強制觸發型火花間隙現場試驗方法研究

柴 斌，喻勁松，盧泓冶，崔春艷，任佳麗，郭文明

（1.南瑞集團中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200；2.南瑞集團中電普瑞科技有限公司，北京 102200；3.云南電網有限責任公司建設分公司，昆明 650051）

0 引言

串補技術在國內的工程應用已經將近30 年，這期間國內檢修公司在不斷積累串補成套裝置檢修經驗的基礎上，參照我國其他超高壓電力設備檢修規范，逐步形成了一套適用于中國電網的較為完整的串補成套裝置檢修規范。然而串補成套裝置設備組成較為復雜，尤其是一些串補特有的關鍵設備，如GAP（強制觸發型火花間隙）可參照的檢修規范基本沒有，只能借鑒GB/T 6115.2—2017《電力系統用串聯電容器 第2 部分：串聯電容器組用保護設備》中出廠試驗和型式試驗規定，并結合實際檢修工作進行制訂和完善。迄今為止，相關工作已經取得了一定的成果，例如相繼制定了DL/T 1220—2013《串聯電容器補償裝置 交接試驗及驗收規范》等一系列行業標準。但依然存在較大的提升空間，特別是GAP現場試驗這部分內容始終不夠精準明確，給檢修工作帶來一定程度的不便和一些潛在風險。這主要是由于不同串補現場設備狀況各異，檢修經驗的積累和總結需要時間。另外不同現場的試驗條件很難達到制造商廠內試驗條件（出廠試驗）或者專業試驗驗證機構的試驗室條件（型式試驗），因此不太可能、也沒有必要照搬出廠試驗和型式試驗相關規定［1］。

多年的串補成套裝置檢修數據統計表明：GAP 已成為串補成套裝置中故障率較高的一個薄弱環節，因此結合檢修現場的實際條件，研究并提出滿足檢修需要、精準而明確的現場試驗方法，從而大幅提升檢修后設備性能的穩定性和可靠性變得尤為重要。

1 GAP基本原理和檢修現狀

1.1 GAP基本結構和工作機理

GAP 是串聯補償電容器組重要的過電壓保護設備，用于在規定時間內承載被保護設備的電流，以防止串聯電容器組過電壓或MOV（金屬氧化物限壓器）過電流導致的設備損壞［2］。

國內外串補裝置最常用的GAP拓撲結構，由自放電型主間隙和間隙觸發控制系統組成，如圖1所示。

圖1 GAP拓撲結構

由圖1 可見，2 個串聯的自放電型主間隙（G1和G2）安裝在間隙小室內，各承擔串補電容器組額定電壓的1/2。間隙觸發控制系統則由間隙觸發主回路和GTCB（間隙觸發控制箱）兩部分組成。其中間隙觸發主回路包括觸發放電型密閉間隙（TRIG1、TRIG2）、限流電阻器（R1）、低壓脈沖變壓器（T1、T3）、高壓脈沖變壓器（T2、T4）、均壓電容器（C1、C2、C3、C4），它接收來自GTCB 的電觸發脈沖，并最終實現自放電型主間隙G1 和G2 的全部放電，使串聯電容器組經阻尼裝置旁路。GTCB 是安裝于串補高壓絕緣平臺上的弱電設備，它用于接收串補保護裝置發出的間隙觸發光信號，并向間隙觸發主回路輸出電觸發脈沖，與其共同實現對主間隙的強制性觸發控制［2-3］。

1.2 GAP現行常規檢修項目

如前所述，參照出廠試驗和型式試驗的規定來制定GAP檢修方案顯然是不合適的，因此檢修公司通常會參照DL/T 1220—2013《串聯電容器補償裝置 交接試驗及驗收規范》或DL/T 366—2010《串聯電容器補償裝置一次設備預防性試驗規程》中的相關規定。雖然現在預防性試驗的概念已經很少提及，但電力生產實踐證明，對電氣設備按規定開展檢測試驗工作，是防患于未然、保證電力系統安全經濟運行的重要措施之一，與檢修工作的內容和目的更為契合，故檢修公司現行GAP檢修項目更多的是參考DL/T 366—2010制定，具體內容如表1所示。

表1 GAP現行常規檢修項目

2 現行GAP現場試驗方法分析

2.1 密閉間隙自放電電壓測量

2.1.1 試驗的必要性與合理性

密閉間隙是控制實現GAP主間隙強制性觸發導通的關鍵部件，其基本工作機理是通過有效的密封措施確保密閉間隙內部空氣的相對密度始終保持在被密封時的水平，也就確保了其自放電電壓的穩定性。由于密封間隙自放電電壓降低可能引起GAP 自放電電壓降低，導致GAP 自觸發，而且密封間隙自放電電壓的穩定性將直接影響GAP 觸發控制的準確性，故通過密閉間隙自放電電壓測量來驗證密閉間隙的可靠性和穩定性是非常有必要的［7-8］。

如上所述，密封正常的情況下，密閉間隙中電極間的距離決定其整體的自放電電壓水平，且其自放電電壓分散性小。至于其自放電電壓與距離的特性關系可通過測試并記錄不同間隙距離下自放電電壓峰值來擬合。為進一步準確考察自放電電壓的分散性，可在每一個間隙距離下進行多次工頻電壓自放電試驗，然后計算出每組數據的均值，并采用最小二乘法對均值點進行擬合，擬合曲線如圖2所示。其公式為：

圖2 密閉間隙自放電標定曲線

由圖2可知，自放電電壓的均值隨間隙距離的增大而線性增大，故可由貝塞爾公式計算得到均值數據的標準差σ。

式中：n為特征值的個數；vi為殘差，即特征數據與均值之差；v為殘差的自由度，采用最小二乘法擬合曲線時，殘差的自由度為n-2。

對于某一給定的間隙距離，假定擬合直線上間隙距離所對應的點為該距離的理論自放電電壓值，實測所得的自放電電壓值應符合高斯分布，在距離理論自放電電壓值1.96 倍標準差（1.96σ）的位置之間包含概率為95%的自放電電壓測量值：

式中：UAC為交流自放電電壓測量值。

以圖2中試驗數據為例，通過分別對7組間隙距離（16.8 mm、22.9 mm、29.0 mm、34.9 mm、36.3 mm、40.8 mm和44.8 mm）下實測自放電電壓數據求取標準差，可得到最大標準差。圖2中間隙距離范圍在16.8～44.8 mm，在置信度95%下，可計算出密閉間隙自放電電壓的置信區間小，密閉間隙自放電電壓分散性也小，因此通過測試該電壓并與出廠值比較可以有效檢驗出密閉間隙的實際性能狀態［4-5］。

2.1.2 試驗的難點和不足

密閉間隙自放電電壓測量試驗回路如圖3 所示。可通過直流/交流發生器對密閉間隙兩端施加電壓，并記錄下密閉間隙自放電瞬間的電壓值，試驗應進行1～2 次，對比放電電壓值和出廠值，應符合制造廠要求。

圖3 密閉間隙自放電電壓測量接線示意圖

該試驗的主要難點是密閉間隙自放電電壓比較高，以特高壓為例，其自放電電壓都在80 kV以上。試驗時須將密閉間隙外部接線拆除，由于試驗電壓較高，且密閉間隙安裝于串補平臺上，周圍設備較多，且設備間距離較近，故需對其周圍設備做好絕緣防護，甚至需要將其拆卸、吊離至串補平臺外進行試驗。另外自放電時對試驗設備沖擊較大，需結合限流回路參數設置相應的過電流保護。

該試驗的主要不足在于雖然可以驗證密閉間隙的穩定性和可靠性，但并不能驗證內置于電極里的火花塞性能，即火花塞接受強制觸發的脈沖電壓后能否可靠放電點火，也不能驗證即便火花塞點火成功后密閉間隙觸發放電的穩定性，故并未充分驗證密閉間隙觸發放電的可靠性［9-10］。

2.2 觸發功能試驗

2.2.1 試驗的必要性與合理性

觸發功能試驗顧名思義就是檢測間隙觸發控制系統的觸發控制性能，這也是GAP最關鍵的特性和考核指標。間隙觸發控制系統包括間隙觸發主回路和GTCB兩部分。

間隙觸發主回路如圖1所示，其中限流電阻器和均壓電容器可通過測量電阻值和電容值來判別其性能。根據檢修經驗，限流電阻異常導致GAP自觸發或拒觸發的概率較低，但均壓電容值發生變化，使GAP電壓分布不均勻確實可能導致火花間隙自放電電壓降低，引起GAP自觸發。低壓脈沖變壓器、高壓脈沖變壓器用于接收GTCB 發出的觸發控制脈沖，并給密閉間隙放電電極內的火花塞提供點火脈沖電壓，雖然2個脈沖變異常的概率較低，但仍須通過觸發功能試驗進行驗證。

GTCB 用于接收串補保護裝置通過光纖發來的GAP 觸發命令，并將其轉化為電脈沖發送給2個脈沖變，同時也實現對間隙觸發控制系統的狀態檢測并上報串補監控系統。

當前的觸發功能試驗主要分兩步，一是采用專用的GAP 觸發測試儀并將2 個脈沖變與密閉間隙間的接線解開，外接測試用火花塞，觀察火花塞點火情況；二是通過與串補控制保護系統聯調，觀察火花塞點火情況和間隙觸發控制系統報警信息上送。這項試驗能充分檢測出GTCB 內各部件以及2個脈沖變的狀態。

2.2.2 試驗的難點和不足

觸發功能試驗回路如圖4所示。觸發系統調試箱的主要作用是提供GTCB 所需的工作電源和符合規約的測試信號，對GTCB 內各功能組件和2個脈沖變進行通電檢測。隔離變1 用于為GTCB內的觸發電源模塊和觸發控制模塊提供輸入電源，隔離變2用于為儲能電容器提供充電電源。分壓電容器用于采集判別GAP兩端電壓是否達到觸發門檻電壓值。當需要與串補控制保護系統聯調時，直接將GTCB 觸發模塊OPin（光入信號接口）和OPout（光出接口）恢復接成工程用實際觸發光纖和回檢光纖，然后通過在保護裝置上模擬會發出GAP 觸發命令的保護動作即可。試驗結果要求當施加電壓低于觸發門檻電壓值時連續觸發5次，火花塞應可靠不點火，反之火花塞應連續可靠點火5次。

圖4 觸發功能試驗接線示意圖

該試驗的主要難點是試驗接線和試驗步驟較為復雜，需要特別注意試驗接線的恢復，以及插拔光纖時保持光頭的潔凈，否則會直接影響觸發信號的有效性。

該試驗的主要不足在于雖然可以驗證GTCB和2個脈沖變的穩定性和可靠性，但由于密閉間隙電極里的火花塞內置于密閉間隙內，無法觀測其點火情況，故不能驗證其性能，也就未充分驗證GAP觸發控制的可靠性［11］。

3 GAP觸發放電聯調試驗

3.1 試驗方法及其優越性

前文分析總結了當前串補檢修工作中GAP現場試驗的一些難點和不足，其中最關鍵的問題是對GAP 觸發放電電壓的穩定性和GAP 觸發控制的可靠性的檢驗不夠充分，故在觸發功能試驗的基礎上，提出GAP觸發放電聯調試驗，以期通過該試驗徹底解決上述問題。

試驗電壓要求越高，所需交流電壓發生器的體積就越大，重量越重，不便于現場使用，相應地對其電源容量的要求也就較高。故本試驗將觸發放電對象設定為密閉間隙，這樣試驗電壓僅為GAP 觸發放電電壓的1/4，對試驗設備的要求較低。

具體試驗方法如下：先拆除密閉間隙與觸發主回路之間的接線，可將圖1 中放電電阻R1 完全拆除，以確保被試品和周邊其他設備的絕緣距離。依據圖4將觸發系統調試箱接入GTCB，觸發命令光信號和回檢信息光信號仍使用來自串補控保系統的工程用光纖。利用交流電壓發生器直接在密閉間隙兩端施加試驗電壓，注意做好試驗導線與串補平臺上其他設備間的絕緣防護，逐步將電壓升至過壓保護水平，通常為2.3倍串聯電容器組額定電壓的1/4，持續1 min，密閉間隙無自放電。逐步降低電壓至1.7倍串聯電容器組額定電壓的1/4，在串補控制保護系統模擬MOV 過電流保護動作，發出GAP觸發命令，觀察密閉間隙放電情況。逐步上升電壓至1.9倍串聯電容器組額定電壓的1/4，在串補控制保護系統模擬MOV 過電流保護動作，發出GAP觸發命令，觀察密閉間隙放電情況。試驗結果要求當密閉間隙兩端施加電壓低于觸發門檻電壓值（1.8 倍串聯電容器組額定電壓的1/4）時連續觸發3次，密閉間隙應可靠不放電，反之密閉間隙應連續可靠放電3次。

3.2 試驗回路設計

GAP 觸發放電聯調試驗接線如圖5 所示。現場試驗時應把R1拆掉，交流電壓發生器輸出電壓一端直接加在密閉間隙TG1 高壓端，另外一端接TG1低壓端再直接和低壓母線，即串補平臺短接，串補平臺再和大地短接。圖5中的示波器用于判斷密閉間隙觸發放電是否成功，其判別標準為：通過高壓探頭和示波器采集密閉間隙兩端正弦波電壓的波形，當通過串補控制保護系統發出GAP觸發命令后，密閉間隙兩端電壓有明顯跌落，即可判斷為本次觸發放電聯調試驗成功。

圖5 GAP觸發放電聯調試驗接線示意圖

針對不同的工程和不同的試驗設備條件可以適當調整試驗接線，例如當串聯電容器組額定電壓較低、試驗電源容量較大且交流電壓發生器輸出電壓較高時，可考慮直接在高壓母線和低壓母線之間施加試驗電壓，試驗電壓為串聯電容器組額定電壓的1.9～2.3 倍，這樣可將GAP 觸發放電聯調試驗的檢驗范圍從密比間隙的觸發放電穩定性擴大為主間隙的觸發放電穩定性［12］。

4 GAP觸發放電聯調試驗的工程應用

研究確定了GAP觸發放電聯調試驗的基本方法后，即在我國西南某500 kV 串補工程現場的秋檢工作中進行實施。

現場實施過程中根據檢修公司要求，未采用觸發系統調試箱為GTCB 提供工作電源，而是現場通過手動調節單相交流調壓器電壓來控制流過多匝升流線餅的電流，實現為串補平臺低壓母線上取能CT（電流互感器）和充電CT 供電，然后通過控制電源取能CT和充電電源取能CT為GTCB供電，如圖6所示。這樣接線將檢測范圍進一步擴大到2個取能CT及其二次回路。

圖6 取能CT與GTCB接線示意圖

現場試驗典型波形如圖7、圖8 所示。圖7 所示為交流電壓發生器輸出端（B 通道）與量測輸出端（D 通道）的波形，發生器輸出電壓有效值為38 kV，直接加在密閉間隙兩端，量測輸出端與輸出高壓比例關系為1∶10 000。由波形可以看出，二者基本重疊，說明量測輸出端與交流電壓發生器輸出端波形一致，試驗測試數據真實可信。

圖7 交流電壓發生器輸出波形與測量端子波形

圖8 成功觸發波形（電壓跌落且能恢復一定幅值）

圖8中，A通道表示觸發箱內高壓脈沖變原邊電壓波形，B通道表示高壓脈沖變副邊波形，D通道表示外接交流電壓發生器輸出檢測端子波形。發生觸發時，電壓正處于高位，密閉間隙完全打開，造成交流電壓發生器高壓側電壓突降，試驗回路的雜散電容和電感瞬間形成一個高頻充放電過程，此過程維持了5 ms 以上。此后交流電壓發生器輸出電壓逐步恢復，但電壓幅值有明顯的跌落，這主要是由于密閉間隙有一定幅值的電流流過，呈現一定的阻抗特性，消納電感儲存的能量，直到電流降到一定值后，交流電壓發生器開始慢慢恢復，此時容量為10 kVA交流電壓發生器再以最大電流的形式向密閉間隙提供一定幅值的導通電流。因此容量有限的交流電壓發生器在以最大電流的形式輸出時，電壓幅值被限制到一定幅值，也即無法恢復到正常設定值38 kV，跌落深度接近60%。這期間由于觸發脈沖群持續有效，會導致密閉間隙在其端電壓達到擊穿條件（峰值附近）時再次出現短暫的擊穿放電現象。

5 結語

本研究客觀分析了GAP傳統檢修項目中的密閉間隙自放電電壓測量和觸發功能試驗的優缺點。在此基礎上提出將二者合并，進一步優化成GAP觸發放電聯調試驗的新思路，并提出了具體的試驗方法和試驗回路設計。新提出的GAP觸發放電聯調試驗在確保現場試驗可操作性的前提下，擴大了試驗的檢測范圍，同時縮小了對串補原有設備和接線的影響范圍，全面提高了GAP檢修工作的精準度和效率。最終通過實際工程應用驗證了在串補檢修工作中采用GAP觸發放電聯調試驗的合理性和有效性。