摘要：總結(jié)了有關(guān)真空斷路器高電壓化技術(shù)研究的進(jìn)展，其中包括真空斷路器高電壓化的絕緣技術(shù)、真空滅弧室結(jié)構(gòu)型式和高電壓真空斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，以供國(guó)內(nèi)同行參考。
　　
　　1 前言
　　由于真空斷路器的*優(yōu)點(diǎn)，使其在中壓領(lǐng)域的應(yīng)用在歐洲和美國(guó)已占到70%，日本已接近*，俄羅斯已占50%以上，我國(guó)也已占到80%以上。近20年來(lái)，真空斷路器的理論研究水平和制造技術(shù)都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，真空斷路器已不僅于中壓，而是朝著高電壓、大容量方向發(fā)展。特別是在人們對(duì)環(huán)境保護(hù)非常重視、SF6氣體被確認(rèn)為溫室效應(yīng)氣體而使其應(yīng)用受到限制的大環(huán)境下，傾向于發(fā)展真空斷路器來(lái)逐步取代SF6斷路器。
　　
　　2 真空滅弧室高電壓化的絕緣技術(shù)
　　2.1 絕緣技術(shù)需要解決的問(wèn)題
　　真空滅弧室的結(jié)構(gòu)，真空滅弧室需要解決的絕緣性能的部位都標(biāo)于圖中，包括觸頭間絕緣、導(dǎo)電桿和屏蔽罩間絕緣、沿面絕緣和外部絕緣等[1]。觸頭間絕緣擊穿性能大大影響真空斷路器的開(kāi)斷電流性能，屏蔽罩和導(dǎo)電桿間絕緣性能在設(shè)計(jì)真空滅弧室時(shí)與外形尺寸關(guān)系很大，滅弧室內(nèi)外沿面絕緣會(huì)受電場(chǎng)分布是否均勻的影響，因此電場(chǎng)的均勻化設(shè)計(jì)非常重要。
　　2.2 間隙絕緣的面積效應(yīng)
　　真空間隙的擊穿電壓隨電極形狀的不同而大不同，這是因?yàn)殡姌O形狀造成電場(chǎng)分布及絕緣擊穿開(kāi)始時(shí)有效的電極面積各不相同的緣故。當(dāng)電極面積增加時(shí)，就會(huì)因電極表面的微小突起及吸附氣體（氧化物）等誘發(fā)絕緣擊穿的電極表面的弱點(diǎn)數(shù)目增加，因此電極面積增加時(shí)，擊穿電壓降低。
　　對(duì)于各種間隙，擊穿通常發(fā)生在大于90%zui大場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域被稱為導(dǎo)致?lián)舸┑挠行娣eSeff，真空間隙的絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Eb和絕緣擊穿時(shí)的Seff存在密切關(guān)系[2]，即面積效應(yīng)：隨著Seff的增大，Eb降低。為了提高間隙的擊穿電壓，當(dāng)間隙長(zhǎng)度一定時(shí)，加大觸頭曲率，Seff增加，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生相反的結(jié)果；而當(dāng)zui大電場(chǎng)強(qiáng)度相同時(shí)，若選擇Seff較小的觸頭形狀，可使耐壓值提高。
　　真空滅弧室設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電場(chǎng)分布及其有效面積后，再進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。
　　2.3 真空中沿面絕緣
　　在真空間隙的電極周圍有絕緣件時(shí)，與無(wú)絕緣件時(shí)相比，擊穿電壓會(huì)下降，這是因?yàn)榉烹娫诮^緣件表面擴(kuò)展，造成沿面絕緣擊穿的緣故。絕緣件表面的沿面絕緣擊穿的機(jī)理有以下兩種假說(shuō)[3]：
　?。?）二次電子雪崩說(shuō)：許多絕緣件的二次電子放電比在很廣的入射能量范圍內(nèi)大于1， 因此電子對(duì)絕緣件表面每沖撞1次就會(huì)引起二次電子雪崩，在表面正電荷積累而使電場(chǎng)增高， 因這種電子增殖而造成絕緣擊穿。
　?。?）氣體說(shuō)：通過(guò)施加高電壓，使絕緣件表面吸著的氣體脫離，以及因絕緣件材質(zhì)自身的氣化造成局部氣體密度上升，從而引發(fā)了絕緣擊穿。
　　近年來(lái)又提出一種將這兩者相組合的假說(shuō)，即因絕緣件表面的帶電電荷、二次電子放出、電離等所產(chǎn)生的電子及正離子造成了表面吸附氣體的脫離。
　　在對(duì)因二次電子雪崩造成的絕緣擊穿進(jìn)行分析時(shí)，必須明確掌握電子的軌道。電極上某些部位發(fā)射的電子與絕緣件不碰撞。而有些部位發(fā)射的電子與絕緣物相碰撞，這有可能引起二次電子雪崩，因此這部分的電場(chǎng)強(qiáng)度分布很重要，應(yīng)減弱該部位的電場(chǎng)強(qiáng)度以減少電子發(fā)射。另外在沿面絕緣中，成為電子放出源的屏蔽罩的材料和表面形狀也很重要。
　　真空沿面絕緣同樣存在面積效應(yīng)，日本東芝公司就是通過(guò)對(duì)面積效應(yīng)（包括真空間隙的絕緣面積效應(yīng)、沿面的絕緣效應(yīng)及多間隙對(duì)絕緣的影響）的深入研究開(kāi)發(fā)出了小型化的72/84kV真空滅弧室，并成功應(yīng)用于C-GIS上[1]。
　　2.4 老煉
　　給電極間施加電壓，讓擊穿反復(fù)發(fā)生，擊穿電壓就逐漸升高，便成為電壓老煉效應(yīng)。此外，針對(duì)某種電極，讓間隙內(nèi)流過(guò)一定大小的電弧電流，可對(duì)電極表面進(jìn)行電流老煉，擊穿電壓同樣逐漸升高。圖2為電流老煉的一個(gè)例子[4]，將老煉時(shí)的電流增大，擊穿電壓就會(huì)升高。根據(jù)老煉處理?xiàng)l件，絕緣性能會(huì)受很大影響，所以必須選擇一種合適的老煉處理方法。
　　2.5 材料表面清潔處理
　　置于大氣中的觸頭表面被污染和被吸附氣體包圍，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次方個(gè)分子，這些分子通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)，沖擊真空容器及觸頭
　　的表面，并形成附著分子層。凈化吸附氣體覆蓋表面的方法是真空加熱處理， 圖3是Cu觸頭加熱處理溫度和絕緣性能間的關(guān)系[4]，真空加熱處理的溫度越高，擊穿電壓就越高，因而真空加熱處理清除觸頭表面的吸附氣體（氧化層）有助于恢復(fù)觸頭的絕緣性能，不僅通過(guò)降低氣體釋放提高了真空性能，也提高了絕緣性能。
　　2.6 外部絕緣
　　可采用氣體、液體、固體絕緣材料來(lái)加強(qiáng)真空滅弧室的外部絕緣，如氮?dú)?、油、硅脂、環(huán)氧樹(shù)脂等。
　　
　　3 真空斷路器高電壓化
　　3.1 真空滅弧室的結(jié)構(gòu)型式
　　已公開(kāi)發(fā)表的高電壓真空滅弧室結(jié)構(gòu)型式各有不同，zui主要的差別在屏蔽罩上，可分為5類：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有主屏蔽罩和端部屏蔽罩，如美國(guó)西屋公司的一種72kV真空滅弧室、 日本明電舍公司的一種真空滅弧室等；②除主屏蔽罩和端部屏蔽罩外，還放置有均壓屏蔽罩和觸頭背部屏蔽罩等，甚至是均壓屏蔽罩一直伸到觸頭間隙附近，處于分閘位置的動(dòng)、靜觸頭分別位于兩個(gè)均壓屏蔽罩的孔中，如明電舍公司的一種84kV 25kA的真空滅弧室等[5]；③在陶瓷外殼內(nèi)布置多層間隙屏蔽罩結(jié)構(gòu)，如日本東芝公司開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用于C-GIS上的小型化72/84kV真空滅弧室；④外部線圈式結(jié)構(gòu)，為了獲得較強(qiáng)和較均勻的縱向磁場(chǎng)，將產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的線圈布置在真空滅弧室外殼的中部，同時(shí)主屏蔽罩采用具有抗渦流作用的特殊結(jié)構(gòu)和材料制造[6]；⑤雙斷口型真空滅弧室，為了提高單個(gè)真空滅弧室的耐壓水平及開(kāi)斷性能，S.Giere等人提出了雙斷口真空滅弧室模型[7]，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，圖4為單斷口和雙斷口真空滅弧室結(jié)構(gòu)圖。
　　3.2 真空斷路器高電壓化結(jié)構(gòu)型式
　　高電壓等級(jí)真空斷路器的開(kāi)發(fā)有兩種途徑：①發(fā)展單斷口形式，采用單斷口耐壓較高的真空滅弧室，具體斷路器結(jié)構(gòu)有單柱式，滅弧室放在充有SF6氣體的瓷套內(nèi)，采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)；②發(fā)展雙斷口和多斷口，將滅弧室串聯(lián)起來(lái)使用，具體斷路器結(jié)構(gòu)有：罐式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充有SF6氣體或油絕緣；單柱式結(jié)構(gòu)，滅弧室串聯(lián)使用，絕緣外殼采用環(huán)氧樹(shù)脂做成，內(nèi)部充有SF6氣體并裝有均壓電容器；T型結(jié)構(gòu)，斷路器的每相有兩個(gè)滅弧室串聯(lián)，瓷套內(nèi)充有SF6，采用彈簧或液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)；雙柱式結(jié)構(gòu)，斷路器每相由兩個(gè)相柱組成，每個(gè)相柱內(nèi)充有SF6氣體并裝有一個(gè)真空滅弧室，相柱之間用導(dǎo)電連接板連接。
　　除上述外，還有兩種新的斷路器結(jié)構(gòu)型式[8]，分別示于圖5和圖6。
　　采用雙斷口真空滅弧室的真空斷路器結(jié)構(gòu)，滅弧室中間的靜觸頭為縱向磁場(chǎng)觸頭，兩個(gè)動(dòng)觸頭為平板型，中間的散熱器有利于額定電流的增加。
　　無(wú)SF6氣體的真空斷路器裝置，由套管、避雷器、接地開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)、真空滅弧室等部分組成，內(nèi)部充以油作為絕緣介質(zhì)。