高电压等级真空开断技术

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原 发表在《高压电器》2017年第3期(DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2017.03.001)。 全 请进《高压电器》 站（）浏览。

高电压等级真空开断技术

王建华，耿英三，刘志远，闫 静

（西安交通大学， 西安 710049）

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内容简介

削减与替代SF6气体成为电力开关领域研究人员为应对全球气候变化所担负的历史使命。发展高电压等级真空开断技术是削减与替代SF6气体的有效手段。 中从真空绝缘、大电流真空分断，操动机构与分、合闸曲线控制技术，额定电流的提升4个方面阐述了高电压等级真空开断的关键技术。介绍了高电压等级真空断路器在国内外的应用与运行情况。并从8个方面展望了高电压等级真空开断技术发展的前景，包括采用陶瓷外壳真空灭弧室及多重屏蔽罩结构、额定电流提升技术、真空灭弧室外部采用SF6替代气体绝缘、新型操动机构技术、气体绝缘封闭“真空”组合电器、液氮绝缘封闭“超导”组合电器、新型高压直流断路器和超特高压真空断路器。

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主要内容

真空开关由于具有开断能力强、电寿命及机械寿命长、体积紧凑、重量轻、噪声低、维护简单等众多优点，在中压3.6~40.5 kV的电力开关领域得到广泛应用。近年来，以126 kV单断口真空断路器为标志的高电压等级真空断路器得到长足发展，使环境友好型开关设备引起了更多的关注。相对于油断路器或气体断路器，真空断路器有其独特的优势。真空断路器使用密封的真空灭弧室，外部环境对真空灭弧室的性能不产生影响，因此真空断路器具有很好的环境适应性。 中主要介绍在高电压等级真空断路器领域已经开展的一些研究工作，包括真空灭弧室绝缘技术、真空电弧控制技术、操动机构技术、及额定电流提升技术等。 中还介绍了高电压等级真空断路器在国内外的应用与运行情况，并展望了高电压等级真空断路器技术的发展方向。

1 高电压等级需要“真空”技术

目前在72.5~1 100 kV的电压等级中，SF6开关设备占主导地位。SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能，但是SF6气体是一种被《京都议定书》限制的强温室效应气体。SF6气体的地球温暖化系数是CO2的23 900倍，它在大气中的寿命是3 200年。SF6气体主要应用于电力开关设备中，SF6气体的削减与替代成为电力开关领域研究人员为应对全球气候变化所担负的历史使命。

真空开断技术虽然在中压等级已占据主导地位，但应用于高电压等级面临着一系列的技术挑战。首先是单断口真空绝缘水平应达到高电压等级开关设备的要求，而真空绝缘水平随触头开距的增加会进入饱和区，单纯增加开距无法有效提升其绝缘水平；其次，在开断短路电流时其暂态恢复电压比配电等级更高，开断更为困难；最后，在真空中额定电流提升困难：在真空灭弧室中唯一有效的传热方式是热传导，热对流传热不起作用，热辐射也并不显著，同时由于真空绝缘方面的考虑，真空灭弧室的导电/导热路径较长，不利于热传导散热。因此高电压等级真空开断技术对设计者也提出了更高的要求。

2 环保型高压开关设备

发展高电压等级真空断路器的关键技术问题包括：真空灭弧室绝缘技术、真空电弧控制技术、操动机构与行程曲线控制技术、额定电流提升技术等。对上述关键技术的讨论，有助于为高电压等级真空断路器的设计提供理论依据。

2.1 真空绝缘与饱和曲线

真空灭弧室绝缘技术是真空断路器从中压等级进入高电压等级的一个迫切需要解决的瓶颈问题。研究高电压等级单断口真空灭弧室的绝缘特性，可为真空灭弧室的绝缘设计提供科学依据。

中压配电等级真空灭弧室触头开距一般在20 mm以内，其标准雷电冲击击穿电压的概率分布满足威布尔分布。通过真空灭弧室在大触头间隙下的击穿电压试验研究，发现触头开距在10～50 mm内，标准雷电冲击击穿电压的概率分布仍满足威布尔分布。试品真空灭弧室在不同触头间隙下的标准雷电冲击击穿电压的概率分布见图1。由图1中可以得到试品在不同触头间隙距离下击穿概率为50%的击穿电压U50。

图１ 真空灭弧室标准雷电冲击击穿电压概率分布

触头开距10~50 mm

实验研究了高电压等级真空灭弧室中触头边缘倒角、触头表面粗糙度和触头直径对标准雷电冲击电压作用下真空绝缘特性的影响规律。在触头间距10~50 mm范围内获得了真空灭弧室的绝缘特性。在实验所涉及的高电压等级真空灭弧室中，触头边缘倒角、触头表面粗糙度和触头直径对U50的影响见图2-4。由图2-4中可以看出，随着触头开距的增加，U50呈开距的指数次幂增长，即U50∝dα，其中幂指数α约为0.78。由此保证了单断口真空灭弧室绝缘水平满足126 kV断路器的技术要求。

图２真空灭弧室的50%击穿电压U50对比

（触头边缘倒角R分别为6、2 mm）

图３ 真空灭弧室的50%击穿电压U50对比

（触头表面粗糙度1.6 μm和3.2 μm）

图４真空灭弧室的50%击穿电压U50对比

（触头直径60 mm和75 mm）

2.2高电压等级大电流真空分断

真空灭弧室在开断大电流的过程中如果出现电弧的收缩现象并形成阳极斑点，就可以认为真空断路器的开断能力已经达到了极限。在高电压等级，开断短路电流时的暂态恢复电压更高，因此，在高电压等级的大电流真空开断过程中，对于真空电弧控制的要求更高。

纵向磁场对于真空开断性能的影响主要体现在电弧形态和电弧电压两方面。一方面，在纵向磁场的作用下，真空电弧在阳极表面的分布更加均匀，阻止电弧的集聚以及阳极斑点的形成；另一方面，纵向磁场对电弧电压也有影响。在一定的范围内，电弧电压随纵向磁场的增强而快速降低，超过这一范围后，电弧电压会随纵向磁场的进一步增加而缓慢增加。纵向磁场在大开距条件下具有优良的电弧控制特性，适合于应用在高电压等级真空灭弧室中。

2/3匝线圈式纵磁触头结构作为一种新型触头结构，具有纵向磁感应强度高、回路电阻小等优点。在2/3匝线圈式纵磁触头结构纵向磁场测量时通流为1 800 A，该条件下的触头间隙中间平面纵向磁通密度分布仿真结果见图5。触头间隙中间平面纵向磁通密度分布的实验测量结果见图6，通过与图5中的仿真值进行了比较，验证了仿真方法的准确性。

图５ 磁场测量情况下触头间隙中间平面纵向磁通密度分布

图６ 触头间隙中间平面纵向磁通密度分布测量值与仿真值对比

针对126 kV单断口真空断路器2/3匝纵磁触头，试验得到了当纵磁强度在6.0~8.5 mT/kA范围内时可以在T100a方式下成功开断40 kA(rms)的短路电流，见图7。

图７126kV真空断路器T100a开断所需纵向磁场

为了进一步理解大电流真空电弧的阳极斑点现象，在统一的实验条件下，系统地得到高电压等级真空灭弧室条件下阳极斑点形成临界电流随触头立体角、纵向磁场以及触头材料等影响因素的变化规律。

实验测量了纵向磁场作用下阳极斑点出现的临界电流，结果见图8(图8中触头直径D为60 mm、燃胡开距l为12~14 mm，图9同)。图8表明，在相同触头直径D和不同燃弧开距l下，阳极斑点临界电流Ith和外施纵向磁场BAMF呈线性递增关系。此外，阳极斑点临界电流Ith与触头立体角(D/l)之间也存在一线性递增关系，见图9。

图８ 阳极斑点临界电流与立体角的关系

图９ 阳极斑点临界电流与纵向磁场的关系

2.3操动机构与合、分闸曲线

真空灭弧室的阳极放电模式图见图10。通过该分布图可以得到燃弧曲线。如果使真空灭弧室的阳极在燃弧过程中尽量避开对开断不利的强电弧模式以及阳极斑点模式区域，那么该燃弧曲线则对应于一条优化的分闸特性曲线，126 kV真空断路器的优化分闸特性曲线见图11。其特性为：分闸初始时动触头速度非常快，使得真空电弧形态避开阳极放电模式中的强电弧模式；随后动触头以一个相对慢的分闸速度将阳极放电模式态保持在扩散弧状态或者点状斑点状态。该分闸特性曲线对于指导126 kV真空断路器分闸特性的设计有重要的意义。

图10 真空电弧阳极模式

图11 126 kV真空断路器的优化分闸特性曲线

针对高电压等级真空断路器合闸操作，提出了一种合闸速度优化方法，以真空断路器动熔焊时间最小为目标，降低触头的熔焊概率，见图12。真空灭弧室的动熔焊时间由预击穿时间和触头弹跳时间两部分组成。当合闸速度快时，预击穿时间较短，而触头弹跳时间较长。当合闸速度慢时，预击穿时间较长而触头弹跳时间较短。因此存在一个最佳和合闸速度使得两者之和为最短，即动熔焊时间最小。对于126 kV真空断路器，该合闸速度为1.15 m/s。为实现样机的优化设计，建立了一套126 kV真空断路器运动特性的虚拟样机，见图13。在以上研究的基础上设计出了用于126 kV真空断路器的弹簧操动机构。

图12 126 kV真空断路器合闸速度的确定

图13 126 kV真空断路器虚拟样机模型

2.4 额定电流的提升

真空灭弧室内唯一有效的散热途径是热传导，积聚在灭弧室内的热量使得断路器各部件温度升高，将会导致材料的机械、电气性能下降。特别是在高电压等级真空断路器，散热问题已经成为制约真空断路器额定电流提升的关键问题之一。

针对高电压等级真空断路器额定电流的提高问题，提出了通过减小回路电阻以提升额定电流的技术，采用2/3匝纵磁触头结构。通过优化触头结构的各个参数，在保持触头开断短路电流能力的条件下，进一步降低触头的电阻，以减少触头在额定通流状态下的发热量来提高灭弧室的额定电流。

针对高电压等级真空断路器额定电流的提高问题，以126 kV真空断路器作为研究对象，采用实验与仿真相结合的方法，定量研究断路器的温升。真空断路器在交流2 500 A 情况下的下的温度场分布情况见图14。仿真结果能够很好地符合实验结果。结合实验和仿真结果，获得了真空灭弧室内部的触头与导电杆的热阻占到真空灭弧室总热阻的70%以上，是主要的发热部件，见图15。此外，在建立仿真模型和实验基础之上，通过热分析得到了满足真空断路器温升要求的各零部件优化尺寸。真空灭弧室导电杆直径参数的热分析结果见图16。通过不同导电杆直径参数热分析结果的比较，可以获得优化的设计参数。这种设计方法被用来设计零件的结构参数。

图14 126 kV真空断路器温升仿真结果

图15 126 kV真空断路器各部件热阻分布

图16 热分析确定真空灭弧室导电杆直径

3 高电压等级真空断路器在国内外的应用

3.1 中国的应用

126 kV真空断路器在中国挂 运行始于2005年。二台ZW-126/T1600-40型真空断路器在江苏省挂 运行。截止到2010年，一台真空断路器操作18次，另一台真空断路器操作32次，运行正常。有二台ZW-126/T1600-40真空断路器于2006年在云南省挂 运行。截止到2010年，一台真空断路器操作16次，另一台真空断路器操作20次，运行正常。还有一台ZW59-126/2000-40型单断口高压真空断路器于2012年在贵州省挂 运行，截止到2016年运行良好。

由于真空灭弧室对外部环境影响并不敏感，因此真空断路器的环境适应性很强，能够耐受包括高、低温、砂尘、高湿度、盐雾及高海拔等不利环境因素的影响。例如在环境寒冷地区，当温度降低到到一定程度时SF6气体会产生液化，导致断路器无法正常工作。而真空断路器则可以耐受严寒，适合于寒冷地区使用，如中国北方地区的或俄罗斯西伯利亚地区等。在我国东北地区投入使用的72.5 kV单断口真空断路器已超过400台。

3.2 世界各国的应用

据国际大电 会议A3.27工作组的调查，从1970年代起到2010年，日本已经有8 300台52 kV以上的高压真空断路器投入使用。其中大约50%用于电力系统中，另外50%用于工业用户。这些高压真空断路器中99%的电压等级为72/84 kV，最高电压等级为204 kV，占总数的0.03%，168 kV真空断路器占0.57 %，120 kV真空断路器占0.45%。

欧洲西门子公司推出一款72.5 kV真空断路器。该断路器额定电流2 500 A，额定短路开断电流31.5 kA，真空灭弧室外部采用0.21 MPa氮气绝缘，采用弹簧操动机构。从2010年起有5台72.5 kV真空断路器在三家电 公司投入挂 运行，用户反馈很好。

美国电力用户习惯采用真空负荷开关加空气断口隔离开关的组合开关。其中真空负荷开关采用多断口串联方式，加装均压电容均压。真空负荷开关只用来分断电流，如切断回路电流、切负荷电流，甩空线等；空气隔离开关在闭合时承载电流，断开时起隔离断口作用。典型的额定电流为2 000~3 000 A，额定电压为15~230 kV。该负荷—隔离开关在美国有数千台正在使用。

４高电压等级真空断路器在国内外的应用

4.1陶瓷外壳真空灭弧室及多重屏蔽罩结构

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。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，126 kV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，提高真空绝缘水平。

4.2额定电流提升技术

型式试验证明2/3匝线圈式纵磁触头在126 kV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40 kA。由于2/3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。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，采用复合磁场触头、马蹄铁型二极纵向磁场触头以及带有中心主触头的纵向磁场触头，也可以在满足额定短路电流要求的基础上，实现额定电流提升。

4.3真空灭弧室外部采用SF6替代气体绝缘

由于京都议定书将SF6气体列为全球管制的6种温室效应气体之一，因此最近SF6替代气体研究形成一个新的高潮。在瓷柱式真空断路器中气体绝缘方式见图17。在罐式真空断路器中气体绝缘见图18。在170 kV及以下可采用高气压干燥空气介质。

图17 瓷柱式真空断路器气体外绝缘

图18 罐式真空断路器气体外绝缘

4.4 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，需要实现系统中正常电流的开断与关合，以及过载、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。永磁操动机构和电机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。

永磁操动机构已大量应用于中低压等级的真空断路器中。但是永磁机构在高电压等级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，依靠传统结构的永磁机构很难实现。因此，针对126 kV真空断路器设计出一种适用于大行程，具有较高分合闸速度的新型永磁操动机构。

一种新型分离磁路式永磁操动机构见图19，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心上加入非工作气隙，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，见图20。

图19 126 kV 真空断路器新型永磁操动机构

图20 新型永磁机构与传统永磁机构的动态特性

4.5 气体绝缘封闭“真空”组合电器

新一代气体绝缘封闭组合电器可以全部选用真空开关器件，包括断路器、接地开关、快速接地开关、隔离开关等，这样由真空灭弧室替代了SF6气体的电流开断功能，而SF6气体的绝缘功能可使用环境友好型SF6替代气体。绝缘气体只负责真空灭弧室外部以及组合电器罐体内部的绝缘，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”组合电器的优点是充分发挥了真空灭弧室环境友好、开断能力强、寿命长、体积小、维护简单等特点。

4.6 液氮绝缘封闭“超导”组合电器

液氮被用于高温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的温室效应问题，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”组合电器将可能是一种新型环境友好型组合电器。

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，“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；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；连接导线为超导带材，带有短路电流限流功能，正常导通情况下无损耗；超导组合电器内所有开关电器均为真空开关。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。

4.7 新型高压直流断路器

一种由高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见图21。图21(a)为组合电器的示意图，其中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的分断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，完成电流的分断；短路电流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21(b)为开断实验中的电流和电压波形。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21 后备式熔断器—真空负荷开关直流组合电器

图21中的后备式熔断器还可以采用直流超导限流器，由超导限流器将短路电流限制到过载电流的水平，有利于真空负荷开关的分断。超导限流-真空负荷开关直流组合电器见图22。采用超导直流限流器将峰值47 kA的预期电流限制为3.5 kA，然后在电流降到2 kA时用真空负荷开关将其分断。这种方式不仅由于超导限流的作用而短路电流开断可靠，而且真空负荷开关在分断时的反向放电电流无需取到短路电流水平，有利于额定电流和过载电流的成功分断。此技术还可应用于高电压等级。

图22 超导限流—真空负荷开关直流组合电器

4.8 超特高压真空断路器

将真空开关发展到超特高压等级，可为电力开关领域全面削减和替代强温室效应SF6做出进一步贡献。目前已研制出具有自主知识产权的126 kV和252 kV等高电压等级真空灭弧室。在此基础之上，进一步发展双断口和多断口真空断路器，可以使得超特高压真空断路器成为可能。800 kV六断口瓷柱式和罐式真空断路器见图23。其关键技术包括多断口真空开关的动态介质恢复过程、并联电阻或均压电容的设计准则、各断口的同步性技术及操动机构技术等。

图23 800 kV六断口真空断路器

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结论

高电压等级真空开断技术既是电力开关领域对于发展环境友好型开关设备的响应，又是真空开断技术发展的需求。 中从真空绝缘、大电流真空分断，操动机构与分、合闸曲线，额定电流的提升4个方面阐述了高电压等级真空开断的关键技术。介绍了高电压等级真空断路器在国内外的应用与运行情况。并从8个方面展望了高电压等级真空开断技术发展的前景。高电压等级真空开断技术方兴未艾，大有可为。

王建华(1954—)，男，教授，1978年毕业于西安交通大学，1981年和1985年在西安交通大学电气工程系分别获得工学硕士和工学博士学位。主要研究领域为高压真空电器、智能化电力设备、电器CAD&CAM技术，电力储能技术等。现担任电力设备电气绝缘国家重点实验室主任，中国电工技术学会电器智能化系统及应用专委会主任委员，中国电工技术学会常务理事，英国利物浦大学名誉法学博士，意大利都灵理工大学名誉教授，香港理工大学院士、国际顾问委员会委员。

耿英三(1963—)，男，教授，博士生导师，1984年、1987年和1997年在西安交通大学电气工程学院分别获得工学学士、工学硕士和工学博士学位。主要从事电器智能化理论与技术、电器计算机辅助设计与仿真研究以及真空断路器研发工作。现担任电力设备电气绝缘国家重点实验室副主任，中国电工技术学会低压电器专委会主任委员，中国电工技术学会电器智能化系统及应用专委会委员，IEEE高级会员。

闫 静(1973—)，男，博士，讲师，研究方向为高压开关电器理论与应用。

王建华，耿英三，刘志远，等.高电压等级真空开断技术[J].高压电器，2017,53(3):1-11.

WANG Jianhua，GENG Yingsan，LIU Zhiyuan，et al. High Voltage Level Vacuum Switching Technology[J]. High Voltage Apparatus，2017,53(3):1-11.

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