由于間隙在110及220kV系統(tǒng)不接地變壓器中性點保護方面的重要性以及空氣間隙所存在的固有缺陷，在研究新型保護間隙方面做了許多有益的工作。研究表明，用真空開關(guān)做成可控間隙，可取得理想效果，為問題的解決提供了新思路。

　　為克服變壓器中性點傳統(tǒng)空氣保護間隙存在的缺陷，本文提出“氣水間隙”概念。顯然，氣水間隙相對于單一介質(zhì)的空氣間隙，其放電過程和特性會更為復雜，有必要加以研究，以便于工程應(yīng)用。

　　由于環(huán)境等因素的復雜性，流體放電很多時候并不是單一流體放電，而是多種組合流體放電。空氣水流兩相組合流體是比較典型的一種組合流體，被廣泛用于污水處理、水下聲源、高壓絕緣、EHD噴霧等科技領(lǐng)域。在水中放電研究方面，Lisitsyn等人的研究表明，水中放電是在電場作用下，由于電加熱等原因，在流注尖端及其附近區(qū)域產(chǎn)生蒸汽氣泡，由氣泡放電導致水的擊穿。

　　目前，空氣水流兩相組合流體放電主要還是應(yīng)用于高壓放電水處理技術(shù)，在高壓放電絕緣領(lǐng)域運用的還是很少，并且在高壓放電水處理技術(shù)領(lǐng)域中，運用研究較多的僅僅局限于氣中噴霧或者在水中吹進氣泡等若干方面，沒有涉及到空氣段和水流段相組合形成的兩相組合流體放電。另外，雖然水中放電或氣中噴霧放電的各種特性和規(guī)律己被廣泛研究，但是對于水中流注通道的形成和發(fā)展的機制研究還不夠成熟，水介質(zhì)的放電擊穿理論還需進一步深化，關(guān)于變壓器中性點空氣水流兩相組合流體保護間隙放電擊穿的理論則更為稀少。

　　為深入研究水介質(zhì)以及空氣水流兩相組合流體的放電特性和機制，本文進行了空氣水流兩相組合流體間隙（下文簡稱“氣水間隙”）工頻放電特性試驗，試驗在武漢大學電氣工程學院高電壓與絕緣技術(shù)試驗室進行。通過試驗結(jié)果得出了氣水間隙放電特性的若干規(guī)律。這些放電規(guī)律恰恰證明了目前液體放電主流理論一氣泡擊穿理論的正確性。

　　基于氣泡擊穿理論和空氣與水不同的電特性，對試驗觀察到的各種放電現(xiàn)象、規(guī)律和機制進行分析，指出水流的擊穿起因是其中的“氣泡橋”的存在和發(fā)展，以及水中電離子作用的結(jié)果。在氣水間隙中，空氣段率先擊穿形成的電弧高溫加熱水流促使水中氣泡產(chǎn)生和發(fā)展，比較終導致水流段的擊穿（空氣水流兩相組合流體即擊穿）。氣水間隙工頻擊穿曲線隨噴射水流長度減小呈先減小后大的變化趨勢（間隙總長度固定時）是氣段與水段不同的電特性相互作用的結(jié)果。

　　同時，鑒于傳統(tǒng)空氣保護間隙存在若干缺陷，將氣水間隙應(yīng)用于變壓器中性點保護，具有可觀的研究價值和應(yīng)用前景。

　　1試驗裝置結(jié)構(gòu)氣水間隙是指在傳統(tǒng)空氣間隙中，根據(jù)擊穿需要，從低壓電極中噴出水流，形成由空氣段和水流段結(jié)合而成的新型間隙。為研究氣水間隙的放電特性，構(gòu)建了試驗裝置，如所示。為確保低壓側(cè)水流噴射方向正指向高壓電極，兩電極采用垂直放置方式，低壓電極在下，為鋼材空心電極，頭部的空心孔直徑為4mm，外徑為16mm，水柱從該低壓電極頭部小孔噴出。高壓電極在上，為鋼材實心電極，直徑為16mm.兩根電極的長度都為300mm，高壓實心電極由支柱絕緣子支撐，低壓空心電極的尾部連接塑料水管，水管與自來水龍頭相連接，只要打開水龍頭，水流便可從低壓電極噴射出來。電源采用工頻高壓電源。

　　2放電過程與試驗數(shù)據(jù)試驗用高壓工頻電源來模擬變壓器中性點穩(wěn)態(tài)工頻過電壓，高壓工頻電源的型號為MLDC?250kVA試驗變壓器配套電動控制臺，比較大輸出電壓為250kV.用分壓器測量加在高壓電極上的工頻電壓，分壓器型號為FRC?100交直流高電壓測量裝置（分壓器），分壓比為100kV/20V.打開自來水龍頭，使水流從低壓空心電極向上噴出形成水柱。調(diào)節(jié)龍頭開度大小，可獲得不同高度的水柱。試驗時環(huán)境條件：氣壓為98.399.5kPa，溫度為3032C，絕對濕度為1517g/m3，水溫為2629C.定義為加在氣水間隙上的電壓，R為氣水間隙氣段擊穿時的電壓，為氣水間隙全都擊穿時的電壓，i為氣水間隙總長度，為水段長度，x為氣段長度，則i=x+y，如所示。

　　試驗氣水間隙總長度設(shè)定為180mm，試驗方法采用連續(xù)升壓方法，即對每種距離的間隙加壓10次，取平均值為50%工頻放電電壓。

　　調(diào)節(jié)龍頭開度大小，使x為0mm，即為全水間棗水流空氣水流兩相組合流體間隙隙。調(diào)高高壓工頻電壓到80kV左右，全水間隙仍未擊穿。經(jīng)過試驗得出180mm空氣間隙的擊穿電壓大約為76kV左右，并且在下文所述內(nèi)容中可以得知，當x不為0時，氣水間隙的擊穿電壓將較明顯地低于全水間隙擊穿電壓，由此可知，全水間隙的擊穿電壓較高。

　　調(diào)節(jié)龍頭開度大小，使x為10個不同的數(shù)值，針對不同的x，觀察和記錄擊穿現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。當x較小時，逐步調(diào)高高壓工頻電壓，可見氣水間隙擊穿的過程是：當工頻電壓達到時，間隙中的氣段擊穿，在高壓電極頭部的氣段側(cè)產(chǎn)生穩(wěn)定強烈的電弧，空氣電弧顏色為金黃色，如（a）所示；繼續(xù)調(diào)高工頻電壓達到認時，整個間隙被擊穿（可見（a）氣段電弧情形（b）全間隙電弧情形氣水間隙電弧情形水段電弧從靠近高壓側(cè)的水柱端部起始沿著水流快速向低壓電極延伸），水流電弧顏色為藍白色，如（b）所示。對于較大的x，當工頻電壓達到時，氣段擊穿隨即水段擊穿。試驗結(jié)果如表1（1、x的關(guān)系）和表2（認、x的關(guān)系）所示。另外，對于不同長度L的氣水間隙，當水流從低壓電極噴出時，在高壓電極頭部附近，僅留下極短的空氣段（即絕大部分是水段，氣段長度在1~2mm左右），變化總長度A，進行放電試驗，得到氣水間隙全間隙擊穿電壓，結(jié)果如表3（認、L的關(guān)系）所示，表3的數(shù)據(jù)是13個不同的L對應(yīng)的全間隙擊穿電壓。

　　表1氣水間隙氣段擊穿電壓數(shù)據(jù)表Tab.氣段長度/mm氣段擊穿電壓/kV氣段長度/mm氣段擊穿電壓/kV氣段長度/mm氣段擊穿電壓/kV表2氣水間隙全間隙擊穿電壓數(shù)據(jù)表Tab.氣段長度/mm全間隙擊穿電壓/kV氣段長度/全間隙擊mm穿電壓/kV氣段長度/mm全間隙擊穿電壓/kV表3極短氣段氣水間隙全間隙擊穿電壓數(shù)據(jù)表Tab.間隙距離/mm全間隙擊穿電壓/kV水流電弧燃燒過程中，可聞見啪啪的響聲，低壓側(cè)噴水電極產(chǎn)生可感知的振動；水流停止噴射，電弧轉(zhuǎn)為空氣電弧后，振動明顯減弱甚至消失。

　　3規(guī)律分析與機制研究和的d點右側(cè)部分是重合的。氣水間隙放電特性表現(xiàn)出這種特有的規(guī)律，其發(fā)生的機制較為復雜，后續(xù)將嘗試予以揭示。

　　首先，從試驗觀察到，在氣水間隙擊穿過程中，總是氣段先擊穿，然后水段才會擊穿。這是因為，未擊穿前，由于水的導電性致使水段可傳導電壓，而氣段不能傳導電壓，因此工頻電壓不會加在水段上，而總是經(jīng)過水段而先加在氣段上，從而使氣段先擊穿。從另一方面看，擊穿后有較大的電流通過，當氣段擊穿后，由于水的導電性可通過較大的電流，從而使氣段電弧燃燒得以維持；而如果水段先擊穿，由于空氣的不易導電性，氣段未擊穿前無法通過較大的電流，因此水段電弧無法維持，即水段不會先于氣段擊穿。

　　所示的曲線呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，并且存在比較低拐點d點。因為氣段先擊穿，水段后擊穿，故設(shè)水段擊穿電壓為W，氣水間隙全都擊穿時的電壓以2為以1和以3中的比較大值，即隨著x增大，氣段擊穿電壓U1也相應(yīng)的單調(diào)增大，但水段擊穿電壓U3卻相應(yīng)的單調(diào)減小（因為U3隨著的減小而單調(diào)減小），即當氣段為極短時（X為接近于0的很小的值），U1也很小，U3>U1.故，當x增大到一定值a時，/⑷=f1⑷=f3⑷極短氣段氣水間隙全間隙擊穿特性曲線由可知，U1隨x的增大而近似呈線性增大。

　　所呈現(xiàn)的是氣水間隙中氣段放電電壓特性，而氣段的放電起始和發(fā)展過程主要類似于空氣放電擊穿理論所描述的放電過程，故氣段擊穿電壓U1與氣段長度x呈線性關(guān)系。

　　由可知，極短氣段的氣水間隙放電特性曲線（在試驗范圍內(nèi)）近似于線性。

　　由可知，隨著x的增大，U2起初逐步變小，當?shù)竭_d點（比較低拐點）后，U2又逐步變大，且一（3），有一（4），可得一旦氣段擊穿，氣段壓降則迅速降低至很小（僅剩維持電壓），氣段電弧隨即傳導電壓，使加在氣水間隙上的電壓轉(zhuǎn)而主要加在水段上。當水段較長、氣段較短時，擊穿氣段后轉(zhuǎn)而加在水段上的電壓不足以擊穿水段，因此需進一步大電壓至認，水段才可擊穿，且水段越長，（R-f/i）越大。對于確定的氣水間隙長度I，隨著水段變短、氣段變長，1大，f3減小，（f2-fA）減小，當水段長度減小到某值時，剛好使f2=fi時（對應(yīng)于氣水間隙工頻放電曲線上的A點），擊穿氣段的電壓fi使氣段擊穿后絕大部分隨即加在水段上（氣段電弧上還有很小的維持電壓），使水段擊穿，而此時不需要再大電壓。

　　此后若水段長度繼續(xù)減小（氣段變長），試驗中可見氣段擊穿則水段隨即擊穿的現(xiàn)象。

　　對于一定值長度I的氣水間隙，對于變量X，氣水間隙工頻放電特性曲線（即I不變時的曲線）呈現(xiàn)先減小后大的變化趨勢，而d點即為比較低點，且中x40mm的曲線部分和的d點右側(cè)部分是重合的。這是因為：在點左側(cè)，總有f2=f3>fi，當氣段X變大時（即水段變短），f2變小，即曲線下行且近似線性變化；而在d點右側(cè)，總有f2=f/i>f3，而隨著氣段X的變長（y變小），fi變大，即曲線逐步上行，且近似線性變化，其線性變化的原因是因為氣段放電電壓主要表征的是氣水間隙中的空氣擊穿特性。

　　同時可以發(fā)現(xiàn)，由于受空氣電弧高溫激發(fā)的水擊穿的電壓低于空氣擊穿電壓，因此d點位于I中點左側(cè)，即d點處x<（I/2）。

　　由還可以看出，全水和全空氣間隙的擊穿電壓均高于氣水間隙擊穿電壓，且全水間隙擊穿電壓明顯高于小空氣段（空氣段極短）氣水間隙的擊穿電壓，即全水間隙不易擊穿，擊穿電壓很高；但只需留下少許空氣段，則間隙擊穿電壓會明顯降低。這是因為水段的擊穿需要“氣泡橋”相較于空氣率先擊穿產(chǎn)生的電弧高溫促進水中氣泡的產(chǎn)生，靠水中通過的電流使水加熱促進水中氣泡的產(chǎn)生則要困難得多。

　　綜上所述，氣水保護間隙擊穿的過程和機制可以理解為：氣水保護間隙水流未噴出前，間隙為全空氣，此時擊穿電壓較高；當水流噴出后，由于水（非純凈的）的易導電性，相當于低壓電極向高壓電極延長靠近，空氣段變短，空氣段率先擊穿，隨即氣側(cè)電弧燃燒的高溫使鄰近水介質(zhì)加速汽化和電離，促進水中氣泡的產(chǎn)生，當水的汽化和電離劇烈到一定的度時（即工頻電壓為上文的f2時），水段開始從靠近氣側(cè)擊穿并且水段電弧迅速向低壓側(cè)發(fā)展，比較終導致整個氣水保護間隙擊穿。在空氣段擊穿前，通過的電流極小，水段電壓降也極小，因此加在空氣段上的電壓幾乎等于加在氣水間隙上的電壓fi，也就是說水段起了“電壓傳導”的作用。

　　利用氣水間隙代替空氣間隙保護變壓器中性點絕緣的原理是：設(shè)定氣水間隙長度大于傳統(tǒng)空氣間隙長度，使得在未噴射水流前（此時為空氣間隙）間隙不會被誤擊穿；但當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障且失地或非全相運行時（此時間隙應(yīng)該擊穿放電），通過信號檢測和控制回路使水流從低壓電極中噴出，形成氣水間隙并被擊穿（如前述氣水間隙擊穿電壓明顯低于空氣間隙），從而起到保護作用。從信號檢測到水流的噴出并被擊穿，整個過程不超過1s，并且經(jīng)過廠家和試驗室的檢測，避雷器在110kV系統(tǒng)相電壓下可以耐受至少2min而不發(fā)生熱損壞或爆炸，故氣水間隙可以及時擊穿并且確保避雷器在單相接地且失地或非全相運行時不會發(fā)生爆炸。按照這一原理設(shè)計的間隙及其控制裝置己研制完成，經(jīng)試驗達到了預期效果，作者將另文介紹。

　　另外，傳統(tǒng)空氣保護間隙存在若干缺陷：空氣間隙的距離大小較難掌握并且空氣間隙的放電分散性較大，容易引發(fā)誤動或者拒動的情況；空氣間隙誤動事故經(jīng)常是因為空氣間隙在較高的暫態(tài)電壓作用下?lián)舸瑢е吕^電保護誤動；避雷器和空氣間隙的參數(shù)配合困難，要完全滿足保護原則有一定的難度。因此，將氣水間隙應(yīng)用于變壓器中性點保護，具有較可觀的研究價值和應(yīng)用前景。

　　4結(jié)論由于水的可導電性和空氣的不易導電性的相互作用，使氣水組合間隙比之相同長度的全空氣間隙和相同長度的全水間隙易于擊穿，因此將此應(yīng)用于變壓器中性點保護間隙，相對于具有若干缺陷的傳統(tǒng)空氣保護間隙，具有較明顯的優(yōu)勢和價值。

　　氣水間隙長度I不變而氣段長度x變化時，氣水間隙工頻放電特性曲線隨氣段長度大呈現(xiàn)先減小后大的變化趨勢。即在氣水間隙放電過程中，隨著水段長度從幾乎等于（即略小于）氣水間隙長度開始逐漸變短，氣水間隙擊穿電壓會由高變低，到達一個比較低點后，再由低變高。

　　在氣水間隙中，氣段擊穿電壓隨氣段的變長（此時水段變短）而呈近似線性變大。

　　由于空氣電弧明顯的加熱特性，導致小空氣段（空氣段極短）氣水間隙的擊穿電壓明顯低于全水間隙擊穿電壓，且極短氣段的氣水間隙放電特性曲線（在試驗范圍內(nèi)和I的關(guān)系曲線）近似于線性。

　　由于水的導電性和空氣的不易導電性，使得在氣水間隙的擊穿過程中，總是氣段先擊穿，然后水段才會擊穿。而且，在氣水間隙放電特性曲線中存在一個點，在此點之前可以做到先擊穿氣段，然后加大電壓再擊穿水段；但在此點之后氣段擊穿后隨即出現(xiàn)水段的擊穿。此點即為氣水間隙放電特性曲線的比較低拐點。

　　變壓器中性點氣水保護間隙在動作時水流噴出，應(yīng)在高壓電極頭部處留有氣隙，建議控制水流噴向曲線（認和x的關(guān)系）比較低點區(qū)域，且該點位于氣水間隙中點左側(cè)附近。