摘要： 簡述了真空斷路器的發(fā)展概況，對(duì)真空斷路器與SF6斷路器進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)對(duì)真空斷路器向750 kV超高壓等級(jí)發(fā)展的途徑進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞： 真空斷路器；SF6斷路器；750 kV超高壓；光電控制模式 　　 　　當(dāng)前，我國正在西北建設(shè)第一條750 kV的超高壓線路，為今后建設(shè)更高電壓等級(jí)的超高壓線路打下基礎(chǔ)，并且其設(shè)備將以采用我國已有能力自行設(shè)計(jì)和制造的為主。目前，在斷路器方面，世界各國的發(fā)展趨勢(shì)是努力發(fā)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(fā)工作。 　　 1　真空斷路器發(fā)展概況 1.1　歷史回顧  　　用高壓斷路器保護(hù)電力系統(tǒng)至今已經(jīng)歷了漫長的歷史。從最初的油斷路器發(fā)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(jìn)入電力系統(tǒng)，逐步淘汰油斷路器和壓縮空氣斷路器，占領(lǐng)了整個(gè)高壓電力系統(tǒng)。 　　回顧歷史，企圖用真空作為斷路器滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)的研究工作要早于SF6氣體。對(duì)SF6氣體的研究始于20世紀(jì)40年代［１］，由于SF6氣體具有特異的熱化學(xué)性和負(fù)電性，因而其絕緣性能和滅弧性能也特別好，被廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)設(shè)備中作為絕緣和滅弧介質(zhì)。1959年，推出了第一臺(tái)實(shí)用的SF6斷路器，目前它已成為高壓斷路器的主要品種，并且?guī)缀跽碱I(lǐng)了高壓及超高壓領(lǐng)域內(nèi)所有的份額。 　　從18世紀(jì)初，就有人開始設(shè)想利用真空的一些特點(diǎn)來開斷電流［２～４］，1893年，美國里頓豪斯（Rittenhause）設(shè)計(jì)出第一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的真空滅弧室并以專利發(fā)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(shí)用價(jià)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(xué)院開始進(jìn)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(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)對(duì)真空斷路器的要求不迫切，所以研究成果不甚顯著。20世紀(jì)50年代初期，對(duì)真空斷路器的研究有了較快的進(jìn)展，1961年，美國通用電氣公司生產(chǎn)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(jìn)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(jìn)入了電力系統(tǒng)。到目前為止，真空斷路器的額定電流已達(dá)到6 300 A，單斷口真空滅弧室的額定電壓已分別達(dá)到123、126 kV和145 kV的水平，開斷電流能力最高可達(dá)63 kA。 1.2　我國真空斷路器發(fā)展簡介 　　我國是在1958年前后開始對(duì)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(xué)與原西安高壓開關(guān)整流器廠聯(lián)合研制成功了第一個(gè)真空滅弧室，不久西安交通大學(xué)單獨(dú)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(dòng)下，原電子工業(yè)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(nèi)多家開關(guān)廠試制真空斷路器的高潮，如北京開關(guān)廠和蘇州開關(guān)廠等?，F(xiàn)在，我國擁有一批生產(chǎn)真空滅弧室和真空斷路器的專業(yè)工廠以及研究真空電弧理論和改進(jìn)真空滅弧室性能的研究所和大專院校，他們對(duì)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(dòng)作用。 　　目前，我國已能生產(chǎn)額定電壓12～40.5 kV,額定電流最高達(dá)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(chǎn)品質(zhì)量和參數(shù)與國外先進(jìn)產(chǎn)品相比基本相同，幾乎不存在差距，但在可靠性和外觀質(zhì)量方面還需進(jìn)一步改進(jìn)和提高。我國高壓真空滅弧室的年產(chǎn)量隨著電力事業(yè)的蓬勃發(fā)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(chǎn)量已達(dá)到60多萬只，占世界總產(chǎn)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(duì)比分析 　　真空斷路器與SF6斷路器是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的兩大類電力開關(guān)，它們?yōu)殡娏I(yè)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。這里著重從人類今后的生存和環(huán)保二方面來評(píng)述這兩類斷路器今后發(fā)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的X光射線。這個(gè)強(qiáng)烈的X光射線是否對(duì)人體有危害性呢?曾有過多次爭論，爭論高潮時(shí)幾乎造成真空斷路器停止生產(chǎn)。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(zhǔn)則在Electrical Review雜志上轉(zhuǎn)載了具有法律效應(yīng)的嚴(yán)正聲明［５］，并依據(jù)ANS1 C3-85標(biāo)準(zhǔn)在聯(lián)合國指定公證單位的監(jiān)督下認(rèn)真作了X光射線的實(shí)際測(cè)試，得出了對(duì)人體無危害性的結(jié)論報(bào)告，測(cè)試結(jié)果見表1。 　　2002年，德國SIEMENS AG公司對(duì)84 kV的真空滅弧室在正常工作的情況下按國際標(biāo)準(zhǔn)火花閃爍計(jì)數(shù)器距離射線焦點(diǎn)700 mm位置對(duì)X射線的發(fā)射劑量率進(jìn)行了測(cè)量，見圖2[6]，結(jié)論認(rèn)為對(duì)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(huì)導(dǎo)致異常的天氣事件，如熱浪、干旱和疾病的傳播等，保護(hù)地球和保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成為當(dāng)今世界各國的一項(xiàng)偉大歷史使命［７］。以CO2為代表的溫室效應(yīng)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(yīng)氣體被釋放在空氣中，并在地球上空形成一個(gè)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(dǎo)致大氣溫度明顯上升變暖，這種現(xiàn)象就稱為溫室效應(yīng)。 　　20世紀(jì)，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(yīng)氣體CO2、CH4、NO2、HFCS、PECS以及SF6造成的，SF6氣體雖然不會(huì)破壞臭氧層，但對(duì)全球氣候變暖有特別大的影響。 　　定量表示氣體溫室效應(yīng)的最簡單指示就是地球的溫暖化系數(shù)GWP （Global Warming Pote ntial）。地球變暖由氣體紅外區(qū)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(shù)，幾種主要?dú)怏w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(duì)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(guān)，所以，SF6氣體的影響比CO2的影響小得多。但是， GWP值大對(duì)溫暖化的潛在影響也就大，如果今后SF6氣體的排放量繼續(xù)增大的話，其影響力變得相當(dāng)大也就成為可能。  　　1995年全世界SF6的產(chǎn)量大概是8 000～9 000 t，估計(jì)現(xiàn)在已突破200 000 t（包括儲(chǔ)存量）［７］。其中，電力工業(yè)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(shè)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(shí)際運(yùn)行中有很大的泄漏。美國年泄漏的SF6氣體約相當(dāng)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(xiàn)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(yè)。 　　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(diǎn)、季節(jié)而變化，工業(yè)化先進(jìn)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(shì)。當(dāng)前，我國SF6開關(guān)設(shè)備運(yùn)行中泄漏SF6氣體的情況如下［11］： 　?。?） 根據(jù)文獻(xiàn)［１２］的統(tǒng)計(jì)，1989～1997年，220 kV 及以上SF6斷路器和GIS發(fā)生的泄漏故障中，設(shè)備本體漏氣共26次，其中進(jìn)口設(shè)備為3次。 　　（2） 據(jù)文獻(xiàn)［１３］的統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)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(tái)斷路器中的11相本體漏氣，全年共補(bǔ)氣18次。 　　（3） 據(jù)文獻(xiàn)［１４］的統(tǒng)計(jì)，1994年SF6斷路器本體漏氣16次，國產(chǎn)、進(jìn)口設(shè)備都存在這一問題。  　?。?） 據(jù)文獻(xiàn)［１５］統(tǒng)計(jì)，1988～1995年間國產(chǎn)500 kVSF6斷路器共發(fā)生22次故障，主要是密封質(zhì)量問題，幾乎占了故障的一半。  　　 　?。?） 據(jù)文獻(xiàn)［１６］，國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）23-03特別工作組曾對(duì)11家巴西用戶的7個(gè)制造廠的29臺(tái)GIS進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，在某些變電站，設(shè)備每年的SF6泄漏率超過3％，個(gè)別情況可高達(dá)10％。巴西大多數(shù)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(dǎo)致5 623 kg SF6氣體排放到了大氣中。  　　 　　關(guān)于大氣中SF6氣體的濃度以及緊密效應(yīng)的典型計(jì)算結(jié)果已經(jīng)有報(bào)告。在此報(bào)告中還給出了大氣溫度上升趨勢(shì)變化的情況［10］，見圖3。據(jù)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(jìn)行計(jì)算，到2010年時(shí)預(yù)測(cè)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）?？梢?，按最嚴(yán)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(chǎn)生的溫室效應(yīng)也依賴于今后的排放量。據(jù)估計(jì)，到2010年由CO2所引起的大氣溫升為08℃，到2100年時(shí)大氣溫升為2～5 ℃。 　 注： 曲線1、3是對(duì)SF6氣體壽命為200年時(shí)溫室效應(yīng)的預(yù)測(cè)；曲線2、4是對(duì)SF6氣體壽命為無限大時(shí)溫室效應(yīng)的預(yù)測(cè)。 　　為此，從全球環(huán)境保護(hù)出發(fā)，CIGRE在1997年日本京都會(huì)議上提出了決定草案，即《聯(lián)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(yīng)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(yīng)氣體相關(guān)的部門類別和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)，其中能源工業(yè)和制造工業(yè)等對(duì)SF6的生產(chǎn)和消費(fèi)均在指名之列?！毒┒甲h定書》規(guī)定2008～2012年為第一個(gè)排放量限制和削減承諾期，在附件B中列出了有關(guān)締約方的排放量限制或削減承諾（以1990年為基準(zhǔn)年，對(duì)SF6等后3種氣體則以1995年為基準(zhǔn)年）。　 　 　　目前，SF6氣體主要應(yīng)用在高壓電力設(shè)備中作為絕緣和滅弧介質(zhì)?！毒┒甲h定書》對(duì)SF6氣體的使用限制已引起我國環(huán)保、電力等有關(guān)部門的重視，希望廣大從事高壓開關(guān)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(jí)發(fā)展的途徑 　　　　 　　大多數(shù)電器專家認(rèn)為，具有單斷口分?jǐn)嗄芰Φ母邏汉统邏簲嗦菲魇切阅茏罴训臄嗦菲?。目前，在超高壓斷路器中，唯有SF6斷路器能做到單斷口的結(jié)構(gòu)，但由于SF6氣體具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，將被逐步禁用，因此，它最終會(huì)退出歷史舞臺(tái)。 　　當(dāng)前，世界各國正在向用單斷口真空滅弧室串聯(lián)組成超高電壓等級(jí)真空斷路器的方向邁進(jìn)。且國際上已有了123、126 kV和145 kV單斷口的真空滅弧室。  　　經(jīng)分析，選用126 kV單斷口真空滅弧室串聯(lián)組成750 kV的超高壓真空斷路器已成為可行的發(fā)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(jì)在今年下半年即可投入生產(chǎn)。西安交通大學(xué)正在研究設(shè)計(jì)由6個(gè)單斷口126 kV真空滅弧室串聯(lián)組成的750 kV超高壓真空斷路器，他們?yōu)槊總€(gè)126 kV真空滅弧室各裝配了一個(gè)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)6個(gè)真空滅弧室的同步操作。這種具有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)且選用帶智能化光電控制模式電子線路來完成自動(dòng)遙控功能的超高壓真空斷路器在國內(nèi)還是首次嘗試，希望它能在我國正在建設(shè)的第一條750 kV線路上被有關(guān)部門支持選用。 3.1　750 kV超高壓真空斷路器的設(shè)計(jì)方案 　　采用多斷口真空滅弧室串聯(lián)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(jié)構(gòu)。我國正在開發(fā)中的屬于瓷柱式結(jié)構(gòu)，見圖4。它每極由6個(gè)126 kV真空滅弧室串聯(lián)組成，每個(gè)真空滅弧室之間安裝有控制箱，每個(gè)真空滅弧室中相應(yīng)的布置有均壓電容器，在控制箱內(nèi)裝有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和電容器等，見圖5。6個(gè)串聯(lián)瓷支柱的底部用鋼質(zhì)底座作為整個(gè)斷路器的支撐。為了使真空斷路器可靠地穩(wěn)定還用了數(shù)根絕緣纜線進(jìn)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(dāng)光電、電子控制器接受外來信號(hào)后，電容器即向永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈放電推動(dòng)拉桿帶動(dòng)超行程彈簧組合器快速運(yùn)動(dòng)，使真空滅弧室的動(dòng)觸頭閉合或分開以實(shí)現(xiàn)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(yōu)缺點(diǎn)  　　瓷柱式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝、調(diào)試和維修，零部件發(fā)生意外損壞時(shí)便于更換。缺點(diǎn)是地震時(shí)容易損壞，電流互感器、避雷器以及隔離開關(guān)等設(shè)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(duì)特殊設(shè)計(jì)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真虛擬測(cè)試，結(jié)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(dòng)機(jī)構(gòu)的最大行程可達(dá)到84 mm，合閘位置的負(fù)載吸力大約每極為10 000 N，分閘平均速度可達(dá)3.5 m/s。對(duì)每個(gè)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝有8個(gè)并聯(lián)電容器，預(yù)充電電壓為100 V，總電容值為0.8 F。將6個(gè)126 kV真空滅弧室組成750 kV超高壓真空斷路器時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)6個(gè)真空滅弧室永磁操作機(jī)構(gòu)的同步操作，其動(dòng)作時(shí)間的分散性一般不會(huì)超過100 μs，因此,所設(shè)計(jì)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足750 kV超高壓真空斷路器。 　　此外，自動(dòng)控制和遙控測(cè)試裝置設(shè)有接收光信號(hào)及光電波能量的光電自動(dòng)控制器，它們被設(shè)置在控制箱內(nèi)，用來控制預(yù)先充好電的電容器組向永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘或分閘線圈放電，達(dá)到真空滅弧室觸頭的閉合或分開。這種自動(dòng)控制器還可以專用電話線路或無線電話接受信號(hào)方式來操作真空斷路器。光電自動(dòng)控制器設(shè)置有可靠抗外來干擾的電磁屏蔽設(shè)施。 　　 　　圖6為750 kV超高壓真空斷路器光電控制模式框架結(jié)構(gòu)圖（已報(bào)專利）。主要由真空滅弧室、超行程彈簧組合器、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能電容器、電子光控系統(tǒng)裝置、光導(dǎo)纖維電纜和信號(hào)接受器組成。750 kV超高壓真空斷路器每相可以分別進(jìn)行電流過零前開斷操作，估計(jì)其短路電流開斷能力可提高15%～20%。 [align=center]1—永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；2—儲(chǔ)能電容器；3—光導(dǎo)纖維電纜；4—超行程彈簧組合器； 5—電子光控系統(tǒng)裝置；6—信號(hào)接受器 圖6　750 kV真空斷路器光電控制模式框架結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　其操作過程是：當(dāng)信號(hào)接受器接到電站操作信號(hào)時(shí)（如真空斷路器在正常工作時(shí)接到故障信號(hào)），通過光導(dǎo)纖維電纜3立刻傳遞給電子光控系統(tǒng)裝置進(jìn)行識(shí)別，并發(fā)出指令讓儲(chǔ)能電容器組向永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈放電使其動(dòng)作，于是串聯(lián)的6個(gè)真空滅弧室同步分閘（或合閘）。 　　 5　總結(jié) 　　采用真空滅弧室串聯(lián)組成超高壓真空斷路器是當(dāng)今的發(fā)展趨向，據(jù)了解，國外也正在開展采用單斷口真空滅弧室串聯(lián)組成超高壓真空斷路器的研究工作。希望有關(guān)部門能大力支持我國對(duì)瓷柱式結(jié)構(gòu)超高壓真空斷路器的開發(fā)。在智能化方面，隨著當(dāng)前電子技術(shù)的迅速發(fā)展，采用自動(dòng)化光電控制技術(shù)和同步選相合閘的方案是可行的。 6　參考文獻(xiàn) 　　 　?。?］　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(jìn)一步解決高壓電壓等級(jí)真空滅弧室的建議.高壓電器，2003（1）：3. 　?。?］　王季梅.真空開關(guān)理論及其應(yīng)用［Ｍ］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1986. 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