在110kV系统中，为了限制单相接地短路电流，防止通讯干扰以及满足继电保护整定的需要，基金资助项目：中央高校基金科研业务费专项资金（2012207020206）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2009CB724500）。

　　通常采取部分变压器中性点不接地运行。当110kV系统输电线路发生各种故障时（主要为单相接地短路、雷电过电压、非全相运行），在不接地变压器中性点上会产生过电压。

　　前人多年的理论研究和现场运行经验表明：在雷电过电压、单相接地短路和非全相运行3种故障下，产生的变压器中性点过电压比较为严重。

　　在雷电过电压下，中性点上比较大雷电过电压不会超过中性点避雷器在标称雷电放电电流下的残压。

　　当110kV系统发生非全相运行时，如一相断开，变压器中性点工频稳态过电压为36.5kV，如两相断开，变压器中性点工频稳态过电压为63.573kV，在某些情况下（如存在双侧电源供电，或者发生铁磁谐振），变压器中性点比较大工频稳态过电压可能会>73kV.由于现在各种断路器都是连动的，断路器单相或两相拒动的情况是极少发生的；并且110kV系统输电线路也极少发生断线故障，所以非全相运行在110kV系统中极少发生。

　　当110kV系统发生单相接地故障且失地时，变压器中性点工频稳态过电压为63.5~73kV（系统相电压）。

　　当110kV有效接地系统发生单相接地短路时，变压器中性点比较大工频稳态过电压为43.8kV；当发生其他故障时，变压器中性点工频稳态过电压均<目前普遍采用单一空气间隙保护、单一避雷器保护、空气间隙和避雷器并联保护这3种传统保护方式来保护变压器中性点绝缘，其中空气间隙和避雷器并联保护方式比较为普遍。单一空气间隙保护方式的缺点主要在于空气间隙容易因分散性大且间隙距离较难控制而误动或拒动。单一避雷器保护方式的缺点主要在于避雷器在较高工频过电压下因通流容量有限而容易发生损坏或爆炸。

　　鉴于保护间隙和避雷器并联保护方式是目前比较普遍的，故对该种传统方式的动作原则进行介绍分析。如前所述，在雷电过电压等过高的暂态电压和过高的工频过电压下，应对中性点绝缘进行保护，该传统方式的动作原则为：①在雷电过电压下，避雷器动作，间隙不动作；②在有效接地系统发生单相接地故障时，间隙不动作，如果暂态电压较高，避雷器可以动作以限制暂态过电压防止间隙误动；③在发生单相接地短路且失地或则非全相运行时，间隙应动作以限制过高的工频过电压，避雷器在较高的暂态过电压下也应动作。

　　如前述，在110kV系统中，当发生单相接地短路且失地或者非全相运行时，中性点工频稳态过电压就会达到63.573kV或>73kV；在有效接地系统中发生单相接地短路或其他故障时中性点工频稳态过电压不会>43.8kV，所以实际上变压器中性点工频稳态过电压处于43.8-63.5kV的可能性极小。

　　水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式仍然需要满足上述保护原则。当变压器中性点稳态过电压<43.8kV时，间隙不动作；当变压器中性点稳态过电压263.5kV时，间隙动作。

　　如前所述，空气间隙和避雷器并联传统保护方式是目前比较普遍的，但是该传统保护方式也存在很多的不足，主要有以下几个缺点：空气间隙的放电分散性大，特别是冲击放电电压的分散性非常大，间隙保护很容易误动或拒动。由于在变电站建造时，空气间隙的棒电极通常由人工焊接，间隙距离的误差较大，以及同心度较差，并且间隙在电弧作用后，电极可能会烧蚀，引起间隙距离的变化，这些都会较大程度地影响间隙放电电压。温度、湿度、气压等气象条件也会影响空气间隙的放电电压。现空气间隙采用羊角并且固定于复合绝缘子上，其突出优点在于耐电弧烧蚀性能有较大改进，但就其自身的放电电压和分散性来说，其特性和棒间隙差不多。

　　在雷电过电压或者其他较高的暂态过电压下，空气间隙经常在较高的暂态电压下被击穿，造成继电保护的误动。如果增大空气间隙距离，虽然可以减小空气间隙在暂态电压下误动的概率，但又可能导致间隙在系统发生单相接地短路且失地或非全相运行时拒动，无法保护中性点绝缘和避雷器。

　　避雷器的电气性能、空气间隙的放电特性、以及中性点分级绝缘水平之间的配合较困难。

　　因此，为克服传统保护方式的缺点，需要研究1种新型保护方式来保护变压器中性点绝缘。

　　本文提出了1种水流保护间隙和避雷器并联的110kV变压器中性点新型保护方式，在系统发生单相接地短路且失地或者非全相运行故障时，避雷器电流经过微电流检测调理元件，从而驱动电压继电器动作，这时电磁阀动作使水流从低压电极喷出，水流保护间隙即形成且立即被击穿（即水流保护间隙动作），从而保护变压器中性点绝缘和避雷器。在雷电过电压下，由避雷器动作泄放雷电流，水流不会喷出，不会形成水流间隙，间隙不会动作；在其他过电压下，水流不会喷出，间隙和避雷器均不动作。通过深入的研究，已经研制成功了整套水流保护间隙与避雷器并联新型控制系统。通过大量试验表明：水流保护间隙的放电电压和分散性都较明显地低于同等距离的空气间隙，当工频电压升高到快接近放电电压时，在高压电极头部会产生强烈的电火花；水流保护间隙和避雷器并联新型保护方式可以按照设计的工作原理可靠工作，有效克服现有传统保护方式的缺点，更有效保护变压器中性点绝缘，具有较大的工程应用价值。

　　1水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式1.1组成结构整套水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式整体组成结构如所示，低压电极为钢材空心电极，头部的空心孔直径为4mm，外径为16mm，水柱从该低压电极头部小孔喷出。高压电极为钢材实心电极，直径为16mm，2根电极的长度都为300mm，高压实心电极由支柱绝缘子支撑，低压空心电极的尾部连接塑料水管，水管连接电磁阀，电磁阀连接自来水龙头，电磁阀和220V交流电源组成串联回路，该串联回路的通断由电压继电器控制。微电流检测调理元件感应避雷器电流从而控制电压继电器的动作。由于自来水水柱的击穿电压较明显低于空气间隙的击穿电压（在后文的试验中会有验证），所以间隙距离可以尽量长些，比如170210mm（后文会有详述）。而110kV变压器中性点空气间隙传统长度仅为110140mm. 1.2设备型号微电流检测调理元件为非接触式接入，可以耐受雷电流，可有效抑制空间干扰，检测精度高，稳定性好。

　　1.3工作原理因为空心电极头部小孔的直径为4mm，所以水柱的直径约为4mm.通过试验测量，得到武汉大学电气工程学院高电压试验大厅的自来水电阻率为35Qm，经过计算，直径4mm、长度170mm的自来水柱的电阻为4.736X 105Q，其电阻非常大，故只有该水柱被击穿，才能保护中性点绝缘和避雷器。

　　在系统未发生故障时，2个电极之间的间隙为空气间隙。当系统发生单相接地短路且失地时，变压器中性点工频稳态过电压为63.573kV.当过电压为63.5kV时，流过该避雷器的交流全电流约为3mA，微电流检测调理元件输出约为3V，电压继电器动作，其动合触点闭合，然后220V交流电源和电磁阀构成闭合回路，电磁阀动作，水流便从空心低压电极喷出，整套系统的总动作时间4s.避雷器经过生产厂家检测，可以在63.5kV工频过电压下耐受至少10min，在73kV工频稳态过电压下耐受至少2min而不会发生爆炸。这时水流保护间隙形成，然后整个水柱被工频稳态电压63.5~73kV击穿（即水流保护间隙动作），变压器中性点电位几乎降为0，避雷器电流迅速减小接近0，电压继电器和电磁阀复位，水流便不再喷出。这时因为电弧已经稳定燃烧，电弧从水流电弧转为空气电弧。当中性点过电压消失后，电弧熄灭。

　　当发生非全相运行时，变压器中性点工频稳态过电压63.5kV，其水流保护间隙控制系统动作流程和发生单相接地短路且失地时一样。

　　在雷电过电压下，由于电压继电器和电磁阀的动作时间为几十ms，并且雷电波的作用时间以降计，时间非常短，所以电压继电器和电磁阀根本来不及动作，雷电波便经由避雷器泄放掉了，水流便不会喷出，不会形成水流保护间隙，2个电极之间仍然是空气介质，因为间隙距离比传统空气间隙距离要长的多（下文会有详细阐述，新型控制系统的间隙距离在170210mm，雷电冲击放电电压>180kV），并且因为Y1.5W-55/140避雷器的限压作用，中性点雷电过电压不会>140kV，故间隙不会在雷电暂态电压下动作。根据大量资料和多年现场运行经验，流过避雷器的雷电流不会>1.5kA，使得微电流检测调理元件完全能够承受。

　　在其他故障情况下，中性点工频稳态过电压< 43.8kV，流过避雷器的电流很小（<0.44mA微电流检测调理元件的输出很小，电压继电器和电磁阀都不会动作，水流不会喷出，不会形成水流保护间隙，2个电极之间仍然是空气介质，间隙与避雷器均不会动作。

　　综上所述，当系统发生单相接地短路且失地或非全相运行时，水流保护间隙只在工频稳态电压下动作。在雷电过电压下，避雷器动作泄放雷电流，水流保护间隙不会形成，更不会动作。当发生其他过电压时，避雷器不动作，水流保护间隙不会形成，更不会动作。故在下文试验中，只研究水流保护间隙的工频放电特性。

　　2试验验证及分析整个试验工作分成2部分：为了研究水流保护间隙工频放电特性，专门单独对水流保护间隙进行工频放电试验，得到水流保护间隙工频放电特性；对整套水流保护间隙与避雷器并联控制系统进行大量试验研究。

　　2.1水流保护间隙工频放电特性试验因为该试验重点研究的是水流保护间隙的工频放电特性，故省去避雷器等元件，将接在空心低压电极尾部的塑料水管直接接于自来水龙头。只要打开水龙头，水便可以从低压空心电极头部的空心小孔中喷出，水流间隙即形成。试验时注意低压电极头部对准高压电极头部。试验结构框图见。

　　试验在武汉大学电气工程学院高电压试验大厅进行，用高压工频电源来模拟变压器中性点稳态工频过电压，高压工频电源为MLDC-250kVA试验变压器配套电动控制台，比较大输出电压为250kV.用分压器测量加在高压电极上的工频电压，分压器为FRC-100交直流高电压测量装置（分压器），分压比为100kV/20V.打开自来水龙头调节流速，使水柱从低压空心电极喷出，形成水流保护间隙。再打开工频电源，对水流保护间隙进行工频放电试验，研究间隙的50%工频放电电压和标准偏差，间隙距离分别取法，即对每种距离的间隙加压10次，取平均值为50%工频放电电压，标准偏差为样本标准差除以平均值，试验结果如表1和所示。

　　从表1和中可以看出，水流保护间隙的工间隙距离/mm 50./.工频放电电压/kV标准偏差/%频放电电压明显低于同等距离的空气间隙的工频放电电压。空气间隙的工频放电的标准偏差在2%~3%，故水流保护间隙的工频放电电压分散性也比空气间隙小。

　　在试验过程中，当工频电压升高到快接近放电电压时，可以观察到高压电极头部会产生强烈稳定的电火花，如所示。当工频电压升高到放电电压时，整个水柱便被完全击穿，并伴有“啪啪”的响声，如所示。

　　根据表1和中的试验数据，可确定合适的水流保护间隙距离，以用于整套水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式。

　　由前述，当110kV系统发生单相接地短路故障且失地或者非全相运行时，变压器中性点稳态工频过电压将达到63.5~73kV或更高。从表1中的试验数据可知，当水流间隙距离为210mm时，50%工频放电电压达到43.07kV，也<63.5kV，并留有较大的裕度，理论上来说，水流间隙工频放电电压< 63.5kV即可，但因为间隙距离如果太大，水流喷射方向角度的变化较大。故整套水流保护间隙与避雷器并联新型控制系统的水流间隙距离上限值推荐确传统保护方，空气间隙的放电分散性高并且很容易在较高的暂态电压下击穿，并且水流保护间隙的工频放电电压明显低于同等距离的空气间隙的工频放电电压。根据前文详述的水流保护间隙与避雷器并联新型控制系统的工作原理，因为电压继电器和电磁阀的动作时间为几十ms，故暂态电压下水流不会喷出，不会形成水流间隙，2个电极之间仍然是空气间隙。所以为了克服传统保护方式的缺点，又因为水流保护间隙的工频放电电压明显低于同等距离的空气间隙，故可以尽量把水流保护间隙距离设定得比传统保护方式的长些。因为170mm的空气间隙雷电放电电压为180kV左右，且水流保护间隙与避雷器并联新型控制系统中所用的避雷器为Y1.5W-55/140，该避雷器在标称雷电放电电流1.5kA下的残压仅为140kV，并且根据大量资料和多年运行经验，在雷电过电压下，通过避雷器的雷电流一般<1.5kA，故距离>170mm的空气间隙在任何暂态电压下不会动作，故将整套水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式的水流保护间隙距离下限值推荐确定为170mm.综上所述，整套水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式的水流保护间隙距离确定为170210mm. 2.2整套水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式的试验运行根据所示的结构框图，生产出新型控制装置样机，并进行了大量试验和研究。试验工作仍然在武汉大学电气工程学院高电压试验大厅进行。

　　根据水流保护间隙工频放电特性试验的结论，将间隙距离设定为180mm.工频试验过程中，仍然用高电压试验大厅中的高压工频电源来模拟变压器中性点稳态工频过电压，工频电源与高压电极相连。

　　将工频电源电压调为63.5kV，以模拟系统发生单相接地且失地或非全相运行的情况，检测到避雷器全电流约为3mA，于是电压继电器动作，其动合触点闭合，220V交流电源和电磁阀构成闭合回路，电磁阀动作，水流从低压电极头部小孔中喷出，在63.5kV的稳态工频电压下，水流保护间隙立刻被击穿，沿着水柱建立了稳定剧烈的水柱电弧，保护了变压器中性点绝缘和避雷器。经过检测，从加压到水流保护间隙击穿的总时间S1s，在此过程中，避雷器没有任何过热损坏的迹象。水流保护间隙被击穿后，高压电极的电位迅速降到很小，接近0，避雷器电流也随之迅速减小，接近0，此时微电流检测调理元件基本上没有输出，电压继电器和电磁阀都复位，水流停止喷射，水柱电弧转化为空气电弧。这时用关闭工频高压电源来模拟中性点过电压的消失，电弧成功熄灭。

　　如前文所述，当发生其他故障时，中性点稳态工频过电压比较大有效值为43.8kV.将工频高压电源调为43.8kV，检测到避雷器电流很小（约为0.44mA），微电流检测调理元件输出也很小，电压继电器和电磁阀都未动作，水流未喷出，间隙未被击穿。

　　如前述，一般情况下冲击暂态试验中，雷电过电压下，避雷器上的雷电流峰值不会>1.5kA，故高压电极上的暂态电压不会>140kV.用冲击电流发生器给避雷器注入冲击电流，以模拟雷电过电压情况。冲击电流发生器的型号为PSURGE8000，输出的冲击波形为8/20降。打开冲击电流发生器，将峰值为1.5kA负极性冲击电流注入避雷器，观察到电压继电器和电磁阀都未动作，水流未喷出，180mm的间隙也未动作。

　　综上所述，整个水流保护间隙与避雷器并联新型控制系统在各种故障情况下的工作情况与前述工作原理设计一致，试验获得成功，证明了本文提出的水流保护间隙与避雷器并联新型保护方式是可行的，并且可以克服传统保护方式的缺点，更有效地保护变压器中性点和避雷器。

　　2.3该新型保护方式的优越点分析水流保护间隙的距离选择范围为170210mm，如前述，当发生雷电过电压时，水流不会喷出，2个电极之间仍然为空气介质，170mm空气间隙的雷电冲击放电电压为180kV左右。由于Y1.5W-55/140避雷器的限压作用，暂态过电压幅值不会>140kV，故间隙不会在暂态过电压下击穿，有效克服了传统保护方间隙经常在暂态电压下击穿的缺点。

　　水流保护间隙的放电电压明显低于同等距离的空气间隙放电电压，且分散性也低于空气间隙。

　　当系统发生单相接地故障且失地或非全相运行时，避雷器电流将达到3mA或更高，水流可立即喷出形成水流保护间隙，水流保护间隙立即被击穿，保护变压器中性点绝缘和避雷器，有效克服了传统保护方空气间隙经常在有害过高工频过电压下拒动的缺点。又因为该新型保护方式的间隙距离比传统方式的间隙距离长（新型保护方式的间隙距离为170~210mm），所以相比于传统保护方式，该新型保护方式的电弧更容易熄灭。

　　间隙在任何暂态电压下不会在避雷器残压下动作；且Y1.5W-55/140的持续运行电压为44kV，其在有效接地系统发生单相接地短路时，能够持续耐受比较高为43.8kV的工频稳态过电压而不会过热爆炸；在系统发生单相接地故障且失地或非全相运行时，水流保护间隙能立即形成并击穿，有效保护中性点绝缘和避雷器。故水流保护间隙与避雷器并联新型保护方避雷器和间隙的配合易于实现，有效克服了传统保护方避雷器和间隙配合困难的缺点。

　　在雷电过电压下，流过避雷器的雷电流幅值不会>1.5kA，微电流检测调理元件完全可以承受住雷电流，故该新型控制方式可靠安全。

　　在系统发生单相接地短路且失地时，中性点工频稳态过电压达到63.573kV，避雷器经过生产厂家检测，可以在63.5kV时耐受时间>10min，在73kV时耐受时间>2min，并且上述试验工作表明，从工频高压电源打开到水流保护间隙击穿的总时间S1s，远远小于避雷器的耐受时间。因此，避雷器不会在过高工频过电压下爆炸。特别指出：非全相运行下产生铁磁谐振中性点过电压的可能性是极低的。

　　3结论当110kV系统发生雷电过电压、单相接地且失地以及非全相运行时，变压器中性点会产生过高有害的过电压，需要保护中性点绝缘和避雷器。

　　传统保护方式有很多缺陷，需要研制新型保护方式。

　　本文研究了变压器中性点新型保护方式和装置。该新型控制方式的间隙距离推荐采用170~210mm，动作时间<1s，工作可靠，可以很好地克服传统保护方式的不足。

　　水流保护间隙的工频放电电压明显低于同等距离的空气间隙，且水流保护间隙的分散性也低于空气间隙。在水流保护间隙工频放电特性试验中，可以观察到，当施加的工频电压快接近放电电压时，高压电极头部产生强烈稳定的电火花；当继续升高电压到放电电压时，整个水柱即被击穿，并伴有啪啪的响声。

　　当110kV系统发生单相接地且失地时，变压器中性点工频稳态过电压将达到63.573kV，新型保护装置动作，水流保护间隙形成。因为水流保护间隙的分散性非常低，故水流保护间隙只要一形成将立即击穿。当发生非全相运行时，中性点工频稳态过电压达到63.573kV或更高，该新型控制系统的工作流程和发生单相接地且失地时一样。这有效克服了传统保护方空气间隙经常在有害过高的工频过电压下拒动的缺点。

　　在雷电过电压下，因为雷电流的持续时间以降计，故新型保护装置不会动作，两电极之间仍然为空气介质，雷电流由避雷器泄放，微电流检测调理元件能够承受雷电流。因为距离>170mm的空气间隙的雷电冲击放电电压会>180kV，且中性点雷电过电压幅值不会超过Y1.5W-55/140避雷器在1.5kA标称雷电冲击电流下的残压140kV.故该新型控制方的间隙不会在任何暂态电压下击穿，有效克服了传统保护方空气间隙经常在较高暂态电压下击穿的缺点。

　　水流保护间隙与避雷器并联新型保护方避雷器和间隙的配合易于实现，有效克服了传统保护方避雷器和间隙配合困难的缺点。