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摘要：针对110 kV电力系统中变压器中性点过电压保护间隙存在的“拒动”和“误动”问题，提出了一种利用被保护点过电压进行触发控制的球一球电极保护间隙，对新型保护间隙的基本工作原理进行了详细阐述，通过实验研究了新型保护间隙保护功能实现的可行性，并对新型保护间隙主要部分的选择与设计进行了说明，通过新型保护间隙样机的相应试验对其保护作用的实际效果进行了验证，结果表明：新型保护间隙不仅可以与现有的中性点保护避雷器进行理想的配合，实现对变压器中性点的完备保护，新型保护间隙的无源性为其在电力系统的推广应用提供方便。
关键词：变压器中性点保护；保护间隙；触发控制放电
中图分类号：TM862 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0057-06
0、引言
电力系统运行经验表明：电力系统中经常出现的外部过电压和内部过电压是影响电气设备安全运行的最主要因素之一，我国110 kV及以上系统均采用有效接地方式，也就是在同一个系统中，只有部分变压器的中性点是直接接地的，还有部分变压器的中性点是不接地的，在这样的系统中，当系统发生对地短路等故障时，系统的继电保护会动作，将接地的变压器中性点与地断开，造成系统与地完全绝缘，这就是系统中经常说的“失地”，此时不接地的变压器中性点上会产生很高的工频过电压，最高稳态工频过电压可达到系统的相电压，而非故障相的相电压最高可达系统线电压，将会损害中性点绝缘和非故障相的电气设备的相绝缘，必须采取措施加以保护，另外，当系统出现非全相运行或者由于正常的系统操作而引发变压器出现铁磁谐振时，都会在不接地变压器的中性点出现幅值很高且持续时间较长的过电压，这些过电压同样会严重危及变压器的中性点绝缘，也必须加以防护。
1、现状分析
目前，我国110 kV电力系统中，针对变压器中性点的保护主要采用3种方式：避雷器单独保护、棒一棒间隙单独保护和避雷器并联棒一棒间隙保护，实际运行效果不尽如人意，主要表现为：1）因避雷器不能耐受稳态工频过电压而发生爆炸；2）因棒一棒间隙在雷电过电压下误动作引起继电保护误动。
1.1 单一避雷器保护
用避雷器（一般为金属氧化物避雷器metal OX-ide attester，MOA）单独对变压器中性点进行保护的基本接线图如图1所示。
虽然随着避雷器制造水平的不断提高，其保护效果越来越好，MOA由于无间隙及良好的非线性，不存在灭弧问题，无工频续流，只吸收过电压能量，耐重复动作能力强，但是其仍存在固有的热稳定问题，单独使用时会因多次承受过电压作用而老化，最终在持续运行电压或过电压作用下，失去热稳定，因热崩溃而损坏或爆炸，并且无法防御电压值较低但持续时间较长的工频稳态过电压。
1.2 单一棒一棒间隙保护
用棒一棒间隙单独对变压器中性点进行保护的基本接线图如图2所示。
虽然棒一棒间隙结构简单，制造成本低，无爆炸危险，保护范围广泛，但其具有放电分散性大的固有缺陷，且实际安装时间隙的距离调整不精确，放电过程中还会有不同程度的烧蚀，致使放电电压值不稳定，实际运行容易造成“误动”和“拒动”。
1.3 避雷器并联棒一棒间隙保护
考虑到单独用避雷器或棒一棒间隙保护的缺点，近年来发展出了避雷器并联棒一棒间隙的保护方式，具体接线如图3所示。
在这种保护方案中，方案设计的初衷对避雷器和保护间隙的保护作用是有明确的分工的：即由避雷器对雷电冲击、操作冲击等幅值高而持续时间非常短的过电压实施保护；由棒一棒并联间隙对工频稳态过电压、非全相运行及铁磁谐振过电压等幅值相对低但持续时间较长的过实施保护，这样的配合，不仅可以对变压器中性点出现的各种过电压实施保护，而且，也不会出现避雷器爆炸的危险。
实际运行情况表明，虽然这样的保护方案的保护效果的确比单一使用避雷器或棒一棒间隙的保护效果有所改善，但是并没有彻底解决问题。
实际应用中，由于仍然利用了棒一棒放电间隙在不同类型过电压下的自然击穿特性实现对工频过电压的防护，所以，在原来用单一棒一棒间隙保护时存在的问题在现在的避雷器并联棒一棒间隙保护时仍然存在，也就是：由于棒一棒间隙的放电分散性，造成棒一棒间隙在雷电过电压作用时避雷器残压下动作（误动）或在工频过电压作用下电压超过避雷器持续工作电压时间隙仍未动作（拒动）。
2、新型放电间隙工作原理
近年来由于氧化锌避雷器（MOA）的制作水平不断提高，阀片荷电量不断提高，通流容量不断增大，耐热老化能力加强，在避雷器加并联保护间隙的变压器中性点保护方案中，MOA本身并不存在应用问题，存在的问题都是由于棒一棒间隙本身造成的，因此，问题的关键在于如何解决棒一棒间隙存在的问题，如果能够解决目前棒一棒间隙存在的问题，就可以从根本上解决ll kV变压器中性点保护的问题。
气体间隙的击穿可以区分为自然击穿和受控触发击穿两大类，所谓自然击穿是指仅仅依靠间隙上所承受的电压而导致间隙击穿；所谓受控触发击穿是指间隙的击穿除了受间隙上所承受的电压作用外，还受到人为触发控制作用的击穿。
气体间隙的自然击穿与电极间的电场均匀程度有直接关系，根据电极间电场分布的均匀程度可以将其分成3类：均匀电场间隙、稍不均匀电场间隙和极不均匀电场间隙，在均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙中，间隙的自然击穿电压与电压的种类几乎没有关系，也就是说，在均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙中，间隙在雷电冲击电压、操作冲击电压、直流电压的击穿电压与工频电压作用下的击穿电压的峰值是相同的，在极不均匀电场间隙中，间隙的自然击穿电压与电压的种类关系非常大，也就是说，在极不均匀电场间隙中，间隙在雷电冲击电压、操作冲击电压、直流电压和工频电压作用下的击穿电压差别很大，对于一般尺度的间隙，其在雷电冲击电压和操作冲击电压作用下的击穿电压要比直流电压和工频电压作用下的击穿电压高很多，一般，用冲击系数来表达间隙在不同类型电压作用下的击穿电压差异，冲击系数定义为雷电冲击电压作用下的间隙击穿电压与工频电压作用下的间隙击穿电压（峰值）之比，所以，对于均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙而言，其冲击系数等于1，而极不均匀电场间隙的冲击系数大于1，利用棒一棒间隙这样的极不均匀电场间隙对变压器中性点的工频过电压进行防护就是利用了这种间隙的冲击系数大于1的特点。 从气体击穿的电子崩理论可知，气体间隙的击穿过程实际上就是一个电子崩从引发到完成的过程，这里的引发一般都是指一个在电场作用下积聚了足够动能的电子碰撞气体分子（原子）并导致其电离的过程，在气体间隙的击穿过程中，引发非常重要。如果能够人为控制引发的发生，就可以实现对间隙击穿放电的控制，实践表明，气体间隙的击穿是可以通过人为技术手段控制的，一般的技术是在间隙中引入一个局部的火花放电，由这个局部的火花放电所产生的电子引发整个气体间隙的击穿。这就是受控触发击穿，间隙受控触发击穿与间隙自然击穿的区别在于此时间隙的击穿不仅与间隙上的电压有关，还与人为的触发是否存在有关，而且关系很大。
间隙电场分布的均匀程度决定了间隙击穿过程对人为触发的敏感程度，电场分布越均匀，间隙击穿过程对人为触发越敏感，因此，人为触发对均匀电场间隙、稍不均匀电场间隙击穿过程的影响要大于对极不均匀电场间隙击穿过程的影响。
根据以上论述，新型放电间隙拟采取以下方案：新型放电间隙采用受控触发击穿技术实现对过电压的防护，同时，考虑到现场应用的方便，新型触发保护间隙采用无源工作方式，新型可控触发保护间隙的基本组成如图4所示，由3部分组成，分别是“电压测量储能单元”、“触发脉冲形成单元”和“受控放电间隙”。
“电压测量与储能单元”的作用是鉴别、测量变压器中性点的电压类型和幅值，同时，利用变压器中性点的电压对储能元件储能，以便为“触发脉冲形成单元”提供必需的能量和功率，这里的鉴别、测量主要是将由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压与雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压区分开，使储能单元在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下基本不储存能量，而在由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压作用下储存能量。
“触发脉冲形成单元”的作用是当电压测量与储能单元所储存能力达到事先设定的阈值时产生一个高压触发脉冲电压，该高压触发脉冲电压作用于受控放电间隙的触发电极，引发“受控放电间隙”放电。
“受控放电间隙”是一个三电极放电间隙，依靠空气绝缘，当其触发电极受到来自于“触发脉冲形成单元”的高压触发脉冲电压的作用时，其高压电极与接地电极之间就会放电，从而将间隙短路，保护避雷器和变压器的中性点免受过电压作用。
3、受控放电球隙的研制
3.1 放电间隙电极形状的选择
根据避雷器并联保护间隙这种保护方案中避雷器和保护间隙的作用分工要求，保护间隙仅对由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压起保护作用，而在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下，间隙不能在避雷器残压下击穿。
根据上述“电压测量与储能单元”的作用描述可知，新型放电间隙在不同类型过电压下的放电过程是不同的：在由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压作用下，间隙放电采用触发击穿；在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下间隙不会被触发，要求间隙不能在避雷器残压下击穿，换句话说，在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下，间隙即便是击穿，也只能采取自然击穿的放电方式而不能采取触发击穿的方式。
因此，间隙电极形状的选择必须要同时考虑触发击穿和自然击穿两种放电形式，要求：间隙必须对触发的响应非常敏感，不能在触发过程存在时不击穿一拒动，而且，间隙触发击穿电压分散性要尽可能小；间隙的最小自然击穿电压必须要远高于避雷器的残压，而且，间隙的自然击穿电压分散性要尽可能小以减小误动的可能性。
根据以上要求，只能选择均匀电场间隙或稍不均匀电场间隙作为新型保护间隙。以往选择的棒一棒间隙不能满足上面的要求，从加工制造的成本和技术难度考虑，球一球间隙应该是最佳选择，因此，本文选球形电极作为新型保护间隙的电极。
3.2 球电极直径及间隙距离的选择
球电极直径的选择也必须从触发击穿和自然击穿两个方面，这里主要要考虑与保护间隙配套使用的避雷器的参数。
以YW-55/140型避雷器为例，要求保护间隙的最小自然击穿电压必须大于140 kV，而最大触发击穿电压必须小于1.414×55=78 kV，根据这两个击穿电压值的要求，通过查球隙放电标准表来确定球电极的直径，首先要从最小自然击穿电压大于140 kV选择符合条件的最小直径的球，然后通过实验验证其触发放电特性是否满足最大触发击穿电压必须小于1.414×55=78 kV的要求。
由球隙放电标准可知，球直径为12.5 cm、距离为6.0 cm时，球隙的50%自然击穿电压为146 kV，大于140 kV，如果把间隙距离加大，将会满足最小自然击穿电压大于140 kV的条件，虽然直径超过12，5 em的球隙也满足条件，但考虑成本及现场应用的空间限制等条件，球隙直径不宜过大，因此最终确定球隙直径为12.5 cm。
球电极的直径选定以后，就要进行触发击穿特性实验，实验可以在直流电压下进行，原因是球电极间隙的直流击穿电压与交流击穿电压峰值是相同的，而且，触发过程是微秒数量级的，他对于交流和直流电压下间隙的放电过程影响是基本相同的，具体实验电路如图5所示，T1为调压器，T2为实验变压器，D为高压硅堆，R1为硅堆保护电阻，R2为放电保护电阻，C为电容，M触发电压发生器，球电极采用实验室设计、加工的直径D=12.5 cm的铜球，间隙距离从10 mm开始，确定距离后，调整球隙两端电压，电压从零开始分级升压，级差为2.5 kV，在每级电压下，施加10次触发脉冲，观察击穿情况，如果不击穿则升高电压一个级差，再施加10次触发脉冲，观察击穿情况，直到在某一电压下球隙被击穿，记录电压和球隙距离，然后改变球隙距离再进行下一个距离的实验。 为了与自然放电击穿电压进行对比，在相同条件下还进行了无触发击穿实验（自然放电击穿实验）。实验结果如表1所示，
从表1可见，当间隙距离70mm时，自然击穿电压161 kV>140 kV，触发击穿电压75 kV<78 kV，满足条件，因此，间隙距离选为70 mm。
3.3 放电间隙的触发控制
间隙的触发控制电路如下图6所示，MOA为氧化锌避雷器，c1和C2组成电容分压器，T1为隔离变压器，R1为阻尼电阻，D1为全波整流桥，R2为放电电阻，c为储能电容器，D2为高压触发二极管，T2为脉冲变压器，G1和G2组成放电球隙，J为触发电极。
中性点的工频过电压由电容分压器分压后在C2上分得的与中性点过电压成比例的工频电压，此电压经隔离变压器T2后经R1进入D1并整流为直流电压，该电压给储能电容器C充电，当充电电压超过D2的额定触发电压（即事先设定的阀值）时，D2触发，电容c经过高压触发二极管D2对脉冲变压器T2原边放电，在其副边产生脉冲高电压，该脉冲高电压作用于触发电极J使其与G2间放电并产生火花，该放电为G1、C2间电场提供大量带电粒子，使球隙间的击穿电压大大降低，最终使Gl、G2间的间隙发生击穿。
由于阻尼电阻R1的存在，使得在雷电冲击电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下储能电容器不能储存足够的能量，从而也就不会产生触发脉冲电压，所以，在雷电冲击电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下球隙的击穿电压就会很高，不会在避雷器残压下发生误动。
4、新型保护间隙的整机相关试验
为了检验本文所提出的新型触发控制型保护间间隙的整机性能，制作了新型保护间隙的整机样机如图7所示，并对样机进行了整体试验。
4.1 触发放电试验
以高压试验室里的工频试验变压器做工频高压电源，对新型保护间隙的样机进行了工频击穿特性试验（触发放电试验），试验结果见表2所示。
从表2可以看出，最高放电电压为52.4 kV，最低放电电压为51.1 kV，平均值放电分散性很小，工作性能稳定，而110 kV系统变压器保护用避雷器（MOA）的额定工作电压为55 kV，间隙的工频放电电压小于前者，即当中性点出现工频稳态过电压时，受控放电间隙先于避雷器（MOA）而动作，有效保护了变压器的中性点绝缘，同时也保护了避雷器。
4.2 自然击穿放电试验
为了检验新型保护间隙的自然击穿情况，对新型保护间隙的样机进行了自然击穿试验，考虑到直流电压下的自然击穿试验比雷电冲击下的自然击穿试验对间隙自然击穿特性的考验更严格、苛刻，采用直流电压下的自然击穿试验来考核新型保护间隙的自然击穿特性，试验结果见表3所示，
从表3可以看出，最高放电电压为178.4 kV。最低放电电压为165.4 kV，平均值172.1 kV，放电分散性很小，球隙工作性能稳定，而110 kV系统变压器保护用避雷器（MOA）的残压值为144 kV，小于球隙的直流放电电压，因此避雷器（MOA）将先于球隙动作，从而保护变压器中性点绝缘，符合前述设计思想，
5、结论
本文提出了一种新型具有触发控制功能的110 kV变压器中性点保护间隙，与现有同类技术相比，新型保护间隙具有如下技术优势：
1）新型受控放电间隙与避雷器分工明确，保护间隙仅对由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发的工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压起保护作用，间隙在避雷器残压下不会击穿；
2）新型间隙采用三电极球隙结构，不仅使其在受控条件下触发电压大大降低，远小于自然击穿电压，而且间隙的自然击穿放电电压分散性也远比目前的棒一棒间隙小；
3）新型间隙为无源装置，不需要提供额外的供电电源，其能量来自于中性点传人的过电压产生的能力，能够随过电压适时动作，实际应用更加方便。
关键词：变压器中性点保护；保护间隙；触发控制放电
中图分类号：TM862 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0057-06
0、引言
电力系统运行经验表明：电力系统中经常出现的外部过电压和内部过电压是影响电气设备安全运行的最主要因素之一，我国110 kV及以上系统均采用有效接地方式，也就是在同一个系统中，只有部分变压器的中性点是直接接地的，还有部分变压器的中性点是不接地的，在这样的系统中，当系统发生对地短路等故障时，系统的继电保护会动作，将接地的变压器中性点与地断开，造成系统与地完全绝缘，这就是系统中经常说的“失地”，此时不接地的变压器中性点上会产生很高的工频过电压，最高稳态工频过电压可达到系统的相电压，而非故障相的相电压最高可达系统线电压，将会损害中性点绝缘和非故障相的电气设备的相绝缘，必须采取措施加以保护，另外，当系统出现非全相运行或者由于正常的系统操作而引发变压器出现铁磁谐振时，都会在不接地变压器的中性点出现幅值很高且持续时间较长的过电压，这些过电压同样会严重危及变压器的中性点绝缘，也必须加以防护。
1、现状分析
目前，我国110 kV电力系统中，针对变压器中性点的保护主要采用3种方式：避雷器单独保护、棒一棒间隙单独保护和避雷器并联棒一棒间隙保护，实际运行效果不尽如人意，主要表现为：1）因避雷器不能耐受稳态工频过电压而发生爆炸；2）因棒一棒间隙在雷电过电压下误动作引起继电保护误动。
1.1 单一避雷器保护
用避雷器（一般为金属氧化物避雷器metal OX-ide attester，MOA）单独对变压器中性点进行保护的基本接线图如图1所示。
虽然随着避雷器制造水平的不断提高，其保护效果越来越好，MOA由于无间隙及良好的非线性，不存在灭弧问题，无工频续流，只吸收过电压能量，耐重复动作能力强，但是其仍存在固有的热稳定问题，单独使用时会因多次承受过电压作用而老化，最终在持续运行电压或过电压作用下，失去热稳定，因热崩溃而损坏或爆炸，并且无法防御电压值较低但持续时间较长的工频稳态过电压。
1.2 单一棒一棒间隙保护
用棒一棒间隙单独对变压器中性点进行保护的基本接线图如图2所示。
虽然棒一棒间隙结构简单，制造成本低，无爆炸危险，保护范围广泛，但其具有放电分散性大的固有缺陷，且实际安装时间隙的距离调整不精确，放电过程中还会有不同程度的烧蚀，致使放电电压值不稳定，实际运行容易造成“误动”和“拒动”。
1.3 避雷器并联棒一棒间隙保护
考虑到单独用避雷器或棒一棒间隙保护的缺点，近年来发展出了避雷器并联棒一棒间隙的保护方式，具体接线如图3所示。
在这种保护方案中，方案设计的初衷对避雷器和保护间隙的保护作用是有明确的分工的：即由避雷器对雷电冲击、操作冲击等幅值高而持续时间非常短的过电压实施保护；由棒一棒并联间隙对工频稳态过电压、非全相运行及铁磁谐振过电压等幅值相对低但持续时间较长的过实施保护，这样的配合，不仅可以对变压器中性点出现的各种过电压实施保护，而且，也不会出现避雷器爆炸的危险。
实际运行情况表明，虽然这样的保护方案的保护效果的确比单一使用避雷器或棒一棒间隙的保护效果有所改善，但是并没有彻底解决问题。
实际应用中，由于仍然利用了棒一棒放电间隙在不同类型过电压下的自然击穿特性实现对工频过电压的防护，所以，在原来用单一棒一棒间隙保护时存在的问题在现在的避雷器并联棒一棒间隙保护时仍然存在，也就是：由于棒一棒间隙的放电分散性，造成棒一棒间隙在雷电过电压作用时避雷器残压下动作（误动）或在工频过电压作用下电压超过避雷器持续工作电压时间隙仍未动作（拒动）。
2、新型放电间隙工作原理
近年来由于氧化锌避雷器（MOA）的制作水平不断提高，阀片荷电量不断提高，通流容量不断增大，耐热老化能力加强，在避雷器加并联保护间隙的变压器中性点保护方案中，MOA本身并不存在应用问题，存在的问题都是由于棒一棒间隙本身造成的，因此，问题的关键在于如何解决棒一棒间隙存在的问题，如果能够解决目前棒一棒间隙存在的问题，就可以从根本上解决ll kV变压器中性点保护的问题。
气体间隙的击穿可以区分为自然击穿和受控触发击穿两大类，所谓自然击穿是指仅仅依靠间隙上所承受的电压而导致间隙击穿；所谓受控触发击穿是指间隙的击穿除了受间隙上所承受的电压作用外，还受到人为触发控制作用的击穿。
气体间隙的自然击穿与电极间的电场均匀程度有直接关系，根据电极间电场分布的均匀程度可以将其分成3类：均匀电场间隙、稍不均匀电场间隙和极不均匀电场间隙，在均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙中，间隙的自然击穿电压与电压的种类几乎没有关系，也就是说，在均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙中，间隙在雷电冲击电压、操作冲击电压、直流电压的击穿电压与工频电压作用下的击穿电压的峰值是相同的，在极不均匀电场间隙中，间隙的自然击穿电压与电压的种类关系非常大，也就是说，在极不均匀电场间隙中，间隙在雷电冲击电压、操作冲击电压、直流电压和工频电压作用下的击穿电压差别很大，对于一般尺度的间隙，其在雷电冲击电压和操作冲击电压作用下的击穿电压要比直流电压和工频电压作用下的击穿电压高很多，一般，用冲击系数来表达间隙在不同类型电压作用下的击穿电压差异，冲击系数定义为雷电冲击电压作用下的间隙击穿电压与工频电压作用下的间隙击穿电压（峰值）之比，所以，对于均匀电场间隙和稍不均匀电场间隙而言，其冲击系数等于1，而极不均匀电场间隙的冲击系数大于1，利用棒一棒间隙这样的极不均匀电场间隙对变压器中性点的工频过电压进行防护就是利用了这种间隙的冲击系数大于1的特点。 从气体击穿的电子崩理论可知，气体间隙的击穿过程实际上就是一个电子崩从引发到完成的过程，这里的引发一般都是指一个在电场作用下积聚了足够动能的电子碰撞气体分子（原子）并导致其电离的过程，在气体间隙的击穿过程中，引发非常重要。如果能够人为控制引发的发生，就可以实现对间隙击穿放电的控制，实践表明，气体间隙的击穿是可以通过人为技术手段控制的，一般的技术是在间隙中引入一个局部的火花放电，由这个局部的火花放电所产生的电子引发整个气体间隙的击穿。这就是受控触发击穿，间隙受控触发击穿与间隙自然击穿的区别在于此时间隙的击穿不仅与间隙上的电压有关，还与人为的触发是否存在有关，而且关系很大。
间隙电场分布的均匀程度决定了间隙击穿过程对人为触发的敏感程度，电场分布越均匀，间隙击穿过程对人为触发越敏感，因此，人为触发对均匀电场间隙、稍不均匀电场间隙击穿过程的影响要大于对极不均匀电场间隙击穿过程的影响。
根据以上论述，新型放电间隙拟采取以下方案：新型放电间隙采用受控触发击穿技术实现对过电压的防护，同时，考虑到现场应用的方便，新型触发保护间隙采用无源工作方式，新型可控触发保护间隙的基本组成如图4所示，由3部分组成，分别是“电压测量储能单元”、“触发脉冲形成单元”和“受控放电间隙”。
“电压测量与储能单元”的作用是鉴别、测量变压器中性点的电压类型和幅值，同时，利用变压器中性点的电压对储能元件储能，以便为“触发脉冲形成单元”提供必需的能量和功率，这里的鉴别、测量主要是将由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压与雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压区分开，使储能单元在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下基本不储存能量，而在由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压作用下储存能量。
“触发脉冲形成单元”的作用是当电压测量与储能单元所储存能力达到事先设定的阈值时产生一个高压触发脉冲电压，该高压触发脉冲电压作用于受控放电间隙的触发电极，引发“受控放电间隙”放电。
“受控放电间隙”是一个三电极放电间隙，依靠空气绝缘，当其触发电极受到来自于“触发脉冲形成单元”的高压触发脉冲电压的作用时，其高压电极与接地电极之间就会放电，从而将间隙短路，保护避雷器和变压器的中性点免受过电压作用。
3、受控放电球隙的研制
3.1 放电间隙电极形状的选择
根据避雷器并联保护间隙这种保护方案中避雷器和保护间隙的作用分工要求，保护间隙仅对由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压起保护作用，而在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下，间隙不能在避雷器残压下击穿。
根据上述“电压测量与储能单元”的作用描述可知，新型放电间隙在不同类型过电压下的放电过程是不同的：在由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压作用下，间隙放电采用触发击穿；在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下间隙不会被触发，要求间隙不能在避雷器残压下击穿，换句话说，在雷电冲击过电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下，间隙即便是击穿，也只能采取自然击穿的放电方式而不能采取触发击穿的方式。
因此，间隙电极形状的选择必须要同时考虑触发击穿和自然击穿两种放电形式，要求：间隙必须对触发的响应非常敏感，不能在触发过程存在时不击穿一拒动，而且，间隙触发击穿电压分散性要尽可能小；间隙的最小自然击穿电压必须要远高于避雷器的残压，而且，间隙的自然击穿电压分散性要尽可能小以减小误动的可能性。
根据以上要求，只能选择均匀电场间隙或稍不均匀电场间隙作为新型保护间隙。以往选择的棒一棒间隙不能满足上面的要求，从加工制造的成本和技术难度考虑，球一球间隙应该是最佳选择，因此，本文选球形电极作为新型保护间隙的电极。
3.2 球电极直径及间隙距离的选择
球电极直径的选择也必须从触发击穿和自然击穿两个方面，这里主要要考虑与保护间隙配套使用的避雷器的参数。
以YW-55/140型避雷器为例，要求保护间隙的最小自然击穿电压必须大于140 kV，而最大触发击穿电压必须小于1.414×55=78 kV，根据这两个击穿电压值的要求，通过查球隙放电标准表来确定球电极的直径，首先要从最小自然击穿电压大于140 kV选择符合条件的最小直径的球，然后通过实验验证其触发放电特性是否满足最大触发击穿电压必须小于1.414×55=78 kV的要求。
由球隙放电标准可知，球直径为12.5 cm、距离为6.0 cm时，球隙的50%自然击穿电压为146 kV，大于140 kV，如果把间隙距离加大，将会满足最小自然击穿电压大于140 kV的条件，虽然直径超过12，5 em的球隙也满足条件，但考虑成本及现场应用的空间限制等条件，球隙直径不宜过大，因此最终确定球隙直径为12.5 cm。
球电极的直径选定以后，就要进行触发击穿特性实验，实验可以在直流电压下进行，原因是球电极间隙的直流击穿电压与交流击穿电压峰值是相同的，而且，触发过程是微秒数量级的，他对于交流和直流电压下间隙的放电过程影响是基本相同的，具体实验电路如图5所示，T1为调压器，T2为实验变压器，D为高压硅堆，R1为硅堆保护电阻，R2为放电保护电阻，C为电容，M触发电压发生器，球电极采用实验室设计、加工的直径D=12.5 cm的铜球，间隙距离从10 mm开始，确定距离后，调整球隙两端电压，电压从零开始分级升压，级差为2.5 kV，在每级电压下，施加10次触发脉冲，观察击穿情况，如果不击穿则升高电压一个级差，再施加10次触发脉冲，观察击穿情况，直到在某一电压下球隙被击穿，记录电压和球隙距离，然后改变球隙距离再进行下一个距离的实验。 为了与自然放电击穿电压进行对比，在相同条件下还进行了无触发击穿实验（自然放电击穿实验）。实验结果如表1所示，
从表1可见，当间隙距离70mm时，自然击穿电压161 kV>140 kV，触发击穿电压75 kV<78 kV，满足条件，因此，间隙距离选为70 mm。
3.3 放电间隙的触发控制
间隙的触发控制电路如下图6所示，MOA为氧化锌避雷器，c1和C2组成电容分压器，T1为隔离变压器，R1为阻尼电阻，D1为全波整流桥，R2为放电电阻，c为储能电容器，D2为高压触发二极管，T2为脉冲变压器，G1和G2组成放电球隙，J为触发电极。
中性点的工频过电压由电容分压器分压后在C2上分得的与中性点过电压成比例的工频电压，此电压经隔离变压器T2后经R1进入D1并整流为直流电压，该电压给储能电容器C充电，当充电电压超过D2的额定触发电压（即事先设定的阀值）时，D2触发，电容c经过高压触发二极管D2对脉冲变压器T2原边放电，在其副边产生脉冲高电压，该脉冲高电压作用于触发电极J使其与G2间放电并产生火花，该放电为G1、C2间电场提供大量带电粒子，使球隙间的击穿电压大大降低，最终使Gl、G2间的间隙发生击穿。
由于阻尼电阻R1的存在，使得在雷电冲击电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下储能电容器不能储存足够的能量，从而也就不会产生触发脉冲电压，所以，在雷电冲击电压、操作冲击过电压等持续时间较短的过电压作用下球隙的击穿电压就会很高，不会在避雷器残压下发生误动。
4、新型保护间隙的整机相关试验
为了检验本文所提出的新型触发控制型保护间间隙的整机性能，制作了新型保护间隙的整机样机如图7所示，并对样机进行了整体试验。
4.1 触发放电试验
以高压试验室里的工频试验变压器做工频高压电源，对新型保护间隙的样机进行了工频击穿特性试验（触发放电试验），试验结果见表2所示。
从表2可以看出，最高放电电压为52.4 kV，最低放电电压为51.1 kV，平均值放电分散性很小，工作性能稳定，而110 kV系统变压器保护用避雷器（MOA）的额定工作电压为55 kV，间隙的工频放电电压小于前者，即当中性点出现工频稳态过电压时，受控放电间隙先于避雷器（MOA）而动作，有效保护了变压器的中性点绝缘，同时也保护了避雷器。
4.2 自然击穿放电试验
为了检验新型保护间隙的自然击穿情况，对新型保护间隙的样机进行了自然击穿试验，考虑到直流电压下的自然击穿试验比雷电冲击下的自然击穿试验对间隙自然击穿特性的考验更严格、苛刻，采用直流电压下的自然击穿试验来考核新型保护间隙的自然击穿特性，试验结果见表3所示，
从表3可以看出，最高放电电压为178.4 kV。最低放电电压为165.4 kV，平均值172.1 kV，放电分散性很小，球隙工作性能稳定，而110 kV系统变压器保护用避雷器（MOA）的残压值为144 kV，小于球隙的直流放电电压，因此避雷器（MOA）将先于球隙动作，从而保护变压器中性点绝缘，符合前述设计思想，
5、结论
本文提出了一种新型具有触发控制功能的110 kV变压器中性点保护间隙，与现有同类技术相比，新型保护间隙具有如下技术优势：
1）新型受控放电间隙与避雷器分工明确，保护间隙仅对由对地短路故障引发的工频稳态过电压、非对称运行引发的工频过电压及铁磁谐振引起的谐振电压等持续时间较长的过电压起保护作用，间隙在避雷器残压下不会击穿；
2）新型间隙采用三电极球隙结构，不仅使其在受控条件下触发电压大大降低，远小于自然击穿电压，而且间隙的自然击穿放电电压分散性也远比目前的棒一棒间隙小；
3）新型间隙为无源装置，不需要提供额外的供电电源，其能量来自于中性点传人的过电压产生的能力，能够随过电压适时动作，实际应用更加方便。