西安交通大学王建华研究团队：未来电力系统真空开关技术丨Engineering

为构建生态文明社会，实现经济社会的可持续发展，过去的30年内我国在经济发展与空气污染相“脱钩”方面做出了巨大努力。我国在2015年第21届联合国气候变化大会（COP21）承诺，于2030年之前将二氧化碳的排放量在2005年基础上降低60%~65%并实现“碳达峰”，于2060年实现“碳中和”目标。提高清洁能源和低碳能源的应用占比，对我国实现相对碳经济“脱钩”和绝对碳经济“脱钩”经济增长模式的转变，以及“双碳”目标的实现具有重大意义。因此，降低温室效应气体用量，尤其是电力工业中SF₆气体的使用，与上述目标的实现紧密相关。虽然SF₆气体被认为是最强温室效应气体（其全球暖化潜势是CO₂的22 200~23 900倍），但因其具备较高的绝缘和熄弧能力，而被广泛应用于输配电设备。迄今为止，除真空介质外尚无可供商业化广泛应用的SF₆替代品。真空环境在稳态绝缘和瞬态开断过程中，不提供可供通流的其他任何介质。真空间隙的击穿与否与其自身固有绝缘特性紧密相关，而触头结构、触头材料、触头开距以及微观和宏观微粒的输运特性对真空的固有绝缘特性具有显著影响。真空开关具备结构设计紧凑、短间隙绝缘强度高、在使用过程中无需维护等特点。表1所示为真空电力开关设备和SF₆气体开关设备特性对比。

表1 真空电力开关设备和SF₆气体开关设备特性对比。

尽管真空开关具备上述显著优势，但其在电力开关设备技术领域中取代油、空气和SF₆开关的应用，并在配网中占据主导地位仍用了近百年时间。真空开关的发明最早可以追溯到19世纪90年代，Enholm发明了第一个真空开关“转换和控制电流的设备”并为其申请了发明专利。

在20世纪20年代之前，真空开关技术仅应用于低压小电流高频开断；直到20世纪50年代该技术才开始应用于中电压等级（最高52 kV）设备。1926年真空管在实验室内成功开断40 kV/900 A电流，这极大激发了人们对真空开关研究的兴趣。许多研究人员从真空电弧物理机理角度出发，对真空开关中的电流开断过程进行了研究，人们才开始对真空中的电流开断现象有了初步的了解。然而，受限于无气体电极的冶炼技术以及真空密封技术的发展水平，真空开关技术的发展始终停滞不前。在解决上述问题后，Jennings公司在1950年间研制出了第一代商用真空灭弧室。这一成就使真空开关技术再次成为了研究热点，同时使得真空开关得到了广泛认可。20世纪60年代中期，美国通用电气公司开发出15 kV/1.2~12 kA世界首台真正意义上的真空断路器产品。同时期，西安交通大学于1965年开发出首台10 kV、1500 A的三相真空开关。随后，英国AEI公司开发出额定电压132 kV、短路开断15.3 kA的真空断路器，同时其他诸如Schwager、Pearson等公司也开始进行真空开关技术的自主研发。

虽然在20世纪60年代后期，美国、欧洲和日本已经研发并应用了各类型真空开关，但是这些真空开关因制造工艺复杂、市场化应用成本居高不下等原因，其推广与应用远远达不到预期，因此高压开关设备仍以少油断路器为主。直到20世纪70年代，真空开关技术才开始在配电系统中得到了大规模应用，并开始逐渐应用于输电系统。日本东芝公司于1975年开发出84 kV/2000 A-2~20 kA真空断路器，随后发展了145 kV/2000 A-2~25 kA、154 kV/600 A-0.6~20 kA、168 kV/2000 A-2~31.5 kA等系列真空断路器产品，并在日本获得应用。20世纪80年代后期，尤其是2000年以后，输电等级真空断路器开始在中国获得快速发展，国内研究机构和开关制造企业相继开发出额定电压72.5~126 kV的单断口真空断路器，以及72.5~363 kV的多断口真空断路器产品，其额定电流相继由630 A提升至5000 A，额定短路开断电流也由最初的25 kA提升至63 kA。现阶段，真空开关技术已涵盖从接触器到隔离开关、从重合器再到断路器等所有类型的电力开关设备，并在交流配电系统中成功占据高压开关市场的极大份额。

近年来，我国电力系统的规模不断扩大，负荷侧对电能质量的要求也在不断提升，这对断路器提出了更高开断能力、更短开断时间的要求。真空断路器开断能力的提升有赖于真空电弧的控制技术，如横向/径向磁场（TMF/RMF）、轴向磁场（AMF）及其技术组合。应用上述电弧控制技术，目前开发的真空断路器，其额定短路开断电流最高可达到100 kA，额定电压最高可达到242 kV。随着操动机构技术的发展，真空断路器的开断时间缩短。操动机构是断路器中依据外部指令驱动触头分合，进而控制电路通断的部分，包括气动式、弹簧式、永磁式、数控电机式和电磁斥力式等多种操动机构。其中，采用电磁斥力机构的真空断路器，可以将短路故障电流的开断时间缩短至其半个周波内，对应开断技术因此又被称为快速真空开断技术。

快速真空开断技术的应用有助于电力系统的安全稳定运行。一方面，快速真空断路器的分闸时间短、故障切除速度块，可以降低电网对电力设备峰值和短时电流耐受特性的要求，进而提升现有电网，特别是超高压和特高压电网的输送能力；这还意味着新规划电网可以使用额定值较低的设备来大幅降低成本。快速真空开关技术在超高压或特高压电网中的应用需要采用多断口串联技术，目前电网中已安装使用的500 kV以上直流断路器和252 kV交流母联快速真空断路器，以及363 kV快速真空断路器证明了快速真空开关技术具有极高的可行性与优越性。此外，中国已经开始研发550 kV快速真空断路器。另一方面，快速真空断路器因具备(1.0 ± 0.05) ms的分闸时间和(10 ± 0.1) ms的合闸时间及其分散性，有望实现容性、感性负载的精确相控投切，进而实现电能传输与控制的平滑过渡。现阶段，快速真空开断技术已在直流断路器、故障电流限制、电能质量改善等技术领域获得应用。因此，快速真空投切技术正在改变电力系统的未来。在本研究中，西安交通大学王建华研究团队对真空开断技术的发展历史与研究现状进行了总结与概述。

我国承诺降低二氧化碳排放量，并于2030年之前实现碳达峰，2060年之前实现碳中和，电力工业中SF₆气体的应用也将因此而受到严格限制。由于真空在稳态绝缘和瞬态开断过程中不提供任何通流介质，真空开关将成为替代SF₆开关在输电等级应用的优选方案。本研究回顾了真空开关技术的发展史，并详细介绍了快速真空开关技术的研究现状，其主要结论如下：

（1）我国在输电等级真空断路器的研发方面已处国际领先地位，目前已研发出126 kV环境友好型柱式断路器（图1）、真空式GIS等系列产品，现阶段正在研发基于快速真空开关的550 kV、5000 A、80 kA超高压快速真空断路器。快速真空断路器的应用将进一步提高电网的暂态稳定性和输电能力。

（2）快速真空开关触头间隙小、分合闸时间短，应用在直流断路器、电网故障限流器、电能质量改善装置、发电机断路器等电力系统设备中将进一步提高电力系统的运行可靠性，降低系统损耗和运行成本，改善电能质量。

（3）快速真空开关分合闸时间分散性小，便于精准相控投切技术的实现。在电力系统中，快速真空开关精准相控投切技术的应用，将有效抑制系统因开关操作而产生的暂态电磁冲击。真空开关技术正在改变电力系统的未来。

图1. 环境友好型126 kV真空断路器。（a）宝胜集团126 kV、3150 A、40 kA柱式真空断路器生产线，产品灭弧室采用0.2 MPa N₂作为外绝缘介质；（b）平高集团126 kV、2500 A、40 kA真空型GIS，产品灭弧室采用0.8 MPa CO₂作为外绝缘介质。

关键词：相控开断；电磁斥力机构；快速真空断路器；快速真空开关技术；真空灭弧室

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.11.020

以上内容来自：Xiaofei Yao, Jianhua Wang, Shaogui Ai, Zhiyuan Liu, Yingsan Geng, Zhiguo Hao. Vacuum Switching Technology for Future of Power Systems [J]. Engineering, 2022, 13(6): 164-177.