由于間隙在110及220kV系統(tǒng)不接地變壓器中性點(diǎn)保護(hù)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(hù)間隙方面做了許多有益的工作。研究表明，用真空開(kāi)關(guān)做成可控間隙，可取得理想效果，為問(wèn)題的解決提供了新思路。

　　為克服變壓器中性點(diǎn)傳統(tǒng)空氣保護(hù)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(duì)于單一介質(zhì)的空氣間隙，其放電過(guò)程和特性會(huì)更為復(fù)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(fù)雜性，流體放電很多時(shí)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(chǎng)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(dǎo)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(yùn)用的還是很少，并且在高壓放電水處理技術(shù)領(lǐng)域中，運(yùn)用研究較多的僅僅局限于氣中噴霧或者在水中吹進(jìn)氣泡等若干方面，沒(méi)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(duì)于水中流注通道的形成和發(fā)展的機(jī)制研究還不夠成熟，水介質(zhì)的放電擊穿理論還需進(jìn)一步深化，關(guān)于變壓器中性點(diǎn)空氣水流兩相組合流體保護(hù)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(jī)制，本文進(jìn)行了空氣水流兩相組合流體間隙（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“氣水間隙”）工頻放電特性試驗(yàn)，試驗(yàn)在武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)試驗(yàn)室進(jìn)行。通過(guò)試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)觀察到的各種放電現(xiàn)象、規(guī)律和機(jī)制進(jìn)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(dǎo)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(xiàn)隨噴射水流長(zhǎng)度減小呈先減小后大的變化趨勢(shì)（間隙總長(zhǎng)度固定時(shí)）是氣段與水段不同的電特性相互作用的結(jié)果。

　　同時(shí)，鑒于傳統(tǒng)空氣保護(hù)間隙存在若干缺陷，將氣水間隙應(yīng)用于變壓器中性點(diǎn)保護(hù)，具有可觀的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

　　1試驗(yàn)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(yàn)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(shí)心電極，直徑為16mm.兩根電極的長(zhǎng)度都為300mm，高壓實(shí)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(lái)水龍頭相連接，只要打開(kāi)水龍頭，水流便可從低壓電極噴射出來(lái)。電源采用工頻高壓電源。

　　2放電過(guò)程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)用高壓工頻電源來(lái)模擬變壓器中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工頻過(guò)電壓，高壓工頻電源的型號(hào)為MLDC?250kVA試驗(yàn)變壓器配套電動(dòng)控制臺(tái)，比較大輸出電壓為250kV.用分壓器測(cè)量加在高壓電極上的工頻電壓，分壓器型號(hào)為FRC?100交直流高電壓測(cè)量裝置（分壓器），分壓比為100kV/20V.打開(kāi)自來(lái)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(kāi)度大小，可獲得不同高度的水柱。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境條件：氣壓為98.399.5kPa，溫度為3032C，絕對(duì)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(shí)的電壓，為氣水間隙全都擊穿時(shí)的電壓，i為氣水間隙總長(zhǎng)度，為水段長(zhǎng)度，x為氣段長(zhǎng)度，則i=x+y，如所示。

　　試驗(yàn)氣水間隙總長(zhǎng)度設(shè)定為180mm，試驗(yàn)方法采用連續(xù)升壓方法，即對(duì)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(kāi)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(guò)試驗(yàn)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(dāng)x不為0時(shí)，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(kāi)度大小，使x為10個(gè)不同的數(shù)值，針對(duì)不同的x，觀察和記錄擊穿現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。當(dāng)x較小時(shí)，逐步調(diào)高高壓工頻電壓，可見(jiàn)氣水間隙擊穿的過(guò)程是：當(dāng)工頻電壓達(dá)到時(shí)，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(qiáng)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(dá)到認(rèn)時(shí)，整個(gè)間隙被擊穿（可見(jiàn)（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(lán)白色，如（b）所示。對(duì)于較大的x，當(dāng)工頻電壓達(dá)到時(shí)，氣段擊穿隨即水段擊穿。試驗(yàn)結(jié)果如表1（1、x的關(guān)系）和表2（認(rèn)、x的關(guān)系）所示。另外，對(duì)于不同長(zhǎng)度L的氣水間隙，當(dāng)水流從低壓電極噴出時(shí)，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(zhǎng)度在1~2mm左右），變化總長(zhǎng)度A，進(jìn)行放電試驗(yàn)，得到氣水間隙全間隙擊穿電壓，結(jié)果如表3（認(rèn)、L的關(guān)系）所示，表3的數(shù)據(jù)是13個(gè)不同的L對(duì)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(zhǎng)度/mm氣段擊穿電壓/kV氣段長(zhǎng)度/mm氣段擊穿電壓/kV氣段長(zhǎng)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(zhǎng)度/mm全間隙擊穿電壓/kV氣段長(zhǎng)度/全間隙擊mm穿電壓/kV氣段長(zhǎng)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(guò)程中，可聞見(jiàn)啪啪的響聲，低壓側(cè)噴水電極產(chǎn)生可感知的振動(dòng)；水流停止噴射，電弧轉(zhuǎn)為空氣電弧后，振動(dòng)明顯減弱甚至消失。

　　3規(guī)律分析與機(jī)制研究和的d點(diǎn)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(jī)制較為復(fù)雜，后續(xù)將嘗試予以揭示。

　　首先，從試驗(yàn)觀察到，在氣水間隙擊穿過(guò)程中，總是氣段先擊穿，然后水段才會(huì)擊穿。這是因?yàn)椋磽舸┣埃捎谒膶?dǎo)電性致使水段可傳導(dǎo)電壓，而氣段不能傳導(dǎo)電壓，因此工頻電壓不會(huì)加在水段上，而總是經(jīng)過(guò)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(guò)，當(dāng)氣段擊穿后，由于水的導(dǎo)電性可通過(guò)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(dǎo)電性，氣段未擊穿前無(wú)法通過(guò)較大的電流，因此水段電弧無(wú)法維持，即水段不會(huì)先于氣段擊穿。

　　所示的曲線(xiàn)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，并且存在比較低拐點(diǎn)d點(diǎn)。因?yàn)闅舛蜗葥舸魏髶舸试O(shè)水段擊穿電壓為W，氣水間隙全都擊穿時(shí)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?yàn)閁3隨著的減小而單調(diào)減小），即當(dāng)氣段為極短時(shí)（X為接近于0的很小的值），U1也很小，U3>U1.故，當(dāng)x增大到一定值a時(shí)，/⑷=f1⑷=f3⑷極短氣段氣水間隙全間隙擊穿特性曲線(xiàn)由可知，U1隨x的增大而近似呈線(xiàn)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(guò)程主要類(lèi)似于空氣放電擊穿理論所描述的放電過(guò)程，故氣段擊穿電壓U1與氣段長(zhǎng)度x呈線(xiàn)性關(guān)系。

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

　　由可知，隨著x的增大，U2起初逐步變小，當(dāng)?shù)竭_(dá)d點(diǎn)（比較低拐點(diǎn)）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(dǎo)電壓，使加在氣水間隙上的電壓轉(zhuǎn)而主要加在水段上。當(dāng)水段較長(zhǎng)、氣段較短時(shí)，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(jìn)一步大電壓至認(rèn)，水段才可擊穿，且水段越長(zhǎng)，（R-f/i）越大。對(duì)于確定的氣水間隙長(zhǎng)度I，隨著水段變短、氣段變長(zhǎng)，1大，f3減小，（f2-fA）減小，當(dāng)水段長(zhǎng)度減小到某值時(shí)，剛好使f2=fi時(shí)（對(duì)應(yīng)于氣水間隙工頻放電曲線(xiàn)上的A點(diǎn)），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(shí)不需要再大電壓。

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

　　對(duì)于一定值長(zhǎng)度I的氣水間隙，對(duì)于變量X，氣水間隙工頻放電特性曲線(xiàn)（即I不變時(shí)的曲線(xiàn)）呈現(xiàn)先減小后大的變化趨勢(shì)，而d點(diǎn)即為比較低點(diǎn)，且中x40mm的曲線(xiàn)部分和的d點(diǎn)右側(cè)部分是重合的。這是因?yàn)椋涸邳c(diǎn)左側(cè)，總有f2=f3>fi，當(dāng)氣段X變大時(shí)（即水段變短），f2變小，即曲線(xiàn)下行且近似線(xiàn)性變化；而在d點(diǎn)右側(cè)，總有f2=f/i>f3，而隨著氣段X的變長(zhǎng)（y變小），fi變大，即曲線(xiàn)逐步上行，且近似線(xiàn)性變化，其線(xiàn)性變化的原因是因?yàn)闅舛畏烹婋妷褐饕碚鞯氖菤馑g隙中的空氣擊穿特性。

　　同時(shí)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(diǎn)位于I中點(diǎn)左側(cè)，即d點(diǎn)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(huì)明顯降低。這是因?yàn)樗蔚膿舸┬枰皻馀輼颉毕噍^于空氣率先擊穿產(chǎn)生的電弧高溫促進(jìn)水中氣泡的產(chǎn)生，靠水中通過(guò)的電流使水加熱促進(jìn)水中氣泡的產(chǎn)生則要困難得多。

　　綜上所述，氣水保護(hù)間隙擊穿的過(guò)程和機(jī)制可以理解為：氣水保護(hù)間隙水流未噴出前，間隙為全空氣，此時(shí)擊穿電壓較高；當(dāng)水流噴出后，由于水（非純凈的）的易導(dǎo)電性，相當(dāng)于低壓電極向高壓電極延長(zhǎng)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(jìn)水中氣泡的產(chǎn)生，當(dāng)水的汽化和電離劇烈到一定的度時(shí)（即工頻電壓為上文的f2時(shí)），水段開(kāi)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(dǎo)致整個(gè)氣水保護(hù)間隙擊穿。在空氣段擊穿前，通過(guò)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(shuō)水段起了“電壓傳導(dǎo)”的作用。

　　利用氣水間隙代替空氣間隙保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣的原理是：設(shè)定氣水間隙長(zhǎng)度大于傳統(tǒng)空氣間隙長(zhǎng)度，使得在未噴射水流前（此時(shí)為空氣間隙）間隙不會(huì)被誤擊穿；但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障且失地或非全相運(yùn)行時(shí)（此時(shí)間隙應(yīng)該擊穿放電），通過(guò)信號(hào)檢測(cè)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(hù)作用。從信號(hào)檢測(cè)到水流的噴出并被擊穿，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)1s，并且經(jīng)過(guò)廠(chǎng)家和試驗(yàn)室的檢測(cè)，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(shí)擊穿并且確保避雷器在單相接地且失地或非全相運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生爆炸。按照這一原理設(shè)計(jì)的間隙及其控制裝置己研制完成，經(jīng)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果，作者將另文介紹。

　　另外，傳統(tǒng)空氣保護(hù)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(dòng)或者拒動(dòng)的情況；空氣間隙誤動(dòng)事故經(jīng)常是因?yàn)榭諝忾g隙在較高的暫態(tài)電壓作用下?lián)舸瑢?dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)；避雷器和空氣間隙的參數(shù)配合困難，要完全滿(mǎn)足保護(hù)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(diǎn)保護(hù)，具有較可觀的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

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

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

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

　　由于空氣電弧明顯的加熱特性，導(dǎo)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(xiàn)（在試驗(yàn)范圍內(nèi)和I的關(guān)系曲線(xiàn)）近似于線(xiàn)性。

　　由于水的導(dǎo)電性和空氣的不易導(dǎo)電性，使得在氣水間隙的擊穿過(guò)程中，總是氣段先擊穿，然后水段才會(huì)擊穿。而且，在氣水間隙放電特性曲線(xiàn)中存在一個(gè)點(diǎn)，在此點(diǎn)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(diǎn)之后氣段擊穿后隨即出現(xiàn)水段的擊穿。此點(diǎn)即為氣水間隙放電特性曲線(xiàn)的比較低拐點(diǎn)。

　　變壓器中性點(diǎn)氣水保護(hù)間隙在動(dòng)作時(shí)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(xiàn)（認(rèn)和x的關(guān)系）比較低點(diǎn)區(qū)域，且該點(diǎn)位于氣水間隙中點(diǎn)左側(cè)附近。