電容器的中性點(diǎn)應接地、串聯(lián)電容器及與整組電容器脫離的電容器應逐個(gè)多次放電，裝在絕緣支架上的電容器外殼也應放電;同時(shí)電力電纜等設備在電力生產(chǎn)中的應用越來(lái)越廣泛，電力電纜的日常維修、搶修、預試等工作中，工作前必須對其進(jìn)行充分放電。但是放電的過(guò)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(méi)有專(zhuān)門(mén)的驗電裝置，對電纜及電容器放電是否完成沒(méi)有明確的指示。

　　1 整體概述

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

　　2 硬件電路設計

　　驗電盒是具有帶電報警功能的電容器專(zhuān)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(guò)直流偏置，進(jìn)入主控制器，內部電池用于直流偏置盒主控制器供電，為了提高測量的準確度和控制的靈活性，設計并沒(méi)有采取常規的“分立元件+邏輯芯片”的電路方式，而是選用小規?？刂破?，控制器內部的A/D轉換器對高壓信號進(jìn)行精確的測量，同時(shí)引腳直接驅動(dòng)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(jìn)行模數轉換。

　　輸入的交直流電壓信號，既有正電壓，又有負電壓，控制器的ADC輸入只能允許正電壓。因此，電路通過(guò)電阻R8給輸入信號提供直流偏置，同時(shí)，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(guò)單片機的模數轉換，可以計算獲得實(shí)際高壓端的電壓值，從而根據電壓的大小，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。常規的分立元件電路耦電很小，只有μA級別，所以可以長(cháng)期無(wú)開(kāi)關(guān)工作。這里控制器的功耗正常時(shí)，可達mA級別，本文為了能提高驗電器的電池續航能力，設計中采取了兩個(gè)措施，一個(gè)是增加電源開(kāi)關(guān)，不用時(shí)，主動(dòng)切斷電源節約電池能耗;另一個(gè)是使控制器ATMEGA16L在外接無(wú)電壓時(shí)，進(jìn)入低功耗模式，這時(shí)的電源電流也可以減小至μA級別。內部的供電電池為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(guò)控制器ATMEGA16L的模數轉換器，測量電池的電壓值，并給予電量提示。

　　2.3 驗電盒面板設計

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

　　3 軟件程序設計

　　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(gè)內容。電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，首先進(jìn)行控制器的各個(gè)端口和內部寄存器的初始化，開(kāi)啟內部掃描定時(shí)器;在定時(shí)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(guò)閥值電壓300V，大于閥值電壓，啟動(dòng)聲光報警，并根據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;當電壓達到額定電壓時(shí)，指示燈常亮。如果電壓小于閥值電壓，表示試品不帶電，則進(jìn)入下一步按鍵掃描，有鍵按下時(shí)，啟動(dòng)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關(guān)聯(lián)起來(lái)，每閃一次，代表10%電量，當電池電量過(guò)低時(shí)，自檢失敗，電量燈和報警燈都不會(huì )閃爍。按鍵掃描和處理完成后，程序再次進(jìn)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(shí)物圖

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

　　5 推廣應用

　　鑒于本文研制的新型具有帶電報警功能的電容器專(zhuān)用放電棒，在工作現場(chǎng)對高壓電容器、高壓電纜的剩余電荷檢測，實(shí)現了用一根專(zhuān)用放電棒對剩余電荷進(jìn)行測試、放電、掛地線(xiàn)的功能，使用方便快、效果顯著(zhù)，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，在浙江省電力系統全面推廣應用。

　　6 總結

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

　?。?）具有帶電報警功能的電容器專(zhuān)用放電棒，解決普通放電棒無(wú)法實(shí)現的對電容器的放電功能，有了比較實(shí)用、新型、安全、合理的專(zhuān)用工器具。

　?。?）具有帶電報警功能的電容器專(zhuān)用放電棒具有全新的主動(dòng)保護理念，在放電的功能上增加了驗電、掛接地線(xiàn)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備上放電時(shí)，通過(guò)聲光兩種方式提醒試驗人員及其他工作人員，設備是否還處于電能還沒(méi)完全放完狀態(tài)。