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