输电等级真空开断技术发展展望

真空开关因其优异而独特的性能，在电力系统中获得了广泛的应用。随着触头材料、真空工艺技术的进步，经历数十年的发展，结合工业和经济社会的发展需求，不断拓展着应用范围。在过去数十年的发展过程中，在中压领域真空断路器逐步占据了主导地位。而在高电压等级则仍然是SF6气体开关占据主导地位，这主要是仍然没有成熟的替代技术可以取代它。然而，SF6气体的温室气体效应问题是制约其使用的核心。SF6气体是一种强温室气体，其碳排放等效系数为23900，而且半衰期长达3200年，是国际公约限制使用的六种气体之一。当前许多发达国家出台了各种控制使用SF6气体的法规，澳大利亚政府在2012年开始对SF6气体征收的碳排放税高达57万美元/吨。

真空断路器技术由于其自身独特的优点，是取代SF6断路器技术的重要选项，如何提高单断口灭弧室电压等级，使得真空开关用于输电等级一直是世界范围内广泛关注的问题。

真空断路器是什么？

真空断路器是利用真空作为绝缘和熄弧介质，实现正常（或异常）回路条件下电流的关合、承载（或异常条件下在规定时间内承载）和开断功能的机械开关装置。利用真空作为绝缘与熄弧介质的设想最早是在19世纪末由加州理工学院的Sorensen教授团队提出的，并且在20世纪20 年代制造出了在2300V 电压下能够成功开断100A的真空灭弧室。但是由于受当时真空工艺、材料制备等技术的限制，真空灭弧室并未实现商业化应用。

目前，鉴于真空断路器在中压配电领域的技术储备与运行经验，真空断路器向输电等级发展主要采取两种技术路线，一种为发展高电压等级的单断口灭弧室，另一种为采用中压等级的双断口或多断口灭弧室进行串联。发展高电压等级的单断口灭弧室在技术上面临一系列巨大的挑战。

输电等级真空开断技术发展展望

通过长期持续不断的努力，真空断路器的电压等级向输电等级提升取得了很大的进展，目前126kV单断口真空断路器已经投入商业运行。但进一步提升其指标，扩大应用范围，取代SF6气体断路器还有许多工作需要去做。本文主要介绍输电等级真空开断技术的发展展望，一些研究工作正在进行之中，期待早日实现。

1.  陶瓷外壳真空灭弧室

图1所示为126kV单断口玻璃壳真空灭弧室。所设计的真空灭弧室的外壳结构是由两节玻璃外壳组成，其屏蔽罩结构为中央主屏蔽罩和端部屏蔽罩结构。

图1

图2

图2所示是一种陶瓷外壳的真空灭弧室及其所采用的多重屏蔽罩结构。陶瓷外壳真空灭弧室的优点是，一方面可以采用一次封排工艺。采用一次封排工艺可以提高灭弧室产品品质，同时减少了加工流程，可以降低产品成本；另外一方面，126kV等级真空灭弧室外壳采用四节瓷壳组成。这种设计可以使用多重屏蔽罩结构设计，提高产品绝缘水平。

陶瓷外壳性能优越，但是其制造工艺对真空一次封排炉提出了很高的要求。目前研发的126kV单断口真空灭弧室长度达到90cm以上，更高等级的真空灭弧室需要更大结构的真空一次封排炉，这对装备制造技术提出了挑战。另外在封排过程中防止金属蒸汽沉积和污染陶瓷壳内壁，降低灭弧室内部击穿电压水平也是重要的研究课题。

2. 额定电流提升技术

三分之二匝线圈式纵磁触头现已证明在126kV真空灭弧室的应用中具有优良的短路电流开断性能，其短路开断能力可以达到40kA。由于三分之二匝线圈式纵磁触头结构较为复杂，触头的电阻值较大，触头的产热较高，限制了其额定电流的提升。因此，迫切需要额定电流的提升技术。大量的仿真和实验工作证明，触头结构参数的优化以及加装散热扇片或重力热管可以有效地提升设计的额定电流。

图3

如图3所示，是三分之二匝线圈式纵磁触头线圈结构及其参数。通过三分之二匝线圈式纵磁触头线圈结构的参数化设计及体电阻优化，优化真空断路器导电部件（如，灭弧室动、静导电杆、导电支撑）体电阻和接触电阻的设计。如图4所示，加装散热扇片后，可有效提高真空断路器额定电流水平。此外，在现有的研究基础之上，通过复合磁场触头结构设计，利用复合磁场的分布特点，既满足开断额定短路电流的要求，也可以实现额定电流的提升。

图4

3. 采用环境友好绝缘气体实现外绝缘

SF6由于其优良的绝缘和灭弧性能广泛应用于GCB和GIS中。但是，SF6是一种强温室效应气体。SF6的温室效应潜在值是 CO2的23900倍，而且在大气中的寿命估计达3200 年之久。日本京都议定书中将 SF6气体列为全球管制的六种气体之一。因此，需要研究SF6外绝缘的替代气体。在126kV及以下可采用高气压干燥空气介质，瓷柱式真空断路器气体外绝缘如图5所示，罐式真空断路器气体外绝缘如图6所示。

图5

图6

4. 新型操动机构技术

断路器作为电力输配电系统中应用最广泛的开关设备，需要实现对系统中正常电流的开断与关合，以及对过载、短路等故障电流的开断。它在开断、关合动作过程中的可靠性，极大程度上影响着供电的可靠性。而断路器的动作则是通过操动机构来实现的。操动机构不但要保证断路器长期动作的可靠性，还要满足断路器灭弧特性对操动机构的要求。因此，操动机构在断路器中占有重要地位。适用于真空断路器的操动机构主要有电磁操动机构，弹簧操动机构，电机操动机构和永磁操动机构。特别是电机操动机构和永磁操动机构，具有机构零件数量少，机械可靠性高；可实现选相分合闸；运动过程可控，可实现智能化操作等特点。

永磁操动机构因其结构简单、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小、与真空断路器配合良好等特点而受到关注，并被广泛应用于中低压等级的真空断路器中。但是永磁机构在高压领域的应用还存在一定难度，这是由于高压等级真空断路器触头的运动行程更长，分合闸速度更高，这依靠传统结构的永磁机构很难实现。因此，针对126kV真空断路器设计出一种适用于大开距，高电压等级，具有较高分合闸速度的新型永磁操动机构。本书第七章介绍了新型分离磁路式永磁操动机构，将永磁保持部分与电磁操动部分分离，使两部分磁路在工作时互不干扰，并在永磁体上下端和分、合闸线圈之间的静铁芯上加入非工作气隙，以提高线圈效率和分、合闸速度。此外，相对于传统结构的永磁机构，采用分离磁路式结构的新型永磁机构的动态特性更好，如图7、图8所示。目前该类型操动机构仍限于实验室研究阶段，实际应用于产品还有一个过程，但它是一种极有发展前景的操动机构。

图7

图8

图9

如图9所示，是一种126 kV真空断路器电机操动机构。电机操动机构将运动部件简化为唯一的电机轴；机构零件少，机械可靠性高；电机伺服性能好，操动机构可靠性高；有利于实现智能化操作等特点。

5. “真空开关”组合电器

新一代气体绝缘封闭组合电器，可将断路器、接地开关、快速接地开关、隔离开关等开关设备选用为真空开关，同时选用非SF6的环境友好型绝缘气体。绝缘气体只负责真空灭弧室外部以及组合电器管体内部的绝缘，并不参与电流的开断以及燃弧过程。电流的开断、接地、快速接地、隔离等动作均由不同职能的真空灭弧室负责完成。气体绝缘封闭“真空开关”组合电器的优点是充分发挥了真空灭弧室诸如开断能力强、寿命长、体积小、重量轻、使用安全、合分闸时操作功低、噪声低、维护简单等特点。图10是示意图。

图10

6. 液氮绝缘“超导”组合电器

液氮被用于超导带材的冷却介质，其绝缘强度很高，不需要考虑“液化”问题，并且对环境没有污染。液氮可以在具有SF6绝缘性能的同时克服了SF6的问题，完全能够替代SF6作为组合开关设备的外绝缘。因此液氮绝缘“超导”组合电器将会是气体绝缘封闭组合电器的“革命”。

液氮绝缘“超导”组合电器关键技术主要是液氮绝缘特性，超导带材限流特性，真空灭弧室在液氮中的特性，液氮冷却循环系统设计，以及耐低温电压电流互感器的设计。此外，液氮绝缘“超导”组合电器具有众多优点，不仅可以在高寒地区下使用，而且避免了SF6气体的温室效应以及环境污染；液氮绝缘强度高，减小了开关设备尺寸小；通过液氮冷却循环系统循环冷却液氮，设备可长时间正常工作；连接导线为超导带材，带短路电流限流功能，正常导通情况下无损耗；超导组合电器内所有开关均为真空开关。真空开关不但可以在液氮中正常工作，而且在液氮中额定电流还可以提高。

图11

图11所示是一种气体绝缘封闭“超导”组合电器。提出了一种具有液氮冷却循环系统的封闭开关设备，利用液氮作为绝缘介质，解决了SF6绝缘气体环境污染，气体液化导致绝缘失效的问题；同时具有高绝缘强度，减小了设备体积。

7. 基于真空断路器的新型高压直流断路器

目前多端直流电网系统的发展对高压直流开关提出了迫切的需求，目前不同拓扑结构的高压直流开关都处于研究过程中。真空断路器由于具有极优越的高频开断能力，可以用于直流开断。这里提出的一种基于真空断路器的新型高压直流断路器方案的如图12所示，它由高电压直流真空负荷开关与高压限流熔断器相结合形成新型高压直流组合电器。熔断器负责开断短路电流，直流负荷开关负责开断过载电流和额定电流，二者配合完成直流的全电流范围开断。在合闸操作时，真空负荷开关闭合，完成合闸；额定电流和过载电流分闸操作的过程，是在真空开关分闸的同时，触发开关导通，电容器反向放电，在回路中形成过零点，真空开关电弧在电流过零时刻熄灭，完成额定电流的分闸操作；短路大电流分闸的分断由后备式熔断器熔断完成，真空负荷开关分闸形成“隔离”断口。

图12

直流真空负荷开关与高压限流熔断器构成的直流组合电器开断实验电流的测量电流和电压波形如图13所示。这种新型高压直流组合电器的优点是：开断短路电流大；操作控制方便；成本低廉，性价比高；安全可靠，稳定性高。

图13

8.252kV真空灭弧室研究与开发

目前126kV真空灭弧室已有商业化产品，并以此为基础开发了126kV单断口真空断路器，并实际挂网运行。在输电等级全面发展真空断路器，还需要开发更高等级的单断口真空断流器。根据真空绝缘与放电理论，开发更高电压等级的真空灭弧室是完全可能的，具体在材料、结构等方面还需要进一步研究。目前根据理论计算和实验室研究，真空间隙可以承载的击穿电压还有很大增长空间，但是由于燃弧过程对触头表面的破坏和影响很大，而真空间隙的击穿又主要取决于电极表面过程，因此进一步研究新的结构和采用新的材料，甚至在燃弧模式控制上发明新的方法，完全有可能将单断口真空灭弧室的额定电压提升到252kV水平。当单个灭弧室实现252kV电压水平时，输电等级真空断路器的应用范围将极大的拓展。

本课题组已经着手研究开发252kV额定电压等级的单断口真空灭弧室，设计了252kV真空灭弧室样品，该灭弧室样品采用多段玻璃外壳焊接构成，灭弧室总长度达到1.2米，外径为300mm。

9. 真空断路器同步控制技术

真空灭弧室的触头开距小、机构行程短，所需的操作功也相对较小。这些特点使得可以通过电力电子技术精确控制时间、速度和行程的永磁操动机构和电机操动机构成为可能。在此基础上可以实现输电等级真空断路器的分、合同步控制，这一点对于系统的稳定运行意义十分巨大。通过同步控制，可以极大地减轻暂态短路电流、冲击电压的水平，使得断路器开断负担大大减轻，极大地提高系统可靠性，降低对系统保护方面的一系列要求。未来以真空断路器为基础的电力系统可以通过同步控制实现整个系统的平稳、安全运行。

10.超特高压真空断路器

将真空开关发展到超特高压等级，会为电力开关领域全面削减和替代强温室效应SF6做出贡献。目前已研制出具有自主知识产权的126kV和252kV等输电等级真空灭弧室。在此基础之上，进一步发展双断口和多断口真空断路器的结构设计，可以极大得提高了单断口断路器的短路电流开断和绝缘耐压能力，使得超特高压真空断路器的设计和实现成为可能。图14所示是一种典型的双断口真空断路器结构，以及图15和图16分别展示了800kV多断口瓷柱式和罐式真空断路器。主要的关键技术包括，双断口和多断口真空开关的动态介质恢复过程；并联电阻和均压电容的选取；操动机构的设计。

图14

图15

图16

真空开断技术具有独到的优点，特别是它的环境友好性能无与伦比，值得大力发展和推广应用。真空断路器向更高电压的输电等级发展，面临的挑战十分严峻，许多技术的突破需要更加广泛、深入的基础性研究。只有持续不断的努力，才能实现新的突破。

本文选自《输电等级单断口真空断路器理论及其技术》

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