带电显示装置的故障分析与改进

杨晓艳

平高集团 上海天灵开关厂有限公司 上海 201808

1 带电显示装置概述

带电显示装置用于向运行人员提供高压电气设备回路的电压状态，由显示单元和传感单元两部分组成，显示单元为带电显示器,传感单元为电压传感器。在传统变电站中，带电显示器一般安装在开关柜低压室门上或变压器室门上，电压传感器一般安装在高压侧出线母排上。

如果带电显示装置发生故障，通常需要在设备停役检修时才能处理。带电显示装置的故障主要有三类： 带电显示器故障、电压传感器故障，以及两者间的接线故障。目前，国内常用带电显示装置的电压传感器分为电容式传感器和感应式传感器两种，电容式传感器属接触式传感器，采用电容对高压进行分压，并提取信号，从而判断被测对象是否带电。这种传感器容易发生电容击穿，造成事故[1]。

带电显示装置能够实时监测各高压开关设备回路的带电情况，防止运行人员误入带电间隔及带电合接地刀开关等事故发生。普通的带电显示器仅具备电压检测回路，利用A、B、C三相传感器感应电信号的方式来检测高压开关柜内是否带电。如果某相带电，则导通相应的传感器支路，对应支路的带电指示灯亮，从而警示运行人员该高压开关柜处于带电工作状态[2]。现有的高压开关柜大多采用简单的机械及电气方式进行闭锁，仅通过柜门上的带电显示器来检验柜门是否带电，这种方案存在安全隐患，如运行人员未注意到带电指示灯亮，或带电指示灯自身因故障而不亮时，都将造成运行人员在高压开关柜带电的情况下误开柜门，并误入带电间隔，发生人身伤亡事故。

2 带电显示装置原理

带电显示装置中的带电显示器是直接安装在户内高压电气开关设备上，可以直观显示电气设备是否带有运行电压的提示性安全装置。当设备带有运行电压时，显示器显示灯发出闪光，警示运行人员高压设备带电，无电时则无指示。带电显示器与电压传感器配套使用，利用传感器内部芯棒式电容和带电显示器内的电容，连接成串联分压回路，从中提取来自高压回路的电压信号，作为带电显示器的驱动信号源。如图1所示，电压传感器的电容通过上法兰连接至高压母线，电容另一端通过接线端连接至带电显示器，形成完整的带电显示装置[3-6]。

图1 带电显示装置接线图

为确保配电设备运行安全，带电显示装置还可以提供高压开关柜门的强电闭锁[7]，这种闭锁基于电气和机械相结合的电控机构，在柜体带电的情况下，可实现强制闭锁高压开关柜门。由于许多高压开关柜不装设接地开关，使电缆室门未设强制的机械五防，因此在电气设计时需采用电气闭锁，如图2所示。

图2 电气闭锁原理图

图2中GSN为带电显示器线圈及其辅助触点，DS为电磁锁励磁线圈，ZK为电源空气开关，KM为控制小母线。当闭锁控制电源有电时，电源空气开关合闸，带电显示器线圈得电，如果此时高压开关柜电缆室有电，那么带电显示器辅助触点始终断开，使电磁锁励磁线圈不通电，电磁锁锁舌弹出，穿过电缆室门的联锁孔，将电缆室门锁住[8]。当带电显示器检测到电缆室无电时，带电显示器辅助触点闭合，接通电磁锁励磁线圈，电磁锁锁舌被吸进，退出电缆室门的联锁孔，此时才可以打开电缆室门。

如图3所示，现有电压传感器的结构为在绝缘子中部埋设一个电容，电容的一极连接于嵌入绝缘子的接线端，另一极连接至传感器上端的上法兰，通过上法兰连接至高压母线。

图3 电压传感器结构示意图

3 故障情况

经抽查试验，发现高压开关柜的绝缘故障均为带电显示装置中电压传感器击穿所造成。经分析确认，电压传感器内环氧树脂浇注的电容沿面闪络是导致电压传感器发生击穿的主要原因。

通常所有高压开关柜均需通过42kV出厂试验，因此在不损坏开关设备的前提下，决定增大5%额定工频耐压进行裕度试验。试验前先对工频耐压设备进行电压值校准，保证设备的误差值在GB/T 11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》标准允许范围内(±1%)。然后对高压开关柜逐一施加1min工频44.5kV电压和冲击80kV电压，进行相对地和相对相试验，以排查故障原因。对电压传感器进行的试验项目包括： ① 工频44.5kV～48kV裕度试验；② 80kV正负极性冲击试验；③ 1.1倍额定电压下局部放电试验，得出最终试验结果。其中，在冲击试验后再进行一次工频44.5kV～48kV裕度试验。

拆解被工频44.5kV电压击穿的电压传感器，如图4所示，发现电容磁芯边缘有沿面放电痕迹。可见，电容磁芯浇注工艺不良、传感器12kV局部放电试验不稳定、起弧和熄弧电压偏低是导致故障的主要原因。

图4 电压传感器拆解照片

对电容沿面击穿的原因进行具体分析。

(1) 电容表面为B级绝缘漆，允许温度为 120℃。电容在140℃持续30min的预热烘烤过程中，绝缘漆软化，与包装纸粘连，造成包装纸不能撕脱，残留物在环氧树脂浇注时产生间隙，造成击穿。

(2) 电容表面残留污物在环氧树脂浇注时产生间隙，造成击穿。

电压传感器内部电容如图5所示。根据浇注工艺，不允许与环氧树脂材料结合的电容表面有任何污物，而包装纸粘连的原因可能是电容浸渍的绝缘漆不能耐受140℃高温，绝缘漆液化后与包装纸粘连。电容焊接脱焊的原因可能为焊锡不耐高温，并融化脱落。这些缺陷都会造成电容浇注质量不佳，引发局部放电增多、二次引出线未接通等故障，严重时可造成高压沿电容表面产生缝隙，导致局部放电超标和高压击穿。由此判断，电容器脱焊和包装纸粘连造成浇注不良是产生故障的主要原因[9]。

图5 电压传感器内部电容照片

4 改进措施

安排有问题的库存电压传感器退货，加强排查和抽检，进行局部放电和工频48kV试验，明确提高局部放电至3pC的验收要求，并对现场已送电的带电显示装置中电压传感器进行召回处理。同时提高电压传感器筛选标准： 局部放电试验加压由原来1.1倍额定电压改为1.3倍额定电压，出厂试验由原来1min工频45kV提高到1min工频48kV。

目前，带电显示器被广泛集成于开关柜智能操控装置和开关柜智能显示装置中，由于此类装置集成了高压开关柜操作、开关状态显示、温湿度控制、带电显示、语音提醒等功能，因此必须安装在高压开关柜柜前仪表门上。一般高压开关柜的数量较多，且大部分都在柜后检修，柜前操作完成后再在柜后操作，必须保证柜前、柜后编号对应,且一个变电站内不允许出现重复,否则就会误开间隔。高压开关柜设计时，带电显示装置大部分都安装在柜前,这样在开启后门时,间隔是否有电不能直观看出，增大了进入带电间隔的概率[10-11]。因此，需要在柜后门增设一套带电显示装置，监视柜后电缆室内的高压带电情况，警示运行人员在带电状态下不要打开柜后门，以避免误入带电间隔。这样就出现了两台带电显示装置监视同一设备的情况。

针对上述情况，主要有三种改进措施。

(1) 在高压开关柜中增加一个电压传感器，但存在如下缺陷： ① 增加的传感器挤占安装空间，增大了安装工作量及难度；② 增加的传感器需接一次铜排，增加了铜排及传感器本身的成本。

(2) 一个电压传感器同时带两台带电显示器，如图6所示。设置于电压传感器的电容通过上法兰连接至高压母线，另一端通过接线端连接两台带电显示器，从而类似于形成两台带电显示装置。

图6 一个电压传感器带两台带电显示器接线图

(3) 不改变传统电压传感器外形和安装方式，在其内部设置两个电容，形成双电容带两台带电显示器，这样可以有效改善两台带电显示装置监视同一设备的情况，且两处带电显示器工作稳定，电路连接简单、安全。

5 结束语

GB 25081—2010《高压带电显示装置(VPIS)》标准规定了高压电气设备用带电显示装置的适用范围、条件、额定值、结构、型式试验、出厂试验和选用导则等内容[12]。带电显示装置的类型较多，选型时需按照标准要求，综合考虑系统电压、额定绝缘水平等参数。

笔者针对带电显示装置故障进行了分析，提出了改进措施，可以预防人身伤害事故，确保设备运行的安全和可靠。

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