高壓電氣設(shè)備作為變電站的關(guān)鍵部件，其運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性一直備受關(guān)注。高壓帶電顯示裝置可監(jiān)測(cè)高壓電氣設(shè)備帶電狀態(tài)，并具有對(duì)接地開關(guān)、隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖的功能，適用于斷路器、電纜終端、母線、主變、供電線路進(jìn)出線，以及其他高壓、超高壓線路等一次設(shè)備。

高壓帶電顯示裝置確保施工人員在接地開關(guān)、隔離開關(guān)強(qiáng)制閉鎖的情況下，對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作，在很大程度上避免了安全隱患，解決了設(shè)備檢查維修任務(wù)艱巨、維修難度大、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，確保高壓電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、安全檢修和工作人員的安全。

目前國(guó)內(nèi)許多廠家已掌握帶電顯示技術(shù)原理，并將其應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作中，在一定程度上避免了誤操作等故障、事故的發(fā)生。本文介紹了當(dāng)前高壓帶電顯示裝置主要元件的特點(diǎn)、分類、工作原理、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用工況、關(guān)鍵影響因素等，并闡述了其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 高壓帶電顯示裝置分類與特點(diǎn)

1.1 高壓帶電顯示裝置分類

GB 25081—2010《高壓帶電顯示裝置（VPIS）》和DL/T 538—2006《高壓帶電顯示裝置》定義了帶電顯示裝置是用于顯示設(shè)備上帶有運(yùn)行電壓的裝置。主要部件包括感應(yīng)單元和顯示單元。按照感應(yīng)單元的工作原理可分為接觸式和感應(yīng)式。

1.2 接觸式高壓帶電顯示裝置

接觸式高壓帶電顯示裝置的感應(yīng)單元主體是采用陶瓷電容作為芯棒，用環(huán)氧樹脂澆注外殼，或者用電瓷制造的絕緣體作為外殼。接觸式高壓帶電顯示裝置通過(guò)陶瓷感應(yīng)電容分壓原理取得顯示器所需能量，采用氖燈顯示安裝位置電氣設(shè)備的帶電狀態(tài)，具有無(wú)源顯示的特點(diǎn)。

這種芯棒與外殼體膠粘、澆注的特殊結(jié)構(gòu)，其絕緣尺寸限制較大，有出現(xiàn)單相接地故障和局部放電的風(fēng)險(xiǎn)，多用于10～35kV的高壓開關(guān)柜中，不適用于戶外環(huán)境。

1.3 感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置

感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置是采用間接感應(yīng)的原理，無(wú)需接觸高壓帶電體，通過(guò)檢測(cè)帶電體周圍的某些特征變化，判斷高壓帶電體是否處于帶電狀態(tài)。感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置的感應(yīng)單元安裝在一次設(shè)備帶電體附近，通過(guò)屏蔽電纜將感應(yīng)信號(hào)接入顯示單元，顯示單元安裝在開關(guān)控制柜內(nèi)，可顯示電壓狀態(tài)，并輸出閉鎖、解鎖信號(hào)，控制開關(guān)設(shè)備的聯(lián)鎖裝置動(dòng)作。感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置系統(tǒng)原理

感應(yīng)式高壓帶電顯示裝置可極大地降低作業(yè)的危險(xiǎn)性和作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有小型化、操作方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，但也會(huì)受到外部環(huán)境干擾、分布密集導(dǎo)線等環(huán)境干擾，使檢測(cè)信息混淆，精度有待提高。

2 感應(yīng)單元特點(diǎn)分析

2.1 感應(yīng)單元分類

感應(yīng)單元主要包括電容型和光學(xué)電壓型。電容型感應(yīng)方式是通過(guò)感應(yīng)電容分壓原理進(jìn)行感應(yīng)；光學(xué)電壓感應(yīng)方式是利用晶體在強(qiáng)電場(chǎng)的影響下發(fā)生形變的原理。本文介紹這兩類感應(yīng)技術(shù)的原理與 特點(diǎn)。

2.2 電容型感應(yīng)單元

高壓電氣設(shè)備中多采用電容型感應(yīng)單元，其感應(yīng)方式是利用感應(yīng)極板與一次設(shè)備帶電體之間、感應(yīng)極板與地之間的雜散電容，通過(guò)電容分壓的原理判斷是否存在電壓。

電容型感應(yīng)單元感應(yīng)原理等效電路如圖2所示。其中：C1為感應(yīng)極板與一次設(shè)備帶電體之間的雜散電容；C2為感應(yīng)極板與氣體絕緣組合電器設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）殼體之間的雜散電容；RL為負(fù)載等效阻抗。

圖2 電容型感應(yīng)單元等效電路

電容型感應(yīng)方式目前多運(yùn)用在SF6 GIS上，具有電壓等級(jí)高、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)高、運(yùn)行參數(shù)高幾個(gè)基本特點(diǎn)。感應(yīng)單元安裝在GIS的電纜終端、管道母線等一次設(shè)備的封閉外殼上。感應(yīng)單元感應(yīng)電容的關(guān)鍵影響因素為絕緣介質(zhì)、感應(yīng)極板面積、感應(yīng)極板與帶電導(dǎo)體的距離。感應(yīng)單元安裝形式如圖3所示。

圖3 感應(yīng)單元安裝結(jié)構(gòu)

電容型感應(yīng)單元具有性價(jià)比高、可靠性高、受環(huán)境溫度干擾較小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不能覆蓋全電壓范圍，抗干擾性能仍需改善。該感應(yīng)方式已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的帶電監(jiān)測(cè)中，成為大多數(shù)高壓電氣設(shè)備的必備元件。

2.3 光學(xué)電壓感應(yīng)單元

光學(xué)電壓感應(yīng)原理是以光學(xué)晶體的Pockels電光效應(yīng)為基礎(chǔ)，Pockels電光效應(yīng)就是光束在交變電場(chǎng)下產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，偏轉(zhuǎn)角度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的改變而改變。

光學(xué)電壓感應(yīng)單元安裝在GIS的一次本體上，感應(yīng)單元由LED光源、起偏器、電光晶體、檢偏器構(gòu)成。光束通過(guò)起偏器之后變成偏振光，由于電光晶體材料在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境下發(fā)生形變，偏振光通過(guò)電光晶體材料時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，出射時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩束光，兩束光之間的相位差與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)兩束光的相位差判斷高壓電氣設(shè)備一次導(dǎo)體的帶電狀態(tài)。光學(xué)電壓感應(yīng)單元測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 光學(xué)電壓感應(yīng)單元測(cè)量原理

光學(xué)電壓感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是光的方向性強(qiáng)、頻響特性好、工作帶寬高、無(wú)過(guò)電壓等危險(xiǎn)因素、抗沖擊能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、體積小、重量輕等，但是目前仍需克服傳感材料自身因素和光路干擾帶來(lái)的測(cè)量誤差，該項(xiàng)技術(shù)繼承并且超越了傳統(tǒng)感應(yīng)技術(shù)，可加強(qiáng)工程的推廣及應(yīng)用。

3 顯示單元特點(diǎn)分析

3.1 顯示單元分類

顯示單元主要功能是將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理、放大后，顯示帶電狀態(tài)和輸出控制聯(lián)鎖信號(hào)。顯示單元通常安裝在開關(guān)控制柜內(nèi)，工作人員可以通過(guò)觀察窗監(jiān)測(cè)到當(dāng)前一次導(dǎo)體的帶電狀態(tài)。高壓帶電顯示裝置顯示單元可分為模擬型和數(shù)字型，本文分別介紹其工作原理和性能特點(diǎn)。

3.2 模擬型顯示單元

顯示單元接入感應(yīng)單元采集的信號(hào)后，首先經(jīng)過(guò)過(guò)電壓抑制保護(hù)電路對(duì)裝置內(nèi)部電路限壓保護(hù)，經(jīng)過(guò)濾波電路，檢出有用信號(hào)；然后，通過(guò)精密整流電路和放大電路，將信號(hào)調(diào)理成滿足要求的狀態(tài)，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，調(diào)整電路放大倍數(shù)，改變帶電顯示閾值；最后，通過(guò)光耦隔離模塊，隔離輸出接點(diǎn)信號(hào)。

另外，自檢電路可以對(duì)內(nèi)部電路和輸出接點(diǎn)控制信號(hào)進(jìn)行自我檢查，保證顯示單元功能正常。模擬型顯示單元原理如圖5所示。

圖5 模擬型顯示單元原理框圖

模擬型顯示單元體積小、成本低、顯示直觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、應(yīng)用廣泛。

3.3 數(shù)字型顯示單元

感應(yīng)單元檢測(cè)出高壓電氣設(shè)備的帶電信號(hào)，顯示單元對(duì)該信號(hào)進(jìn)行前置放大、保護(hù)、整流、電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)放大補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換電路，采用單片機(jī)、復(fù)雜可編程邏輯器件（complex program- mable logic device, CPLD）等可編程芯片及外圍電路組成的主控模塊，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算后，顯示高壓電氣設(shè)備的帶電狀態(tài)，聲光報(bào)警提示，主控模塊發(fā)出閉鎖/解鎖控制輸出信號(hào)。具有自檢功能，方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢驗(yàn)帶電裝置的功能是否正常。數(shù)字型顯示單元原理如圖6所示。

圖6 數(shù)字型顯示單元原理框圖

主控模塊主要完成采集數(shù)據(jù)的分析運(yùn)算，程序設(shè)定初始閾值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警指令，在顯示屏上顯示帶電狀態(tài)。目前很多廠家設(shè)計(jì)的裝置可顯示帶電、無(wú)電或三相電壓值?？刂戚敵鰝鹘y(tǒng)的接點(diǎn)信號(hào)，也有光信號(hào)、數(shù)字等信號(hào)輸出。接入主控室后臺(tái)系統(tǒng)，方便后臺(tái)監(jiān)測(cè)，可以和更多的設(shè)備互聯(lián)。

數(shù)字型顯示單元采用新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、直觀的人機(jī)界面，提高了檢測(cè)效率、節(jié)約時(shí)間和人力成本，同時(shí)解決了絕緣保護(hù)問(wèn)題，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于各類工程中。

4 結(jié)論

隨著高壓帶電顯示裝置的廣泛應(yīng)用，帶電顯示技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越受到重視，因此，有必要針對(duì)當(dāng)前的技術(shù)使用特點(diǎn)，采取優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方法，逐步推廣新型抗干擾能力強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)低的感應(yīng)技術(shù)，將現(xiàn)有的光學(xué)電壓感應(yīng)技術(shù)逐步應(yīng)用于高壓、特高壓電氣設(shè)備。

模擬型和數(shù)字型顯示單元在各類工程中應(yīng)用較多，隨著電網(wǎng)用戶對(duì)于功能的要求越來(lái)越高，采用新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)的數(shù)字型顯示單元是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，將逐漸占據(jù)大部分市場(chǎng)。

帶電顯示技術(shù)已成為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，將該技術(shù)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)集成，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，在后臺(tái)系統(tǒng)顯示帶電狀態(tài)信息，是高壓帶電顯示裝置的發(fā)展方向。同時(shí)，高壓帶電顯示技術(shù)也是變電站實(shí)現(xiàn)智能操作和專家診斷系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的判據(jù)和參考因素，將高壓帶電顯示技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用，對(duì)于提高設(shè)備的生產(chǎn)效能，保障技術(shù)人員人身安全和高壓電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，具有十分重要的意義。

本文編自2020年第9期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“高壓帶電顯示裝置技術(shù)與發(fā)展”，作者為葛允、張庫(kù)娃、黃鐘、張豪俊、張子劍。