1.3 發展輸電等級單斷口真空斷路器所面臨的技術挑戰

與同電壓等級SF6斷路器產品相比較，輸電等級真空斷路器具有明顯的優點，但也存在一些不足。

其主要優點如下：

1）環境友好。無溫室效應氣體，真空斷路器達到壽命期限后無須特殊處理，發生爆炸性失效后不會產生環境污染問題。

2）可維護性好。真空滅弧室壽命期間免維護，分合閘操作功小，能夠降低操作機構的維護性要求。

3）開斷性能好。開斷后介質強度恢復快，燃弧時間短（即短燃弧時間通常在一個電流半波內），開斷后發生延時擊穿時仍具備故障電流開斷能力，重擊穿或復燃不會對滅弧室內部部件產生破壞。

4）環境影響小。滅弧室電氣性能不受低溫環境影響。

5）電壽命長。具有較高故障電流開斷次數的電壽命（即使開斷電流為短路電流）。

其主要缺點如下：

1）價格較高。相同電壓等級產品價格偏高，126kV以上電壓等級還需使用多滅弧室串聯技術。

2）額定電流等級偏低。由于真空滅弧室導熱困難，額定電流提升十分困難。

3）滅弧室斷口絕緣水平對開斷歷史比較敏感，且具有相對較高的分散性。

4）運行期間難以獲知滅弧室真空度。

5）開斷容性負載或者小電感電流（電容器組、并聯電抗器投切）需要特殊設計的斷路器或者輔助設備。

真空電弧理論和技術不斷深入的研究和發展為真空斷路器向輸電等級發展提供了有利的支撐和良好基礎，但其仍然面臨諸多挑戰，其中一些難題仍需進一步研究和解決。例如，如何提高真空滅弧室長真空間隙的絕緣擊穿水平、在環境友好前提下如何解決滅弧室外絕緣問題、如何在大開距條件下有效控制電弧并提高開斷能力、如何控制真空滅弧室的溫升以進一步提高額定電流水平等。另外，輸電等級真空斷路器由于開距較大，操動機構的開斷和關合速度對特性影響很大，也需要專門進行研究。

1.真空斷路器絕緣擊穿水平提升技術

真空斷路器的電氣絕緣大體可分以下四種情況，即真空滅弧室主觸頭間隙的絕緣；真空滅弧室主觸頭與屏蔽罩間的絕緣；真空滅弧室外絕緣；斷路器相間絕緣和相對地絕緣。其中，主觸頭間隙絕緣以及主觸頭與屏蔽罩間的絕緣為滅弧室內部絕緣，其余為外部絕緣。真空斷路器向輸電等級的發展所面臨的絕緣技術方面的挑戰在于，特定觸頭材料下真空滅弧室內部主觸頭間隙以及其他真空間隙的絕緣性能隨觸頭間隙的增大呈飽和趨勢。

真空滅弧室的內部絕緣與真空間隙的擊穿機理，以及滅弧室外殼絕緣介質的真空閃絡形成機理密切相關，即滅弧室觸頭材料、結構、表面狀況、觸頭間隙、密封技術以及焊接質量等皆會對滅弧室內絕緣耐壓特性產生影響。一方面，與SF6滅弧室主觸頭間隙的絕緣擊穿機理不同，真空中主觸頭間隙的擊穿具有面積效應。Kamikawaji等人關于CuCr觸頭材料真空擊穿特性的研究結果表明，觸頭表面微凸起以及微粒是影響滅弧室主觸頭間隙擊穿的主要影響因素。因此，可以通過合理地設計觸頭外形，對滅弧室進行電流和電壓老練或脈沖老練等工藝分別對觸頭幾何增強系數βg和觸頭表面微觀場致增強系數βm進行改善，以有效提高滅弧室內部絕緣耐壓水平。另一方面，選擇合理的觸頭材料以及屏蔽罩材料亦能有效提高真空滅弧室的絕緣耐壓水平。Slade的研究結果表明，在Cu75Cr25觸頭材料中摻Ta元素能夠提升觸頭耐壓強度，另外摻Ti、Tr及Al等金屬元素能夠有效改善該觸頭材料的電流開斷性能。此外，還需對滅弧室內部屏蔽罩的布置進行合理的優化設計，減小電場應力集中點以及宏觀場致增強系數βg，使得電場分布更趨均勻。

合理設置真空滅弧室的外絕緣介質和結構，以及斷路器相間和相對地絕緣距離是提高輸電等級真空斷路器絕緣可靠性設計的必要途徑。目前，輸電等級真空斷路器大多采用SF6氣體或干燥空氣作為滅弧室的外絕緣介質（見表1-1和表1-2），但采用油或固體絕緣介質的產品也已出現。王季梅教授等提出了采用硅油作為箱式高壓真空斷路器開關設備絕緣的技術方案，其中內置串聯真空滅弧室、接地開關、隔離開關和避雷器等，如圖1-3所示。

圖1-3 箱式真空斷路器開關設備

2.大開距下真空電弧控制技術及開斷能力的提高

對于配電等級真空滅弧室的電弧特性及其控制技術，長期以來國內外學者們已做了廣泛深入的研究，主要包括橫向磁場（Transversal Magnetic Field，TMF）以及縱向磁場（Axial Magnetic Field，AMF）對電弧形態、離子特性參數以及滅弧室開斷能力的影響。隨著真空斷路器向輸電等級的發展，為滿足滅弧室絕緣耐壓性能，單斷口真空斷路器的滅弧室觸頭開距不可避免地向大開距（真空斷路器額定觸頭開距大于40mm時，通常稱其為大開距）方向發展。因此，研究大開距下真空電弧的控制技術及其對斷路器額定短路電流開斷能力提高的影響具有重要意義。

TMF的作用在于控制真空電弧在觸頭表面旋轉，以避免電弧電流收縮集聚造成觸頭表面局部嚴重燒蝕，從而達到提高斷路器開斷能力的目的。Dullni等對直徑為32mm橫磁觸頭的研究結果表明，橫向磁場作用下集聚態電弧沿觸頭旋轉運動不僅受觸頭自生橫磁的洛倫茲力控制，亦與集聚態電弧注入陽極表面的熱流密度相關。目前，橫磁觸頭主要應用于額定電壓不超過24kV的真空斷路器中。

AMF的作用在于減小大電流下真空電弧自收縮效應，促使其轉化為擴散態模式，降低電弧電壓，進而降低燃弧期間注入觸頭間隙的電弧能量，以達到提高斷路器開斷能力的目的。金黎等對線圈式縱磁觸頭分別在觸頭開距為10mm、20mm、30mm和40mm情況下的電弧電壓進行了研究。結果表明觸頭開距對電弧電壓峰值影響不大，但對電弧電壓噪聲出現以及持續時間有影響，即開距越大，電弧電壓噪聲出現時刻對應的電弧電流臨界值越小，且持續時間加長。程少勇等分別對線圈型縱磁觸頭在觸頭開距為40mm和60mm以及杯狀觸頭在10mm和20mm開距情況下的電弧特性進行了研究。結果表明對于線圈式縱磁觸頭，隨著縱向磁場的增大，以及觸頭開距的增大陽極表面明亮斑點變小，且位置由觸頭表面轉移至觸頭邊緣。對于杯狀縱磁觸頭，隨電弧電流的增大，電弧在陽極表面呈集聚趨勢，且隨開距的減小，集聚態電弧持續時間變長。采用縱向磁場對真空電弧控制技術，更有利于真空斷路器向輸電等級更高額定短路開斷電流方向的發展。

3.額定電流水平下的溫升控制技術

真空斷路器額定短路開斷電流水平的提高與額定電流水平下的溫升的改善存在矛盾，即隨著真空斷路器向高電壓大容量的發展，高開斷能力必然引入大的真空電弧控制磁場（如更強的縱向磁場或橫向磁場），增加觸頭結構的復雜程度和導電回路的回路電阻，因而采用縱磁觸頭的真空斷路器在額定電流水平下的溫升過高嚴重制約著其額定短路開斷電流水平的提高。與SF6斷路器產品不同，真空開關的主觸頭在真空環境中主要靠沿導電桿的熱傳導進行散熱，當斷路器額定電流較高時溫升問題更為突出。斷路器溫升過高時，除導電體材料的機械強度會受影響外，導體金屬表面易發生氧化生成氧化物，進而會使導電體接觸電阻增大。同時溫升過高亦會使絕緣件介損增加，加速絕緣件的老化。陳建光等對ZN19-10Q/3150-40型真空斷路器溫升影響因素進行了研究，發現斷路器導電回路材料的選擇、相間距、安裝工藝以及柜體內部元件對斷路器溫升具有影響。本書作者所在課題組在研究過程中分別通過在斷路器進、出線接線法蘭處加裝散熱扇片、在滅弧室靜導桿內部設置重力熱管、外部設置散熱扇片等技術來提升斷路器額定電流水平，還通過設計發明的2/3匝線圈縱向磁場觸頭結構在提高控制磁場強度的同時將觸頭回路電阻大幅度降低，實現了短路電流開斷和額定電流共同提高的目標。

4.操作機構速度特性

中壓等級中真空斷路器的觸頭開距比較小，開關特性對速度不是特別敏感。在輸電等級條件下，情況大有不同。在關合過程中，由于電壓等級高，在觸頭接近時會發生預擊穿并產生電弧，增加觸頭發生熔焊的可能性。如果為了減小燃弧時間，一味提高觸頭關合速度，由于觸頭質量大，關合后會產生嚴重彈跳，同樣會引起燃弧，增加觸頭發生熔焊的可能性。因此對于關合速度的選擇必須綜合多種因素加以考慮。在開斷過程中，觸頭的開距對于燃弧模式影響很大，如何選擇合適的速度，使得開斷過程中電弧始終被控制于一定的模式下是提高斷路器開斷能力的關鍵。因此在輸電等級真空斷路器中，機構與滅弧室的相互配合要求要比中壓等級下要求高得多，需要進行深入的研究。

本書后面各章節將針對上述問題進行闡述，特別將介紹近年來研究所取得的成果，希望對進一步研究和提高輸電等級真空斷路器的工作有所幫助。