箱式变电站线缆耦合式带电指示器设计与应用

沈晓峰，任堂正，周 青，张 辉，徐友刚

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

箱式变电站线缆耦合式带电指示器设计与应用

沈晓峰，任堂正，周 青，张 辉，徐友刚

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

现有箱式变电站线缆带电指示器存在电缆中电流较小或者电缆中仅存在电压不存在电流时无法工作、需要频繁更换电池等问题。设计了一种箱式变电站(箱变)耦合式带电指示器，该指示器采用静电感应原理，利用电缆表面的静电场作为系统工作的能量来源以及判断电缆是否带电的依据。该指示器具有可靠性高、抗干扰能力强、无二次接线、免维护等特点，对于提高箱式变电站的运维水平具有一定促进作用。

箱式变电站；带电指示器；静电感应；耦合

箱式变电站作为连接电网与电力用户的重要设施，其安全稳定运行对提高供电可靠性有着十分重要的意义。现场运行中，箱变普遍采用电缆进线方式，由于电缆外层包覆有绝缘层，变电检修人员难以直接判断出电缆是否带电，给箱变的运维检修工作带来了一定的安全隐患。

常见箱变的线缆带电指示器分为接触式和非接触式两种，这两种指示器多采用电流互感器或者电池作为能量来源[1-2]。使用电流互感器作为能量来源的带电指示器，由于只有当线缆中流过较大电流时才能为设备提供足够的能量，当线缆上电流较小时，即使线缆上存在很高的电压，该类指示器仍无法正常工作，存在较大的安全隐患。使用电池作为能量来源的指示器，每隔一定时间就要到现场更换电池，存在维护工作繁重的问题[3]。

针对这种情况，提出并研制了一种新型箱变线缆耦合式带电指示器[4]，它可安装在电缆头(肘头、T型电缆接头和T-Ⅱ型电缆接头)上，利用高压电缆产生的静电场作为能量来源以及电缆带电与否的判断依据。该指示器无辅助能源及二次接线，避免了利用电流互感器进行供电时电缆中电流较小导致带电指示器无法正常工作的问题以及采用电池供电时频繁更换电池造成维护工作量大的问题。

1 系统组成与工作原理

本箱变线缆耦合式带电指示器由取电传感器、保护电路、充电电路、开关电路、带电指示电路等部分组成。当电缆带电运行时，其表面会产生较强的静电场，由于取电传感器平行安装在电缆表面，根据静电感应原理，取电传感器的金属片上会感应出电荷，感应出的电荷经过保护电 路到达充电电路，当充电电路中的电荷累积到一定程度时，开关电路打开使带电指示电路工作，带电指示器上的指示灯点亮。

由于充电电路中存储的电荷量有限，当带电指示电路中的指示灯导通时，存储于充电电路中的电荷被快速释放，充电电路中的电压降低，开关电路关闭，导致带电指示电路中的氖泡熄灭。之后，若电缆持续带电，则充电电路会再次充电，与之相应，带电指示电路中的氖泡会再次被点亮。此过程周而复始，导致带电指示电路被周期性点亮。从宏观上看，当电缆带电运行时，带电指示器上的指示灯连续闪烁，为变电运检人员提供警示；相应的，当电缆不带电时，该带电指示器失去能量来源，指示灯处于熄灭状态，此时工作人员可以对箱变进行设备维护。

该箱变线缆耦合式带电指示器的系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统设计

为了实现工作电源的的获取以及带电情况的指示，并提高该带电指示器在现场应用中的稳定性和易用性，在系统设计上进行了多方面考虑。

2.1 外观设计

带电指示器工作于箱变电缆进线处，工作环境恶劣，因此需要具备一定的防尘功能。本带电指示器内部采用环氧树脂灌注密封，有效避免了空气中浮尘进入设备造成的工作不稳定情况。同时，为了便于安装，在设备外壳上设计了长度可调的绝缘绑扎带，使用时只需要将设备绑扎在需要测量的电缆上即可。同时，为了便于对相别进行区分，带电指示器表面贴有标识，用黄绿红三种颜色分别指示ABC三相。

2.2 保护电路设计

电网中的输电线路相互连通，在运行过程中可能会因为雷击或者设备投切，在箱变的进线电缆中产生过电压。为了减少该过电压对带电指示器的影响，避免因电压过高导致内部电路损坏，在取电传感器后面增加了TVS瞬变抑制高效能保护器件[5]。当取电传感器感应到过电压时，保护电路中的瞬态抑制二极管在极短的时间内由高阻状态变为低阻状态，将能量迅速释放掉，将电压钳制在规定的范围内，对后置电路起到有效的保护作用。

2.3 带电指示电路设计

本系统利用指示灯的不同状态对电缆带电情况进行区分。为了提高指示灯的工作寿命，本系统采用了氖泡作为发光器件，由于氖泡的发光原理为其中的氖气发生辉光放电发光，有效避免了普通指示灯长时间工作后灯丝断裂导致指示灯损坏等情况的发生。此外，为了避免流过氖泡的电流过大，在氖泡前端串联一个电阻，对电流进行限制。

3 系统特点分析

(1)抗干扰能力强。该指示器的绝缘橡胶扎带选用耐高温材料，设备内部采用优质环氧树脂灌封，能在恶劣环境下长久使用。

(2)解决了“电不可见”问题。该装置采用静电感应原理，以高压设备周围的电场能作为能量来源，达到以闪光显示设备带电的目的。当被测设备带电运行时，该装置的发光管在遮光罩内闪烁发光，具有直观、清晰、醒目的特点。

(3)可靠性高，寿命长。该装置选用抗干扰能力强的优质元器件，使用寿命长。三相设备分相显示，不受邻相(路)及停电线路的感应电压干扰，不会出现误指示。

(4)免维护。由于采用静电感应原理获取能源，无需辅助电源及二次接线，安装在被测位置后能够持续工作，后期无需维护。

(5)启动能量小。电缆工作电压3 000 VAC以上即可启动带电指示器灯闪烁。

4 工程应用

4.1 应用环境

为了验证该箱变线缆耦合式带电指示器的功能是否符合要求，选取上海某小区箱变进行现场应用测试。为了对A、B、C三相进行区分，在对应的带电指示器外壳上分别贴有黄、绿、红三种颜色的标识。将三个带电指示器分别利用其自带的绑扎带固定于箱变进线电缆的电缆头上，并将指示器的取电传感器贴于电缆表面用于获取工作电源以及电缆的带电信息，指示器的接地端通过电缆屏蔽层与大地相连。

4.2 测试方法及结果

(1)当箱变的进线电缆不带电时，各相带电指示器上的发光管均不发光。

(2)当箱变的进线电缆带电但箱变不带负荷空载运行时，可以观察到ABC三相电缆上的带电指示器均闪烁发光。

(3)当箱变的进线电缆带电且箱变带负荷运行时，可以观察到ABC三相电缆上的带电指示器亦闪烁发光。

4.3 测试结果分析

对比测试结果(1)、(2)和(1)、(3)可知，该带电指示器能够通过取电传感器从运行的电缆表面获取足够的能源供给自身使用，并能够对电缆的带电状态进行正确区分指示。

对比测试结果(2)、(3)可知，无论箱变是否带负荷运行，只要其进线电缆带电，该带电指示器均能正确指示。换言之，该带电指示器对于进线电缆中是否有电流以及电流大小不做区分，只要电缆带电，均可有效指示。

5 结语

该箱式变电站线缆耦合式带电指示器采用静电感应原理，利用电缆表面的静电场作为系统工作的能量来源以及判断电缆是否带电的依据。不需要外接电源供电，避免了采用电流互感器供电时电缆中电流较小导致带电指示器无法正常工作的问题以及采用电池供电时需要频繁更换电池导致的维护工作量过大的问题。系统安全可靠，抗干扰能力强，能够对箱式变电站进线电缆的带电情况进行显示，为变电运维检修人员提供了判断依据，对提高箱式变电站的运维水平，保障供电可靠性具有一定的促进作用。

[1] 宋敏. 智能箱式变电站的设计与应用[J]. 电力与能源,2012(4):375-376，380.

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

[2]张永康. 高压输电线路带电指示器的研究与设计[J]. 电气化铁道,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]杨雪兰,林铬,郑建志. 一种电网设备带电指示技术的应用[J]. 科技与企业,2014(4):250-251.

[4]罗睿希. 基于电场耦合原理的电压测量装置设计研究[D].重庆：重庆大学,2014.

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

[5]吴小刚. 电压指示型感应高压验电器研究及实现方案[J]. 工业技术创新,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

沈晓峰(1978—)，男，工程师，从事变配电运维检修管理工作。

TM41

A

2095-1256(2017)05-0656-03

2017-07-28

(本文编辑：杨林青)