1论开发 750 kV 超高压真空断路器的必要 性摘要：简述了真空断路器的发展概况，对真空断路器与 SF6 断路器进行了对比分析同时对真空断路器向 750 kV 超高压等级发展的途径进行论述 关键词：真空断路器；SF6 断路器；750 kV 超高压；光电控制模式 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2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3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。
4表 1 X 光射线测试结果灭弧室额定电压/kV 试验电压/kV X 光射线测试值/mR·h-1 X 光射线允许值/mR·h-1 12 工作电压 15 0 0.5 工频电压 36 0 15 24 工作电压 24 0 0.5 工频电压 50 0.15 152002 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 5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 气体 分子量 大气寿命/年 GWP(假如寿命为 100 年) 绝缘强度（相对于 SF6）的比率 备注 SF6 146.06 3 200 23 900 61.0 CF3Cl 104.5 640 11 700 0.53,0.47～0.58 破坏臭氧层 Ar 39.9 0.04～0.1 H2 2.02 0.22,0.2 N2O 44.01 120 310 0.46,0.50 有毒 CO2 44.01 1 0.35,0.32～0.37 SO2 64.06 1.0,0.52～1.0 7有毒 CH4 16.05 12.2±3 15～27 CCl4 154 42 1 400 2.4,1.33～2.33 有毒 CF2Cl2 120.9 102 8 500 1.04,0.92～1.16 破坏臭氧层从表 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CO210 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，8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 开关设备运行中泄漏 SF6 气体的情况如下［11］： (1) 根据文献［１２］的统计，1989～1997 年，220 kV 及以上 SF6 断路器和 GIS发生的泄漏故障中，设备本体漏气共 26 次，其中进口设备为 3 次。
2) 据文献［１３］的统计，国产 SF6 断路器的漏气问题很突出，北京供电局所使用的 220kV SF6 断路器中仅 1993 年度就有 11 台断路器中的 11 相本体漏气，全年共补气 18 次 (3) 据文献［１４］的统计，1994 年 SF6 断路器本体漏气 16 次，国产、进口设备都存在这一问题 (4) 据文献［１５］统计，1988～1995 年间国产 500 kV SF6 断路器共发生 22 次故障，主要是密封质量问题，几乎占了故障的一半 (5) 据文献［１６］，国际大电网会议(CIGRE)23-03 特别工作组曾对 11 家巴西用户的 7 个制造厂的 29 台 GIS 进行调查，结果显示，在某些变电站，设备每年的SF6 泄漏率超过 3％，个别情况可高达 10％巴西大多数的 100～200 kV GIS，其SF6 泄漏率十分接近允许值 1%仅在 1991～1993 年间，在巴西安装的 GIS 由于泄漏问题至少导致 5 623 kg SF6 气体排放到了大气中 关于大气中 SF6 气体的浓度以及紧密效应的典型计算结果已经有报告在此报告中还给出了大气温度上升趋势变化的情况［10］，见图 3。
据此，假如 2000 年以后每年 SF6 气体的排放量为 6 800 t(图 3 中的曲线 1 和 2)，或者 1990 年后为 10 000 t(图 3 中的曲线 3 和 4)，按 SF6 气体在空气中的寿命为无限大进行计算，到2010 年时预测 SF6 气体在空气中的浓度为 8 ppt(若 1990 年后每年排放 10 000 t，9则为 10 ppt)可见，按最严格的条件（曲线 4)来考虑，到 2010 年，大气温度要上升 0004.3 ℃，到 2100 年要上升 0.02 ℃与此相同，由 CO2 气体产生的温室效应也依赖于今后的排放量据估计，到 2010 年由 CO2 所引起的大气温升为 08℃，到 2100 年时大气温升为 2～5 ℃ 图 3 SF6 气体的温室效应预测注： 曲线 1、3 是对 SF6 气体寿命为 200 年时温室效应的预测；曲线 2、4 是对 SF6气体寿命为无限大时温室效应的预测为此，从全球环境保护出发，CIGRE 在 1997 年日本京都会议上提出了决定草案，即《联合国气候变化框架公约京都议定书》(简称《京都议定书》)，该议定书附件 A 中列出了 6 种温室效应气体：二氧化碳(CO2)、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N。