摘要： 簡述了真空斷路器的發展概況，對真空斷路器與SF6斷路器進行了對比分析。同時對真空斷路器向750 kV超高壓等級發展的途徑進行論述。 關鍵詞： 真空斷路器；SF6斷路器；750 kV超高壓；光電控制模式 　　 　　當前，我國正在西北建設第一條750 kV的超高壓線路，為今后建設更高電壓等級的超高壓線路打下基礎，并且其設備將以采用我國已有能力自行設計和制造的為主。目前，在斷路器方面，世界各國的發展趨勢是努力發展高壓與超高壓真空斷路器，逐步淘汰SF6斷路器；在我國，將于今年年底左右試制成功高水平的126 kV真空斷路器，并正在積極開展750 kV超高壓真空斷路器的研制開發工作。 　　 1　真空斷路器發展概況 1.1　歷史回顧  　　用高壓斷路器保護電力系統至今已經歷了漫長的歷史。從最初的油斷路器發展到壓縮空氣斷路器；60年代初，SF6斷路器和真空斷路器同步進入電力系統，逐步淘汰油斷路器和壓縮空氣斷路器，占領了整個高壓電力系統。 　　回顧歷史，企圖用真空作為斷路器滅弧介質和絕緣介質的研究工作要早于SF6氣體。對SF6氣體的研究始于20世紀40年代［１］，由于SF6氣體具有特異的熱化學性和負電性，因而其絕緣性能和滅弧性能也特別好，被廣泛應用于高壓開關設備中作為絕緣和滅弧介質。1959年，推出了第一臺實用的SF6斷路器，目前它已成為高壓斷路器的主要品種，并且幾乎占領了高壓及超高壓領域內所有的份額。 　　從18世紀初，就有人開始設想利用真空的一些特點來開斷電流［２～４］，1893年，美國里頓豪斯（Rittenhause）設計出第一個結構簡單的真空滅弧室并以專利發表后，引起了教授和專家們的重視。1920年，瑞典佛加（Birka）公司第一次制成了真空斷路器，盡管其開斷能力極小尚無實用價值，但卻吸引了各界的興趣。1923年前后，索倫森（Sorenson）和曼登霍爾（Mandenhall）在美國加里福尼亞工學院開始進行真空中開斷電流的研究工作，并成功的在41 kV下開斷了926 A的工頻交流電流，1926年他們公布了研究成果。此后，美國和德國的一些電氣公司便致力于真空斷路器的研究，但由于當時科學技術對真空斷路器的要求不迫切，所以研究成果不甚顯著。20世紀50年代初期，對真空斷路器的研究有了較快的進展，1961年，美國通用電氣公司生產出了額定電壓15 kV，開斷能力12.5 kA的真空斷路器，并于1966年進一步試制成功15、25 kA和31.5 kA的真空斷路器，從此真空斷路器正式進入了電力系統。到目前為止，真空斷路器的額定電流已達到6 300 A，單斷口真空滅弧室的額定電壓已分別達到123、126 kV和145 kV的水平，開斷電流能力最高可達63 kA。 1.2　我國真空斷路器發展簡介 　　我國是在1958年前后開始對真空電弧理論研究和真空斷路器研制工作的。1965年，西安交通大學與原西安高壓開關整流器廠聯合研制成功了第一個真空滅弧室，不久西安交通大學單獨研制成功了10 kV，開斷1 500 A電力電容器組容性電流的三相真空斷路器。1967年，西安高壓電器研究所研制成功了10 kV，2 000 A 單相快速真空斷路器。在他們的帶動下，原電子工業部所屬的4401廠、777廠、779廠和771廠等單位也開始研制真空滅弧室，掀起了國內多家開關廠試制真空斷路器的高潮，如北京開關廠和蘇州開關廠等。現在，我國擁有一批生產真空滅弧室和真空斷路器的專業工廠以及研究真空電弧理論和改進真空滅弧室性能的研究所和大專院校，他們對繁榮我國真空斷路器的品種和提高其性能起著積極的推動作用。 　　目前，我國已能生產額定電壓12～40.5 kV,額定電流最高達到6 300 A，開斷電流為63 kA的真空斷路器。我國真空斷路器的產品質量和參數與國外先進產品相比基本相同，幾乎不存在差距，但在可靠性和外觀質量方面還需進一步改進和提高。我國高壓真空滅弧室的年產量隨著電力事業的蓬勃發展正在逐年提高，見圖1。從圖1中可知，至2003年底我國真空滅弧室的年產量已達到60多萬只，占世界總產量的1/2左右，并已開始推向國際市場。 2　真空斷路器與SF6斷路器的對比分析 　　真空斷路器與SF6斷路器是20世紀60年代開始發展起來的兩大類電力開關，它們為電力工業的發展作出了重大貢獻。這里著重從人類今后的生存和環保二方面來評述這兩類斷路器今后發展的趨向。  2.1　真空斷路器 　　真空斷路器是依靠真空滅弧室在真空中來開斷電流的，毫無疑問，在開斷電流過程中會產生強烈的X光射線。這個強烈的X光射線是否對人體有危害性呢?曾有過多次爭論，爭論高潮時幾乎造成真空斷路器停止生產。為了消除這種影響，1983年日本東芝電氣公司代表日本政府以國際法為準則在Electrical Review雜志上轉載了具有法律效應的嚴正聲明［５］，并依據ANS1 C3-85標準在聯合國指定公證單位的監督下認真作了X光射線的實際測試，得出了對人體無危害性的結論報告，測試結果見表1。 　　2002年，德國SIEMENS AG公司對84 kV的真空滅弧室在正常工作的情況下按國際標準火花閃爍計數器距離射線焦點700 mm位置對X射線的發射劑量率進行了測量，見圖2[6]，結論認為對人類的健康沒有任何危害性。 2.2　SF6斷路器 　　全球氣候變暖會導致異常的天氣事件，如熱浪、干旱和疾病的傳播等，保護地球和保護生態環境已成為當今世界各國的一項偉大歷史使命［７］。以CO2為代表的溫室效應氣體，雖然使太陽光中的短波容易透射，但它也容易吸收從地球表面來的波長較長的光（如紅外線）。大量的溫室效應氣體被釋放在空氣中，并在地球上空形成一個氣體層，這些氣體吸收的紅外線不能穿過氣體層向外輻射，從而導致大氣溫度明顯上升變暖，這種現象就稱為溫室效應。 　　20世紀，全球平均氣溫大約上升了5～9℃［８］，全球溫度上升的主要原因是由人類排放的溫室效應氣體CO2、CH4、NO2、HFCS、PECS以及SF6造成的，SF6氣體雖然不會破壞臭氧層，但對全球氣候變暖有特別大的影響。 　　定量表示氣體溫室效應的最簡單指示就是地球的溫暖化系數GWP （Global Warming Pote ntial）。地球變暖由氣體紅外區吸收的光譜所決定，大氣中的濃度依賴于所考察氣體的壽命和溫暖化的年數，幾種主要氣體的特性見表2［９］。 從表2可以看出，SF6氣體的GWP比其他幾種氣體大得多。不過，它對地球溫暖化的影響與其GWP和大氣中所含該氣體濃度的乘積有關，所以，SF6氣體的影響比CO2的影響小得多。但是， GWP值大對溫暖化的潛在影響也就大，如果今后SF6氣體的排放量繼續增大的話，其影響力變得相當大也就成為可能。  　　1995年全世界SF6的產量大概是8 000～9 000 t，估計現在已突破200 000 t（包括儲存量）［７］。其中，電力工業的SF6年用量為7 000 t左右，主要用于斷路器和其他輸配電設備。理論上，SF6氣體可以回收再利用，絕不允許泄漏到大氣中，然而在實際運行中有很大的泄漏。美國年泄漏的SF6氣體約相當于8 t的CO2。10年前，大氣中的SF6氣體濃度幾乎感覺不到，而現在含量約為32 ppt［８］。這些泄漏氣體很大部分歸因于電力工業。 　　隨著SF6氣體使用量、排放量的增加，大氣中的SF6氣體濃度也在逐年增加，其濃度大小隨地點、季節而變化，工業化先進的北半球比南半球約高0.4 ppt,接近4 ppt［１０］。然而，北半球最近幾年間大氣中SF6氣體濃度呈直線上升的趨勢。當前，我國SF6開關設備運行中泄漏SF6氣體的情況如下［11］： 　　（1） 根據文獻［１２］的統計，1989～1997年，220 kV 及以上SF6斷路器和GIS發生的泄漏故障中，設備本體漏氣共26次，其中進口設備為3次。 　　（2） 據文獻［１３］的統計，國產SF6斷路器的漏氣問題很突出，北京供電局所使用的220kV SF6斷路器中僅1993年度就有11臺斷路器中的11相本體漏氣，全年共補氣18次。 　　（3） 據文獻［１４］的統計，1994年SF6斷路器本體漏氣16次，國產、進口設備都存在這一問題。  　　（4） 據文獻［１５］統計，1988～1995年間國產500 kVSF6斷路器共發生22次故障，主要是密封質量問題，幾乎占了故障的一半。  　　 　　（5） 據文獻［１６］，國際大電網會議（CIGRE）23-03特別工作組曾對11家巴西用戶的7個制造廠的29臺GIS進行調查，結果顯示，在某些變電站，設備每年的SF6泄漏率超過3％，個別情況可高達10％。巴西大多數的100～200 kV GIS，其SF6泄漏率十分接近允許值1%。僅在1991～1993年間，在巴西安裝的GIS由于泄漏問題至少導致5 623 kg SF6氣體排放到了大氣中。  　　 　　關于大氣中SF6氣體的濃度以及緊密效應的典型計算結果已經有報告。在此報告中還給出了大氣溫度上升趨勢變化的情況［10］，見圖3。據此，假如2000年以后每年SF6氣體的排放量為6 800 t（圖3中的曲線1和2），或者1990年后為10 000 t（圖3中的曲線3和4），按SF6氣體在空氣中的壽命為無限大進行計算，到2010年時預測SF6氣體在空氣中的濃度為8 ppt（若1990年后每年排放10 000 t，則為10 ppt）。可見，按最嚴格的條件（曲線4）來考慮，到2010年，大氣溫度要上升0004.3 ℃，到2100年要上升0.02 ℃。與此相同，由CO2氣體產生的溫室效應也依賴于今后的排放量。據估計，到2010年由CO2所引起的大氣溫升為08℃，到2100年時大氣溫升為2～5 ℃。 　 注： 曲線1、3是對SF6氣體壽命為200年時溫室效應的預測；曲線2、4是對SF6氣體壽命為無限大時溫室效應的預測。 　　為此，從全球環境保護出發，CIGRE在1997年日本京都會議上提出了決定草案，即《聯合國氣候變化框架公約京都議定書》（簡稱《京都議定書》），該議定書附件A中列出了6種溫室效應氣體：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（NO2）、氫氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PECS）、六氟化硫（SF6），并列出了與這些溫室效應氣體相關的部門類別和相應的產業，其中能源工業和制造工業等對SF6的生產和消費均在指名之列。《京都議定書》規定2008～2012年為第一個排放量限制和削減承諾期，在附件B中列出了有關締約方的排放量限制或削減承諾（以1990年為基準年，對SF6等后3種氣體則以1995年為基準年）。　 　 　　目前，SF6氣體主要應用在高壓電力設備中作為絕緣和滅弧介質。《京都議定書》對SF6氣體的使用限制已引起我國環保、電力等有關部門的重視，希望廣大從事高壓開關工作的科技人員能提出具體限制SF6氣體排放量和削減量的建議。 3　真空斷路器向750 kV超高電壓等級發展的途徑 　　　　 　　大多數電器專家認為，具有單斷口分斷能力的高壓和超高壓斷路器是性能最佳的斷路器。目前，在超高壓斷路器中，唯有SF6斷路器能做到單斷口的結構，但由于SF6氣體具有嚴重的溫室效應，將被逐步禁用，因此，它最終會退出歷史舞臺。 　　當前，世界各國正在向用單斷口真空滅弧室串聯組成超高電壓等級真空斷路器的方向邁進。且國際上已有了123、126 kV和145 kV單斷口的真空滅弧室。  　　經分析，選用126 kV單斷口真空滅弧室串聯組成750 kV的超高壓真空斷路器已成為可行的發展方向。目前，我國已初步研制成功126 kV單斷口真空滅弧室，估計在今年下半年即可投入生產。西安交通大學正在研究設計由6個單斷口126 kV真空滅弧室串聯組成的750 kV超高壓真空斷路器，他們為每個126 kV真空滅弧室各裝配了一個永磁操動機構以實現6個真空滅弧室的同步操作。這種具有永磁操動機構且選用帶智能化光電控制模式電子線路來完成自動遙控功能的超高壓真空斷路器在國內還是首次嘗試，希望它能在我國正在建設的第一條750 kV線路上被有關部門支持選用。 3.1　750 kV超高壓真空斷路器的設計方案 　　采用多斷口真空滅弧室串聯組成的750 kV超高壓真空斷路器可歸納為瓷柱式和箱式兩種結構。我國正在開發中的屬于瓷柱式結構，見圖4。它每極由6個126 kV真空滅弧室串聯組成，每個真空滅弧室之間安裝有控制箱，每個真空滅弧室中相應的布置有均壓電容器，在控制箱內裝有永磁操動機構和電容器等，見圖5。6個串聯瓷支柱的底部用鋼質底座作為整個斷路器的支撐。為了使真空斷路器可靠地穩定還用了數根絕緣纜線進行拉緊。超高壓電源通過A端輸入，由B端輸出。 　　真空斷路器的分、合閘操作由真空滅弧室、超行程彈簧組合器和布置在中部的控制箱完成。控制箱由光電、電子控制器等智能化元件組成，當光電、電子控制器接受外來信號后，電容器即向永磁操動機構線圈放電推動拉桿帶動超行程彈簧組合器快速運動，使真空滅弧室的動觸頭閉合或分開以實現真空斷路器的分閘或合閘。 3.2　瓷柱式超高壓真空斷路器的優缺點  　　瓷柱式的優點是制造成本低，結構簡單，容易安裝、調試和維修，零部件發生意外損壞時便于更換。缺點是地震時容易損壞，電流互感器、避雷器以及隔離開關等設備需另外購置和另占地安裝。 4　超高壓真空斷路器的智能化 　　　　 　　對特殊設計的永磁操動機構進行了仿真虛擬測試，結果表明其力的輸出特性和速度特性均適合用于750 kV超高壓真空斷路器。永磁操動機構的最大行程可達到84 mm，合閘位置的負載吸力大約每極為10 000 N，分閘平均速度可達3.5 m/s。對每個永磁操動機構安裝有8個并聯電容器，預充電電壓為100 V，總電容值為0.8 F。將6個126 kV真空滅弧室組成750 kV超高壓真空斷路器時可實現對6個真空滅弧室永磁操作機構的同步操作，其動作時間的分散性一般不會超過100 μs，因此,所設計的永磁操動機構能滿足750 kV超高壓真空斷路器。 　　此外，自動控制和遙控測試裝置設有接收光信號及光電波能量的光電自動控制器，它們被設置在控制箱內，用來控制預先充好電的電容器組向永磁操動機構的合閘或分閘線圈放電，達到真空滅弧室觸頭的閉合或分開。這種自動控制器還可以專用電話線路或無線電話接受信號方式來操作真空斷路器。光電自動控制器設置有可靠抗外來干擾的電磁屏蔽設施。 　　 　　圖6為750 kV超高壓真空斷路器光電控制模式框架結構圖（已報專利）。主要由真空滅弧室、超行程彈簧組合器、永磁操動機構、儲能電容器、電子光控系統裝置、光導纖維電纜和信號接受器組成。750 kV超高壓真空斷路器每相可以分別進行電流過零前開斷操作，估計其短路電流開斷能力可提高15%～20%。 [align=center]1—永磁操動機構；2—儲能電容器；3—光導纖維電纜；4—超行程彈簧組合器； 5—電子光控系統裝置；6—信號接受器 圖6　750 kV真空斷路器光電控制模式框架結構圖[/align] 　　其操作過程是：當信號接受器接到電站操作信號時（如真空斷路器在正常工作時接到故障信號），通過光導纖維電纜3立刻傳遞給電子光控系統裝置進行識別，并發出指令讓儲能電容器組向永磁操動機構的線圈放電使其動作，于是串聯的6個真空滅弧室同步分閘（或合閘）。 　　 5　總結 　　采用真空滅弧室串聯組成超高壓真空斷路器是當今的發展趨向，據了解，國外也正在開展采用單斷口真空滅弧室串聯組成超高壓真空斷路器的研究工作。希望有關部門能大力支持我國對瓷柱式結構超高壓真空斷路器的開發。在智能化方面，隨著當前電子技術的迅速發展，采用自動化光電控制技術和同步選相合閘的方案是可行的。 6　參考文獻 　　 　　［1］　王季梅，錢豫圭.論我國研制成功126 kV戶外高壓真空斷路器和進一步解決高壓電壓等級真空滅弧室的建議.高壓電器，2003（1）：3. 　　［2］　王季梅.真空開關理論及其應用［Ｍ］.西安：西安交通大學出版社，1986. 　　［3］　王季梅，吳維忠，魏一鈞，等.真空開關北京：機械工業出版社，1983. ［4］　王季梅.國外真空開關發展概況.高壓電器，1980（5）. 　　［5］　Toshiba Engineers. 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