方文田 ，李斯琳

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司揭陽(yáng)供電局，廣東 揭陽(yáng) 522000;2. 廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

電力一次設(shè)備中含有較多電容型設(shè)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(shè)備由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與碩大體積，使得其內(nèi)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(shè)備在切除電源后必然存在能量，威脅設(shè)備維護(hù)人員的安全。因此電力生產(chǎn)中，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行停電檢修、試驗(yàn)時(shí)，首先須對(duì)滿足檢修條件的設(shè)備進(jìn)行放電以消除設(shè)備殘留電荷[1]。

由于現(xiàn)有的放電棒無(wú)放電指示功能，缺乏對(duì)放電過(guò)程的直觀感知，增加了檢修、試驗(yàn)人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。另外，現(xiàn)有放電棒無(wú)接地自檢功能，使用人員須使用萬(wàn)用表測(cè)量放電棒接地效果[4]。當(dāng)工作任務(wù)繁重時(shí)，容易忽略這個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)。在強(qiáng)調(diào)安全生產(chǎn)的背景下，對(duì)設(shè)備實(shí)行有效、可靠的放電對(duì)提高安全生產(chǎn)水平具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)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(cè)裝置設(shè)計(jì)方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)須改變接地線及放電棒的原有結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的輔助檢測(cè)裝置可靈活安裝、拆卸，推廣應(yīng)用前景較好。

1 容性設(shè)備放電過(guò)程等效模型

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

圖1 容性設(shè)備放電過(guò)程等效電路

圖1 中，Cd代表被放電的設(shè)備；R1代表放電電阻，該電阻設(shè)置為可調(diào)電阻的含義是代表了2 個(gè)放電階段，即經(jīng)高阻放電與直接放電。根據(jù)換路定則，放電開(kāi)始時(shí)，Cd的初始電壓為設(shè)備殘留電壓，通常取設(shè)備電壓計(jì)算。因此，根據(jù)KVL 有：

式中：uCd為設(shè)備的殘留電壓。根據(jù)換路定理，換路前后電容電壓保持不變，設(shè)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(shè)備殘留電壓uCd與放電時(shí)間的關(guān)系，因此，放電電流i為：

根據(jù)式（2）可知，設(shè)備的殘留電壓uCd與殘留電壓初值、設(shè)備電容大小以及放電電阻大小均有關(guān)系，殘留電壓隨時(shí)間呈指數(shù)下降的趨勢(shì)。工程上，我們采用RC 的乘積來(lái)表示時(shí)間常數(shù)τ，因它表征著放電時(shí)間的長(zhǎng)短。一般放電棒的放電電阻為幾十MΩ 到幾百M(fèi)Ω，而設(shè)備電容則存在較大差異，因此不同設(shè)備的放電時(shí)間不一樣，在生產(chǎn)中難以統(tǒng)一放電時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)放電棒的接地端接觸不良時(shí)，可等效在放電回路中串入一個(gè)大電阻R2，如圖2 所示。

圖2 接地失效放電模型

這時(shí)，式（2）可變?yōu)椋?/p>

由式（4）可見(jiàn)當(dāng)接地不良時(shí)將直接影響放電的進(jìn)程，放電時(shí)間隨R2的增大而增加。當(dāng)接地失效也就是R2為無(wú)窮大時(shí)，設(shè)備殘留電壓將永遠(yuǎn)保持為U0也就是放電失效。

綜上所述，鑒于設(shè)備放電的復(fù)雜性與必要性，保證接地效果以及實(shí)現(xiàn)對(duì)放電過(guò)程的跟蹤，對(duì)放電作業(yè)的有效進(jìn)行具有重要的價(jià)值，也能極大地降低設(shè)備修試人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2 具備接地自檢與放電指示的輔助裝置設(shè)計(jì)

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(cè)量放電電流。根據(jù)式（4）可知放電電流隨時(shí)間指數(shù)性下降。

放電過(guò)程可視化實(shí)現(xiàn)方式，可采用指示燈，紅、黃、綠3 種顏色指示燈，對(duì)應(yīng)放電過(guò)程3 個(gè)階段。階段1，經(jīng)高阻放電完畢前，指示燈為紅色，表示設(shè)備未經(jīng)高阻放電完畢；階段2，當(dāng)放電時(shí)間t=5τ 時(shí)，設(shè)備電壓下降為放電前的0.6%，此時(shí)可認(rèn)為經(jīng)高阻放電完畢，指示燈變?yōu)辄S色；階段3，直接放電完畢后，即整個(gè)放電過(guò)程完畢，根據(jù)式（2），直接放電過(guò)程可認(rèn)為放電電阻R1= 0，放電時(shí)間t極短就可使設(shè)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(huán)境問(wèn)題，避免不了存在干擾信號(hào)。如圖3 所示，由于干擾信號(hào)的存在，當(dāng)放電至?xí)r間tDIS后，設(shè)備電壓和放電電流減少，電壓和電流信號(hào)被干擾信號(hào)覆蓋，裝置難以直接檢測(cè)設(shè)備電壓和放電電流，因而無(wú)法計(jì)算獲得放電完畢時(shí)間tR。因此，須要建立數(shù)學(xué)模型，求解獲取放電完畢時(shí)間tR。由于干擾信號(hào)和設(shè)備測(cè)量誤差的存在，須建立的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，難以求解得到所需結(jié)果，因此須要簡(jiǎn)化模型。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備放電初期，放電電流I遠(yuǎn)大于設(shè)備干擾電流ΔI，鑒于此，在放電初期可忽略設(shè)備干擾電流的存在，建立設(shè)備放電初期數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化模型求解過(guò)程，模型建立及求解、誤差分析如下：

圖3 設(shè)備電壓變化圖

獲取時(shí)間t1，t2，以及對(duì)應(yīng)的電流I1，I2，根據(jù)式（3），建立二元齊次非線性方程簡(jiǎn)化模型，用式（5）表示。

并求解得放電時(shí)間常數(shù)τ，則放電完畢時(shí)間如式（6）所示。

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

求解可得放電時(shí)間常數(shù)為：

則放電結(jié)束時(shí)間為：

簡(jiǎn)化模型與實(shí)際模型的誤差百分比為：

從上述結(jié)果可以看出，誤差與放電電流有關(guān)，根據(jù)圖3 放電過(guò)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(diào)遞減，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)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(shí)誤差小于0.05，符合工程上對(duì)于誤差的要求。因此，在放電初期采樣電流信號(hào)，設(shè)定合適的步長(zhǎng)，可以用簡(jiǎn)化模型替代實(shí)際模型求解放電完畢時(shí)間tR，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程。

圖4 放電電流與誤差關(guān)系圖

裝置包括電流檢測(cè)模塊、時(shí)間記錄模塊、放電計(jì)算模塊、時(shí)間判斷模塊、放電指示模塊，可視化放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）放電棒高阻放電頭觸碰設(shè)備，電流檢測(cè)模塊檢測(cè)磁通量變化，獲取初始電流I0=U0/R，此時(shí)視為高阻放電開(kāi)始，時(shí)間記錄模塊記錄時(shí)間t0= 0，放電指示模塊驅(qū)動(dòng)指示燈，指示燈變紅；

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

（3）時(shí)間判斷模塊根據(jù)時(shí)間記錄模塊獲取的時(shí)間有

判斷tk+1是否大于tR；若結(jié)果為是，則放電指示模塊驅(qū)動(dòng)指示燈，指示燈由紅變黃，設(shè)備經(jīng)高阻放電完畢，時(shí)間記錄模塊暫停工作；

（4）移開(kāi)高阻放電頭，將直接放電頭觸碰設(shè)備，電流檢測(cè)模塊檢測(cè)磁通量變化，時(shí)間記錄模塊記錄時(shí)間t0= 0，此時(shí)視為直接放電開(kāi)始；

（5）時(shí)間記錄模塊根據(jù)式（11）記錄時(shí)間，并繼續(xù)判斷tk+1是否大于tR，若結(jié)果為否，則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行采樣-判斷。若結(jié)果為是，則放電指示模塊驅(qū)動(dòng)指示燈，指示燈由黃變綠，設(shè)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(dāng)接地良好時(shí)，可認(rèn)為電阻R= 0，當(dāng)接地不良時(shí)，可認(rèn)為R?0 ，自檢時(shí)，用放電棒直接放電頭觸碰另一接地點(diǎn)，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(cè)，即耦合線圈施加交流信號(hào)U，在二次側(cè)，即接地回路感應(yīng)產(chǎn)生交流信號(hào)，電流互感器檢測(cè)獲得交流信號(hào)，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(lì)磁阻抗；R1為電流互感器采樣電阻；根據(jù)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(dāng)其他參數(shù)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(jù)自檢電流Is的大小實(shí)現(xiàn)接地良好與否的判斷。

3 硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，方便使用時(shí)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(shè)計(jì)均處于一個(gè)裝置內(nèi)。主要涉及的電路分別由MCU（微型控制單元），濾波電路，信號(hào)放大電路，按鍵輸入電路，信號(hào)發(fā)生電路，控制電路等。

圖7 裝置原理圖

工作時(shí)，首先通過(guò)按鍵切換工作模式?？偣灿袃蓚€(gè)模式分別為接地自檢模式與放電指示模式。當(dāng)選擇接地自檢模式時(shí)，MCU 輸出控制信號(hào)控制MOSFET 導(dǎo)通。然后信號(hào)發(fā)生電路將向回路注入高頻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后經(jīng)信號(hào)通道1輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)組CU，MCU 通過(guò)讀取判斷信號(hào)的強(qiáng)弱判定接地效果的好壞。

當(dāng)按鍵切換到放電模式時(shí)，MCU 控制MOSFET斷開(kāi)，保護(hù)濾波電路與信號(hào)發(fā)生電路不受放電電流沖擊。放電電流信號(hào)將經(jīng)過(guò)信號(hào)通道2 輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。最后MCU 根據(jù)本文2.1 小節(jié)所訴算法算出放電時(shí)間，通過(guò)控制指示燈與蜂鳴器指導(dǎo)工作人員放電。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高電力生產(chǎn)安全水平，本文提出了一種具備接地自檢功能的放電棒設(shè)計(jì)方法，從而保證高壓容性設(shè)備放電過(guò)程中，既消除了殘余電荷對(duì)操作人員的威脅，又保護(hù)了設(shè)備免受大電流沖擊。通過(guò)理論計(jì)算與仿真設(shè)計(jì)，證明了該方法的有效性，最終成功開(kāi)發(fā)出了實(shí)物。該設(shè)計(jì)方法對(duì)提高電力安全生產(chǎn)水平具有重要價(jià)值，同時(shí)也具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。