高压带电显示装置技术与发展

高压带电显示装置用于监测高压电气设备一次导体带电状态，并输出防误操作接点信号，保障电力设备正常运行和技术人员的安全。西安西电开关电气有限公司的研究人员葛允、张库娃、黄钟、张豪俊、张子剑，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，介绍了当前高压带电显示装置的技术原理，对比分析了电容型感应单元、光学电压感应单元的技术优势和特点，介绍了模拟型、数字型显示单元的原理，阐述了其研究方向和发展前景。

高压电气设备作为变电站的关键部件，其运行稳定性及安全性一直备受关注。高压带电显示装置可监测高压电气设备带电状态，并具有对接地开关、隔离开关实现强制闭锁的功能，适用于断路器、电缆终端、母线、主变、供电线路进出线，以及其他高压、超高压线路等一次设备。

高压带电显示装置确保施工人员在接地开关、隔离开关强制闭锁的情况下，对高压开关设备进行操作，在很大程度上避免了安全隐患，解决了设备检查维修任务艰巨、维修难度大、费用高、周期长等问题，确保高压电气设备的稳定运行、安全检修和工作人员的安全。

目前国内许多厂家已掌握带电显示技术原理，并将其应用于高压电气设备的状态监测工作中，在一定程度上避免了误操作等故障、事故的发生。本文介绍了当前高压带电显示装置主要元件的特点、分类、工作原理、结构形式、应用工况、关键影响因素等，并阐述了其发展趋势和应用前景。

1  高压带电显示装置分类与特点

1.1  高压带电显示装置分类

GB 25081—2010《高压带电显示装置（VPIS）》和DL/T 538—2006《高压带电显示装置》定义了带电显示装置是用以显示设备上带有运行电压的装置。主要部件包括感应单元和显示单元。按照感应单元的工作原理可分为接触式和感应式。

1.2  接触式高压带电显示装置

接触式高压带电显示装置的感应单元主体是采用陶瓷电容作为芯棒，用环氧树脂浇注外壳，或者用电瓷制造的绝缘体作为外壳。接触式高压带电显示装置通过陶瓷感应电容分压原理取得显示器所需能量，采用氖灯显示安装位置电气设备的带电状态，具有无源显示的特点。

这种芯棒与外壳体胶粘、浇注的特殊结构，其绝缘尺寸限制较大，有出现单相接地故障和局部放电的风险，多用于10～35kV的高压开关柜中，不适用于户外环境。

1.3  感应式高压带电显示装置

感应式高压带电显示装置是采用间接感应的原理，无需接触高压带电体，通过检测带电体周围的某些特征变化，判断高压带电体是否处于带电状态。感应式高压带电显示装置的感应单元安装在一次设备带电体附近，通过屏蔽电缆将感应信号接入显示单元，显示单元安装在开关控制柜内，可显示电压状态，并输出闭锁、解锁信号，控制开关设备的联锁装置动作。感应式高压带电显示装置系统原理如图1所示。

图1  感应式高压带电显示装置系统原理

感应式高压带电显示装置可极大地降低作业的危险性和作业人员的劳动强度，具有小型化、操作方便、性价比高等特点，但也会受到外部环境干扰、分布密集导线等环境干扰，使检测信息混淆，精度有待提高。

2  感应单元特点分析

2.1  感应单元分类

感应单元主要包括电容型和光学电压型。电容型感应方式是通过感应电容分压原理进行感应；光学电压感应方式是利用晶体在强电场的影响下发生形变的原理。本文介绍这两类感应技术的原理与  特点。

2.2  电容型感应单元

高压电气设备中多采用电容型感应单元，其感应方式是利用感应极板与一次设备带电体之间、感应极板与地之间的杂散电容，通过电容分压的原理判断是否存在电压。

电容型感应单元感应原理等效电路如图2所示。其中：C1为感应极板与一次设备带电体之间的杂散电容；C2为感应极板与气体绝缘组合电器设备（gas insulated switchgear, GIS）壳体之间的杂散电容；RL为负载等效阻抗。

图2  电容型感应单元等效电路

电容型感应方式目前多运用在SF6 GIS上，具有电压等级高、设备结构参数高、运行参数高几个基本特点。感应单元安装在GIS的电缆终端、管道母线等一次设备的封闭外壳上。感应单元感应电容的关键影响因素为绝缘介质、感应极板面积、感应极板与带电导体的距离。感应单元安装形式如图3所示。

图3  感应单元安装结构

电容型感应单元具有性价比高、可靠性高、受环境温度干扰较小等优点，缺点是不能覆盖全电压范围，抗干扰性能仍需改善。该感应方式已广泛应用于电力设备的带电监测中，成为大多数高压电气设备的必备元件。

2.3  光学电压感应单元

光学电压感应原理是以光学晶体的Pockels电光效应为基础，Pockels电光效应就是光束在交变电场下产生双折射效应，偏转角度随着电场强度的改变而改变。

光学电压感应单元安装在GIS的一次本体上，感应单元由LED光源、起偏器、电光晶体、检偏器构成。光束通过起偏器之后变成偏振光，由于电光晶体材料在强电场环境下发生形变，偏振光通过电光晶体材料时会发生双折射现象，出射时会产生两束光，两束光之间的相位差与电场强度成正比关系。可通过检测两束光的相位差判断高压电气设备一次导体的带电状态。光学电压感应单元测量原理如图4所示。

图4  光学电压感应单元测量原理

光学电压感应的优点是光的方向性强、频响特性好、工作带宽高、无过电压等危险因素、抗冲击能力强、易于实现、体积小、重量轻等，但是目前仍需克服传感材料自身因素和光路干扰带来的测量误差，该项技术继承并且超越了传统感应技术，可加强工程的推广及应用。

3  显示单元特点分析

3.1  显示单元分类

显示单元主要功能是将采集到的信号经过处理、放大后，显示带电状态和输出控制联锁信号。显示单元通常安装在开关控制柜内，工作人员可以通过观察窗监测到当前一次导体的带电状态。高压带电显示装置显示单元可分为模拟型和数字型，本文分别介绍其工作原理和性能特点。

3.2  模拟型显示单元

显示单元接入感应单元采集的信号后，首先经过过电压抑制保护电路对装置内部电路限压保护，经过滤波电路，检出有用信号；然后，通过精密整流电路和放大电路，将信号调理成满足要求的状态，根据不同的应用环境，调整电路放大倍数，改变带电显示阈值；最后，通过光耦隔离模块，隔离输出接点信号。

另外，自检电路可以对内部电路和输出接点控制信号进行自我检查，保证显示单元功能正常。模拟型显示单元原理如图5所示。

图5  模拟型显示单元原理框图

模拟型显示单元体积小、成本低、显示直观、结构简单、安装方便、应用广泛。

3.3  数字型显示单元

感应单元检测出高压电气设备的带电信号，显示单元对该信号进行前置放大、保护、整流、电流/电压转换，再经过放大补偿、A/D转换电路，采用单片机、复杂可编程逻辑器件（complex program- mable logic device, CPLD）等可编程芯片及外围电路组成的主控模块，对A/D转换信号进行分析计算后，显示高压电气设备的带电状态，声光报警提示，主控模块发出闭锁/解锁控制输出信号。具有自检功能，方便现场工作人员检验带电装置的功能是否正常。数字型显示单元原理如图6所示。

图6  数字型显示单元原理框图

主控模块主要完成采集数据的分析运算，程序设定初始阈值进行计算，根据计算结果，发出相应的报警指令，在显示屏上显示带电状态。目前很多厂家设计的装置可显示带电、无电或三相电压值。控制输出传统的接点信号，也有光信号、数字等信号输出。接入主控室后台系统，方便后台监测，可以和更多的设备互联。

数字型显示单元采用新型数据处理技术、数据传输技术、直观的人机界面，提高了检测效率、节约时间和人力成本，同时解决了绝缘保护问题，当前已广泛应用于各类工程中。

4  结论

随着高压带电显示装置的广泛应用，带电显示技术的发展也越来越受到重视，因此，有必要针对当前的技术使用特点，采取优势互补的方法，逐步推广新型抗干扰能力强、风险低的感应技术，将现有的光学电压感应技术逐步应用于高压、特高压电气设备。

模拟型和数字型显示单元在各类工程中应用较多，随着电网用户对于功能的要求越来越高，采用新型数据处理技术的数字型显示单元是当前的发展趋势，将逐渐占据大部分市场。

带电显示技术已成为在线监测系统中一项重要内容，将该技术与在线监测技术集成，结合网络技术、通信技术，在后台系统显示带电状态信息，是高压带电显示装置的发展方向。同时，高压带电显示技术也是变电站实现智能操作和专家诊断系统中一项重要的判据和参考因素，将高压带电显示技术扩展应用，对于提高设备的生产效能，保障技术人员人身安全和高压电气设备的安全运行，具有十分重要的意义。

本文编自2020年第9期《电气技术》，标题为“高压带电显示装置技术与发展”，作者为葛允、张库娃、黄钟、张豪俊、张子剑。