一種基于提高安全生產水平的放電棒設計

方文田 ，李斯琳

（1. 廣東電網有限責任公司揭陽供電局，廣東 揭陽 522000;2. 廣東理工學院，廣東 肇慶 526000）

電力一次設備中含有較多電容型設備，例如高壓套管、電容器以及電容式電壓互感器等。某些非電容型設備由于其復雜的結構與碩大體積，使得其內部亦存在雜散電容，如油浸式變壓器、金屬氧化物避雷器以及電磁式互感器等。由于電容的存在，設備在切除電源后必然存在能量，威脅設備維護人員的安全。因此電力生產中，在對設備進行停電檢修、試驗時，首先須對滿足檢修條件的設備進行放電以消除設備殘留電荷[1]。

由于現有的放電棒無放電指示功能，缺乏對放電過程的直觀感知，增加了檢修、試驗人員的觸電風險[2-3]。另外，現有放電棒無接地自檢功能，使用人員須使用萬用表測量放電棒接地效果[4]。當工作任務繁重時，容易忽略這個過程，導致作業存在風險。在強調安全生產的背景下，對設備實行有效、可靠的放電對提高安全生產水平具有重要意義。為了實現放電棒的接地自檢功能與放電指示功能，本文提出一種放電棒輔助檢測裝置設計方法。該方法的優點在于無須改變接地線及放電棒的原有結構。所設計的輔助檢測裝置可靈活安裝、拆卸，推廣應用前景較好。

1 容性設備放電過程等效模型

對設備的放電過程一般有兩步，首先是先經高阻放電，然后再直接放電。先經高阻放電的目的在于限制放電沖擊電流，避免對設備造成損害[5-6]。放電過程如圖1 所示模型等效。

圖1 容性設備放電過程等效電路

圖1 中，Cd代表被放電的設備；R1代表放電電阻，該電阻設置為可調電阻的含義是代表了2 個放電階段，即經高阻放電與直接放電。根據換路定則，放電開始時，Cd的初始電壓為設備殘留電壓，通常取設備電壓計算。因此，根據KVL 有：

式中：uCd為設備的殘留電壓。根據換路定理，換路前后電容電壓保持不變，設放電前殘留電壓為u0，則可解得式（1）微分方程的解為：

式（2）表示的是設備殘留電壓uCd與放電時間的關系，因此，放電電流i為：

根據式（2）可知，設備的殘留電壓uCd與殘留電壓初值、設備電容大小以及放電電阻大小均有關系，殘留電壓隨時間呈指數下降的趨勢。工程上，我們采用RC 的乘積來表示時間常數τ，因它表征著放電時間的長短。一般放電棒的放電電阻為幾十MΩ 到幾百MΩ，而設備電容則存在較大差異，因此不同設備的放電時間不一樣，在生產中難以統一放電時間的標準。

當放電棒的接地端接觸不良時，可等效在放電回路中串入一個大電阻R2，如圖2 所示。

圖2 接地失效放電模型

這時，式（2）可變為：

由式（4）可見當接地不良時將直接影響放電的進程，放電時間隨R2的增大而增加。當接地失效也就是R2為無窮大時，設備殘留電壓將永遠保持為U0也就是放電失效。

綜上所述，鑒于設備放電的復雜性與必要性，保證接地效果以及實現對放電過程的跟蹤，對放電作業的有效進行具有重要的價值，也能極大地降低設備修試人員的觸電風險。

2 具備接地自檢與放電指示的輔助裝置設計

2.1 放電指示功能

為了保證接地線的完整性，本文采用穿心式霍爾電流傳感器測量放電電流。根據式（4）可知放電電流隨時間指數性下降。

放電過程可視化實現方式，可采用指示燈，紅、黃、綠3 種顏色指示燈，對應放電過程3 個階段。階段1，經高阻放電完畢前，指示燈為紅色，表示設備未經高阻放電完畢；階段2，當放電時間t=5τ 時，設備電壓下降為放電前的0.6%，此時可認為經高阻放電完畢，指示燈變為黃色；階段3，直接放電完畢后，即整個放電過程完畢，根據式（2），直接放電過程可認為放電電阻R1= 0，放電時間t極短就可使設備電壓uCd直接放電完畢。

在階段2 中，由于傳感器精度與工作環境問題，避免不了存在干擾信號。如圖3 所示，由于干擾信號的存在，當放電至時間tDIS后，設備電壓和放電電流減少，電壓和電流信號被干擾信號覆蓋，裝置難以直接檢測設備電壓和放電電流，因而無法計算獲得放電完畢時間tR。因此，須要建立數學模型，求解獲取放電完畢時間tR。由于干擾信號和設備測量誤差的存在，須建立的數學模型較為復雜，難以求解得到所需結果，因此須要簡化模型。根據工程經驗，在設備放電初期，放電電流I遠大于設備干擾電流ΔI，鑒于此，在放電初期可忽略設備干擾電流的存在，建立設備放電初期數學模型，簡化模型求解過程，模型建立及求解、誤差分析如下：

圖3 設備電壓變化圖

獲取時間t1，t2，以及對應的電流I1，I2，根據式（3），建立二元齊次非線性方程簡化模型，用式（5）表示。

并求解得放電時間常數τ，則放電完畢時間如式（6）所示。

以上是忽略干擾電流，求得的結果，實際中，由于干擾電流存在，即實際電流為放電電流與干擾電流的疊加，導致求解結果存在誤差。根據式（3），建立二元齊次非線性方程實際模型如式（10）所示。

求解可得放電時間常數為：

則放電結束時間為：

簡化模型與實際模型的誤差百分比為：

從上述結果可以看出，誤差與放電電流有關，根據圖3 放電過程以及式（10）繪制誤差曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出，誤差隨放電電流前后比值單調遞減，根據經驗，設備放電電流在放電初期衰減很快，即放電電流前后比值較大，通常大于1.5，此時誤差小于0.05，符合工程上對于誤差的要求。因此，在放電初期采樣電流信號，設定合適的步長，可以用簡化模型替代實際模型求解放電完畢時間tR，簡化了計算過程。

圖4 放電電流與誤差關系圖

裝置包括電流檢測模塊、時間記錄模塊、放電計算模塊、時間判斷模塊、放電指示模塊，可視化放電過程實現步驟如下：

（1）放電棒高阻放電頭觸碰設備，電流檢測模塊檢測磁通量變化，獲取初始電流I0=U0/R，此時視為高阻放電開始，時間記錄模塊記錄時間t0= 0，放電指示模塊驅動指示燈，指示燈變紅；

（2）電流檢測模塊以Δt為步長，獲取電流I1，時間記錄模塊記錄時間t1=t0+ Δt，獲取電流I2，時間記錄模塊記錄時間t2=t1+ Δt，放電計算模塊計算得到高阻放電完畢時間tR；

（3）時間判斷模塊根據時間記錄模塊獲取的時間有

判斷tk+1是否大于tR；若結果為是，則放電指示模塊驅動指示燈，指示燈由紅變黃，設備經高阻放電完畢，時間記錄模塊暫停工作；

（4）移開高阻放電頭，將直接放電頭觸碰設備，電流檢測模塊檢測磁通量變化，時間記錄模塊記錄時間t0= 0，此時視為直接放電開始；

（5）時間記錄模塊根據式（11）記錄時間，并繼續判斷tk+1是否大于tR，若結果為否，則繼續循環執行采樣-判斷。若結果為是，則放電指示模塊驅動指示燈，指示燈由黃變綠，設備直接放電完畢，裝置停止工作。

2.2 接地自檢功能

接地自檢功能如圖5 所示，放電棒接地端可等效為接地電阻R，當接地良好時，可認為電阻R= 0，當接地不良時，可認為R?0 ，自檢時，用放電棒直接放電頭觸碰另一接地點，形成接地回路，自檢回路包含接地回路、耦合線圈、霍爾電流互感器。

圖5 放電棒原理圖

接地自檢原理如圖6 所示，在一次側，即耦合線圈施加交流信號U，在二次側，即接地回路感應產生交流信號，電流互感器檢測獲得交流信號，可等效為變壓器T 型等效電路如圖6 所示。

圖6 通路自檢等效電路

圖6中，X1為耦合線圈漏抗；X2為接地回路漏抗；R為接地回路電阻；X3為電流傳感器漏抗；Xm1、Xm2為勵磁阻抗；R1為電流互感器采樣電阻；根據變壓器T 型等效電路原理X1、X2、X3?Xm1和Xm2，得到自檢電流Is為：

由式（12）可知，當其他參數固定的情況下，接地電阻大小R決定了自檢電流Is的大小。因此可根據自檢電流Is的大小實現接地良好與否的判斷。

3 硬件設計方案

如圖7 所示，耦合線圈與霍爾電流傳感器均采用鉗式設計，方便使用時直接鉗在放電棒的接地線上[7]。除了接地回路屬于放電棒，其他的電路設計均處于一個裝置內。主要涉及的電路分別由MCU（微型控制單元），濾波電路，信號放大電路，按鍵輸入電路，信號發生電路，控制電路等。

圖7 裝置原理圖

工作時，首先通過按鍵切換工作模式。總共有兩個模式分別為接地自檢模式與放電指示模式。當選擇接地自檢模式時，MCU 輸出控制信號控制MOSFET 導通。然后信號發生電路將向回路注入高頻信號，信號經過濾波、放大電路后經信號通道1輸入到模數轉換電路中，最后轉換成數字信號傳輸到MCU，MCU 通過讀取判斷信號的強弱判定接地效果的好壞。

當按鍵切換到放電模式時，MCU 控制MOSFET斷開，保護濾波電路與信號發生電路不受放電電流沖擊。放電電流信號將經過信號通道2 輸入到模數轉換電路。最后MCU 根據本文2.1 小節所訴算法算出放電時間，通過控制指示燈與蜂鳴器指導工作人員放電。

4 結束語

為提高電力生產安全水平，本文提出了一種具備接地自檢功能的放電棒設計方法，從而保證高壓容性設備放電過程中，既消除了殘余電荷對操作人員的威脅，又保護了設備免受大電流沖擊。通過理論計算與仿真設計，證明了該方法的有效性，最終成功開發出了實物。該設計方法對提高電力安全生產水平具有重要價值，同時也具有較強的推廣價值。