强制触发型火花间隙现场试验方法研究

柴 斌，喻劲松，卢泓冶，崔春艳，任佳丽，郭文明

（1.南瑞集团中电普瑞电力工程有限公司，北京 102200；2.南瑞集团中电普瑞科技有限公司，北京 102200；3.云南电网有限责任公司建设分公司，昆明 650051）

0 引言

串补技术在国内的工程应用已经将近30 年，这期间国内检修公司在不断积累串补成套装置检修经验的基础上，参照我国其他超高压电力设备检修规范，逐步形成了一套适用于中国电网的较为完整的串补成套装置检修规范。然而串补成套装置设备组成较为复杂，尤其是一些串补特有的关键设备，如GAP（强制触发型火花间隙）可参照的检修规范基本没有，只能借鉴GB/T 6115.2—2017《电力系统用串联电容器 第2 部分：串联电容器组用保护设备》中出厂试验和型式试验规定，并结合实际检修工作进行制订和完善。迄今为止，相关工作已经取得了一定的成果，例如相继制定了DL/T 1220—2013《串联电容器补偿装置 交接试验及验收规范》等一系列行业标准。但依然存在较大的提升空间，特别是GAP现场试验这部分内容始终不够精准明确，给检修工作带来一定程度的不便和一些潜在风险。这主要是由于不同串补现场设备状况各异，检修经验的积累和总结需要时间。另外不同现场的试验条件很难达到制造商厂内试验条件（出厂试验）或者专业试验验证机构的试验室条件（型式试验），因此不太可能、也没有必要照搬出厂试验和型式试验相关规定［1］。

多年的串补成套装置检修数据统计表明：GAP 已成为串补成套装置中故障率较高的一个薄弱环节，因此结合检修现场的实际条件，研究并提出满足检修需要、精准而明确的现场试验方法，从而大幅提升检修后设备性能的稳定性和可靠性变得尤为重要。

1 GAP基本原理和检修现状

1.1 GAP基本结构和工作机理

GAP 是串联补偿电容器组重要的过电压保护设备，用于在规定时间内承载被保护设备的电流，以防止串联电容器组过电压或MOV（金属氧化物限压器）过电流导致的设备损坏［2］。

国内外串补装置最常用的GAP拓扑结构，由自放电型主间隙和间隙触发控制系统组成，如图1所示。

图1 GAP拓扑结构

由图1 可见，2 个串联的自放电型主间隙（G1和G2）安装在间隙小室内，各承担串补电容器组额定电压的1/2。间隙触发控制系统则由间隙触发主回路和GTCB（间隙触发控制箱）两部分组成。其中间隙触发主回路包括触发放电型密闭间隙（TRIG1、TRIG2）、限流电阻器（R1）、低压脉冲变压器（T1、T3）、高压脉冲变压器（T2、T4）、均压电容器（C1、C2、C3、C4），它接收来自GTCB 的电触发脉冲，并最终实现自放电型主间隙G1 和G2 的全部放电，使串联电容器组经阻尼装置旁路。GTCB 是安装于串补高压绝缘平台上的弱电设备，它用于接收串补保护装置发出的间隙触发光信号，并向间隙触发主回路输出电触发脉冲，与其共同实现对主间隙的强制性触发控制［2-3］。

1.2 GAP现行常规检修项目

如前所述，参照出厂试验和型式试验的规定来制定GAP检修方案显然是不合适的，因此检修公司通常会参照DL/T 1220—2013《串联电容器补偿装置 交接试验及验收规范》或DL/T 366—2010《串联电容器补偿装置一次设备预防性试验规程》中的相关规定。虽然现在预防性试验的概念已经很少提及，但电力生产实践证明，对电气设备按规定开展检测试验工作，是防患于未然、保证电力系统安全经济运行的重要措施之一，与检修工作的内容和目的更为契合，故检修公司现行GAP检修项目更多的是参考DL/T 366—2010制定，具体内容如表1所示。

表1 GAP现行常规检修项目

2 现行GAP现场试验方法分析

2.1 密闭间隙自放电电压测量

2.1.1 试验的必要性与合理性

密闭间隙是控制实现GAP主间隙强制性触发导通的关键部件，其基本工作机理是通过有效的密封措施确保密闭间隙内部空气的相对密度始终保持在被密封时的水平，也就确保了其自放电电压的稳定性。由于密封间隙自放电电压降低可能引起GAP 自放电电压降低，导致GAP 自触发，而且密封间隙自放电电压的稳定性将直接影响GAP 触发控制的准确性，故通过密闭间隙自放电电压测量来验证密闭间隙的可靠性和稳定性是非常有必要的［7-8］。

如上所述，密封正常的情况下，密闭间隙中电极间的距离决定其整体的自放电电压水平，且其自放电电压分散性小。至于其自放电电压与距离的特性关系可通过测试并记录不同间隙距离下自放电电压峰值来拟合。为进一步准确考察自放电电压的分散性，可在每一个间隙距离下进行多次工频电压自放电试验，然后计算出每组数据的均值，并采用最小二乘法对均值点进行拟合，拟合曲线如图2所示。其公式为：

图2 密闭间隙自放电标定曲线

由图2可知，自放电电压的均值随间隙距离的增大而线性增大，故可由贝塞尔公式计算得到均值数据的标准差σ。

式中：n为特征值的个数；vi为残差，即特征数据与均值之差；v为残差的自由度，采用最小二乘法拟合曲线时，残差的自由度为n-2。

对于某一给定的间隙距离，假定拟合直线上间隙距离所对应的点为该距离的理论自放电电压值，实测所得的自放电电压值应符合高斯分布，在距离理论自放电电压值1.96 倍标准差（1.96σ）的位置之间包含概率为95%的自放电电压测量值：

式中：UAC为交流自放电电压测量值。

以图2中试验数据为例，通过分别对7组间隙距离（16.8 mm、22.9 mm、29.0 mm、34.9 mm、36.3 mm、40.8 mm和44.8 mm）下实测自放电电压数据求取标准差，可得到最大标准差。图2中间隙距离范围在16.8～44.8 mm，在置信度95%下，可计算出密闭间隙自放电电压的置信区间小，密闭间隙自放电电压分散性也小，因此通过测试该电压并与出厂值比较可以有效检验出密闭间隙的实际性能状态［4-5］。

2.1.2 试验的难点和不足

密闭间隙自放电电压测量试验回路如图3 所示。可通过直流/交流发生器对密闭间隙两端施加电压，并记录下密闭间隙自放电瞬间的电压值，试验应进行1～2 次，对比放电电压值和出厂值，应符合制造厂要求。

图3 密闭间隙自放电电压测量接线示意图

该试验的主要难点是密闭间隙自放电电压比较高，以特高压为例，其自放电电压都在80 kV以上。试验时须将密闭间隙外部接线拆除，由于试验电压较高，且密闭间隙安装于串补平台上，周围设备较多，且设备间距离较近，故需对其周围设备做好绝缘防护，甚至需要将其拆卸、吊离至串补平台外进行试验。另外自放电时对试验设备冲击较大，需结合限流回路参数设置相应的过电流保护。

该试验的主要不足在于虽然可以验证密闭间隙的稳定性和可靠性，但并不能验证内置于电极里的火花塞性能，即火花塞接受强制触发的脉冲电压后能否可靠放电点火，也不能验证即便火花塞点火成功后密闭间隙触发放电的稳定性，故并未充分验证密闭间隙触发放电的可靠性［9-10］。

2.2 触发功能试验

2.2.1 试验的必要性与合理性

触发功能试验顾名思义就是检测间隙触发控制系统的触发控制性能，这也是GAP最关键的特性和考核指标。间隙触发控制系统包括间隙触发主回路和GTCB两部分。

间隙触发主回路如图1所示，其中限流电阻器和均压电容器可通过测量电阻值和电容值来判别其性能。根据检修经验，限流电阻异常导致GAP自触发或拒触发的概率较低，但均压电容值发生变化，使GAP电压分布不均匀确实可能导致火花间隙自放电电压降低，引起GAP自触发。低压脉冲变压器、高压脉冲变压器用于接收GTCB 发出的触发控制脉冲，并给密闭间隙放电电极内的火花塞提供点火脉冲电压，虽然2个脉冲变异常的概率较低，但仍须通过触发功能试验进行验证。

GTCB 用于接收串补保护装置通过光纤发来的GAP 触发命令，并将其转化为电脉冲发送给2个脉冲变，同时也实现对间隙触发控制系统的状态检测并上报串补监控系统。

当前的触发功能试验主要分两步，一是采用专用的GAP 触发测试仪并将2 个脉冲变与密闭间隙间的接线解开，外接测试用火花塞，观察火花塞点火情况；二是通过与串补控制保护系统联调，观察火花塞点火情况和间隙触发控制系统报警信息上送。这项试验能充分检测出GTCB 内各部件以及2个脉冲变的状态。

2.2.2 试验的难点和不足

触发功能试验回路如图4所示。触发系统调试箱的主要作用是提供GTCB 所需的工作电源和符合规约的测试信号，对GTCB 内各功能组件和2个脉冲变进行通电检测。隔离变1 用于为GTCB内的触发电源模块和触发控制模块提供输入电源，隔离变2用于为储能电容器提供充电电源。分压电容器用于采集判别GAP两端电压是否达到触发门槛电压值。当需要与串补控制保护系统联调时，直接将GTCB 触发模块OPin（光入信号接口）和OPout（光出接口）恢复接成工程用实际触发光纤和回检光纤，然后通过在保护装置上模拟会发出GAP 触发命令的保护动作即可。试验结果要求当施加电压低于触发门槛电压值时连续触发5次，火花塞应可靠不点火，反之火花塞应连续可靠点火5次。

图4 触发功能试验接线示意图

该试验的主要难点是试验接线和试验步骤较为复杂，需要特别注意试验接线的恢复，以及插拔光纤时保持光头的洁净，否则会直接影响触发信号的有效性。

该试验的主要不足在于虽然可以验证GTCB和2个脉冲变的稳定性和可靠性，但由于密闭间隙电极里的火花塞内置于密闭间隙内，无法观测其点火情况，故不能验证其性能，也就未充分验证GAP触发控制的可靠性［11］。

3 GAP触发放电联调试验

3.1 试验方法及其优越性

前文分析总结了当前串补检修工作中GAP现场试验的一些难点和不足，其中最关键的问题是对GAP 触发放电电压的稳定性和GAP 触发控制的可靠性的检验不够充分，故在触发功能试验的基础上，提出GAP触发放电联调试验，以期通过该试验彻底解决上述问题。

试验电压要求越高，所需交流电压发生器的体积就越大，重量越重，不便于现场使用，相应地对其电源容量的要求也就较高。故本试验将触发放电对象设定为密闭间隙，这样试验电压仅为GAP 触发放电电压的1/4，对试验设备的要求较低。

具体试验方法如下：先拆除密闭间隙与触发主回路之间的接线，可将图1 中放电电阻R1 完全拆除，以确保被试品和周边其他设备的绝缘距离。依据图4将触发系统调试箱接入GTCB，触发命令光信号和回检信息光信号仍使用来自串补控保系统的工程用光纤。利用交流电压发生器直接在密闭间隙两端施加试验电压，注意做好试验导线与串补平台上其他设备间的绝缘防护，逐步将电压升至过压保护水平，通常为2.3倍串联电容器组额定电压的1/4，持续1 min，密闭间隙无自放电。逐步降低电压至1.7倍串联电容器组额定电压的1/4，在串补控制保护系统模拟MOV 过电流保护动作，发出GAP触发命令，观察密闭间隙放电情况。逐步上升电压至1.9倍串联电容器组额定电压的1/4，在串补控制保护系统模拟MOV 过电流保护动作，发出GAP触发命令，观察密闭间隙放电情况。试验结果要求当密闭间隙两端施加电压低于触发门槛电压值（1.8 倍串联电容器组额定电压的1/4）时连续触发3次，密闭间隙应可靠不放电，反之密闭间隙应连续可靠放电3次。

3.2 试验回路设计

GAP 触发放电联调试验接线如图5 所示。现场试验时应把R1拆掉，交流电压发生器输出电压一端直接加在密闭间隙TG1 高压端，另外一端接TG1低压端再直接和低压母线，即串补平台短接，串补平台再和大地短接。图5中的示波器用于判断密闭间隙触发放电是否成功，其判别标准为：通过高压探头和示波器采集密闭间隙两端正弦波电压的波形，当通过串补控制保护系统发出GAP触发命令后，密闭间隙两端电压有明显跌落，即可判断为本次触发放电联调试验成功。

图5 GAP触发放电联调试验接线示意图

针对不同的工程和不同的试验设备条件可以适当调整试验接线，例如当串联电容器组额定电压较低、试验电源容量较大且交流电压发生器输出电压较高时，可考虑直接在高压母线和低压母线之间施加试验电压，试验电压为串联电容器组额定电压的1.9～2.3 倍，这样可将GAP 触发放电联调试验的检验范围从密比间隙的触发放电稳定性扩大为主间隙的触发放电稳定性［12］。

4 GAP触发放电联调试验的工程应用

研究确定了GAP触发放电联调试验的基本方法后，即在我国西南某500 kV 串补工程现场的秋检工作中进行实施。

现场实施过程中根据检修公司要求，未采用触发系统调试箱为GTCB 提供工作电源，而是现场通过手动调节单相交流调压器电压来控制流过多匝升流线饼的电流，实现为串补平台低压母线上取能CT（电流互感器）和充电CT 供电，然后通过控制电源取能CT和充电电源取能CT为GTCB供电，如图6所示。这样接线将检测范围进一步扩大到2个取能CT及其二次回路。

图6 取能CT与GTCB接线示意图

现场试验典型波形如图7、图8 所示。图7 所示为交流电压发生器输出端（B 通道）与量测输出端（D 通道）的波形，发生器输出电压有效值为38 kV，直接加在密闭间隙两端，量测输出端与输出高压比例关系为1∶10 000。由波形可以看出，二者基本重叠，说明量测输出端与交流电压发生器输出端波形一致，试验测试数据真实可信。

图7 交流电压发生器输出波形与测量端子波形

图8 成功触发波形（电压跌落且能恢复一定幅值）

图8中，A通道表示触发箱内高压脉冲变原边电压波形，B通道表示高压脉冲变副边波形，D通道表示外接交流电压发生器输出检测端子波形。发生触发时，电压正处于高位，密闭间隙完全打开，造成交流电压发生器高压侧电压突降，试验回路的杂散电容和电感瞬间形成一个高频充放电过程，此过程维持了5 ms 以上。此后交流电压发生器输出电压逐步恢复，但电压幅值有明显的跌落，这主要是由于密闭间隙有一定幅值的电流流过，呈现一定的阻抗特性，消纳电感储存的能量，直到电流降到一定值后，交流电压发生器开始慢慢恢复，此时容量为10 kVA交流电压发生器再以最大电流的形式向密闭间隙提供一定幅值的导通电流。因此容量有限的交流电压发生器在以最大电流的形式输出时，电压幅值被限制到一定幅值，也即无法恢复到正常设定值38 kV，跌落深度接近60%。这期间由于触发脉冲群持续有效，会导致密闭间隙在其端电压达到击穿条件（峰值附近）时再次出现短暂的击穿放电现象。

5 结语

本研究客观分析了GAP传统检修项目中的密闭间隙自放电电压测量和触发功能试验的优缺点。在此基础上提出将二者合并，进一步优化成GAP触发放电联调试验的新思路，并提出了具体的试验方法和试验回路设计。新提出的GAP触发放电联调试验在确保现场试验可操作性的前提下，扩大了试验的检测范围，同时缩小了对串补原有设备和接线的影响范围，全面提高了GAP检修工作的精准度和效率。最终通过实际工程应用验证了在串补检修工作中采用GAP触发放电联调试验的合理性和有效性。