高電壓等級真空開斷技術

高電壓等級真空開斷技術是用於高電壓等級線路開斷的技術，使用密封的真空滅弧室，外部環境對真空滅弧室的性能不產生影響，具有較好的環境適應性。高電壓等級真空開斷技術是削減與替代SF6氣體使用的有效手段。高電壓等級真空開斷技術具有少維護、適合頻繁操作、無爆炸危險、無低溫地區液化問題、對環境友好等一系列優勢。高電壓真空斷路器有兩種結構形式：戶外瓷柱式和戶外罐式。

基本介紹

• 中文名：高電壓等級真空開斷技術
• 外文名：High Voltage Level Vacuum Switching Technology
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：維護少、可頻繁操作、可靠性高
• 分類：戶外瓷柱式和戶外罐式

背景

真空開關由於具有開斷能力強壽命長、體積緊湊、重量輕、噪聲低、、電壽命及機械維護簡單等眾多優點。在中壓3.6-40.5 kV的電力開關領域得到廣泛套用。近年來，以126kV單斷口真空斷路器為標誌的高電壓等級真空斷路器得到長足發展，使環境友好型開關設備引起了更多的關注。相對於油斷路器或氣體斷路器，真空斷路器有其獨特的優勢。真空斷路器使用密封的真空滅弧室，外部環境對真空滅弧室的性能不產生影響.因此真空斷路器具有很好的環境適應性。主要介紹在高電壓等級真空斷路器領域已經開展的一些研究工作，包括真空滅弧室絕緣技術、真空電弧控制技術、操動機構技術、及額定電流提升技術等；文中還介紹了高電壓等級真空斷路器在國內外的套用與運行情況，並展望了高電壓等級真空斷路器技術的發展方向。

高電壓等級需要真空開斷技術的必要性

目前在72.5-1100 kV的電壓等級中，SF6開關設備占主導地位。SF6氣體具有優異的滅弧和絕緣性能，但是SF6氣體是一種被《京都議定書》限制的強溫室效應氣體。SF。氣體的地球溫暖化係數是二氧化碳的23900倍，它在大氣中的壽命是3200年。SF6氣體主要套用於電力開關設備中，SF6氣體的削減與替代成為電力開關領域研究人員為應對全球氣候變化所擔負的歷史使命。

鑒於SF6氣體的強溫室效應，採用“環境友好型開關”替代SF6開關成為當前電力設備領域工作者們的研究熱點問題。一方而，努力尋找環境友好型的SF6替代氣體；另一方而，致力於環境友好型真空開斷技術在高電壓等級中的套用。目前，國內外多家單位已研製出72.5-145 kV真空斷路器，並已生產和掛網運行。西安交通大學研製出一種126 kV/2500 A/40 kA單斷口瓷柱式真空斷路器。其額定電流達到2500A，額定短路開斷電流為40 kA。該126 kV真空斷路器於2013年3月在西安高壓電器研究院國家高壓電器質量監督檢驗中心通過型式試驗考核。

真空開斷技術雖然在中壓等級已占據主導地位，但套用於高電壓等級面臨著一系列的技術挑戰。首先是單斷口真空絕緣水平應達到高電壓等級開關設備的要求，而真空絕緣水平隨觸頭開距的增加會進入飽和區，單純增加開距無法有效提升其絕緣水平;其次，在開斷短路電流時其暫態恢復電壓比配電等級更高，開斷更為困難;最後，在真空中額定電流提升困難:在真空滅弧室中唯一有效的傳熱方式是熱傳導，熱對流傳熱不起作用，熱輻射也並不顯著，同時由於真空絕緣方而的考慮，真空滅弧室的導電/導熱路徑較長，不利於熱傳導散熱。因此高電壓等級真空開斷技術對設計者也提出了更高的要求。

高電壓等級真空開斷關鍵技術

發展高電壓等級真空斷路器的關鍵技術問題包括：真空滅弧室絕緣技術、真空電弧控制技術、操動機構與行程曲線控制技術、額定電流提升技術等。對上述關鍵技術的討論，有助於為高電壓等級真空斷路器的設計提供理論依據。

真空絕緣與飽和曲線

真空滅弧室絕緣技術是真空斷路器從中壓等級進入高電壓等級的一個迫切需要解決的瓶頸問題。研究高電壓等級單斷口真空滅弧室的絕緣特性，可為真空滅弧室的絕緣設計提供科學依據。

中壓配電等級真空滅弧室觸頭開距一般在20 mm以內，其標準雷電衝擊擊穿電壓的機率分布滿足威布爾分布。通過真空滅弧室在大觸頭間隙下的擊穿電壓試驗研究，發現觸頭開距在10-50 mm內，標準雷電衝擊擊穿電壓的機率分布仍滿足威布爾分布。

實驗研究了高電壓等級真空滅弧室中觸頭邊緣倒角、觸頭表面粗糙度和觸頭直徑對標準雷電衝擊電壓作用下真空絕緣特性的影響規律。在觸頭間距10-50 mm範圍內獲得了真空滅弧室的絕緣特性。

高電壓等級大電流真空分斷

真空滅弧室在開斷大電流的過程中如果出現電弧的收縮現象並形成陽極斑點，就可以認為真空斷路器的開斷能力已經達到了極限。在高電壓等級，開斷短路電流時的暫態恢復電壓更高，因此，在高電壓等級的大電流真空開斷過程中，對於真空電弧控制的要求更高。

縱向磁場對於真空開斷性能的影響主要體現在電弧形態和電弧電壓兩方面。一方面，在縱向磁場的作用下，真空電弧在陽極表而的分布更加均勻，阻比電弧的集聚以及陽極斑點的形成：另一方而，縱向磁場對電弧電壓也有影響。在一定的範圍內，電弧電壓隨縱向磁場的增強而快速降低，超過這一範圍後，電弧電壓會隨縱向磁場的進一步增加而緩慢增加。縱向磁場在大開距條件下具有優良的電弧控制特性，適合於套用在高電壓等級真空滅弧室中。

2/3匝線圈式縱磁觸頭結構作為一種新型觸頭結構，具有縱向磁感應強度高、迴路電阻小等優點，2/3匝線圈式縱磁觸頭見右圖。在2/3匝線圈式縱磁觸頭結構縱向磁場測量時通流為1800 A。

2/3匝縱磁觸頭

針對126 kV單斷口真空斷路器2/3匝縱磁觸頭，試驗得到當縱磁強度在6.0-8.5 mT/kA範圍內時可以在T100a方式下成功開斷40 kA(rms)的短路電流。

為進一步理解大電流真空電弧的陽極斑點現象。在統一的實驗條件下，系統地得到高電壓等級真空滅弧室條件下陽極斑點形成臨界電流隨觸頭立體角、縱向磁場以及觸頭材料等影響因素的變化規律。

實驗測量縱向磁場作用下陽極斑點出現的臨界電流表明，在相同觸頭直徑和不同燃弧開距下，陽極斑點臨界電流、和外施縱向磁場呈線性遞增關係。此外，陽極斑點臨界電流,與觸頭立體角之間也存在一線性遞增關係。

操動機構與合、分閘曲線

真空滅弧室的陽極放電模式圖見右圖。

真空電弧陽極模式

通過該分布圖可以得到燃弧曲線。如果使真空滅弧室的陽極在燃弧過程中儘量避開對開斷不利的強電弧模式以及陽極斑點模式區域，那么該燃弧曲線則對應於一條最佳化的分閘特性曲線,126 kV真空斷路器的最佳化分閘特性曲線見右圖。

126 kV真空斷路器的最佳化分閘特性曲線

其特性為：分閘初始時動觸頭速度非常快，使得真空電弧形態避開陽極放電模式中的強電弧模式;隨後動觸頭以一個相對慢的分閘速度將陽極放電模式態保持在擴散弧狀態或者點狀斑點狀態。該分閘特性曲線對於指導126 kV真空斷路器分閘特性的設計有重要的意義。

針對高電壓等級真空斷路器合閘操作，提出了一種合閘速度最佳化方法，以真空斷路器動熔焊時間最小為目標，降低觸頭的熔焊機率，見右圖。

126 kV真空斷路器合閘速度的確定

真空滅弧室的動熔焊時間由預擊穿時間和觸頭彈跳時間兩部分組成。當合閘速度快時，預擊穿時間較短，而觸頭彈跳時間較長。當合閘速度慢時，預擊穿時間較長而觸頭彈跳時間較短。因此存在一個最佳和合閘速度使得兩者之和為最短，即動熔焊時間最小。對於126kV真空斷路器，該合閘速度為1.15 m/s。為實現樣機的最佳化設計，建立了一套126 kV真空斷路器運動特性的虛擬樣機，見右圖。

在以上研究的基礎上設計出了用於126 kV真空斷路器的彈簧操動機構。

126 kV真空斷路器虛擬樣機模型

額定電流的提升

真空滅弧室內唯一有效的散熱途徑是熱傳導，積聚在滅弧室內的熱量使得斷路器各部件溫度升高，將會導致材料的機械、電氣性能下降。特別是在高電壓等級真空斷路器，散熱問題已經成為制約真空斷路器額定電流提升的關鍵問題之一。

針對高電壓等級真空斷路器額定電流的提高問題，提出了通過減小迴路電阻以提升額定電流的技術，採用2/3匝縱磁觸頭結構。通過最佳化觸頭結構的各個參數，在保持觸頭開斷短路電流能力的條件下，進一步降低觸頭的電阻，以減少觸頭在額定通流狀態下的發熱量來提高滅弧室的額定電流。

針對高電壓等級真空斷路器額定電流的提高問題，以126 kV真空斷路器作為研究對象，採用實驗與仿真相結合的方法，定量研究斷路器的溫升。真空斷路器在交流2500A情況下的下的溫度場分布情況，見右圖。

126 kV真空斷路器溫升仿真結果

仿真結果能夠很好地符合實驗結果。結合實驗和仿真結果，獲得了真空滅弧室內部的觸頭與導電桿的熱阻占到真空滅弧室總熱阻的70%以上，是主要的發熱部件。此外，在建立仿真模型和實驗基礎之上，通過熱分析得到了滿足真空斷路器溫升要求的各零部件最佳化尺寸。通過不同導電桿直徑參數熱分析結果的比較，可以獲得最佳化的設計參數。這種設計方法被用來設計零件的結構參數。

高電壓等級真空斷路器在國內外的套用

中國的套用

126 kV真空斷路器在中國掛網運行始於2005年。兩台ZW-126/T1600-40型真空斷路器在江蘇省掛網運行。截止到2010年，一台真空斷路器操作18次，另一台真空斷路器操作犯次，運行正常。有兩台ZW-126/T1600-40真空斷路器於2006年在雲南省掛網運行。截止到2010年，一台真空斷路器操作16次，另一台真空斷路器操作20次，運行正常。還有一台ZW 59 -126/2000 -40型單斷口高壓真空斷路器於2012年在貴州省掛網運行，截止到2016年運行良好。在掛網運行中的126 kV真空斷路器見右圖。

掛網運行中的126 kV真空斷路器

由於真空滅弧室對外部環境影響並不敏感，因此真空斷路器的環境適應性很強，能夠耐受包括高、低溫、砂塵、高濕度、鹽霧及高海拔等不利環境因素的影響。例如在環境寒冷地區，當溫度降低到到一定程度時SF6氣體會產生液化，導致斷路器無法正常工作。而真空斷路器則可以耐受嚴寒，適合於寒冷地區使用，如中國北方地區或俄羅斯西伯利亞地區等。在中國東北地區投入使用的72.5 kV單斷口真空斷路器已超過400台。

世界各國的套用

據國際大電網會議A3.27工作組的調查，從1970年代起到2010年，日本已經有8300台52 kV以上的高壓真空斷路器投入使用。其中大約50%用於電力系統中，另外50%用於工業用戶。日本投入使用的額定電壓52 kV以上的真空斷路器。這些高壓真空斷路器中99%的電壓等級為72/84 kV ,最高電壓等級為204 kV，占總數的0.03% ，168 kV真空斷路器占0.57% ，120 kV真空斷路器占0.45%

歐洲西門子公司推出一款72.5 kV真空斷路器。該斷路器額定電流2 500 A，額定短路開斷電流31.5 kA，真空滅弧室外部採用0.21 MPa氮氣絕緣，採用彈簧操動機構。從2010年起有5台72.5 kV真空斷路器在三家電網公司投入掛網運行，用戶反饋很好。

美國電力用戶習慣採用真空負荷開關加空氣斷口隔離開關的組合開關。真空負荷開關採用多斷口串聯方式，加裝均壓電容均壓。真空負荷開關只用來分斷電流，如切斷迴路電流、切負荷電流，甩空線等；空氣隔離開關在閉合時承載電流，斷開時起隔離斷口作用。典型的額定電流為2000-3 000 A，額定電壓為15230 kV。該負荷一隔離開關在美國有數千台正在使用。

高電壓等級真空開斷技術展望

陶瓷外殼真空滅弧室及多重禁止罩結構

126 kV單斷口玻璃外殼真空滅弧室見右圖。

玻室及璃外殼真空滅弧其中央主禁止罩結構

真空滅弧室的外殼結構是由兩節玻璃外殼組成，其禁止罩結構為中央主禁止罩和端部禁止罩結構。

一種陶瓷外殼的真空滅弧室及其所採用的多重禁止罩結構，陶瓷外殼真空滅弧室的優點是，一方而可以採用一次封排工藝，採用一次封排工藝可以提高滅弧室產品品質，同時減少了加工流程，可以降低產品成本;另外一方而，126 kV等級真空滅弧室外殼採用四節瓷殼組成，這種設計可以使用多重禁止罩結構設計，提高真空絕緣水平。

額定電流提升技術

型式試驗證明2/3匝線圈式縱磁觸頭在126 kV真空滅弧室的套用中具有優良的短路電流開斷性能，其短路開斷能力可以達到40 kA。由於2/3匝線圈式縱磁觸頭結構較為複雜，觸頭的電阻值較大，觸頭的產熱較高，限制了其額定電流的提升。因此，迫切需要額定電流的提升技術。大量的仿真和實驗工作證明，觸頭結構參數的最佳化以及加裝散熱扇片或重力熱管可以有效地提升設計的額定電流。加裝散熱扇片後，可有效提高真空斷路器額定電流水平。此外，採用複合磁場觸頭、馬蹄鐵型二極縱向磁場觸頭以及帶有帶有中心主觸頭的縱向磁場觸頭，也可以在滿足額定短路電流要求的基礎上，實現額定電流提升。

真空滅弧室外部採用SF6替代氣體絕緣

由於京都議定書將SF6氣體列為全球管制的6種溫室效應氣體之一，因此最近SF6替代氣體研究形成一個新的高潮。在瓷柱式真空斷路器中氣體絕緣見右圖。

瓷柱式真空斷路器氣體外絕緣方式

新型操動機構技術

斷路器作為電力輸配電系統中套用最廣泛的開關設備，需要實現系統中正常電流的開斷與關合，以及過載、短路等故障電流的開斷。它在開斷、關合動作過程中的可靠性，極大程度上影響著供電的可靠性。而斷路器的動作是通過操動機構來實現的。操動機構不但要保證斷路器長期動作的可靠性，還要滿足斷路器滅弧特性對操動機構的要求。因此，操動機構在斷路器中占有重要地位。適用於真空斷路器的操動機構主要有電磁操動機構、彈簧操動機構、電機操動機構和永磁操動機構。永磁操動機構和電機操動機構具有機構零件數量少、機械可靠性高;可實現選相分合閘;運動過程可控，可實現智慧型化操作等特點。

永磁操動機構已大量套用於中低壓等級的真空斷路器中。但是永磁機構在高電壓等級的套用還存在一定難度，這是由於高壓等級真空斷路器觸頭的運動行程更長，分合閘速度更高，依靠傳統結構的永磁機構很難實現。因此，針對126 kV真空斷路器設計出一種適用於大行程，具有較高分合閘速度的新型永磁操動機構。

一種新型分離磁路式永磁操動機構，將永磁保持部分與電磁操動部分分離，使兩部分磁路在工作時互不干擾，並在永磁體上下端和分、合閘線圈之間的靜鐵心上加入非工作氣隙，以提高線圈效率和分、合閘速度。此外，相對於傳統結構的永磁機構，採用分離磁路式結構的新型永磁機構的動態特性更好。

一種126 kV真空斷路器電機操動機構見右圖。

126 kV真空斷路器電機操動機構

電機操動機構將運動部件簡化為唯一的電機軸；機構零件少，機械可靠性高；電機伺服性能好，操動機構可靠性高;有利於實現智慧型化操作等特點。

氣體絕緣封閉“真空”組合電器

新一代氣體絕緣封閉組合電器可以全部選用真空開關器件，包括斷路器、接地開關、快速接地開關、隔離開關等，這樣由真空滅弧室替代了SF6氣體的電流開斷功能，而SF6氣體的絕緣功能可使用環境友好型SF6替代氣體。絕緣氣體只負責真空滅弧室外部以及組合電器罐體內部的絕緣，並不參與電流的開斷以及燃弧過程。電流的開斷、接地、快速接地、隔離等動作均由不同職能的真空滅弧室負責完成。氣體絕緣封閉“真空”組合電器的優點是充分發揮了真空滅弧室環境友好、開斷能力強、壽命長、體積小、維護簡單等特點。

液氮絕緣封閉“超導”組合電器

液氮被用於高溫超導帶材的冷卻介質，其絕緣強度很高，不需要考慮“液化”問題，並且對環境沒有污染。液氮可以在具有SF6絕緣性能的同時克服了SF6的溫室效應問題，完全能夠替代SF6作為組合開關設備的外絕緣。因此液氮絕緣“超導”組合電器將可能是一種新型環境友好型組合電器。

液氮絕緣“超導”組合電器關鍵技術主要是液氮絕緣特性，超導帶材限流特性，真空滅弧室在液氮中的特性，液氮冷卻循環系統設計，以及耐低溫電壓電流互感器的設計。此外，“超導”組合電器具有眾多優點，不僅可以在高寒地區下使用，而且避免了SF6氣體的溫室效應;液氮絕緣強度高，減小了開關設備尺寸小;通過液氮冷卻循環系統循環冷卻液氮；連線導線為超導帶材，帶有短路電流限流功能，正常導通情況下無損耗；超導組合電器內所有開關電器均為真空開關。真空開關不但可以在液氮中正常工作，而且在液氮中額定電流還可以提高。

一種具有液氮冷卻循環系統的封閉開關設備，利用液氮作為絕緣介質，解決了SF6絕緣氣體的溫室效應問題和氣體液化導致絕緣失效的問題；同時具有絕緣強度高、設備緊湊的優點。

新型高壓直流斷路器

一種由高壓直流真空負荷開關與高壓限流熔斷器相結合形成新型高壓直流組合電器。其中熔斷器負責開斷短路電流，直流負荷開關負責開斷過載電流和額定電流，二者配合完成直流的全電流範圍開斷。在合閘操作時，真空負荷開關閉合，完成合閘；額定電流和過載電流的分斷是在真空開關分閘的同時，觸發開關導通，電容器反向放電，在迴路中形成過零點，真空開關電弧在電流過零時刻熄滅，完成電流的分斷;短路電流的分斷由後備式熔斷器熔斷完成，真空負荷開關分閘形成“隔離”斷口。這種新型高壓直流組合電器的優點是：開斷短路電流大;操作控制方便；成本低廉，性價比高;安全可靠，穩定性高。

後備式熔斷器一真空負荷開關直流組合電器見，後備式熔斷器還可以採用直流超導限流器，由超導限流器將短路電流限制到過載電流的水平，有利於真空負荷開關的分斷。採用超導直流限流器將峰值47 kA的預期電流限制為3.5 kA，然後在電流降到2 kA時用真空負荷開關將其分斷。這種方式不僅由於超導限流的作用而短路電流開斷可靠，而且真空負荷開關在分斷時的反向放電電流無需取到短路電流水平，有利於額定電流和過載電流的成功分斷。該技術還可套用於高電壓等級。

超特高壓真空斷路器

將真空開關發展到超特高壓等級，可為電力開關領域全而削減和替代強溫室效應SF6做出進一步貢獻。目前已研製出具有自主智慧財產權的126 kV和252 kV等高電壓等級真空滅弧室。在此基礎之上，進一步發展雙斷口和多斷口真空斷路器，可以使得超特高壓真空斷路器成為可能。其關鍵技術包括多斷口真空開關的動態介質恢復過程、並聯電阻或均壓電容的設計準則、各斷口的同步性技術及操動機構技術等。

結語

高電壓等級真空開斷技術既是電力開關領域對於發展環境友好型開關設備的回響，又是真空開斷技術發展的需求。從真空絕緣，大電流真空分斷，操動機構與分、合閘曲線，額定電流的提升4個方而闡述了高電壓等級真空開斷的關鍵技術。介紹了高電壓等級真空斷路器在國內外的套用與運行情況。並從8個方而展望了高電壓等級真空開斷技術發展的前景。高電壓等級真空開斷技術方興未艾，大有可為。