真空开关电器的发展历程

真空开关是一类以真空为绝缘和灭弧介质的断路器、负荷开关、接触器和隔离开关等开关电器的总称，因其结构简单并具有无火险、无毒、可频繁操作等优良特性，经多年发展，在中压系统逐渐替代了传统的油断路器，而且在数量上与六氟化硫断路器相比占有绝对的优势，已成为控制电器的主流。同时，以各类真空开关为主的许多新型成套装置也不断涌现，极大地改善和提高了供电的安全性与可靠性，也对实现新兴的智能电网运行具有极重要的意义。随着中压断路器制造技术的不断提高，基于其技术基础研制的低压真空断路器也早已成功投入使用。此外，为充分发挥真空开关的优异特性，高压真空断路器的研制也已成为一项重要课题，经10余年来的努力，各国都不同程度地取得了一定的成果，现在，已有最高252kV的断路器试制成功并投入试运行。

真空介质特性的研究和工程应用可追溯到19世纪末。人们在研究气体放电时发现，随着容器内空气分子的不断减少，继续抽出空气使容器内气压达到极小的数值，即容器处于真空状态时，电极之间的绝缘强度得到极大的提高。同时，推想由于这时空气分子电离后产生的导电粒子也极其稀少，对电弧的熄灭非常有利，于是人们开始对真空灭弧室的研究。

1895年，英国Rittenhouse使用扩散泵首先制造出一个灭弧室模型，用它进行了开断电弧的试验。接着在以后的30几年里，不断有人继续改进灭弧室的结构并试制成功早期的真空开关。1926年，美国公布了Sorensen的研究成果——一台试验性的真空开关成功地开断了4.1kV、926A交流电弧。随后，GE和Westinghouse等公司又深入开展了横向吹弧磁场对电弧运动和触头烧损的影响研究工作。但是，由于真空灭弧室的制造与真空技术、冶炼合金等工艺的不断进步和提高有着极强的依赖关系，将真空开关能够发展成为实用的商用电器产品的研究工作一直持续了数十年才有了渐进的成果。在20世纪50—60年代成功地解决了与真空灭弧室相关的一系列关键工艺问题，如超高真空度的制取技术、高强度玻壳和陶瓷外壳材料的制造以及它们与金属部件密封焊接技术的改进、高质量金属波纹管的试制成功、新型触头合金的开发及其冶炼技术的改进等，确保了灭弧室高绝缘强度、长寿命的特性，且灭弧室的开断能力大幅度提高，由此促进了断路器向高水平发展。1955年，美国Jennings公司制造了15kV、2kA、200A的真空开关，用于无线电设备的电源控制和短路保护。接着在这一基础上又成功进行了切断单相输电线路的现场试验，以探讨真空开关用于电力系统的可能性。为提高灭弧室的开断能力，在20世纪60年代，英国、美国的许多公司都集中精力深入研究触头的结构设计与合金材料制造工艺。GE公司首创的开螺旋槽触头使开断能力极大地得到提高，于是制成第一台商用三相真空断路器，其额定电压15kV、额定短路开断电流12kA、额定电流600A。英国研制的真空开关特点在于镶嵌式触头，基于这种触头开发了400～3000A的各种真空接触器，用于输电系统和煤矿供电，其应用于煤矿供电的重要意义还在于消除了火灾和爆炸的危险。

日本和德国研制真空开关工作的起步均从引进国外技术开始，随后加大研究、改进的力度，而取得了更大的成就。例如，日立公司在1965年制造出该公司的第一台7.2kV、50kA、400A真空断路器。东芝、明电舍公司也在差不多在同期试制成功它们的产品。1968年，东芝公司又在从GE公司引进真空开关制造技术的基础上，加上自己的研究成果，迅速推动了各类真空开关电器的生产与发展。德国Siemens公司和Calor Emag公司（后来成为ABB公司重要的成员之一）都在各自的基础上多年来持续地开展着系列研究，在合金材料冶炼、磁控触头设计、灭弧室真空焊接封装和弹簧操动机构等一系列核心技术方面取得了杰出的成就，因而这两个公司研发的不同风格系列真空断路器产品对国际上真空开关的进步和推广产生了深远的影响。在同期的美国，大力发展真空开关的还有Eaton（伊顿）、Cooper（库柏）、Carter-Hammer等公司，它们或承继Westinghouse公司的技术、或自行研发，都发展了各自的中压断路器系列产品。

20世纪70年代是真空开关全面发展和开始广泛应用的阶段。高速摄影机的应用对研究电弧运动和磁场作用提供了有力的帮助，基于等离子物理理论和真空电弧理论，深刻地分析、创立真空导电、放电机理的理论和分析不同形态电弧的成因是这一阶段的重要研究课题。研究的成果之一是人们设计了形形色色不同结构的磁控触头，如改进的杯状触头、开斜槽纵向磁场触头、各种串联线圈自吹触头等，利用磁场力驱动大电流电弧运动使之变为分散状而不是积聚状，从而极大地减弱了高电流密度弧柱对触头表面的烧损，提高了灭弧室的开断能力。在此期间，还研制成功了适合各种不同用途的触头合金，因而促使真空断路器的性能有了重大突破。进入80年代以后，研究内容又增添了开关小型化、提高开断容量、低截流触头合金的研制、设计各类真空开关成套装置等新的课题。这时，真空开关已由较小开断电流发展到最大至63kA的断路器和适合用于不同场所的真空负荷开关、真空分段器、变压器有载分接开关，以及以真空开关为主开关的空气绝缘开关柜和气体绝缘的小型开关柜，充分地满足了电力工业不断发展的需求。在中压领域内，真空开关因其优异的特性被迅速推广，原来占主要地位的油断路器、空气断路器已经逐渐被真空断路器和在同期发展的六氟化硫断路器所取代。

在与真空断路器发展差不多时期内，利用SF6气体的优良特性研制成功的各类中压六氟化硫断路器和负荷开关也是一类技术先进型开关电器，它们同样具有优异的灭弧能力、断口恢复强度高以及无火灾等优点。但随着技术不断进步，中压真空断路器的开断能力已能与六氟化硫断路器相媲美，截流现象引起的操作过电压也显著降低，减少了运行人员的疑虑，终因其更加突出的优点而超过了六氟化硫断路器，以至于在20世纪90年代中、后期，我国和国外许多主要的开关制造公司逐渐转为全部生产真空断路器。

真空断路器的主要有以下优点：

（1）真空介质绝缘强度高，开断短路电流后恢复速度快，断路器动触头行程比油断路器和SF6断路器的短得多，因而操动机构的操作功小，材料磨损轻，机械寿命一般能达到1万次甚至2万～3万次。

（2）优化设计的磁控触头不但减轻了大电流电弧对触头合金的烧损，而且弧压降低，真空断路器因此具备了电寿命长的优点。例如，油断路器仅能开断额定短路电流3～4次，而真空断路器可达到几十次。(www.xing528.com)

（3）在开断电弧后，真空介质中不会出现对人体有害的物质；而六氟化硫断路器开断后，SF6气体在高温电弧作用下分解出SF4、SO2F2、SOF2等剧毒低氟化合物，在检修断路器时无法处理这些物质，它们的存在构成了对环境的永久污染。同时，SF6气体也是严重造成地球温室效应的气体之一，位于被削减之列，这也成为六氟化硫断路器被真空断路器替代的一个重要因素。

（4）结构简捷，比同样规格六氟化硫断路器极柱的零件少得多。通常SF6灭弧室除有主触头之外，还设置辅助触头、磁吹线圈等必需的部件。同时，气密结构也很复杂，包括数个O形圈和与之配合、加工精度必须非常高的密封槽；为防止开断后的气体外逸，其顶部还装有吸附装置，因而零件数量繁多、断路器体积大。零件越多意味着容易造成故障隐患的概率越大；与之相比，真空断路器采用真空技术制造的灭弧室，零件数量极少，可动部件只有动触头和波纹管两件，相应的故障隐患的概率小，可靠程度高，有利于运行管理和维护。

（5）结构简捷带来的另一优点是断路器能够频繁、快速地进行合分动作，可实现控制频繁投、切电动机、冶炼电炉等供电电源的操作。

为进一步使上述优点体现在更高电压等级的断路器上，以逐渐减少高压六氟化硫断路器的气体用量，国外有些公司开始尝试研制高压真空断路器。但由于真空介质的固有特性导致电极在高压电场中表现了一种放电的特殊行为，必须经济、合理地解决高压灭弧室面临的许多技术难题，所以将中压真空断路器的生产技术拓展到高电压等级遂成为一项新的重要课题。

跨入21世纪前后，真空断路器研究课题的重点主要有研发新型永磁操动机构、应用于发电机控制的断路器设计、提高单个灭弧室的额定电压和开断能力，研制更高电压等级的断路器。其中，研制高电压等级真空断路器仍是一项需要持续、深入进行的工作，这是因为多断口的技术复杂，制造成本高。与高压、超高压六氟化硫断路器相比，后者经过灭弧方式和操动机构设计的不断改进与发展，目前单断口额定电压可达550kV、双断口额定电压可达800kV，额定短路开断电流50kA、63kA。近期，我国还通过合作和自主研发的方式，成功研制出1100kV的GIS。同时，操动机构的不断优化和多年积累的成熟运行、管理经验使得高压、超高压六氟化硫断路器在现阶段仍占绝对的优势，因而目前尚无其他的断路器能够替代。但由于在生产和检修过程中不可避免地排放以及运行中的微量泄漏，而全球高压、超高压六氟化硫断路器的数量众多，SF6气体对地球的温室效应影响巨大。因此，从环保的角度来看，发展高压、超高压等级的真空断路器具有极为重要的意义。

真空断路器除了向高电压、开断大电流方向发展外，还因其具有真空灭弧室在开断操作时不对外界喷弧、无火灾危险、能频繁操作、适合极恶劣气候条件和有粉尘易爆场所的优点，660V和1500V低电压等级的真空断路器和接触器也得到充分的发展，如在煤矿供电系统和起重、泵站和牵引系统中都已获得了广泛的应用。德国和日本的低压真空断路器的短路开断能力都已达到65kA（额定电压1000V时）。

我国真空断路器的研制工作始于20世纪80年代，最早有几家防爆电器厂研制7.2kV手动操作的小容量真空断路器，灭弧室是玻壳结构，由当时生产大功率发射管的专业厂试制。80年代后期有西安高压电器研究所自主研发的ZN28系列真空断路器问世，产品逐渐推广用于电力工业。为改进提高真空断路器的制造水平，在1990年前后，华光厂和宝光厂分别从Westinghouse和Siemens公司引进陶瓷壳真空灭弧室制造技术，北京开关厂从Siemens公司引进3AF型12kV真空断路器制造技术。1992—1993年，ABB公司（集团成员Calor Emag公司）和Siemens公司相继在中国成立合资公司，开始用德国技术生产12～40.5kV真空断路器和开关成套装置的系列产品，以后Siemens公司又在无锡合资厂生产各类真空灭弧室。在21世纪初，日本的东芝公司等也在我国以合资公司的形式用其技术开始了真空开关的生产。通过与上述国际著名大公司合作或技术引进的方式生产，我国的真空开关制造业引入了国际最先进的计算机设计软件和严格的生产管理方法与质量管理体系、自动化数控钣金加工设备等硬件和各类试验测量技术，迅速和极大地提升了真空断路器的制造水平。在此基础上，通过国产化研究和进一步再开发工作，又提高了自主研发能力，从而促进各类真空开关电器向高质量、多功能和多品种的发展，不但迅速地实现了开关无油化，有力地配合了数次城网改造和农网改造，增强了供电可靠性，促进了电气化铁路和地铁的高速发展。现在，国内的中压真空开关电器已发展到包括断路器、负荷开关、接触器、柱上开关及其成套装置如环网柜、空气绝缘开关柜（AIS）和气体绝缘开关柜（GIS）、固体绝缘开关柜（SIS）等；此外，高压真空断路器的研制工作也取得了丰硕成果，目前，国外产品的额定电压最高可达252kV，据日本资料介绍，已有3350台72～252kV真空断路器在系统运行。我国对高压、超高压真空断路器的理论研究和研制也极为重视，近年来在东北电网已有数十台72kV的真空断路器投入运行，系统中尚有126kV自行设计的真空断路器在试运行。