论252kV单断口高压真空断路器的开发研究

1、前 言

　　真空和SF6两种性能优异的灭弧和绝缘介质成功地应用到断路器领域是在20世纪五十年代末。从那以后，真空断路器和SF6断路器逐渐树立起高压断路器市场的主流产品地位，由于SF6气体具有优异的热化学性能和极强的负电性，因而其绝缘和灭弧性能更适合于高电压的要求和在72.5~1000kV电压等级的断路器中占绝对优势地位。真空开关在科学技术的对比竞赛下退居占领高压领域的中等电压地位，即在150kV及以下的电压发挥作用。但SF6气体经过电弧的高温分解作用后可产生剧毒的分解物，更重要的是从环境保护角度看，SF6气体是一种温室效应气体。现在公认全球温度上升的主要原因是人类排放的温室效应气体造成的。SF6的地球暖化系数(Global Warming Potential)是CO2的24900倍，而且SF6气体的分子结构非常稳定，其寿命长达3200年。全世界SF6气体的产量主要用于断路器和其它输电设备等电力工业。在实际生产和运行过程中SF6气体有很大的泄漏。若SF6气体的排放量继续增大的话，其温室效应的影响程度将相当可观。从全球环境保护出发，1997年在日本京都会议上提出了决议，即《联合国气候变化框架公约京都议定书》，简称《京都议定书》。在《京都议定书》中列出了六种温室效应气体，SF6气体是其中之一。《京都议定书》对SF6气体的限制使用已引起了世界各国的关注和同时引起我国环保部门和电力部门的极大关注，同时也给广大从事高压开关的研究者提出了新的课题。限制SF6气体的排放量有4个途径：第一，寻找SF6气体的替代品;第二，在产品中减少SF6气体的使用量或采用SF6混合气体;第三，加强产品密封，减少漏气量;第四，采用环保型产品。到目前为止世界上尚未找到一种气体像SF6气体那样同时具有优异的灭弧和绝缘性能。在这4个途径中，我们初步认为，最后一种途径作为今后发展方向较为合适，世界各国的专家们也认为最后一种可行性途径较为现实。

2、介绍研究和开发中的高压真空断路器概况

　　自2005以来，西安交通大学真空电弧理论研究和产品开发组联合浙江温岭紫光电器有限公司和陕西斯瑞工业有限公司触头材料研究室开始共同研究开发252kV单断口真空断路器。经过一年多来的精心设计和实践性试制工作已于2006年4月4日制造出国内第一台252kV单断口真空断路器用的真空灭弧室样机。初步解决了制造技术上的一系列工艺问题：例如，组件的加工，真空处理，整体组装的精确度，大直径的玻壳封接退火技术，高真空度抽气，真空下的直流排气老炼，高电压下的老炼技术等等。图1所示为制成前真空灭弧室的剖面图和实样照片图，真空灭弧室的外直径为260mm，电极直径为140mm，有效开距为80mm，管内布置有1个主屏蔽罩和4个均压屏蔽罩，预计设计的额定电流为3150A，短路开断电流为50kA。

图1 252kV真空灭弧室剖面图和实样照片图

　　图2所示为252kV单断口高压真空断路器结构图。从图中可以见到真空断路器的总高为6102mm，与一年前试制成功的126kV单断口高压真空断路器对比略高一些，因此支撑的稳定性还是比较可靠的，三相电力输电线路可由三个单柱真空断路器组成。

图2 252kV单断口真空断路器结构图

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3、介绍国外对发展高电压等真空断路器的报导 

　　据2002年在法国召开的ISDEIV国际会议论文中的报导，关于高电压大容量真空断路器今后发展可行性的论文作者S.Yanabu等认为自1997年京都会议提出SF6气体属于地球温室效应气体之一，并且将于2030年后禁止使用。建议提出开发高电压真空断路器的建议来解决。

　　具体要点有下列几个方面，可借镜作为参考：

　　(1)对于800kV的输电线路，至少需要能制造出154kV到200kV额定电压的真空灭弧室采用串联方式组成。
　　(2)用于VCB的真空灭弧室的额定电流至少需要制造出3000A，今后还需考虑到4000A至6000A的额定电流。
　　(3)参照VCB的情况，触头材料的外裸部分是真空，由陶瓷或玻璃容器作为密封体。所以用真空作为绝缘成为非常复杂的结构。尤其操动机构又外露于空气中用空气作绝缘。

　　关于VCB的内部电气绝缘可分为四种情况（信息来自www.tede.cn）：

　　(1) 主触头间的绝缘 
　　(2) 主触头与主屏蔽罩间的绝缘
　　(3) 绝缘支架与对地间的绝缘
　　(4) 外绝缘等等

　　四大部分如图3所示。其中对真空灭弧室的内部真空绝缘尤为重要，并指出电极的老炼需要进行特殊的处理才能满足真空绝缘要求，同时还要考虑到VCB的冷却，如何将大额定电流产生的巨大热量从真空灭弧室内部传送到外部进行散热的措施。

图3 真空灭弧室的内部真空绝缘

　　论文的最后建议真空断路器可采用箱式的结构，内部设置有串联的真空灭弧室、接地开关、隔离开关和避雷器等，并用硅油来作为外绝缘的结构方案，如图4所示。

图4 浸在硅油中的箱式真空断路器开关设备

4、初步结论 

　　252kV高压真空灭弧室的试制研究，虽已取得一定的成绩，这仅不过是万里长征第一步，还需要继续努力作大量的工作，希望国内有关研究单位，大专院校，各方面专家们共同携起手来，大力协作为我国电力事业的发展作出贡献。