高壓帶電顯示裝置用于監測高壓電氣設備一次導體帶電狀态，并輸出防誤操作接點信号，保障電力設備正常運行和技術人員的安全。西安西電開關電氣有限公司的研究人員葛允、張庫娃、黃鐘、張豪俊、張子劍，在2020年第9期《電氣技術》雜志上撰文，介紹了當前高壓帶電顯示裝置的技術原理，對比分析了電容型感應單元、光學電壓感應單元的技術優勢和特點，介紹了模拟型、數字型顯示單元的原理，闡述了其研究方向和發展前景。

郊外曠野的電塔電線電網

高壓電氣設備作為變電站的關鍵部件，其運行穩定性及安全性一直備受關注。高壓帶電顯示裝置可監測高壓電氣設備帶電狀态，并具有對接地開關、隔離開關實現強制閉鎖的功能，适用于斷路器、電纜終端、母線、主變、供電線路進出線，以及其他高壓、超高壓線路等一次設備。

高壓帶電顯示裝置确保施工人員在接地開關、隔離開關強制閉鎖的情況下，對高壓開關設備進行操作，在很大程度上避免了安全隐患，解決了設備檢查維修任務艱巨、維修難度大、費用高、周期長等問題，确保高壓電氣設備的穩定運行、安全檢修和工作人員的安全。

目前國内許多廠家已掌握帶電顯示技術原理，并将其應用于高壓電氣設備的狀态監測工作中，在一定程度上避免了誤操作等故障、事故的發生。本文介紹了當前高壓帶電顯示裝置主要元件的特點、分類、工作原理、結構形式、應用工況、關鍵影響因素等，并闡述了其發展趨勢和應用前景。

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備上帶有運行電壓的裝置。主要部件包括感應單元和顯示單元。按照感應單元的工作原理可分為接觸式和感應式。

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單元主體是采用陶瓷電容作為芯棒，用環氧樹脂澆注外殼，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備的帶電狀态，具有無源顯示的特點。

這種芯棒與外殼體膠粘、澆注的特殊結構，其絕緣尺寸限制較大，有出現單相接地故障和局部放電的風險，多用于10～35kV的高壓開關櫃中，不适用于戶外環境。

1.3 感應式高壓帶電顯示裝置

感應式高壓帶電顯示裝置是采用間接感應的原理，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态。感應式高壓帶電顯示裝置的感應單元安裝在一次設備帶電體附近，通過屏蔽電纜将感應信号接入顯示單元，顯示單元安裝在開關控制櫃内，可顯示電壓狀态，并輸出閉鎖、解鎖信号，控制開關設備的聯鎖裝置動作。感應式高壓帶電顯示裝置系統原理如圖1所示。

圖1 感應式高壓帶電顯示裝置系統原理

感應式高壓帶電顯示裝置可極大地降低作業的危險性和作業人員的勞動強度，具有小型化、操作方便、性價比高等特點，但也會受到外部環境幹擾、分布密集導線等環境幹擾，使檢測信息混淆，精度有待提高。

2.1 感應單元分類

感應單元主要包括電容型和光學電壓型。電容型感應方式是通過感應電容分壓原理進行感應；光學電壓感應方式是利用晶體在強電場的影響下發生形變的原理。本文介紹這兩類感應技術的原理與 特點。

2.2 電容型感應單元

高壓電氣設備中多采用電容型感應單元，其感應方式是利用感應極闆與一次設備帶電體之間、感應極闆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。

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

圖2 電容型感應單元等效電路

電容型感應方式目前多運用在SF6 GIS上，具有電壓等級高、設備結構參數高、運行參數高幾個基本特點。感應單元安裝在GIS的電纜終端、管道母線等一次設備的封閉外殼上。感應單元感應電容的關鍵影響因素為絕緣介質、感應極闆面積、感應極闆與帶電導體的距離。感應單元安裝形式如圖3所示。

圖3 感應單元安裝結構

電容型感應單元具有性價比高、可靠性高、受環境溫度幹擾較小等優點，缺點是不能覆蓋全電壓範圍，抗幹擾性能仍需改善。該感應方式已廣泛應用于電力設備的帶電監測中，成為大多數高壓電氣設備的必備元件。

2.3 光學電壓感應單元

光學電壓感應原理是以光學晶體的Pockels電光效應為基礎，Pockels電光效應就是光束在交變電場下産生雙折射效應，偏轉角度随着電場強度的改變而改變。

光學電壓感應單元安裝在GIS的一次本體上，感應單元由LED光源、起偏器、電光晶體、檢偏器構成。光束通過起偏器之後變成偏振光，由于電光晶體材料在強電場環境下發生形變，偏振光通過電光晶體材料時會發生雙折射現象，出射時會産生兩束光，兩束光之間的相位差與電場強度成正比關系。可通過檢測兩束光的相位差判斷高壓電氣設備一次導體的帶電狀态。光學電壓感應單元測量原理如圖4所示。

圖4 光學電壓感應單元測量原理

光學電壓感應的優點是光的方向性強、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、易于實現、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幹擾帶來的測量誤差，該項技術繼承并且超越了傳統感應技術，可加強工程的推廣及應用。

3.1 顯示單元分類

顯示單元主要功能是将采集到的信号經過處理、放大後，顯示帶電狀态和輸出控制聯鎖信号。顯示單元通常安裝在開關控制櫃内，工作人員可以通過觀察窗監測到當前一次導體的帶電狀态。高壓帶電顯示裝置顯示單元可分為模拟型和數字型，本文分别介紹其工作原理和性能特點。

3.2 模拟型顯示單元

顯示單元接入感應單元采集的信号後，首先經過過電壓抑制保護電路對裝置内部電路限壓保護，經過濾波電路，檢出有用信号；然後，通過精密整流電路和放大電路，将信号調理成滿足要求的狀态，根據不同的應用環境，調整電路放大倍數，改變帶電顯示阈值；最後，通過光耦隔離模塊，隔離輸出接點信号。

另外，自檢電路可以對内部電路和輸出接點控制信号進行自我檢查，保證顯示單元功能正常。模拟型顯示單元原理如圖5所示。

圖5 模拟型顯示單元原理框圖

模拟型顯示單元體積小、成本低、顯示直觀、結構簡單、安裝方便、應用廣泛。

3.3 數字型顯示單元

感應單元檢測出高壓電氣設備的帶電信号，顯示單元對該信号進行前置放大、保護、整流、電流/電壓轉換，再經過放大補償、A/D轉換電路，采用單片機、複雜可編程邏輯器件（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轉換信号進行分析計算後，顯示高壓電氣設備的帶電狀态，聲光報警提示，主控模塊發出閉鎖/解鎖控制輸出信号。具有自檢功能，方便現場工作人員檢驗帶電裝置的功能是否正常。數字型顯示單元原理如圖6所示。

圖6 數字型顯示單元原理框圖

主控模塊主要完成采集數據的分析運算，程序設定初始阈值進行計算，根據計算結果，發出相應的報警指令，在顯示屏上顯示帶電狀态。目前很多廠家設計的裝置可顯示帶電、無電或三相電壓值。控制輸出傳統的接點信号，也有光信号、數字等信号輸出。接入主控室後台系統，方便後台監測，可以和更多的設備互聯。

數字型顯示單元采用新型數據處理技術、數據傳輸技術、直觀的人機界面，提高了檢測效率、節約時間和人力成本，同時解決了絕緣保護問題，當前已廣泛應用于各類工程中。

随着高壓帶電顯示裝置的廣泛應用，帶電顯示技術的發展也越來越受到重視，因此，有必要針對當前的技術使用特點，采取優勢互補的方法，逐步推廣新型抗幹擾能力強、風險低的感應技術，将現有的光學電壓感應技術逐步應用于高壓、特高壓電氣設備。

模拟型和數字型顯示單元在各類工程中應用較多，随着電網用戶對于功能的要求越來越高，采用新型數據處理技術的數字型顯示單元是當前的發展趨勢，将逐漸占據大部分市場。

帶電顯示技術已成為在線監測系統中一項重要内容，将該技術與在線監測技術集成，結合網絡技術、通信技術，在後台系統顯示帶電狀态信息，是高壓帶電顯示裝置的發展方向。同時，高壓帶電顯示技術也是變電站實現智能操作和專家診斷系統中一項重要的判據和參考因素，将高壓帶電顯示技術擴展應用，對于提高設備的生産效能，保障技術人員人身安全和高壓電氣設備的安全運行，具有十分重要的意義。

本文編自2020年第9期《電氣技術》，标題為“高壓帶電顯示裝置技術與發展”，作者為葛允、張庫娃、黃鐘、張豪俊、張子劍。

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