真空断路器高电压化技术研究

摘要：总结了有关真空断路器高电压化技术研究的进展，其中包括真空断路器高电压化的绝缘技术、真空灭弧室结构型式和高电压真空断路器的结构设计等，以供国内同行参考。
　　
　　1 前言
　　由于真空断路器的独特优点，使其在中压领域的应用在欧洲和美国已占到70%，日本已接近100%，俄罗斯已占50%以上，我国也已占到80%以上。近20年来，真空断路器的理论研究水平和制造技术都有了长足的发展，真空断路器已不仅仅限于中压，而是朝着高电压、大容量方向发展。特别是在人们对环境保护非常重视、SF6气体被确认为温室效应气体而使其应用受到限制的大环境下，倾向于发展真空断路器来逐步取代SF6断路器。
　　
　　2 真空灭弧室高电压化的绝缘技术
　　2.1 绝缘技术需要解决的问题
　　图1为一个真空灭弧室的结构图，真空灭弧室需要解决的绝缘性能的部位都标于图中，包括触头间绝缘、导电杆和屏蔽罩间绝缘、沿面绝缘和外部绝缘等[1>。触头间绝缘击穿性能大大影响真空断路器的开断电流性能，屏蔽罩和导电杆间绝缘性能在设计真空灭弧室时与外形尺寸关系很大，灭弧室内外沿面绝缘会受电场分布是否均匀的影响，因此电场的均匀化设计非常重要。
　　

　　2.2 间隙绝缘的面积效应
　　真空间隙的击穿电压随电极形状的不同而大不同，这是因为电极形状造成电场分布及绝缘击穿开始时有效的电极面积各不相同的缘故。当电极面积增加时，就会因电极表面的微小突起及吸附气体（氧化物）等诱发绝缘击穿的电极表面的弱点数目增加，因此电极面积增加时，击穿电压降低。
　　对于各种间隙，击穿通常发生在大于90%最大场强的区域，这个区域被称为导致击穿的有效面积Seff，真空间隙的绝缘击穿电场强度Eb和绝缘击穿时的Seff存在密切关系[2>，即面积效应：随着Seff的增大，Eb降低。为了提高间隙的击穿电压，当间隙长度一定时，加大触头曲率，Seff增加，有时会产生相反的结果；而当最大电场强度相同时，若选择Seff较小的触头形状，可使耐压值提高。
　　真空灭弧室设计时要考虑电场分布及其有效面积后，再进行绝缘设计。
　　2.3 真空中沿面绝缘
　　在真空间隙的电极周围有绝缘件时，与无绝缘件时相比，击穿电压会下降，这是因为放电在绝缘件表面扩展，造成沿面绝缘击穿的缘故。绝缘件表面的沿面绝缘击穿的机理有以下两种假说[3>：
　　（1）二次电子雪崩说：许多绝缘件的二次电子放电比在很广的入射能量范围内大于1， 因此电子对绝缘件表面每冲撞1次就会引起二次电子雪崩，在表面正电荷积累而使电场增高， 因这种电子增殖而造成绝缘击穿。
　　（2）气体说：通过施加高电压，使绝缘件表面吸着的气体脱离，以及因绝缘件材质自身的气化造成局部气体密度上升，从而引发了绝缘击穿。
　　近年来又提出一种将这两者相组合的假说，即因绝缘件表面的带电电荷、二次电子放出、电离等所产生的电子及正离子造成了表面吸附气体的脱离。
　　在对因二次电子雪崩造成的绝缘击穿进行分析时，必须明确掌握电子的轨道。电极上某些部位发射的电子与绝缘件不碰撞。而有些部位发射的电子与绝缘物相碰撞，这有可能引起二次电子雪崩，因此这部分的电场强度分布很重要，应减弱该部位的电场强度以减少电子发射。另外在沿面绝缘中，成为电子放出源的屏蔽罩的材料和表面形状也很重要。
　　真空沿面绝缘同样存在面积效应，日本东芝公司就是通过对面积效应（包括真空间隙的绝缘面积效应、沿面的绝缘效应及多间隙对绝缘的影响）的深入研究开发出了小型化的72/84kV真空灭弧室，并成功应用于C-GIS上[1>。
　　2.4 老炼
　　给电极间施加电压，让击穿反复发生，击穿电压就逐渐升高，便成为电压老炼效应。此外，针对某种电极，让间隙内流过一定大小的电弧电流，可对电极表面进行电流老炼，击穿电压同样逐渐升高。图2为电流老炼的一个例子[4>，将老炼时的电流增大，击穿电压就会升高。根据老炼处理条件，绝缘性能会受很大影响，所以必须选择一种合适的老炼处理方法。
　　

　　2.5 材料表面清洁处理
　　置于大气中的触头表面被污染和被吸附气体包围，即使在1乘以10的-6次方Pa的高真空，每立方米仍存在2.7乘以10的15次方个分子，这些分子通过热运动，冲击真空容器及触头
　　的表面，并形成附着分子层。净化吸附气体覆盖表面的方法是真空加热处理， 图3是Cu触头加热处理温度和绝缘性能间的关系[4>，真空加热处理的温度越高，击穿电压就越高，因而真空加热处理清除触头表面的吸附气体（氧化层）有助于恢复触头的绝缘性能，不仅通过降低气体释放提高了真空性能，也提高了绝缘性能。
　　2.6 外部绝缘
　　可采用气体、液体、固体绝缘材料来加强真空灭弧室的外部绝缘，如氮气、油、硅脂、环氧树脂等。
　　
　　3 真空断路器高电压化
　　3.1 真空灭弧室的结构型式
　　已公开发表的高电压真空灭弧室结构型式各有不同，最主要的差别在屏蔽罩上，可分为5类：①结构简单，只有主屏蔽罩和端部屏蔽罩，如美国西屋公司的一种72kV真空灭弧室、 日本明电舍公司的一种真空灭弧室等；②除主屏蔽罩和端部屏蔽罩外，还放置有均压屏蔽罩和触头背部屏蔽罩等，甚至是均压屏蔽罩一直伸到触头间隙附近，处于分闸位置的动、静触头分别位于两个均压屏蔽罩的孔中，如明电舍公司的一种84kV 25kA的真空灭弧室等[5>；③在陶瓷外壳内布置多层间隙屏蔽罩结构，如日本东芝公司开发并成功应用于C-GIS上的小型化72/84kV真空灭弧室；④外部线圈式结构，为了获得较强和较均匀的纵向磁场，将产生纵向磁场的线圈布置在真空灭弧室外壳的中部，同时主屏蔽罩采用具有抗涡流作用的特殊结构和材料制造[6>；⑤双断口型真空灭弧室，为了提高单个真空灭弧室的耐压水平及开断性能，S.Giere等人提出了双断口真空灭弧室模型[7>，并进行了实验对比研究，图4为单断口和双断口真空灭弧室结构图。
　　

　　3.2 真空断路器高电压化结构型式
　　高电压等级真空断路器的开发有两种途径：①发展单断口形式，采用单断口耐压较高的真空灭弧室，具体断路器结构有单柱式，灭弧室放在充有SF6气体的瓷套内，采用弹簧操动机构；②发展双断口和多断口，将灭弧室串联起来使用，具体断路器结构有：罐式结构，内部充有SF6气体或油绝缘；单柱式结构，灭弧室串联使用，绝缘外壳采用环氧树脂做成，内部充有SF6气体并装有均压电容器；T型结构，断路器的每相有两个灭弧室串联，瓷套内充有SF6，采用弹簧或液压操动机构；双柱式结构，断路器每相由两个相柱组成，每个相柱内充有SF6气体并装有一个真空灭弧室，相柱之间用导电连接板连接。
　　除上述外，还有两种新的断路器结构型式[8>，分别示于图5和图6。
　　图5为采用双断口真空灭弧室的真空断路器结构原理图，灭弧室中间的静触头为纵向磁场触头，两个动触头为平板型，中间的散热器有利于额定电流的增加。
　　图6为无SF6气体的真空断路器装置结构图，由套管、避雷器、接地开关、隔离开关、真空灭弧室等部分组成，内部充以油作为绝缘介质。