一种基于提高安全生产水平的放电棒设计.pdf

RURAL ELECTRIFICATION一种基于提高安全生产水平的放电棒设计方文田 1*，李斯琳 2（1.广东电网有限责任公司揭阳供电局，广东 揭阳 522000;2.广东理工学院，广东 肇庆 526000）摘要：为提高电力安全生产水平，消除高压容性设备残余电荷对设备运维人员造成的威胁，分析了容性设备放电模型，提出了一种具接地自检与放电过程可视化的放电棒设计，该放电棒采用穿芯设计，便于拆卸；具有接地通路自检功能，保证了放电回路的导通；最终利用数据拟合算法实现了放电指示功能，极大程度提高了安全生产水平。关键词：放电棒；容性设备放电；电力安全生产中图分类号：TM405DesignofaDischargeRodtoImproveSafetyProductionLevelFANGWentian1*,LISilin2(1.JieyangPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,GuangdongJieyang522000,China;2.GuangdongInstituteofTechnology,GuangdongZhaoqing526000,China)Abstract:Inordertoimprovethelevelofpowersafetyproductionandeliminatethethreatofresidualchargesinhigh-voltage capacitive equipment to operators,this article analyzes the discharge model of capacitive equipment andproposesadischargeroddesignwithgroundingselfinspectionandvisualizationofdischargeprocess.Thedischargerodadoptsacorepiercingdesignforeasydisassembly;Equippedwithgroundingpathselfcheckfunction,ensuringthecontinuityofthedischargecircuit;Thedischargeindicationfunctionhasbeenachievedusingdatafittingalgorithms,greatlyimprovingthelevelofsafetyproduction.Keywords:dischargerod;dischargeofcapacitiveequipment;electricitysafetyproduction电力一次设备中含有较多电容型设备，例如高压套管、电容器以及电容式电压互感器等。某些非电容型设备由于其复杂的结构与硕大体积，使得其内部亦存在杂散电容，如油浸式变压器、金属氧化物避雷器以及电磁式互感器等。由于电容的存在，设备在切除电源后必然存在能量，威胁设备维护人员的安全。因此电力生产中，在对设备进行停电检修、试验时，首先须对满足检修条件的设备进行放电以消除设备残留电荷1。由于现有的放电棒无放电指示功能，缺乏对放电过程的直观感知，增加了检修、试验人员的触电风险2-3。另外，现有放电棒无接地自检功能，使用人员须使用万用表测量放电棒接地效果4。当工作任务繁重时，容易忽略这个过程，导致作业存在风险。在强调安全生产的背景下，对设备实行有效、可靠的放电对提高安全生产水平具有重要意义。为了实现放电棒的接地自检功能与放电指示功能，本文提出一种放电棒辅助检测装置设计方法。该方法的优点在于无须改变接地线及放电棒的原有结构。所设计的辅助检测装置可灵活安装、拆卸，推广应用前景较好。1容性设备放电过程等效模型对设备的放电过程一般有两步，首先是先经高阻放电，然后再直接放电。先经高阻放电的目的在于限制放电冲击电流，避免对设备造成损害5-6。放电过程如图 1 所示模型等效。CdR1图 1容性设备放电过程等效电路基金项目：广东电网职工创新项目“一种具备接地自检与放电过程可视化的放电棒辅助检测装置”（GDZC2022040300002）资助。收稿日期：20230606DOI:10.13882/ki.ncdqh.2023.08.019Equipment|器具设备2023 年第 8 期 总第 435 期 77RURAL ELECTRIFICATION图 1 中，Cd代表被放电的设备；R1代表放电电阻，该电阻设置为可调电阻的含义是代表了 2 个放电阶段，即经高阻放电与直接放电。根据换路定则，放电开始时，Cd的初始电压为设备残留电压，通常取设备电压计算。因此，根据 KVL 有：R1CdduCddt+uCd=0。（1）uCd式中：为设备的残留电压。根据换路定理，换路前后电容电压保持不变，设放电前残留电压为 u0，则可解得式（1）微分方程的解为：uCd=U0e1R1Cdt。（2）uCd式（2）表示的是设备残留电压与放电时间的关系，因此，放电电流 i 为：i=U0R1e1R1Cdt。（3）uCd根据式（2）可知，设备的残留电压与残留电压初值、设备电容大小以及放电电阻大小均有关系，残留电压随时间呈指数下降的趋势。工程上，我们采用 RC 的乘积来表示时间常数，因它表征着放电时间的长短。一般放电棒的放电电阻为几十M 到几百 M，而设备电容则存在较大差异，因此不同设备的放电时间不一样，在生产中难以统一放电时间的标准。当放电棒的接地端接触不良时，可等效在放电回路中串入一个大电阻 R2，如图 2 所示。CdR1R2图 2接地失效放电模型这时，式（2）可变为：uCd=U0e1(R1+R2)Cdt。（4）由式（4）可见当接地不良时将直接影响放电的进程，放电时间随 R2的增大而增加。当接地失效也就是 R2为无穷大时，设备残留电压将永远保持为U0也就是放电失效。综上所述，鉴于设备放电的复杂性与必要性，保证接地效果以及实现对放电过程的跟踪，对放电作业的有效进行具有重要的价值，也能极大地降低设备修试人员的触电风险。2具备接地自检与放电指示的辅助装置设计2.1放电指示功能为了保证接地线的完整性，本文采用穿心式霍尔电流传感器测量放电电流。根据式（4）可知放电电流随时间指数性下降。uCd放电过程可视化实现方式，可采用指示灯，红、黄、绿 3 种颜色指示灯，对应放电过程 3 个阶段。阶段 1，经高阻放电完毕前，指示灯为红色，表示设备未经高阻放电完毕；阶段 2，当放电时间 t=5 时，设备电压下降为放电前的 0.6%，此时可认为经高阻放电完毕，指示灯变为黄色；阶段 3，直接放电完毕后，即整个放电过程完毕，根据式（2），直接放电过程可认为放电电阻 R1=0，放电时间 t 极短就可使设备电压直接放电完毕。在阶段 2 中，由于传感器精度与工作环境问题，避免不了存在干扰信号。如图 3 所示，由于干扰信号的存在，当放电至时间 tDIS后，设备电压和放电电流减少，电压和电流信号被干扰信号覆盖，装置难以直接检测设备电压和放电电流，因而无法计算获得放电完毕时间 tR。因此，须要建立数学模型，求解获取放电完毕时间 tR。由于干扰信号和设备测量误差的存在，须建立的数学模型较为复杂，难以求解得到所需结果，因此须要简化模型。根据工程经验，在设备放电初期，放电电流 I 远大于设备干扰电流 I，鉴于此，在放电初期可忽略设备干扰电流的存在，建立设备放电初期数学模型，简化模型求解过程，模型建立及求解、误差分析如下：12010080604020000.010.020.030.04t/s电流/AtDIS0.050.060.0720图 3设备电压变化图方文田等：一种基于提高安全生产水平的放电棒设计78 2023 年第 8 期 总第 435 期RURAL ELECTRIFICATION获取时间 t1，t2，以及对应的电流 I1，I2，根据式（3），建立二元齐次非线性方程简化模型，用式（5）表示。I1=U0Re1t1I2=U0Re1t2。（5）并求解得放电时间常数，则放电完毕时间如式（6）所示。tR=5=5(t2t1)lnI1lnI2。（6）以上是忽略干扰电流，求得的结果，实际中，由于干扰电流存在，即实际电流为放电电流与干扰电流的叠加，导致求解结果存在误差。根据式（3），建立二元齐次非线性方程实际模型如式（10）所示。I1+I1=U0Re1t1I2+I2=U0Re1t2。（7）求解可得放电时间常数为：+=t2t1ln(I1+I1)ln(I2+I2)。（8）则放电结束时间为：tR+tR=5(t2t1)ln(I1+I1)ln(I2+I2)。（9）简化模型与实际模型的误差百分比为：tRtR=(tR+tRtR1)100%=logI1I2I1+I1I2+I21。（10）从上述结果可以看出，误差与放电电流有关，根据图 3 放电过程以及式（10）绘制误差曲线如图 4 所示。从图 4 可以看出，误差随放电电流前后比值单调递减，根据经验，设备放电电流在放电初期衰减很快，即放电电流前后比值较大，通常大于1.5，此时误差小于 0.05，符合工程上对于误差的要求。因此，在放电初期采样电流信号，设定合适的步长，可以用简化模型替代实际模型求解放电完毕时间 tR，简化了计算过程。装置包括电流检测模块、时间记录模块、放电计算模块、时间判断模块、放电指示模块，可视化放电过程实现步骤如下：（1）放电棒高阻放电头触碰设备，电流检测模块检测磁通量变化，获取初始电流 I0=U0/R，此时视为高阻放电开始，时间记录模块记录时间 t0=0，放电指示模块驱动指示灯，指示灯变红；（2）电流检测模块以 t 为步长，获取电流 I1，时间记录模块记录时间 t1=t0+t，获取电流 I2，时间记录模块记录时间 t2=t1+t，放电计算模块计算得到高阻放电完毕时间 tR；（3）时间判断模块根据时间记录模块获取的时间有tk+1=(k+1)t,k=1,2,3n。（11）判断 tk+1是否大于 tR；若结果为是，则放电指示模块驱动指示灯，指示灯由红变黄，设备经高阻放电完毕，时间记录模块暂停工作；（4）移开高阻放电头，将直接放电头触碰设备，电流检测模块检测磁通量变化，时间记录模块记录时间 t0=0，此时视为直接放电开始；（5）时间记录模块根据式（11）记录时间，并继续判断 tk+1是否大于 tR，若结果为否，则继续循环执行采样-判断。若结果为是，则放电指示模块驱动指示灯，指示灯由黄变绿，设备直接放电完毕，装置停止工作。2.2接地自检功能R 0接地自检功能如图 5 所示，放电棒接地端可等效为接地电阻 R，当接地良好时，可认为电阻 R=0，当接地不良时，可认为，自检时，用放电棒0.250.200.150.100.050tR/tR1.01.52.02.53.01/23.54.04.55.0图 4放电电流与误差关系图高阻设备R零磁通CT耦合线圈装置内部图 5放电棒原理图Equipment|器具设备2023 年第 8 期 总第 435 期 79RURAL ELECTRIFICATION直接放电头触碰另一接地点，形成接地回路，自检回路包含接地回路、耦合线圈、霍尔电流互感器。接地自检原理如图 6 所示，在一次侧，即耦合线圈施加交流信号 U，在二次侧，即接地回路感应产生交流信号，电流互感器检测获得交流信号，可等效为变压器 T 型等效电路如图 6 所示。X1R1X2Xm1Xm2RUX3图 6通路自检等效电路图 6 中，X1为耦合线圈漏抗；X2为接地回路漏抗；R 为接地回路电阻；X3为电流传感器漏抗；Xm1、Xm2为励磁阻抗；R1为电流互感器采样电阻；根据变压器 T 型等效电路原理 X1、X2、X3Xm1和 Xm2，得到自检电流 Is为：IS=UX1+X2+X3+R+Rl。（12）由式（12）可知，当其他参数固定的情况下，接地电阻大小 R 决定了自检电流 Is的大小。因此可根据自检电流 Is的大小实现接地良好与否的判断。3硬件设计方案如图 7 所示，耦合线圈与霍尔电流传感器均采用钳式设计，方便使用时直接钳在放电棒的接地线上7。除了接地回路属于放电棒，其他的电路设计均处于一个装置内。主要涉及的电路分别由 MCU（微型控制单元），滤波电路，信号放大电路，按键输入电路，信号发生电路，控制电路等。工作时，首先通过按键切换工作模式。总共有两个模式分别为接地自检模式与放电指示模式。当选择接地自检模式时，MCU 输出控制信号控制MOSFET 导通。然后信号发生电路将向回路注入高频信号，信号经过滤波、放大电路后经信号通道 1输入到模数转换电路中，最后转换成数字信号传输到 MCU，MCU 通过读取判断信号的强弱判定接地效果的好坏。当按键切换到放电模式时，MCU 控制 MOSFET断开，保护滤波电路与信号发生电路不受放电电流冲击。放电电流信号将经过信号通道 2 输入到模数转换电路。最后 MCU 根据本文 2.1 小节所诉算法算出放电时间，通过控制指示灯与蜂鸣器指导工作人员放电。4结束语为提高电力生产安全水平，本文提出了一种具备接地自检功能的放电棒设计方法，从而保证高压容性设备放电过程中，既消除了残余电荷对操作人员的威胁，又保护了设备免受大电流冲击。通过理论计算与仿真设计，证明了该方法的有效性，最终成功开发出了实物。该设计方法对提高电力安全生产水平具有重要价值，同时也具有较强的推广价值。参考文献李杨，顾志斌，陈浩，等.电容放电装置研究J.电力电子技术，2022,56(2)：13.1何正国.电容放电装置：广东，CN202059193UP.2011-11-30.2林耿明.一种新型35 kV放电棒J.电子测试，2022,36(11)：109111.3殷昂.折叠式低压放电棒的研制与应用J.山东煤炭科技，2016(5)：126127.4周刚，胡海平，徐伟，等.具有带电报警功能的专用放电棒的研制J.电子产品世界，2015,22(12)：3032.5徐旭东，汪源，彭庆辉，等.电力互感器室内检定自放电装置的研制J.科技创新与应用，2019(4)：910.6韩坚.改进型接地操作杆研究J.科技创新导报，2019,16(24)：4849.7作者简介方文田（1995），男，硕士，助理工程师，从事高压试验工作。李斯琳（2002），女，在校学生。（责任编辑：刘艳玲）信号发生电路MCU滤波电路信号放大电路鸫数转换电路指示灯与蜂鸣器按键切换耦合线圈霍尔电流传感 器接地回路控制信号信号通道1信号通道2MOSFETMOSFET图 7装置原理图方文田等：一种基于提高安全生产水平的放电棒设计80 2023 年第 8 期 总第 435 期