工程师教你研制具有带电报警功能的专用放电棒

　　引言

　　在变电所内电容器的日常维修、抢修、预试等工作中，工作前必须对电容器组及单个电容器进行放电，因为《安规》上有明确规定：电缆及电容器接地前应逐相充分放电，星形接线电容器的中性点应接地、串联电容器及与整组电容器脱离的电容器应逐个多次放电，装在绝缘支架上的电容器外壳也应放电;同时电力电缆等设备在电力生产中的应用越来越广泛，电力电缆的日常维修、抢修、预试等工作中，工作前必须对其进行充分放电。但是放电的过程中，残余电荷产生的电压是否在安全电压之下、是否已经充分放电，却没有专门的验电装置，对电缆及电容器放电是否完成没有明确的指示。

　　1 整体概述

　　电容器带电报警放电棒的实际应用示意图，如图1所示。对电容器的放电，必须同时由两根放电棒完成，高压电容器两端的电压经地线回路和两个限流电阻短接，电容上的剩余电荷逐步泄放为“0”，放电过程中，放电棒高压端的2kΩ取样电阻上流过电流，产生电压信号，由验电盒对电压进行采样、判断和处理。

　　2 硬件电路设计

　　验电盒是具有带电报警功能的电容器专用放电棒的核心部件，直接用于对电容器或电缆残余电荷的检测。

　　2.1 验电盒原理框图

　　验电盒原理框图如图2所示，高压端信号经过直流偏置，进入主控制器，内部电池用于直流偏置盒主控制器供电，为了提高测量的准确度和控制的灵活性，设计并没有采取常规的“分立元件+逻辑芯片”的电路方式，而是选用小规模控制器，控制器内部的A/D转换器对高压信号进行精确的测量，同时引脚直接驱动指示灯和蜂鸣器提示工作人员，装置且具有自检功能。

　　2.2 验电盒电路设计

　　验电盒中控制器是ATMEL公司生产的ATMEGA16L，具有8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，用于将电容器或电缆两端的高压端信号进行模数转换。

　　输入的交直流电压信号，既有正电压，又有负电压，控制器的ADC输入只能允许正电压。因此，电路通过电阻R8给输入信号提供直流偏置，同时，二极管D1 钳位输入信号的幅值，避免超范围的输入信号损坏单片机的ADC通道。这样，输入的交直流信号，通过单片机的模数转换，可以计算获得实际高压端的电压值，从而根据电压的大小，给予不同程序的告警。其电路图如图3所示。

　　由于验电盒的体积较小，只能放入很小的电池，因此，电路的低功耗要求也很高。常规的分立元件电路耦电很小，只有μA级别，所以可以长期无开关工作。这里控制器的功耗正常时，可达mA级别，本文为了能提高验电器的电池续航能力，设计中采取了两个措施，一个是增加电源开关，不用时，主动切断电源节约电池能耗;另一个是使控制器ATMEGA16L在外接无电压时，进入低功耗模式，这时的电源电流也可以减小至μA级别。内部的供电电池为4.5V，而控制器 ATMEGA16L的工作电压范围是2.7V-5.5V，电池电压很低仍能正常工作，还可以通过控制器ATMEGA16L的模数转换器，测量电池的电压值，并给予电量提示。

　　2.3 验电盒面板设计

　　验电盒面板由指示灯、按键、蜂鸣孔和开关组成，如图4所示。指示灯分为高压指示和电量指示，当采样到有高压时，高压指示灯闪烁，电压越高，闪烁越快，达到额定测量的10kV时，指示灯常亮;电量指示分为3档，当按下自检键时，电量大于80%全亮;电量大于50%两个亮;电量大于20%一个亮;如果一个灯都不亮，表示电量太低，不能进行验电操作。电源开关的作用是断开验电盒的供电，起到节约电量的功能。

　　3 软件程序设计

　　放电棒的软件流程中主要包括了按键扫描、试品电压采样和电池电压采样三个内容。电源开关打开后，首先进行控制器的各个端口和内部寄存器的初始化，开启内部扫描定时器;在定时器的中断中采样试品上的电压大小，并判断试品电压是否超过阀值电压300V，大于阀值电压，启动声光报警，并根据检测到的电压的大小改变报警指示灯的闪烁频率，电压越大，频率越快;当电压达到额定电压时，指示灯常亮。如果电压小于阀值电压，表示试品不带电，则进入下一步按键扫描，有键按下时，启动自检程序，检测电池电压，模拟试品带电状态，并将电池的电量与电量指示灯的闪烁次数关联起来，每闪一次，代表10%电量，当电池电量过低时，自检失败，电量灯和报警灯都不会闪烁。按键扫描和处理完成后，程序再次进入检测试品电压的流程，如此循环判断和工作，如图5所示。

　　4 装置实物图

　　具有带电报警功能的电容器专用放电棒，验电盒及试验线实物如图6，其包括放电尖端、验电盒、接地挂钩、接地线插口、绝缘伸缩棒、绝缘把手组成。

　　5 推广应用

　　鉴于本文研制的新型具有带电报警功能的电容器专用放电棒，在工作现场对高压电容器、高压电缆的剩余电荷检测，实现了用一根专用放电棒对剩余电荷进行测试、放电、挂地线的功能，使用方便快、效果显著，目前已是2014年度国网浙江省电力公司群众性科技性项目，在浙江省电力系统全面推广应用。

　　6 总结

　　电容器带电报警放电棒填补了国内对于电容器等需要特别放电的设备进行放电的空白，是针对变电所电容器组及单个电容进行放电的仪器，不仅解决普通放电棒无法实现对电容器放电的功能，还包括了自动验电、智能声光同步报警等功能。同时，装置实现电容器放电时，两极短接并接地的特别放电方式，并实现对电容器试验前，一次完成放电、验电、挂接地线等功能，从而确保人身和设备的安全，其具有如下特点。

　　（1）具有带电报警功能的电容器专用放电棒，解决普通放电棒无法实现的对电容器的放电功能，有了比较实用、新型、安全、合理的专用工器具。

　　（2）具有带电报警功能的电容器专用放电棒具有全新的主动保护理念，在放电的功能上增加了验电、挂接地线的功能。

　　（3）具有验电声光报警功能，在电缆和电容器等具有存储电能功能的设备上放电时，通过声光两种方式提醒试验人员及其他工作人员，设备是否还处于电能还没完全放完状态。