电气技术

R_p/kΩ	放电时间/s	元件承受过电压/kV
20	217	20
50	163	50
100	140	100
200	128	200
500	119	500
1 000	117	1 000
2 000	115	2 000

R_p/kΩ	放电时间/s	元件承受过电压/kV
20	217	20
50	163	50
100	140	100
200	128	200
500	119	500
1 000	117	1 000
2 000	115	2 000

R_L/Ω	放电时间/s	MOSFET动作次数/次
10	153	1.5×10⁶
20	149	1.5×10⁶
50	144	1.4×10⁶
100	141	1.3×10⁶
200	140	1.0×10⁶
500	144	1.0×10⁶
1 000	158	0.8×10⁶
2 000	189	0.5×10⁶

R_L/Ω	放电时间/s	MOSFET动作次数/次
10	153	1.5×10⁶
20	149	1.5×10⁶
50	144	1.4×10⁶
100	141	1.3×10⁶
200	140	1.0×10⁶
500	144	1.0×10⁶
1 000	158	0.8×10⁶
2 000	189	0.5×10⁶

L/mH	放电时间/s	MOSFET动作次数/次
5	334	20.0×10⁶
10	273	10.0×10⁶
20	233	6.0×10⁶
50	168	2.0×10⁶
100	140	1.0×10⁶
200	138	0.6×10⁶
500	88	0.2×10⁶
1 000	81	0.1×10⁶

L/mH	放电时间/s	MOSFET动作次数/次
5	334	20.0×10⁶
10	273	10.0×10⁶
20	233	6.0×10⁶
50	168	2.0×10⁶
100	140	1.0×10⁶
200	138	0.6×10⁶
500	88	0.2×10⁶
1 000	81	0.1×10⁶

一种容性设备快速放电棒设计

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蔡伟杰 , 方文田 , 杨协伟

电气技术 | 研究与开发 2025,26(5): 34-38

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电气技术 | 研究与开发 2025, 26(5): 34-38

一种容性设备快速放电棒设计

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蔡伟杰, 方文田, 杨协伟

作者信息

广东电网有限责任公司揭阳供电局，广东揭阳 522000

蔡伟杰（1997—），男，广东潮州人，学士，助理工程师，从事电力设备高压试验工作。

Design of a rapid discharge rod for capacitive devices

Weijie CAI, Wentian FANG, Xiewei YANG

Affiliations

Jieyang Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd, Jieyang, Guangdong 522000

出版时间: 2025-05-15

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摘要

收起

放电棒对变电站检修试验人员的安全至关重要，但传统放电棒存在放电时间长、工作效率低的问题。为实现设备残压的快速释放，同时避免放电电流过大损坏设备，本文设计了一种快速放电棒。在传统放电棒RC放电电路的基础上，增加电感元件构成RLC放电回路与RL放电回路，并通过金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）控制RLC回路与RL回路的通断，从而实现设备快速放电，提高作业人员的工作效率。

关键词

放电棒 / 快速放电 / RLC放电电路 / 电容器

Abstract

收起

The discharge rod is crucial for the safety of working personnel in substations. However, traditional discharge rods have long discharge times and low work efficiency. A rapid discharge rod is designed to achieve rapid discharge of residual voltage in equipment while avoiding damage to the equipment caused by excessive discharge current. On the basis of the traditional RC discharge circuit, inductive elements are added to form RLC and RL discharge circuits. By selecting RLC circuit or RL circuit through metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), rapid discharge of equipments can be achieved, thereby improving the work efficiency of operators.

Key words

discharge rod / rapid discharge / RLC discharge circuit / capacitor

引用本文

蔡伟杰, 方文田, 杨协伟. 一种容性设备快速放电棒设计. 电气技术, 2025 , 26 (5) : 34 -38 .

Weijie CAI, Wentian FANG, Xiewei YANG. Design of a rapid discharge rod for capacitive devices[J]. Electrical Engineering, 2025 , 26 (5) : 34 -38 .

正文

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0 引言

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变电站一次设备包括许多容性设备，由于电容能够储存能量，容性设备在停电或故障时仍有残余电荷^[1]，在工作中威胁作业人员的安全^[2]。在进行容性设备检修试验工作时，首先操作设备处于检修状态，然后进入现场对容性设备放电后才能在设备上工作^[3]，从而保障作业人员的人身安全^[4-5]。

容性设备如无功补偿电容器组，在按要求作业前需要逐个多次放电^[6]，由于现有放电棒大多为固定电阻型放电棒，电阻一般为几十兆欧，在先经高阻放电再直接接地放电模式下的放电时间较长。电容放电装置^[7-9]放电效率高且操作简单便捷，但体积较大，不适用于现场作业。因此，本文设计一种容性设备快速放电棒，沿用原有棒状结构，方便携带，同时具有快速放电的优点，大大提高作业效率^[10]。

1 固定电阻型放电棒

收起

传统放电棒一般为固定电阻型放电棒^[11]，其高阻放电过程为RC放电电路模型，等效电路如图1所示。

图1中，C为容性设备电容，R₀为放电棒的固定电阻。放电过程根据基尔霍夫电压定律得

（1）

${U}_{\text{c}}+{R}_{0}C\frac{\text{d}{U}_{\text{c}}}{\text{d}t}=0$

式中，U_c为容性设备电容电压。

放电开始前，容性设备电容存在电压U₀，根据换路定理，由式（1）解一阶微分方程得

（2）

${U}_{\text{c}}(t)={U}_{0}{\text{e}}^{-\text{ }\frac{t}{{R}_{0}C}}$

放电过程的放电电流为

（3）

$i(t)=\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}{\text{e}}^{-\text{ }\frac{t}{{R}_{0}C}}$

由式（3）可知，放电开始时放电电流最大，为防止放电电流过大对设备造成冲击而损坏设备^[12]，电阻R₀的值设计得较大，而放电时间与时间常数R₀C有关，其中C为设备固有参数，所以当放电电阻R₀越大时放电时间越长^[13]。

为使容性设备放电至安全电压U_r，由式（2）可得需要的放电时间为

（4）

$t=-{R}_{0}C\mathrm{ln}\frac{{U}_{\text{r}}}{{U}_{0}}$

假设某设备残压U₀=10kV，设备最大电流为1A，设备等效电容C=0.01F，则为了不损坏设备，放电电阻R₀应大于10kΩ。假设取临界值R₀=10kΩ，安全电压U_r设为36V，则根据式（4）计算可知，由此放电电阻构成的RC放电回路需经过约562s才可以把残压降至36V，放电时间较长，极大影响了工作效率。

2 快速放电棒

收起

为实现设备残压的快速释放，同时避免放电电流过大损坏设备^[14]，设计快速放电棒等效电路如图2所示，在传统RC放电电路的基础上增加电感元件构成RLC放电回路与RL放电回路^[15-16]，并通过金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）控制RLC回路与RL回路的通断^[17]，实现设备残压的迅速释放。

图2中，C为设备的等效电容，R₀为高阻值放电电阻；L为线圈电感值，R_L为线圈等效电阻，R_p为高压放电电阻，M₁、M₂为MOSFET，CT表示罗氏线圈，MCU为数据采集、处理与控制单元。

阶段1放电回路如图3所示。M₁导通，M₂关断，设备电容残余电荷通过两条通道释放：一是通过R₀的高阻通道；二是通过电感通道。对于R₀高阻通道，令设备残压u(t)的初值为U₀，其放电电流i₀(t)为

（5）

${i}_{0}(t)=C\frac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}=-\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}{\text{e}}^{-\text{ }\frac{t}{{R}_{0}C}}$

对于电感通道，构成了一个RLC电路，根据二阶电路的分析原理可得流过电感回路的电流i_l(t)为

（6）

${i}_{\text{l}}(t)=C\left({K}_{1}{s}_{1}{\text{e}}^{{s}_{1}t}+{K}_{2}{s}_{2}{\text{e}}^{{s}_{2}t}\right)$

其中

（7）

$\left\{\begin{array}{l}{s}_{1}=\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}+\sqrt{{\left(\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}\right)}^{2}-\frac{1}{LC}}\\ {s}_{2}=\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}-\sqrt{{\left(\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}\right)}^{2}-\frac{1}{LC}}\\ {K}_{1}=\frac{{U}_{0}{s}_{2}}{{s}_{2}-{s}_{1}}\\ {K}_{2}=\frac{{U}_{0}{s}_{1}}{{s}_{1}-{s}_{2}}\end{array}\right.$

阶段2放电回路如图4所示。经过时间T₁后，CT测量到电感电流i_l(t)达到设备最大允许电流，则通过微控制单元（microcontroller unit, MCU）控制M₁关断。此时，设备消耗的残余电荷ΔQ可表示为

（8）

$\Delta Q={\displaystyle {\int }_{\text{ }0}^{\text{ }{T}_{1}}\left({i}_{0}(t)+{i}_{\text{l}}(t)\right)}\text{ }\text{d}t$

则经过时间T₁后，设备残余电压为

（9）

${U}_{{T}_{1}}={U}_{0}-\frac{\Delta Q}{C}$

阶段3放电回路如图5所示。保持M₁关断，M₂导通，电感L上的能量通过电阻R_p与线圈等效电阻R_L构成的RL电路释放，设经过T₂时间，回路电流降为初始电流的0.1%以下。由于电感L很小，实际上T₂极小，T₂可通过式（10）计算。

（10）

${T}_{2}=\frac{6L}{{R}_{\text{L}}+{R}_{\text{p}}}$

与此同时，设备等效电容C继续通过R₀高阻放电支路放电，放电时间为T₂，所以根据式（5）~式（10），再经过T₂后，设备残余电压为

（11）

${U}_{{T}_{2}}={U}_{{T}_{1}}-\frac{{\displaystyle {\int }_{\text{ }{T}_{1}}^{\text{ }{T}_{2}}{i}_{{T}_{1}}(t)\text{ }\text{d}t}}{C}$

其中

（12）

${i}_{{T}_{1}}(t)=-\frac{{U}_{{T}_{1}}}{{R}_{0}}{\text{e}}^{-\text{ }\frac{t}{{R}_{0}C}}$

重复进行阶段1~阶段3，直至M₁单次导通时间超过1s，说明设备上的残压已足够低，处于安全的电压水平。

3 仿真分析

收起

3.1 算例

设置快速放电棒参数：L=0.1H，R_L=200Ω，R₀=10kΩ，R_p=100kΩ。下面计算快速放电棒经过多长时间可以把残压降至36V以下。

为了简化计算，先忽略R₀支路。由于R₀支路一直处于消耗能量的状态，所以忽略R₀实际上会增加放电时间。忽略R₀支路后，电流的放电原理为，通过M₁控制电感支路不断从C获得能量，通过M₂控制电感支路经固定时长T₂释放电感存储的能量。故可将计算转化为，需要经历n个阶段1~阶段3的循环，才能把残压降至36V。由于T₂为常数，所以关键在于T₁的求解。为简化计算，认为M₁导通时，电感L电流从0增至设备最高允许电流I_r的时间T_n内，电流的变化率保持不变，则T_n可表示为

（13）

${T}_{n}=\frac{{I}_{\text{r}}}{{k}_{n}(0)}$

式中，k_n(0)为第n个循环0时刻电感电流的导数。根据式（13）得k_n(0)为

（14）

${k}_{n}(0)=C\left({K}_{3}{s}_{1}^{2}+{K}_{4}{s}_{2}^{2}\right)$

其中

（15）

$\left\{\begin{array}{l}{s}_{1}=\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}+\sqrt{{\left(\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}\right)}^{2}-\frac{1}{LC}}\\ {s}_{2}=\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}-\sqrt{{\left(\frac{{R}_{\text{L}}}{2L}\right)}^{2}-\frac{1}{LC}}\\ {K}_{3}=\frac{{U}_{n}{s}_{2}}{{s}_{2}-{s}_{1}}\\ {K}_{4}=\frac{{U}_{n}{s}_{1}}{{s}_{1}-{s}_{2}}\end{array}\right.$

式中，U_n为第n个循环设备的初始残压。

利用Matlab进行上述计算，得到循环次数与残压的关系如图6所示，循环次数与M₁导通时间的关系如图7所示。

根据计算结果，经过约10⁶次循环后，设备残压降至接近0，M₁导通总时间为181s。根据式（10）得T₂约为6μs，则经过10⁶次循环后，总时间为181s+6μs×10⁶=187s。

由第1节可知，设备通过R₀的放电时间为562s，增加本文所述电感放电回路后，总放电时间为562s× 187s/(562s+187s)≈140s，放电速度提高为原来的4倍。

3.2 高压放电电阻对放电速度的影响

保持线圈电感值L与线圈等效电阻R_L不变，改变高压放电电阻R_p的数值，研究R_p对放电速度的影响。设置R_p的变化范围为20kΩ~2MΩ，根据3.1节的计算方法，利用Matlab计算得出不同R_p下的放电时间与过电压见表1。

由表1可知，R_p越大，放电时间越短，但元件所承受的瞬时过电压越高，并且放电时间与R_p存在明显的非线性，R_p越大，对放电速度的提升效果越不明显。根据计算结果及现有高压电阻的性能，放电电阻的阻值宜取为50~100kΩ。

3.3 线圈等效电阻对放电速度的影响

保持线圈电感值L与高压放电电阻R_p不变，研究线圈等效电阻R_L对放电速度的影响。设置R_L的变化范围为10~2 000Ω，利用Matlab计算得出不同R_L下的放电时间及MOSFET动作次数见表2。

由表2可知，R_L在10~2 000Ω 范围内变化时，放电时间存在极值。R_L越小，RLC回路电流达到设备电流限制值所需时间越短，但MOSFET动作次数增多，导致放电循环次数随之增多，因此总放电时间呈现增大的趋势。随着R_L增大，MOSFET动作次数减少，放电循环次数也减少，但RLC回路电流达到设备电流限制值所需时间增加，导致每个循环周期的时间增大，最终总放电时间也呈现增大趋势。实际应用时，MOSFET动作次数越少越好，动作次数越多，对控制系统的性能及MOSFET寿命的设计要求越高。根据计算结果，综合考虑放电时间与MOSFET动作次数，线圈等效电阻取值应在200Ω 左右。

3.4 线圈电感值对放电速度的影响

保持线圈等效电阻R_L与高压放电电阻R_p不变，设置线圈等效电感值L的变化范围为5~1 000mH，研究线圈电感取值L与放电时间及MOSFET动作次数的关系。不同L下的放电时间及MOSFET动作次数见表3。

根据表3可知，L越大，放电总时间越小，同时MOSFET动作次数越少。然而，L越大，线圈尺寸与制造成本会成倍增加，因此根据计算结果与现有电感制造水平，线圈电感值宜为100mH左右。

4 结论

收起

本文针对现有放电棒放电电阻设置不合理的问题，设计了一种快速放电回路，并利用Matlab仿真软件计算了不同放电回路参数下的放电时间，得出主要结论如下：

1）为保证放电电流不损坏设备，现有放电棒放电电阻通常设置得较大，不利于提高电力生产效率。

2）本文所述方法在放电回路中增加了电感吸能支路，通过控制开关元件实现电容放电功率的保持，提高了放电效率。

3）放电回路参数对放电速率有较大影响，实际应用时应根据设备、所采用元件的性能选择放电回路元件，以使放电速率达到最佳。

4）本文针对高压电容放电的研究结果可为电力生产、新能源汽车、超级电容储能等相关领域提供参考。

基金

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广东电网有限责任公司揭阳供电局职工创新项目(GDZC202407310004)

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[1]

谢翔杰, 魏桃胜, 贺星煚, 等. 变电站蓄电池开路故障定位及集中式续流方法[J]. 电气技术, 2024, 25(3): 63-67, 73.

[2]

陈华文. 一次电路电容放电实验方法浅析[J]. 日用电器, 2014(7): 25-27, 33.

[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): 126-127.

[4]

高惠新, 周刚, 尚浩志, 等. 现场放电棒及试验线检测装置的研制[C]// 2016年第二届今日财富论坛论文集, 北京, 2016.

[5]

金雍奥, 曲金秋, 周志昊, 等. 变电设备高压试验安全防护措施[J]. 电气技术, 2015, 16(5): 85-88, 94.

[6]

中国南方电网有限责任公司电力安全工作规程: Q/CSG 51001—2015[S].

[7]

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): 1-3.

[8]

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): 9-10.

[9]

张采龙. 岸边集装箱起重机驱动器电容放电装置设计[J]. 港口装卸, 2024(1): 31-32, 70.

[10]

张晓军, 杨家强, 周宇晨. 计及总损耗功率的电动汽车母线电容主动快速放电方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(6): 1737-1748.

[11]

林耿明. 一种新型35kV放电棒[J]. 电子测试, 2022, 36(11): 109-111.

[12]

左涛. 一起化工厂10kV开关柜过电压保护器热崩溃事故分析[J]. 电气技术, 2024, 25(2): 68-73.

[13]

赵永红. 本安电路电容放电模型与仿真分析[J]. 测试技术学报, 2021, 35(5): 392-397.

[14]

王胜刚, 李阳, 王亚杰. 电容器声光报警专用放电棒的研制与应用[C]// 2023年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集(上册), 南宁, 2023.

[15]

刘应敏. 试析RC和RL电路充、放电过程中能量的变化关系[J]. 焦作师范高等专科学校学报, 2008(1): 74-75.

[16]

赵强, 孙殿平, 郭超修. 用电路模型等效变换的方法教学RL暂态过程[J]. 大学物理, 2017, 36(7): 56-58.

[17]

朱小全, 侯鹏辉, 侯锦涛, 等. 带有LC串联谐振功率自均衡单元的模块化光伏直流升压变换器[J]. 电工技术学报, 2024, 39(4): 1087-1102.

2025年第26卷第5期

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180

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接收时间：2024-11-25
首发时间：2025-11-05
出版时间：2025-05-15

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收稿日期：2024-11-25
修回日期：2025-01-02

基金

广东电网有限责任公司揭阳供电局职工创新项目(GDZC202407310004)

作者信息

广东电网有限责任公司揭阳供电局，广东揭阳 522000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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