2008/10/9 9:34:00
当前，我国正在西北建设第一条750 kV的超高压线路，为今后建设更高电压等级的超高压线路打下基础，并且其设备将以采用我国已有能力自行设计和制造的为主。目前，在断路器方面，世界各国的发展趋势是努力发展高压与超高压真空断路器，逐步淘汰SF6断路器；在我国，将于今年年底左右试制成功高水平的126 kV真空断路器，并正在积极开展750 kV超高压真空断路器的研制开发工作。
1 真空断路器发展概况
1.1 历史回顾
用高压断路器保护电力系统至今已经历了漫长的历史。从最初的油断路器发展到压缩空气断路器；60年代初，SF6断路器和真空断路器同步进入电力系统，逐步淘汰油断路器和压缩空气断路器，占领了整个高压电力系统。
回顾历史，企图用真空作为断路器灭弧介质和绝缘介质的研究工作要早于SF6气体。对SF6气体的研究始于20世纪40年代［１］，由于SF6气体具有特异的热化学性和负电性，因而其绝缘性能和灭弧性能也特别好，被广泛应用于高压开关设备中作为绝缘和灭弧介质。1959年，推出了第一台实用的SF6断路器，目前它已成为高压断路器的主要品种，并且几乎占领了高压及超高压领域内所有的份额。
从18世纪初，就有人开始设想利用真空的一些特点来开断电流［２～４］，1893年，美国里顿豪斯(Rittenhause)设计出第一个结构简单的真空灭弧室并以专利发表后，引起了教授和专家们的重视。1920年，瑞典佛加(Birka)公司第一次制成了真空断路器，尽管其开断能力极小尚无实用价值，但却吸引了各界的兴趣。1923年前后，索伦森(Sorenson)和曼登霍尔(Mandenhall)在美国加里福尼亚工学院开始进行真空中开断电流的研究工作，并成功的在41 kV下开断了926 A的工频交流电流，1926年他们公布了研究成果。此后，美国和德国的一些电气公司便致力于真空断路器的研究，但由于当时科学技术对真空断路器的要求不迫切，所以研究成果不甚显著。20世纪50年代初期，对真空断路器的研究有了较快的进展，1961年，美国通用电气公司生产出了额定电压15 kV，开断能力12.5 kA的真空断路器，并于1966年进一步试制成功15、25 kA和31.5 kA的真空断路器，从此真空断路器正式进入了电力系统。到目前为止，真空断路器的额定电流已达到6 300 A，单断口真空灭弧室的额定电压已分别达到123、126 kV和145 kV的水平，开断电流能力最高可达63 kA。
1.2 我国真空断路器发展简介
我国是在1958年前后开始对真空电弧理论研究和真空断路器研制工作的。1965年，西安交通大学与原西安高压开关整流器厂联合研制成功了第一个真空灭弧室，不久西安交通大学单独研制成功了10 kV，开断1 500 A电力电容器组容性电流的三相真空断路器。1967年，西安高压电器研究所研制成功了10 kV，2 000 A 单相快速真空断路器。在他们的带动下，原电子工业部所属的4401厂、777厂、779厂和771厂等单位也开始研制真空灭弧室，掀起了国内多家开关厂试制真空断路器的高潮，如北京开关厂和苏州开关厂等。现在，我国拥有一批生产真空灭弧室和真空断路器的专业工厂以及研究真空电弧理论和改进真空灭弧室性能的研究所和大专院校，他们对繁荣我国真空断路器的品种和提高其性能起着积极的推动作用。
目前，我国已能生产额定电压12～40.5 kV,额定电流最高达到6 300 A，开断电流为63 kA的真空断路器。我国真空断路器的产品质量和参数与国外先进产品相比基本相同，几乎不存在差距，但在可靠性和外观质量方面还需进一步改进和提高。我国高压真空灭弧室的年产量随着电力事业的蓬勃发展正在逐年提高，见图1。从图1中可知，至2003年底我国真空灭弧室的年产量已达到60多万只，占世界总产量的1/2左右，并已开始推向国际市场。
图1我国高压真空灭弧室的年产量
2 真空断路器与SF6断路器的对比分析
真空断路器与SF6断路器是20世纪60年代开始发展起来的两大类电力开关，它们为电力工业的发展作出了重大贡献。这里着重从人类今后的生存和环保二方面来评述这两类断路器今后发展的趋向。
2.1 真空断路器
真空断路器是依靠真空灭弧室在真空中来开断电流的，毫无疑问，在开断电流过程中会产生强烈的X光射线。这个强烈的X光射线是否对人体有危害性呢?曾有过多次争论，争论高潮时几乎造成真空断路器停止生产。为了消除这种影响，1983年日本东芝电气公司代表日本政府以国际法为准则在Electrical Review杂志上转载了具有法律效应的严正声明［５］，并依据ANS1 C3-85标准在联合国指定公证单位的监督下认真作了X光射线的实际测试，得出了对人体无危害性的结论报告，测试结果见表1。
表1 X光射线测试结果
2002年，德国SIEMENS AG公司对84 kV的真空灭弧室在正常工作的情况下按国际标准火花闪烁计数器距离射线焦点700 mm位置对X射线的发射剂量率进行了测量，见图2[6]，结论认为对人类的健康没有任何危害性。
图2 X射线发射剂量率的测量
2.2 SF6断路器
全球气候变暖会导致异常的天气事件，如热浪、干旱和疾病的传播等，保护地球和保护生态环境已成为当今世界各国的一项伟大历史使命［７］。以CO2为代表的温室效应气体，虽然使太阳光中的短波容易透射，但它也容易吸收从地球表面来的波长较长的光(如红外线)。大量的温室效应气体被释放在空气中，并在地球上空形成一个气体层，这些气体吸收的红外线不能穿过气体层向外辐射，从而导致大气温度明显上升变暖，这种现象就称为温室效应。
20世纪，全球平均气温大约上升了5～9℃［８］，全球温度上升的主要原因是由人类排放的温室效应气体CO2、CH4、NO2、HFCS、PECS以及SF6造成的，SF6气体虽然不会破坏臭氧层，但对全球气候变暖有特别大的影响。
定量表示气体温室效应的最简单指示就是地球的温暖化系数GWP (Global Warming Pote ntial)。地球变暖由气体红外区吸收的光谱所决定，大气中的浓度依赖于所考察气体的寿命和温暖化的年数，几种主要气体的特性见表2［９］。
表2 各种气体的特性
从表2可以看出，SF6气体的GWP比其他几种气体大得多。不过，它对地球温暖化的影响与其GWP和大气中所含该气体浓度的乘积有关，所以，SF6气体的影响比CO2的影响小得多。但是， GWP值大对温暖化的潜在影响也就大，如果今后SF6气体的排放量继续增大的话，其影响力变得相当大也就成为可能。
1995年全世界SF6的产量大概是8 000～9 000 t，估计现在已突破200 000 t(包括储存量)［７］。其中，电力工业的SF6年用量为7 000 t左右，主要用于断路器和其他输配电设备。理论上，SF6气体可以回收再利用，绝不允许泄漏到大气中，然而在实际运行中有很大的泄漏。美国年泄漏的SF6气体约相当于8 t的CO2。10年前，大气中的SF6气体浓度几乎感觉不到，而现在含量约为32 ppt［８］。这些泄漏气体很大部分归因于电力工业。
随着SF6气体使用量、排放量的增加，大气中的SF6气体浓度也在逐年增加，其浓度大小随地点、季节而变化，工业化先进的北半球比南半球约高0.4 ppt,接近4 ppt［１０］。然而，北半球最近几年间大气中SF6气体浓度呈直线上升的趋势。当前，我国SF6开关设备运