箱式變電站線纜耦合式帶電指示器設計與應用

沈曉峰，任堂正，周 青，張 輝，徐友剛

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

箱式變電站線纜耦合式帶電指示器設計與應用

沈曉峰，任堂正，周 青，張 輝，徐友剛

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

現有箱式變電站線纜帶電指示器存在電纜中電流較小或者電纜中僅存在電壓不存在電流時無法工作、需要頻繁更換電池等問題。設計了一種箱式變電站(箱變)耦合式帶電指示器，該指示器采用靜電感應原理，利用電纜表面的靜電場作為系統工作的能量來源以及判斷電纜是否帶電的依據。該指示器具有可靠性高、抗干擾能力強、無二次接線、免維護等特點，對于提高箱式變電站的運維水平具有一定促進作用。

箱式變電站；帶電指示器；靜電感應；耦合

箱式變電站作為連接電網與電力用戶的重要設施，其安全穩定運行對提高供電可靠性有著十分重要的意義。現場運行中，箱變普遍采用電纜進線方式，由于電纜外層包覆有絕緣層，變電檢修人員難以直接判斷出電纜是否帶電，給箱變的運維檢修工作帶來了一定的安全隱患。

常見箱變的線纜帶電指示器分為接觸式和非接觸式兩種，這兩種指示器多采用電流互感器或者電池作為能量來源[1-2]。使用電流互感器作為能量來源的帶電指示器，由于只有當線纜中流過較大電流時才能為設備提供足夠的能量，當線纜上電流較小時，即使線纜上存在很高的電壓，該類指示器仍無法正常工作，存在較大的安全隱患。使用電池作為能量來源的指示器，每隔一定時間就要到現場更換電池，存在維護工作繁重的問題[3]。

針對這種情況，提出并研制了一種新型箱變線纜耦合式帶電指示器[4]，它可安裝在電纜頭(肘頭、T型電纜接頭和T-Ⅱ型電纜接頭)上，利用高壓電纜產生的靜電場作為能量來源以及電纜帶電與否的判斷依據。該指示器無輔助能源及二次接線，避免了利用電流互感器進行供電時電纜中電流較小導致帶電指示器無法正常工作的問題以及采用電池供電時頻繁更換電池造成維護工作量大的問題。

1 系統組成與工作原理

本箱變線纜耦合式帶電指示器由取電傳感器、保護電路、充電電路、開關電路、帶電指示電路等部分組成。當電纜帶電運行時，其表面會產生較強的靜電場，由于取電傳感器平行安裝在電纜表面，根據靜電感應原理，取電傳感器的金屬片上會感應出電荷，感應出的電荷經過保護電 路到達充電電路，當充電電路中的電荷累積到一定程度時，開關電路打開使帶電指示電路工作，帶電指示器上的指示燈點亮。

由于充電電路中存儲的電荷量有限，當帶電指示電路中的指示燈導通時，存儲于充電電路中的電荷被快速釋放，充電電路中的電壓降低，開關電路關閉，導致帶電指示電路中的氖泡熄滅。之后，若電纜持續帶電，則充電電路會再次充電，與之相應，帶電指示電路中的氖泡會再次被點亮。此過程周而復始，導致帶電指示電路被周期性點亮。從宏觀上看，當電纜帶電運行時，帶電指示器上的指示燈連續閃爍，為變電運檢人員提供警示；相應的，當電纜不帶電時，該帶電指示器失去能量來源，指示燈處于熄滅狀態，此時工作人員可以對箱變進行設備維護。

該箱變線纜耦合式帶電指示器的系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 系統設計

為了實現工作電源的的獲取以及帶電情況的指示，并提高該帶電指示器在現場應用中的穩定性和易用性，在系統設計上進行了多方面考慮。

2.1 外觀設計

帶電指示器工作于箱變電纜進線處，工作環境惡劣，因此需要具備一定的防塵功能。本帶電指示器內部采用環氧樹脂灌注密封，有效避免了空氣中浮塵進入設備造成的工作不穩定情況。同時，為了便于安裝，在設備外殼上設計了長度可調的絕緣綁扎帶，使用時只需要將設備綁扎在需要測量的電纜上即可。同時，為了便于對相別進行區分，帶電指示器表面貼有標識，用黃綠紅三種顏色分別指示ABC三相。

2.2 保護電路設計

電網中的輸電線路相互連通，在運行過程中可能會因為雷擊或者設備投切，在箱變的進線電纜中產生過電壓。為了減少該過電壓對帶電指示器的影響，避免因電壓過高導致內部電路損壞，在取電傳感器后面增加了TVS瞬變抑制高效能保護器件[5]。當取電傳感器感應到過電壓時，保護電路中的瞬態抑制二極管在極短的時間內由高阻狀態變為低阻狀態，將能量迅速釋放掉，將電壓鉗制在規定的范圍內，對后置電路起到有效的保護作用。

2.3 帶電指示電路設計

本系統利用指示燈的不同狀態對電纜帶電情況進行區分。為了提高指示燈的工作壽命，本系統采用了氖泡作為發光器件，由于氖泡的發光原理為其中的氖氣發生輝光放電發光，有效避免了普通指示燈長時間工作后燈絲斷裂導致指示燈損壞等情況的發生。此外，為了避免流過氖泡的電流過大，在氖泡前端串聯一個電阻，對電流進行限制。

3 系統特點分析

(1)抗干擾能力強。該指示器的絕緣橡膠扎帶選用耐高溫材料，設備內部采用優質環氧樹脂灌封，能在惡劣環境下長久使用。

(2)解決了“電不可見”問題。該裝置采用靜電感應原理，以高壓設備周圍的電場能作為能量來源，達到以閃光顯示設備帶電的目的。當被測設備帶電運行時，該裝置的發光管在遮光罩內閃爍發光，具有直觀、清晰、醒目的特點。

(3)可靠性高，壽命長。該裝置選用抗干擾能力強的優質元器件，使用壽命長。三相設備分相顯示，不受鄰相(路)及停電線路的感應電壓干擾，不會出現誤指示。

(4)免維護。由于采用靜電感應原理獲取能源，無需輔助電源及二次接線，安裝在被測位置后能夠持續工作，后期無需維護。

(5)啟動能量小。電纜工作電壓3 000 VAC以上即可啟動帶電指示器燈閃爍。

4 工程應用

4.1 應用環境

為了驗證該箱變線纜耦合式帶電指示器的功能是否符合要求，選取上海某小區箱變進行現場應用測試。為了對A、B、C三相進行區分，在對應的帶電指示器外殼上分別貼有黃、綠、紅三種顏色的標識。將三個帶電指示器分別利用其自帶的綁扎帶固定于箱變進線電纜的電纜頭上，并將指示器的取電傳感器貼于電纜表面用于獲取工作電源以及電纜的帶電信息，指示器的接地端通過電纜屏蔽層與大地相連。

4.2 測試方法及結果

(1)當箱變的進線電纜不帶電時，各相帶電指示器上的發光管均不發光。

(2)當箱變的進線電纜帶電但箱變不帶負荷空載運行時，可以觀察到ABC三相電纜上的帶電指示器均閃爍發光。

(3)當箱變的進線電纜帶電且箱變帶負荷運行時，可以觀察到ABC三相電纜上的帶電指示器亦閃爍發光。

4.3 測試結果分析

對比測試結果(1)、(2)和(1)、(3)可知，該帶電指示器能夠通過取電傳感器從運行的電纜表面獲取足夠的能源供給自身使用，并能夠對電纜的帶電狀態進行正確區分指示。

對比測試結果(2)、(3)可知，無論箱變是否帶負荷運行，只要其進線電纜帶電，該帶電指示器均能正確指示。換言之，該帶電指示器對于進線電纜中是否有電流以及電流大小不做區分，只要電纜帶電，均可有效指示。

5 結語

該箱式變電站線纜耦合式帶電指示器采用靜電感應原理，利用電纜表面的靜電場作為系統工作的能量來源以及判斷電纜是否帶電的依據。不需要外接電源供電，避免了采用電流互感器供電時電纜中電流較小導致帶電指示器無法正常工作的問題以及采用電池供電時需要頻繁更換電池導致的維護工作量過大的問題。系統安全可靠，抗干擾能力強，能夠對箱式變電站進線電纜的帶電情況進行顯示，為變電運維檢修人員提供了判斷依據，對提高箱式變電站的運維水平，保障供電可靠性具有一定的促進作用。

[1] 宋敏. 智能箱式變電站的設計與應用[J]. 電力與能源,2012(4):375-376，380.

SONG Min.Design and application of intelligent box substation[J].Power & Energy,2012(4):375-376,380.

[2]張永康. 高壓輸電線路帶電指示器的研究與設計[J]. 電氣化鐵道,2013(5):35-37.

ZHANG Yong-kang.Researching and design of charge indicator for high voltage power transmission line[J].Electric Railway,2013(5):35-37.

[3]楊雪蘭,林鉻,鄭建志. 一種電網設備帶電指示技術的應用[J]. 科技與企業,2014(4):250-251.

[4]羅睿希. 基于電場耦合原理的電壓測量裝置設計研究[D].重慶：重慶大學,2014.

WU Xiaogang. Voltage indicator research and scheme of induction type high voltage electroscope[J]．Industrial Technology Innovation，2016 (1)：19-23．

[5]吳小剛. 電壓指示型感應高壓驗電器研究及實現方案[J]. 工業技術創新,2016(1):19-23.

DesignandApplicationofCouplingChargedIndicatorforBox-TypeSubstationCable

SHEN Xiaofeng，REN Tangzheng，ZHOU Qing，ZHANG Hui，XU Yougang

(State Grid Qingpu Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201799, China)

The current transformer or battery lead to the problems of failure to work if the current in the cable is small or there is only voltage in the cable without current, and the problem of demanding frequent battery replacement. Therefore，this paper designed a coupling charged indicator for box-type substation. Based on the principle of electrostatic induction, the electrostatic field of the cable surface is used as the energy source for the system and judgment for whether the cable is charged or not. The indicator is superior in reliability and anti-interference, free of secondary wiring and maintenance, and conducive to promoting operation and maintenance for box-type substation.

box-type substation; charged indicator; electrostatic induction; coupling

10.11973/dlyny201705040

沈曉峰(1978—)，男，工程師，從事變配電運維檢修管理工作。

TM41

A

2095-1256(2017)05-0656-03

2017-07-28

(本文編輯：楊林青)