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)計等，以供國內(nèi)同行參考。
 　　
 　　1 前言
 　　由于真空斷路器的*優(yōu)點，使其在中壓領(lǐng)域的應(yīng)用在歐洲和美國已占到70%，日本已接近*，俄羅斯已占50%以上，我國也已占到80%以上。近20年來，真空斷路器的理論研究水平和制造技術(shù)都有了長足的發(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。特別是在人們對環(huán)境保護非常重視、SF6氣體被確認為溫室效應(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)需要解決的問題
 　　一個真空滅弧室的結(jié)構(gòu)圖，真空滅弧室需要解決的絕緣性能的部位都標于圖中，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斷電流性能，屏蔽罩和導(dǎo)電桿間絕緣性能在設(shè)計真空滅弧室時與外形尺寸關(guān)系很大，滅弧室內(nèi)外沿面絕緣會受電場分布是否均勻的影響，因此電場的均勻化設(shè)計非常重要。

 　　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，這是因為電極形狀造成電場分布及絕緣擊穿開始時有效的電極面積各不相同的緣故。當電極面積增加時，就會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數(shù)目增加，因此電極面積增加時，擊穿電壓降低。
 　　對于各種間隙，擊穿通常發(fā)生在大于90%zui大場強的區(qū)域，這個區(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強度Eb和絕緣擊穿時的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，當間隙長度一定時，加大觸頭曲率，Seff增加，有時會產(chǎn)生相反的結(jié)果；而當zui大電場強度相同時，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)計時要考慮電場分布及其有效面積后，再進行絕緣設(shè)計。
 　　2.3 真空中沿面絕緣
 　　在真空間隙的電極周圍有絕緣件時，與無絕緣件時相比，擊穿電壓會下降，這是因為放電在絕緣件表面擴展，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理有以下兩種假說[3]：
 　?。?）二次電子雪崩說：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， 因此電子對絕緣件表面每沖撞1次就會引起二次電子雪崩，在表面正電荷積累而使電場增高， 因這種電子增殖而造成絕緣擊穿。
 　?。?）氣體說：通過施加高電壓，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。
 　　近年來又提出一種將這兩者相組合的假說，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。
 　　在對因二次電子雪崩造成的絕緣擊穿進行分析時，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，因此這部分的電場強度分布很重要，應(yīng)減弱該部位的電場強度以減少電子發(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對面積效應(yīng)（包括真空間隙的絕緣面積效應(yīng)、沿面的絕緣效應(yīng)及多間隙對絕緣的影響）的深入研究開發(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，針對某種電極，讓間隙內(nèi)流過一定大小的電弧電流，可對電極表面進行電流老煉，擊穿電壓同樣逐漸升高。圖2為電流老煉的一個例子[4]，將老煉時的電流增大，擊穿電壓就會升高。根據(jù)老煉處理條件，絕緣性能會受很大影響，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次方個分子，這些分子通過熱運動，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、固體絕緣材料來加強真空滅弧室的外部絕緣，如氮氣、油、硅脂、環(huán)氧樹脂等。
 　　
 　　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)簡單，只有主屏蔽罩和端部屏蔽罩，如美國西屋公司的一種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、靜觸頭分別位于兩個均壓屏蔽罩的孔中，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)，為了獲得較強和較均勻的縱向磁場，將產(chǎn)生縱向磁場的線圈布置在真空滅弧室外殼的中部，同時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，為了提高單個真空滅弧室的耐壓水平及開斷性能，S.Giere等人提出了雙斷口真空滅弧室模型[7]，并進行了實驗對比研究.
 　　3.2 真空斷路器高電壓化結(jié)構(gòu)型式
 　　高電壓等級真空斷路器的開發(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)，采用彈簧操動機構(gòu)；②發(fā)展雙斷口和多斷口，將滅弧室串聯(lián)起來使用，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滅弧室串聯(lián)，瓷套內(nèi)充有SF6，采用彈簧或液壓操動機構(gòu)；雙柱式結(jié)構(gòu)，斷路器每相由兩個相柱組成，每個相柱內(nèi)充有SF6氣體并裝有一個真空滅弧室，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].
 　　采用雙斷口真空滅弧室的真空斷路器結(jié)構(gòu)原理圖，滅弧室中間的靜觸頭為縱向磁場觸頭，兩個動觸頭為平板型，中間的散熱器有利于額定電流的增加。
 　　無SF6氣體的真空斷路器裝置結(jié)構(gòu)圖，由套管、避雷器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、真空滅弧室等部分組成，內(nèi)部充以油作為絕緣介質(zhì)。