高压真空断路器的发展和技术

高压真空断路器的发展与技术

摘要：近来，168kv高压真空断路器开始利用新开发的技术，如电极材料，绝缘和磁场分析这些技术优化了真空中断配置。在这个简短的文章中，我们描述了这些方法和一些高电压真空断路器72 / 84kv陶瓷真空中断，145kV单断真空断路器，72 / 84kv 不含SF6气体真空断路器，120kV和168kv槽式真空断路器。

一、引言

真空断路器（VCBs）被广泛用作中间电压级开关器件。能被广泛使用是因为具有数次转换，体积较小，方便维护等特点。近年来，除了这些功能，它们在减少或消除SF6气体，导致全球变暖的方面也引起了更多的注意。

因为真空断路器被应用于中间电压级的进程加快，很有可能真空断路器能等同于中间电压级开关器件；但是真空断路器已经并且继续被使用于168KV的电压，由于电极材料的近期发展，真空断路器用于72到168KV的电压将被商业化。在这篇文章中，我们总结日本AE电力系统最近开发高压真空断路器的活动和迄今取得的技术。

二、日本AE电力系统高压真空断路器的开发

真空断路器在二十世纪六十年代开始投入使用，并且最初被尝试应用在高电压；二十世纪七十年代生产的产品为84 kV单点真空断路器，之后145KV和168KV双断口真空断路器也生产出现了。这些断路器在那时是开创了新纪元，但使用螺旋电极，真空中断（VIs）有一个复杂的屏蔽结构并且体积很大。

进入二十世纪八十年代，铜基电极材料以其优越的电流中断性能和耐电压而开始使用；但轴向磁场电极结构具有优越的电流截止性能，被运用在大容量设备。这种技术在72/84KV 的槽式真空断路器上被广泛采用，但在九十年代末72/84KV级陶瓷真空中断被开发出来，并应用于槽式真空断路器。进入第二十一世纪，随着无气体的真空中断的发展不使用SF6气体。并经过试验制造出单点145 kV真空断路器后，单点120 kV和两点168 kV真空断路器也被开发出来。

下面，总结一下支持这一发展的技术。

1、72/84KV级陶瓷真空中断

用于72 / 84 kV级真空断路器中的真空中断最初是由玻璃容器和螺旋形电极组合而成的，但此后的轴向磁场电极开始被采用，玻璃容器和垂直磁场电极的组合也开始使用。在这个时间点上，正在使用的是陶瓷容器到36kv级，但到了2001这个期间则是进一步扩展到72 /

8kv级。

陶瓷真空中断的优点包括批量生产和耐高温，因此真空中断内部可以保持一个干净的状态。

如此大的，高电压的大容量的真空中断引起了电场分析、磁场分析与测量技术的发展。特别是，分析和测量技术对垂直磁场的电极结构研究是必要的，并且这一工程也被用来鉴定最佳的电极结构。

2、145KV单断口真空断路器

从2000年以来，我们一直从事高电压、大容量的真空断路器的研发。这包括100KV级的真空中断和绝缘技术的发展，并且145 kV，40 kA，单断口真空断路器已被成功研发。

这是通过优化内部电场，开发新型电极和复合绝缘子的研制，以及其他研发出较大尺寸的真空中断新的技术来实现的。图片2展示了145 kV，40 kA单断口真空断路器（原型），图片3展示了用于真空断路器上的真空中断。

3、72/84KV无SF6气体真空断路器

因为真空断路器控制电流断流电弧是在一个人真空容器中，而它的一个特征就是在低环境负荷里。然而，在74KV级和其他高电压真空断路器中，在真空中断中使用SF6气体来进行绝缘的方法被运用。尽管没有泄漏，并且也仅仅只是使用了一点SF6气体，安全不可能消除SF6气体的使用。这些情况是相当令人不满意，因此上面所描述的耐高压的72/84KV的陶瓷真空中是被研发，72/84KV槽式真空断路器是在有一个低环境负荷，不得使用SF6气体的情况下研发的。设备内使用高压干燥的空气用于绝缘，这样绝缘体就可以暴露在空气中，从检查到检修、报废的每个阶段都没有问题产生。

传统的SF6气体进行内绝缘的72/84KV真空断路器被广泛使用。随着技术的改进，无气体型的真空断路器与早期的装置类似，但是却使用干燥的空气来替代SF6气体进行绝缘，并且密封比高压多出了两倍甚至更多。传统装置中的许多装置仍在使用；新的真空断路器开始替代它们。图片4是槽式真空断路器的外观图，图片5展示的是内部结构。

正如上面所解释的，速率和尺寸与传统设备是相似的，但因为利用干燥空气进行绝缘，真空断路器具有以下特征。

（1）复合绝缘的采用

干燥空气的介电强度被认为只有SF6气体的1/3，在应用到实际设备上时，跟目前使用的设备相比，气体压力要更高，而容器的尺寸则要更大，这就导致了设备设计的经济浪费。因此，在应用到现实的设备上，密封的干空气的压力被增大，一个模型的覆盖物用作高压导体，

因此大小可以与现有的设备类似。

（2）采用能抗高压的真空断路器

当使用干燥压缩空气作为绝缘体时，与传统的SF6气体在相同的压力下相比，其绝缘性能降低，因此密封干燥空气的压力值设定必须高于SF6气体。因此真空中断的容器和波纹管必须承受过度压力。如果在同等的高气体压力下，安装波纹管的结构与传统的内压设计相比（内部：真空，外：空气/绝缘气体），波纹管会发生弯曲如图6所示。

因此，真空中断的结构改换为外部压力型（内部：真空，外：空气/绝缘气体），并且其抵抗高压的能力有了新发展。通过这个结构，当真空中断的外部压力增加，波纹管也不会发生变形，使稳定的操作变的有可能。

4、120KV单槽式真空断路器

120 KV单槽式真空断路器的开发是以传统的72 / 84KV单槽式断路器基本结构的运行记录为基础的。相同的运行装置部件被使用；断路器是一个145KV,40KA，垂直磁场电极的（单点开关）真空断路器装置，是世界上第一个商业化的槽式产品。

真空断路器的断路器不需要拆卸检查，可在完全组装的状态运输（无需现场注气），并且具备优良的绝缘性能、使用年限长（额定数量的下限：20，额定负载数量电流开关：10000）；因此可以保持较高的可靠性，降低生命周期成本。图片7展示了120KV单槽式真空断路器在运输中的振动测试。

单槽式真空断路器具有如下特点。

（1）含高铬的电极材料的应用：真空中断电极有各种材料和制造方法，而因不同的运用电极类型也有所不同。一般而言，电极必须有高耐电压，耐聚变，良好的中断性能（对于大和小电流）。能够适应高电压和大电流的这些性能特点是重要的。具有高铬含量的传统电极材料因其具有良好的性能而被使用，铜铬电极具有高耐电压，抗熔化，极好的整流特性。

（2）采用垂直磁场电极结构：真空中断电极中通过螺旋形电极和垂直磁场电极切断大电流。在第3节中分析了磁场技术，它能获得最佳磁场分布的电极形状。

（3）通过应用CAE分析技术减小尺寸：CAE分析技术从设计阶段开始，就通过优化设计在合适的地方减小真空断路器的结构尺寸。因此，在额定气压下，工厂组装完整后就可以运输，这也使运输和现场安装所花费的时间和费用减少了。

5、168KV双槽式真空断路器

正如在一开始，日本AE电力系统（原Meidensha公司）研发的真空断路器是168kv双槽式真空断路器（见图片1）。