帶電顯示裝置的故障分析與改進

楊曉艷

平高集團 上海天靈開關(guān)廠有限公司 上海 201808

1 帶電顯示裝置概述

帶電顯示裝置用于向運行人員提供高壓電氣設(shè)備回路的電壓狀態(tài)，由顯示單元和傳感單元兩部分組成，顯示單元為帶電顯示器,傳感單元為電壓傳感器。在傳統(tǒng)變電站中，帶電顯示器一般安裝在開關(guān)柜低壓室門上或變壓器室門上，電壓傳感器一般安裝在高壓側(cè)出線母排上。

如果帶電顯示裝置發(fā)生故障，通常需要在設(shè)備停役檢修時才能處理。帶電顯示裝置的故障主要有三類： 帶電顯示器故障、電壓傳感器故障，以及兩者間的接線故障。目前，國內(nèi)常用帶電顯示裝置的電壓傳感器分為電容式傳感器和感應(yīng)式傳感器兩種，電容式傳感器屬接觸式傳感器，采用電容對高壓進行分壓，并提取信號，從而判斷被測對象是否帶電。這種傳感器容易發(fā)生電容擊穿，造成事故[1]。

帶電顯示裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測各高壓開關(guān)設(shè)備回路的帶電情況，防止運行人員誤入帶電間隔及帶電合接地刀開關(guān)等事故發(fā)生。普通的帶電顯示器僅具備電壓檢測回路，利用A、B、C三相傳感器感應(yīng)電信號的方式來檢測高壓開關(guān)柜內(nèi)是否帶電。如果某相帶電，則導(dǎo)通相應(yīng)的傳感器支路，對應(yīng)支路的帶電指示燈亮，從而警示運行人員該高壓開關(guān)柜處于帶電工作狀態(tài)[2]。現(xiàn)有的高壓開關(guān)柜大多采用簡單的機械及電氣方式進行閉鎖，僅通過柜門上的帶電顯示器來檢驗柜門是否帶電，這種方案存在安全隱患，如運行人員未注意到帶電指示燈亮，或帶電指示燈自身因故障而不亮?xí)r，都將造成運行人員在高壓開關(guān)柜帶電的情況下誤開柜門，并誤入帶電間隔，發(fā)生人身傷亡事故。

2 帶電顯示裝置原理

帶電顯示裝置中的帶電顯示器是直接安裝在戶內(nèi)高壓電氣開關(guān)設(shè)備上，可以直觀顯示電氣設(shè)備是否帶有運行電壓的提示性安全裝置。當設(shè)備帶有運行電壓時，顯示器顯示燈發(fā)出閃光，警示運行人員高壓設(shè)備帶電，無電時則無指示。帶電顯示器與電壓傳感器配套使用，利用傳感器內(nèi)部芯棒式電容和帶電顯示器內(nèi)的電容，連接成串聯(lián)分壓回路，從中提取來自高壓回路的電壓信號，作為帶電顯示器的驅(qū)動信號源。如圖1所示，電壓傳感器的電容通過上法蘭連接至高壓母線，電容另一端通過接線端連接至帶電顯示器，形成完整的帶電顯示裝置[3-6]。

圖1 帶電顯示裝置接線圖

為確保配電設(shè)備運行安全，帶電顯示裝置還可以提供高壓開關(guān)柜門的強電閉鎖[7]，這種閉鎖基于電氣和機械相結(jié)合的電控機構(gòu)，在柜體帶電的情況下，可實現(xiàn)強制閉鎖高壓開關(guān)柜門。由于許多高壓開關(guān)柜不裝設(shè)接地開關(guān)，使電纜室門未設(shè)強制的機械五防，因此在電氣設(shè)計時需采用電氣閉鎖，如圖2所示。

圖2 電氣閉鎖原理圖

圖2中GSN為帶電顯示器線圈及其輔助觸點，DS為電磁鎖勵磁線圈，ZK為電源空氣開關(guān)，KM為控制小母線。當閉鎖控制電源有電時，電源空氣開關(guān)合閘，帶電顯示器線圈得電，如果此時高壓開關(guān)柜電纜室有電，那么帶電顯示器輔助觸點始終斷開，使電磁鎖勵磁線圈不通電，電磁鎖鎖舌彈出，穿過電纜室門的聯(lián)鎖孔，將電纜室門鎖住[8]。當帶電顯示器檢測到電纜室無電時，帶電顯示器輔助觸點閉合，接通電磁鎖勵磁線圈，電磁鎖鎖舌被吸進，退出電纜室門的聯(lián)鎖孔，此時才可以打開電纜室門。

如圖3所示，現(xiàn)有電壓傳感器的結(jié)構(gòu)為在絕緣子中部埋設(shè)一個電容，電容的一極連接于嵌入絕緣子的接線端，另一極連接至傳感器上端的上法蘭，通過上法蘭連接至高壓母線。

圖3 電壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3 故障情況

經(jīng)抽查試驗，發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的絕緣故障均為帶電顯示裝置中電壓傳感器擊穿所造成。經(jīng)分析確認，電壓傳感器內(nèi)環(huán)氧樹脂澆注的電容沿面閃絡(luò)是導(dǎo)致電壓傳感器發(fā)生擊穿的主要原因。

通常所有高壓開關(guān)柜均需通過42kV出廠試驗，因此在不損壞開關(guān)設(shè)備的前提下，決定增大5%額定工頻耐壓進行裕度試驗。試驗前先對工頻耐壓設(shè)備進行電壓值校準，保證設(shè)備的誤差值在GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求》標準允許范圍內(nèi)(±1%)。然后對高壓開關(guān)柜逐一施加1min工頻44.5kV電壓和沖擊80kV電壓，進行相對地和相對相試驗，以排查故障原因。對電壓傳感器進行的試驗項目包括： ① 工頻44.5kV～48kV裕度試驗；② 80kV正負極性沖擊試驗；③ 1.1倍額定電壓下局部放電試驗，得出最終試驗結(jié)果。其中，在沖擊試驗后再進行一次工頻44.5kV～48kV裕度試驗。

拆解被工頻44.5kV電壓擊穿的電壓傳感器，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)電容磁芯邊緣有沿面放電痕跡。可見，電容磁芯澆注工藝不良、傳感器12kV局部放電試驗不穩(wěn)定、起弧和熄弧電壓偏低是導(dǎo)致故障的主要原因。

圖4 電壓傳感器拆解照片

對電容沿面擊穿的原因進行具體分析。

(1) 電容表面為B級絕緣漆，允許溫度為 120℃。電容在140℃持續(xù)30min的預(yù)熱烘烤過程中，絕緣漆軟化，與包裝紙粘連，造成包裝紙不能撕脫，殘留物在環(huán)氧樹脂澆注時產(chǎn)生間隙，造成擊穿。

(2) 電容表面殘留污物在環(huán)氧樹脂澆注時產(chǎn)生間隙，造成擊穿。

電壓傳感器內(nèi)部電容如圖5所示。根據(jù)澆注工藝，不允許與環(huán)氧樹脂材料結(jié)合的電容表面有任何污物，而包裝紙粘連的原因可能是電容浸漬的絕緣漆不能耐受140℃高溫，絕緣漆液化后與包裝紙粘連。電容焊接脫焊的原因可能為焊錫不耐高溫，并融化脫落。這些缺陷都會造成電容澆注質(zhì)量不佳，引發(fā)局部放電增多、二次引出線未接通等故障，嚴重時可造成高壓沿電容表面產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致局部放電超標和高壓擊穿。由此判斷，電容器脫焊和包裝紙粘連造成澆注不良是產(chǎn)生故障的主要原因[9]。

圖5 電壓傳感器內(nèi)部電容照片

4 改進措施

安排有問題的庫存電壓傳感器退貨，加強排查和抽檢，進行局部放電和工頻48kV試驗，明確提高局部放電至3pC的驗收要求，并對現(xiàn)場已送電的帶電顯示裝置中電壓傳感器進行召回處理。同時提高電壓傳感器篩選標準： 局部放電試驗加壓由原來1.1倍額定電壓改為1.3倍額定電壓，出廠試驗由原來1min工頻45kV提高到1min工頻48kV。

目前，帶電顯示器被廣泛集成于開關(guān)柜智能操控裝置和開關(guān)柜智能顯示裝置中，由于此類裝置集成了高壓開關(guān)柜操作、開關(guān)狀態(tài)顯示、溫濕度控制、帶電顯示、語音提醒等功能，因此必須安裝在高壓開關(guān)柜柜前儀表門上。一般高壓開關(guān)柜的數(shù)量較多，且大部分都在柜后檢修，柜前操作完成后再在柜后操作，必須保證柜前、柜后編號對應(yīng),且一個變電站內(nèi)不允許出現(xiàn)重復(fù),否則就會誤開間隔。高壓開關(guān)柜設(shè)計時，帶電顯示裝置大部分都安裝在柜前,這樣在開啟后門時,間隔是否有電不能直觀看出，增大了進入帶電間隔的概率[10-11]。因此，需要在柜后門增設(shè)一套帶電顯示裝置，監(jiān)視柜后電纜室內(nèi)的高壓帶電情況，警示運行人員在帶電狀態(tài)下不要打開柜后門，以避免誤入帶電間隔。這樣就出現(xiàn)了兩臺帶電顯示裝置監(jiān)視同一設(shè)備的情況。

針對上述情況，主要有三種改進措施。

(1) 在高壓開關(guān)柜中增加一個電壓傳感器，但存在如下缺陷： ① 增加的傳感器擠占安裝空間，增大了安裝工作量及難度；② 增加的傳感器需接一次銅排，增加了銅排及傳感器本身的成本。

(2) 一個電壓傳感器同時帶兩臺帶電顯示器，如圖6所示。設(shè)置于電壓傳感器的電容通過上法蘭連接至高壓母線，另一端通過接線端連接兩臺帶電顯示器，從而類似于形成兩臺帶電顯示裝置。

圖6 一個電壓傳感器帶兩臺帶電顯示器接線圖

(3) 不改變傳統(tǒng)電壓傳感器外形和安裝方式，在其內(nèi)部設(shè)置兩個電容，形成雙電容帶兩臺帶電顯示器，這樣可以有效改善兩臺帶電顯示裝置監(jiān)視同一設(shè)備的情況，且兩處帶電顯示器工作穩(wěn)定，電路連接簡單、安全。

5 結(jié)束語

GB 25081—2010《高壓帶電顯示裝置(VPIS)》標準規(guī)定了高壓電氣設(shè)備用帶電顯示裝置的適用范圍、條件、額定值、結(jié)構(gòu)、型式試驗、出廠試驗和選用導(dǎo)則等內(nèi)容[12]。帶電顯示裝置的類型較多，選型時需按照標準要求，綜合考慮系統(tǒng)電壓、額定絕緣水平等參數(shù)。

筆者針對帶電顯示裝置故障進行了分析，提出了改進措施，可以預(yù)防人身傷害事故，確保設(shè)備運行的安全和可靠。

[1] 周灼宮.GSN/Q型多功能戶內(nèi)高壓帶電顯示裝置[J].高壓電器，1990(6)： 53-54.

[2] 袁大陸.《高壓帶電顯示裝置技術(shù)條件》簡介[J].電力標準化與計量,1994(4)： 14-16.

[3] 劉崇德.新型高壓帶電顯示裝置設(shè)計[J].中國電力，1994(10)： 16-20.

[4] 張元林,王文勝,徐大可.變電站電氣設(shè)備在線監(jiān)測綜述[J].高壓電器,2001,37(5)： 30-33，36.

[5] 胡文平，尹項根，張哲.電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的研究與發(fā)展[J].華北電力技術(shù),2003(2)： 23-26，29.

[6] 衛(wèi)少華，申曉波.變電站電氣設(shè)備在線監(jiān)測的方法[J].西北電力技術(shù),2005,33(2)： 60-61，64.

[7] 任松娣，閻凱.KYN28A-12高壓中置柜前下門聯(lián)鎖機構(gòu)的創(chuàng)新研究[J].上海電氣技術(shù)，2016，9(4)： 47-49.

[8] 顧金鳳，唐煒.一種新型高壓帶電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2005，42(6)： 54-57.

[9] 許一聲，李梅君.場強型高壓帶電顯示裝置[J].高壓電器，2005,41(5)： 383-384.

[10] 蔣勇.DXN-Q型高壓帶電顯示裝置技術(shù)問題分析[J].高壓電器，2005,41(6)： 479-480.

[11] 韓長運.高壓帶電顯示閉鎖裝置及其應(yīng)用[J].電氣時代，2006(11)： 110-111.

[12] 孫振權(quán)，顧紅偉，李彥明.高壓帶電顯示及閉鎖裝置現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].高壓電器，2009，45(4)： 115-117.