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。
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
15
2002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
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
1.0
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
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CO2。10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，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 kVSF6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，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（NO2）、氢氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PECS)、六氟化硫(SF6)，并列出了与这些温室效应气体相关的部门类别和相应的产业，其中能源工业和制造工业等对SF6的生产和消费均在指名之列。《京都议定书》规定2008～2012年为第一个排放量限制和削减承诺期，在附件B中列出了有关缔约方的排放量限制或削减承诺(以1990年为基准年，对SF6等后3种气体则以1995年为基准年)。
目前，SF6气体主要应用在高压电力设备中作为绝缘和灭弧介质。《京都议定书》对SF6气体的使用限制已引起我国环保、电力等有关部门的重视，希望广大从事高压开关工作的科技人员能提出具体限制SF6气体排放量和削减量的建议。
3 真空断路器向750 kV超高电压等级发展的途径
大多数电器专家认为，具有单断口分断能力的高压和超高压断路器是性能最佳的断路器。目前，在超高压断路器中，唯有SF6断路器能做到单断口的结构，但由于SF6气体具有严重的温室效应，将被逐步禁用，因此，它最终会退出历史舞台。
当前，世界各国正在向用单断口真空灭弧室串联组成超高电压等级真空断路器的方向迈进。且国际上已有了123、126 kV和145 kV单断口的真空灭弧室。
经分析，选用126 kV单断口真空灭弧室串联组成750 kV的超高压真空断路器已成为可行的发展方向。目前，我国已初步研制成功126 kV单断口真空灭弧室，估计在今年下半年即可投入生产。西安交通大学正在研究设计由6个单断口126 kV真空灭弧室串联组成的750 kV超高压真空断路器，他们为每个126 kV真空灭弧室各装配了一个永磁操动机构以实现6个真空灭弧室的同步操作。这种具有永磁操动机构且选用带智能化光电控制模式电子线路来完成自动遥控功能的超高压真空断路器在国内还是首次尝试，希望它能在我国正在建设的第一条750 kV线路上被有关部门支持选用。
3.1 750 kV超高压真空断路器的设计方案
采用多断口真空灭弧室串联组成的750 kV超高压真空断路器可归纳为瓷柱式和箱式两种结构。我国正在开发中的属于瓷柱式结构，见图4。它每极由6个126 kV真空灭弧室串联组成，每个真空灭弧室之间安装有控制箱，每个真空灭弧室中相应的布置有均压电容器，在控制箱内装有永磁操动机构和电容器等，见图5。6个串联瓷支柱的底部用钢质底座作为整个断路器的支撑。为了使真空断路器可靠地稳定还用了数根绝缘缆线进行拉紧。超高压电源通过A端输入，由B端输出。
图4 瓷柱式750 kV超高压真空断路器布置图
图5 真空灭弧室和控制箱布置示意图
真空断路器的分、合闸操作由真空灭弧室、超行程弹簧组合器和布置在中部的控制箱完成。控制箱由光电、电子控制器等智能化元件组成，当光电、电子控制器接受外来信号后，电容器即向永磁操动机构线圈放电推动拉杆带动超行程弹簧组合器快速运动，使真空灭弧室的动触头闭合或分开以实现真空断路器的分闸或合闸。
3.2 瓷柱式超高压真空断路器的优缺点
瓷柱式的优点是制造成本低，结构简单，容易安装、调试和维修，零部件发生意外损坏时便于更换。缺点是地震时容易损坏，电流互感器、避雷器以及隔离开关等设备需另外购置和另占地安装。
4 超高压真空断路器的智能化
对特殊设计的永磁操动机构进行了仿真虚拟测试，结果表明其力的输出特性和速度特性均适合用于750 kV超高压真空断路器。永磁操动机构的最大行程可达到84 mm，合闸位置的负载吸力大约每极为10 000 N，分闸平均速度可达3.5 m/s。对每个永磁操动机构安装有8个并联电容器，预充电电压为100 V，总电容值为0.8 F。将6个126 kV真空灭弧室组成750 kV超高压真空断路器时可实现对6个真空灭弧室永磁操作机构的同步操作，其动作时间的分散性一般不会超过100 μs，因此,所设计的永磁操动机构能满足750 kV超高压真空断路器。
此外，自动控制和遥控测试装置设有接收光信号及光电波能量的光电自动控制器，它们被设置在控制箱内，用来控制预先充好电的电容器组向永磁操动机构的合闸或分闸线圈放电，达到真空灭弧室触头的闭合或分开。这种自动控制器还可以专用电话线路或无线电话接受信号方式来操作真空断路器。光电自动控制器设置有可靠抗外来干扰的电磁屏蔽设施。
图6为750 kV超高压真空断路器光电控制模式框架结构图(已报专利)。主要由真空灭弧室、超行程弹簧组合器、永磁操动机构、储能电容器、电子光控系统装置、光导纤维电缆和信号接受器组成。750 kV超高压真空断路器每相可以分别进行电流过零前开断操作，估计其短路电流开断能力可提高15%～20%。
1—永磁操动机构；2—储能电容器；3—光导纤维电缆；4—超行程弹簧组合器；
5—电子光控系统装置；6—信号接受器
图6 750 kV真空断路器光电控制模式框架结构图
其操作过程是：当信号接受器接到电站操作信号时(如真空断路器在正常工作时接到故障信号)，通过光导纤维电缆3立刻传递给电子光控系统装置进行识别，并发出指令让储能电容器组向永磁操动机构的线圈放电使其动作，于是串联的6个真空灭弧室同步分闸(或合闸)。
5 总结
采用真空灭弧室串联组成超高压真空断路器是当今的发展趋向，据了解，国外也正在开展采用单断口真空灭弧室串联组成超高压真空断路器的研究工作。希望有关部门能大力支持我国对瓷柱式结构超高压真空断路器的开发。在智能化方面，随着当前电子技术的迅速发展，采用自动化光电控制技术和同步选相合闸的方案是可行的。
6 参考文献
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