高压带电显示装置的技术与发展
高压带电显示装置的技术与发展
高压带电显示装置是保障变电站安全运行的关键设备，它能实时监测高压电气设备的带电状态，并对相关开关设备实施强制闭锁。本文深入探讨了高压带电显示装置的技术原理、分类特点及其发展趋势，为电力行业的专业技术人员提供了详尽的技术参考。
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
根据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》的定义，带电显示装置主要用于显示设备上的运行电压状态。其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，可以分为接触式和感应式两大类。
1.2 接触式高压带电显示装置
接触式高压带电显示装置采用陶瓷电容作为芯棒，通过环氧树脂浇注外壳或用电瓷制造绝缘体。这种装置通过陶瓷感应电容分压原理获取显示器所需能量，并采用氖灯显示带电状态，具有无源显示的特点。然而，其特殊结构限制了绝缘尺寸，存在单相接地故障和局部放电的风险，主要适用于10～35kV的高压开关柜，不适合户外环境。
1.3 感应式高压带电显示装置
感应式高压带电显示装置通过检测带电体周围的特征变化来判断带电状态，无需直接接触高压带电体。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传输至显示单元，显示单元则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。这种装置具有小型化、操作方便、性价比高等特点，但易受外部环境干扰，精度有待提高。
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两种类型。电容型感应方式通过感应电容分压原理进行感应；光学电压感应方式则利用晶体在强电场下的形变原理。
2.2 电容型感应单元
电容型感应单元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，通过电容分压原理判断是否存在电压。其等效电路如图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GIS壳体之间的杂散电容，RL为负载等效阻抗。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，但不能覆盖全电压范围，抗干扰性能仍需改善。
图2 电容型感应单元等效电路
2.3 光学电压感应单元
光学电压感应原理基于光学晶体的Pockels电光效应，即光束在交变电场下产生双折射效应，偏转角度随电场强度改变而改变。光学电压感应单元由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。通过检测两束光的相位差可以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
光学电压感应具有光的方向性强、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、重量轻等优点，但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。
显示单元特点分析
3.1 显示单元分类
显示单元的主要功能是将采集到的信号经过处理、放大后，显示带电状态并输出控制联锁信号。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。
3.2 模拟型显示单元
模拟型显示单元的工作流程包括：首先通过过电压抑制保护电路对装置内部电路进行限压保护，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；最后通过光耦隔离模块隔离输出接点信号。模拟型显示单元具有体积小、成本低、显示直观、结构简单、安装方便、应用广泛等特点。
3.3 数字型显示单元
数字型显示单元的工作流程包括：感应单元检测出高压电气设备的带电信号后，显示单元对其进行前置放大、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、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，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。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。
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。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。