在110kV系統中，為了限制單相接地短路電流，防止通訊干擾以及滿足繼電保護整定的需要，基金資助項目：中央高校基金科研業務費專項資金（2012207020206）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2009CB724500）。

　　通常采取部分變壓器中性點不接地運行。當110kV系統輸電線路發生各種故障時（主要為單相接地短路、雷電過電壓、非全相運行），在不接地變壓器中性點上會產生過電壓。

　　前人多年的理論研究和現場運行經驗表明：在雷電過電壓、單相接地短路和非全相運行3種故障下，產生的變壓器中性點過電壓比較為嚴重。

　　在雷電過電壓下，中性點上比較大雷電過電壓不會超過中性點避雷器在標稱雷電放電電流下的殘壓。

　　當110kV系統發生非全相運行時，如一相斷開，變壓器中性點工頻穩態過電壓為36.5kV，如兩相斷開，變壓器中性點工頻穩態過電壓為63.573kV，在某些情況下（如存在雙側電源供電，或者發生鐵磁諧振），變壓器中性點比較大工頻穩態過電壓可能會>73kV.由于現在各種斷路器都是連動的，斷路器單相或兩相拒動的情況是極少發生的；并且110kV系統輸電線路也極少發生斷線故障，所以非全相運行在110kV系統中極少發生。

　　當110kV系統發生單相接地故障且失地時，變壓器中性點工頻穩態過電壓為63.5~73kV（系統相電壓）。

　　當110kV有效接地系統發生單相接地短路時，變壓器中性點比較大工頻穩態過電壓為43.8kV；當發生其他故障時，變壓器中性點工頻穩態過電壓均<目前普遍采用單一空氣間隙保護、單一避雷器保護、空氣間隙和避雷器并聯保護這3種傳統保護方式來保護變壓器中性點絕緣，其中空氣間隙和避雷器并聯保護方式比較為普遍。單一空氣間隙保護方式的缺點主要在于空氣間隙容易因分散性大且間隙距離較難控制而誤動或拒動。單一避雷器保護方式的缺點主要在于避雷器在較高工頻過電壓下因通流容量有限而容易發生損壞或爆炸。

　　鑒于保護間隙和避雷器并聯保護方式是目前比較普遍的，故對該種傳統方式的動作原則進行介紹分析。如前所述，在雷電過電壓等過高的暫態電壓和過高的工頻過電壓下，應對中性點絕緣進行保護，該傳統方式的動作原則為：①在雷電過電壓下，避雷器動作，間隙不動作；②在有效接地系統發生單相接地故障時，間隙不動作，如果暫態電壓較高，避雷器可以動作以限制暫態過電壓防止間隙誤動；③在發生單相接地短路且失地或則非全相運行時，間隙應動作以限制過高的工頻過電壓，避雷器在較高的暫態過電壓下也應動作。

　　如前述，在110kV系統中，當發生單相接地短路且失地或者非全相運行時，中性點工頻穩態過電壓就會達到63.573kV或>73kV；在有效接地系統中發生單相接地短路或其他故障時中性點工頻穩態過電壓不會>43.8kV，所以實際上變壓器中性點工頻穩態過電壓處于43.8-63.5kV的可能性極小。

　　水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式仍然需要滿足上述保護原則。當變壓器中性點穩態過電壓<43.8kV時，間隙不動作；當變壓器中性點穩態過電壓263.5kV時，間隙動作。

　　如前所述，空氣間隙和避雷器并聯傳統保護方式是目前比較普遍的，但是該傳統保護方式也存在很多的不足，主要有以下幾個缺點：空氣間隙的放電分散性大，特別是沖擊放電電壓的分散性非常大，間隙保護很容易誤動或拒動。由于在變電站建造時，空氣間隙的棒電極通常由人工焊接，間隙距離的誤差較大，以及同心度較差，并且間隙在電弧作用后，電極可能會燒蝕，引起間隙距離的變化，這些都會較大程度地影響間隙放電電壓。溫度、濕度、氣壓等氣象條件也會影響空氣間隙的放電電壓。現空氣間隙采用羊角并且固定于復合絕緣子上，其突出優點在于耐電弧燒蝕性能有較大改進，但就其自身的放電電壓和分散性來說，其特性和棒間隙差不多。

　　在雷電過電壓或者其他較高的暫態過電壓下，空氣間隙經常在較高的暫態電壓下被擊穿，造成繼電保護的誤動。如果增大空氣間隙距離，雖然可以減小空氣間隙在暫態電壓下誤動的概率，但又可能導致間隙在系統發生單相接地短路且失地或非全相運行時拒動，無法保護中性點絕緣和避雷器。

　　避雷器的電氣性能、空氣間隙的放電特性、以及中性點分級絕緣水平之間的配合較困難。

　　因此，為克服傳統保護方式的缺點，需要研究1種新型保護方式來保護變壓器中性點絕緣。

　　本文提出了1種水流保護間隙和避雷器并聯的110kV變壓器中性點新型保護方式，在系統發生單相接地短路且失地或者非全相運行故障時，避雷器電流經過微電流檢測調理元件，從而驅動電壓繼電器動作，這時電磁閥動作使水流從低壓電極噴出，水流保護間隙即形成且立即被擊穿（即水流保護間隙動作），從而保護變壓器中性點絕緣和避雷器。在雷電過電壓下，由避雷器動作泄放雷電流，水流不會噴出，不會形成水流間隙，間隙不會動作；在其他過電壓下，水流不會噴出，間隙和避雷器均不動作。通過深入的研究，已經研制成功了整套水流保護間隙與避雷器并聯新型控制系統。通過大量試驗表明：水流保護間隙的放電電壓和分散性都較明顯地低于同等距離的空氣間隙，當工頻電壓升高到快接近放電電壓時，在高壓電極頭部會產生強烈的電火花；水流保護間隙和避雷器并聯新型保護方式可以按照設計的工作原理可靠工作，有效克服現有傳統保護方式的缺點，更有效保護變壓器中性點絕緣，具有較大的工程應用價值。

　　1水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式1.1組成結構整套水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式整體組成結構如所示，低壓電極為鋼材空心電極，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。高壓電極為鋼材實心電極，直徑為16mm，2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，水管連接電磁閥，電磁閥連接自來水龍頭，電磁閥和220V交流電源組成串聯回路，該串聯回路的通斷由電壓繼電器控制。微電流檢測調理元件感應避雷器電流從而控制電壓繼電器的動作。由于自來水水柱的擊穿電壓較明顯低于空氣間隙的擊穿電壓（在后文的試驗中會有驗證），所以間隙距離可以盡量長些，比如170210mm（后文會有詳述）。而110kV變壓器中性點空氣間隙傳統長度僅為110140mm. 1.2設備型號微電流檢測調理元件為非接觸式接入，可以耐受雷電流，可有效抑制空間干擾，檢測精度高，穩定性好。

　　1.3工作原理因為空心電極頭部小孔的直徑為4mm，所以水柱的直徑約為4mm.通過試驗測量，得到武漢大學電氣工程學院高電壓試驗大廳的自來水電阻率為35Qm，經過計算，直徑4mm、長度170mm的自來水柱的電阻為4.736X 105Q，其電阻非常大，故只有該水柱被擊穿，才能保護中性點絕緣和避雷器。

　　在系統未發生故障時，2個電極之間的間隙為空氣間隙。當系統發生單相接地短路且失地時，變壓器中性點工頻穩態過電壓為63.573kV.當過電壓為63.5kV時，流過該避雷器的交流全電流約為3mA，微電流檢測調理元件輸出約為3V，電壓繼電器動作，其動合觸點閉合，然后220V交流電源和電磁閥構成閉合回路，電磁閥動作，水流便從空心低壓電極噴出，整套系統的總動作時間4s.避雷器經過生產廠家檢測，可以在63.5kV工頻過電壓下耐受至少10min，在73kV工頻穩態過電壓下耐受至少2min而不會發生爆炸。這時水流保護間隙形成，然后整個水柱被工頻穩態電壓63.5~73kV擊穿（即水流保護間隙動作），變壓器中性點電位幾乎降為0，避雷器電流迅速減小接近0，電壓繼電器和電磁閥復位，水流便不再噴出。這時因為電弧已經穩定燃燒，電弧從水流電弧轉為空氣電弧。當中性點過電壓消失后，電弧熄滅。

　　當發生非全相運行時，變壓器中性點工頻穩態過電壓63.5kV，其水流保護間隙控制系統動作流程和發生單相接地短路且失地時一樣。

　　在雷電過電壓下，由于電壓繼電器和電磁閥的動作時間為幾十ms，并且雷電波的作用時間以降計，時間非常短，所以電壓繼電器和電磁閥根本來不及動作，雷電波便經由避雷器泄放掉了，水流便不會噴出，不會形成水流保護間隙，2個電極之間仍然是空氣介質，因為間隙距離比傳統空氣間隙距離要長的多（下文會有詳細闡述，新型控制系統的間隙距離在170210mm，雷電沖擊放電電壓>180kV），并且因為Y1.5W-55/140避雷器的限壓作用，中性點雷電過電壓不會>140kV，故間隙不會在雷電暫態電壓下動作。根據大量資料和多年現場運行經驗，流過避雷器的雷電流不會>1.5kA，使得微電流檢測調理元件完全能夠承受。

　　在其他故障情況下，中性點工頻穩態過電壓< 43.8kV，流過避雷器的電流很小（<0.44mA微電流檢測調理元件的輸出很小，電壓繼電器和電磁閥都不會動作，水流不會噴出，不會形成水流保護間隙，2個電極之間仍然是空氣介質，間隙與避雷器均不會動作。

　　綜上所述，當系統發生單相接地短路且失地或非全相運行時，水流保護間隙只在工頻穩態電壓下動作。在雷電過電壓下，避雷器動作泄放雷電流，水流保護間隙不會形成，更不會動作。當發生其他過電壓時，避雷器不動作，水流保護間隙不會形成，更不會動作。故在下文試驗中，只研究水流保護間隙的工頻放電特性。

　　2試驗驗證及分析整個試驗工作分成2部分：為了研究水流保護間隙工頻放電特性，專門單獨對水流保護間隙進行工頻放電試驗，得到水流保護間隙工頻放電特性；對整套水流保護間隙與避雷器并聯控制系統進行大量試驗研究。

　　2.1水流保護間隙工頻放電特性試驗因為該試驗重點研究的是水流保護間隙的工頻放電特性，故省去避雷器等元件，將接在空心低壓電極尾部的塑料水管直接接于自來水龍頭。只要打開水龍頭，水便可以從低壓空心電極頭部的空心小孔中噴出，水流間隙即形成。試驗時注意低壓電極頭部對準高壓電極頭部。試驗結構框圖見。

　　試驗在武漢大學電氣工程學院高電壓試驗大廳進行，用高壓工頻電源來模擬變壓器中性點穩態工頻過電壓，高壓工頻電源為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.打開自來水龍頭調節流速，使水柱從低壓空心電極噴出，形成水流保護間隙。再打開工頻電源，對水流保護間隙進行工頻放電試驗，研究間隙的50%工頻放電電壓和標準偏差，間隙距離分別取法，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，標準偏差為樣本標準差除以平均值，試驗結果如表1和所示。

　　從表1和中可以看出，水流保護間隙的工間隙距離/mm 50./.工頻放電電壓/kV標準偏差/%頻放電電壓明顯低于同等距離的空氣間隙的工頻放電電壓。空氣間隙的工頻放電的標準偏差在2%~3%，故水流保護間隙的工頻放電電壓分散性也比空氣間隙小。

　　在試驗過程中，當工頻電壓升高到快接近放電電壓時，可以觀察到高壓電極頭部會產生強烈穩定的電火花，如所示。當工頻電壓升高到放電電壓時，整個水柱便被完全擊穿，并伴有“啪啪”的響聲，如所示。

　　根據表1和中的試驗數據，可確定合適的水流保護間隙距離，以用于整套水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式。

　　由前述，當110kV系統發生單相接地短路故障且失地或者非全相運行時，變壓器中性點穩態工頻過電壓將達到63.5~73kV或更高。從表1中的試驗數據可知，當水流間隙距離為210mm時，50%工頻放電電壓達到43.07kV，也<63.5kV，并留有較大的裕度，理論上來說，水流間隙工頻放電電壓< 63.5kV即可，但因為間隙距離如果太大，水流噴射方向角度的變化較大。故整套水流保護間隙與避雷器并聯新型控制系統的水流間隙距離上限值推薦確傳統保護方，空氣間隙的放電分散性高并且很容易在較高的暫態電壓下擊穿，并且水流保護間隙的工頻放電電壓明顯低于同等距離的空氣間隙的工頻放電電壓。根據前文詳述的水流保護間隙與避雷器并聯新型控制系統的工作原理，因為電壓繼電器和電磁閥的動作時間為幾十ms，故暫態電壓下水流不會噴出，不會形成水流間隙，2個電極之間仍然是空氣間隙。所以為了克服傳統保護方式的缺點，又因為水流保護間隙的工頻放電電壓明顯低于同等距離的空氣間隙，故可以盡量把水流保護間隙距離設定得比傳統保護方式的長些。因為170mm的空氣間隙雷電放電電壓為180kV左右，且水流保護間隙與避雷器并聯新型控制系統中所用的避雷器為Y1.5W-55/140，該避雷器在標稱雷電放電電流1.5kA下的殘壓僅為140kV，并且根據大量資料和多年運行經驗，在雷電過電壓下，通過避雷器的雷電流一般<1.5kA，故距離>170mm的空氣間隙在任何暫態電壓下不會動作，故將整套水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式的水流保護間隙距離下限值推薦確定為170mm.綜上所述，整套水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式的水流保護間隙距離確定為170210mm. 2.2整套水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式的試驗運行根據所示的結構框圖，生產出新型控制裝置樣機，并進行了大量試驗和研究。試驗工作仍然在武漢大學電氣工程學院高電壓試驗大廳進行。

　　根據水流保護間隙工頻放電特性試驗的結論，將間隙距離設定為180mm.工頻試驗過程中，仍然用高電壓試驗大廳中的高壓工頻電源來模擬變壓器中性點穩態工頻過電壓，工頻電源與高壓電極相連。

　　將工頻電源電壓調為63.5kV，以模擬系統發生單相接地且失地或非全相運行的情況，檢測到避雷器全電流約為3mA，于是電壓繼電器動作，其動合觸點閉合，220V交流電源和電磁閥構成閉合回路，電磁閥動作，水流從低壓電極頭部小孔中噴出，在63.5kV的穩態工頻電壓下，水流保護間隙立刻被擊穿，沿著水柱建立了穩定劇烈的水柱電弧，保護了變壓器中性點絕緣和避雷器。經過檢測，從加壓到水流保護間隙擊穿的總時間S1s，在此過程中，避雷器沒有任何過熱損壞的跡象。水流保護間隙被擊穿后，高壓電極的電位迅速降到很小，接近0，避雷器電流也隨之迅速減小，接近0，此時微電流檢測調理元件基本上沒有輸出，電壓繼電器和電磁閥都復位，水流停止噴射，水柱電弧轉化為空氣電弧。這時用關閉工頻高壓電源來模擬中性點過電壓的消失，電弧成功熄滅。

　　如前文所述，當發生其他故障時，中性點穩態工頻過電壓比較大有效值為43.8kV.將工頻高壓電源調為43.8kV，檢測到避雷器電流很小（約為0.44mA），微電流檢測調理元件輸出也很小，電壓繼電器和電磁閥都未動作，水流未噴出，間隙未被擊穿。

　　如前述，一般情況下沖擊暫態試驗中，雷電過電壓下，避雷器上的雷電流峰值不會>1.5kA，故高壓電極上的暫態電壓不會>140kV.用沖擊電流發生器給避雷器注入沖擊電流，以模擬雷電過電壓情況。沖擊電流發生器的型號為PSURGE8000，輸出的沖擊波形為8/20降。打開沖擊電流發生器，將峰值為1.5kA負極性沖擊電流注入避雷器，觀察到電壓繼電器和電磁閥都未動作，水流未噴出，180mm的間隙也未動作。

　　綜上所述，整個水流保護間隙與避雷器并聯新型控制系統在各種故障情況下的工作情況與前述工作原理設計一致，試驗獲得成功，證明了本文提出的水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方式是可行的，并且可以克服傳統保護方式的缺點，更有效地保護變壓器中性點和避雷器。

　　2.3該新型保護方式的優越點分析水流保護間隙的距離選擇范圍為170210mm，如前述，當發生雷電過電壓時，水流不會噴出，2個電極之間仍然為空氣介質，170mm空氣間隙的雷電沖擊放電電壓為180kV左右。由于Y1.5W-55/140避雷器的限壓作用，暫態過電壓幅值不會>140kV，故間隙不會在暫態過電壓下擊穿，有效克服了傳統保護方間隙經常在暫態電壓下擊穿的缺點。

　　水流保護間隙的放電電壓明顯低于同等距離的空氣間隙放電電壓，且分散性也低于空氣間隙。

　　當系統發生單相接地故障且失地或非全相運行時，避雷器電流將達到3mA或更高，水流可立即噴出形成水流保護間隙，水流保護間隙立即被擊穿，保護變壓器中性點絕緣和避雷器，有效克服了傳統保護方空氣間隙經常在有害過高工頻過電壓下拒動的缺點。又因為該新型保護方式的間隙距離比傳統方式的間隙距離長（新型保護方式的間隙距離為170~210mm），所以相比于傳統保護方式，該新型保護方式的電弧更容易熄滅。

　　間隙在任何暫態電壓下不會在避雷器殘壓下動作；且Y1.5W-55/140的持續運行電壓為44kV，其在有效接地系統發生單相接地短路時，能夠持續耐受比較高為43.8kV的工頻穩態過電壓而不會過熱爆炸；在系統發生單相接地故障且失地或非全相運行時，水流保護間隙能立即形成并擊穿，有效保護中性點絕緣和避雷器。故水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方避雷器和間隙的配合易于實現，有效克服了傳統保護方避雷器和間隙配合困難的缺點。

　　在雷電過電壓下，流過避雷器的雷電流幅值不會>1.5kA，微電流檢測調理元件完全可以承受住雷電流，故該新型控制方式可靠安全。

　　在系統發生單相接地短路且失地時，中性點工頻穩態過電壓達到63.573kV，避雷器經過生產廠家檢測，可以在63.5kV時耐受時間>10min，在73kV時耐受時間>2min，并且上述試驗工作表明，從工頻高壓電源打開到水流保護間隙擊穿的總時間S1s，遠遠小于避雷器的耐受時間。因此，避雷器不會在過高工頻過電壓下爆炸。特別指出：非全相運行下產生鐵磁諧振中性點過電壓的可能性是極低的。

　　3結論當110kV系統發生雷電過電壓、單相接地且失地以及非全相運行時，變壓器中性點會產生過高有害的過電壓，需要保護中性點絕緣和避雷器。

　　傳統保護方式有很多缺陷，需要研制新型保護方式。

　　本文研究了變壓器中性點新型保護方式和裝置。該新型控制方式的間隙距離推薦采用170~210mm，動作時間<1s，工作可靠，可以很好地克服傳統保護方式的不足。

　　水流保護間隙的工頻放電電壓明顯低于同等距離的空氣間隙，且水流保護間隙的分散性也低于空氣間隙。在水流保護間隙工頻放電特性試驗中，可以觀察到，當施加的工頻電壓快接近放電電壓時，高壓電極頭部產生強烈穩定的電火花；當繼續升高電壓到放電電壓時，整個水柱即被擊穿，并伴有啪啪的響聲。

　　當110kV系統發生單相接地且失地時，變壓器中性點工頻穩態過電壓將達到63.573kV，新型保護裝置動作，水流保護間隙形成。因為水流保護間隙的分散性非常低，故水流保護間隙只要一形成將立即擊穿。當發生非全相運行時，中性點工頻穩態過電壓達到63.573kV或更高，該新型控制系統的工作流程和發生單相接地且失地時一樣。這有效克服了傳統保護方空氣間隙經常在有害過高的工頻過電壓下拒動的缺點。

　　在雷電過電壓下，因為雷電流的持續時間以降計，故新型保護裝置不會動作，兩電極之間仍然為空氣介質，雷電流由避雷器泄放，微電流檢測調理元件能夠承受雷電流。因為距離>170mm的空氣間隙的雷電沖擊放電電壓會>180kV，且中性點雷電過電壓幅值不會超過Y1.5W-55/140避雷器在1.5kA標稱雷電沖擊電流下的殘壓140kV.故該新型控制方的間隙不會在任何暫態電壓下擊穿，有效克服了傳統保護方空氣間隙經常在較高暫態電壓下擊穿的缺點。

　　水流保護間隙與避雷器并聯新型保護方避雷器和間隙的配合易于實現，有效克服了傳統保護方避雷器和間隙配合困難的缺點。