高壓電氣設(shè)備作為變電站的關(guān)鍵部件，其運行穩(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)測高壓電氣設(shè)備帶電狀態(tài)，并具有對接地開關(guān)、隔離開關(guān)實現(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、費用高、周期長等問題，確保高壓電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行、安全檢修和工作人員的安全。

目前國內(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、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)展趨勢和應(yīng)用前景。

1 高壓帶電顯示裝置分類與特點

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)，具有無源顯示的特點。

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，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，無需接觸高壓帶電體，通過檢測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，通過屏蔽電纜將感應(yīng)信號接入顯示單元，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，控制開關(guān)設(shè)備的聯(lián)鎖裝置動作。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)的危險性和作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，具有小型化、操作方便、性價比高等特點，但也會受到外部環(huán)境干擾、分布密集導(dǎo)線等環(huán)境干擾，使檢測信息混淆，精度有待提高。

2 感應(yīng)單元特點分析

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。

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)方式目前多運用在SF6 GIS上，具有電壓等級高、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)高、運行參數(shù)高幾個基本特點。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)單元具有性價比高、可靠性高、受環(huán)境溫度干擾較小等優(yōu)點，缺點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下產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，偏轉(zhuǎn)角度隨著電場強(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。光束通過起偏器之后變成偏振光，由于電光晶體材料在強(qiáng)電場環(huán)境下發(fā)生形變，偏振光通過電光晶體材料時會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，出射時會產(chǎn)生兩束光，兩束光之間的相位差與電場強(qiáng)度成正比關(guān)系?？赏ㄟ^檢測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)單元測量原理如圖4所示。

圖4 光學(xué)電壓感應(yīng)單元測量原理

光學(xué)電壓感應(yīng)的優(yōu)點是光的方向性強(qiáng)、頻響特性好、工作帶寬高、無過電壓等危險因素、抗沖擊能力強(qiáng)、易于實現(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的測量誤差，該項技術(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經(jīng)過處理、放大后，顯示帶電狀態(tài)和輸出控制聯(lián)鎖信號。顯示單元通常安裝在開關(guān)控制柜內(nèi)，工作人員可以通過觀察窗監(jiān)測到當(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。

3.2 模擬型顯示單元

顯示單元接入感應(yīng)單元采集的信號后，首先經(jīng)過過電壓抑制保護(hù)電路對裝置內(nèi)部電路限壓保護(hù)，經(jīng)過濾波電路，檢出有用信號；然后，通過精密整流電路和放大電路，將信號調(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，通過光耦隔離模塊，隔離輸出接點信號。

另外，自檢電路可以對內(nèi)部電路和輸出接點控制信號進(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)單元檢測出高壓電氣設(shè)備的帶電信號，顯示單元對該信號進(jìn)行前置放大、保護(hù)、整流、電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過放大補(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A/D轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行分析計算后，顯示高壓電氣設(shè)備的帶電狀態(tài)，聲光報警提示，主控模塊發(fā)出閉鎖/解鎖控制輸出信號。具有自檢功能，方便現(xiàn)場工作人員檢驗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)的分析運算，程序設(shè)定初始閾值進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)出相應(yīng)的報警指令，在顯示屏上顯示帶電狀態(tài)。目前很多廠家設(shè)計的裝置可顯示帶電、無電或三相電壓值。控制輸出傳統(tǒng)的接點信號，也有光信號、數(shù)字等信號輸出。接入主控室后臺系統(tǒng)，方便后臺監(jiān)測，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，提高了檢測效率、節(jié)約時間和人力成本，同時解決了絕緣保護(hù)問題，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)展也越來越受到重視，因此，有必要針對當(dāng)前的技術(shù)使用特點，采取優(yōu)勢互補(bǔ)的方法，逐步推廣新型抗干擾能力強(qiáng)、風(fēng)險低的感應(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)用戶對于功能的要求越來越高，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，將逐漸占據(jù)大部分市場。

帶電顯示技術(shù)已成為在線監(jiān)測系統(tǒng)中一項重要內(nèi)容，將該技術(shù)與在線監(jiān)測技術(shù)集成，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，在后臺系統(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，高壓帶電顯示技術(shù)也是變電站實現(xiàn)智能操作和專家診斷系統(tǒng)中一項重要的判據(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、張庫娃、黃鐘、張豪俊、張子劍。