真空断路器的现状与发展

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摘要：20世纪70年代初，世界上掀起了中压开关无油化的浪潮，到1977年已确立了中压无油开关的主导地位。文中简单介绍了无油开关两大支柱之一的真空断路器的发展历程以及国内真空断路器的生产现状，提出了目前我国真空断路器行业存在的主要问题，指出了真空断路器的发展方向。
1.国外真空断路器的发展
1.1.国外真空断路器的发展简况
真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。真空断路器由于具有无油、性能优异、电寿命长、少维护等诸多优点，在20世纪末期发展很快。
1895年英国RittenHause首先制造出真空灭弧室模型，进行了开断电弧的研究。以后30多年，英国和美国等国家不断研究真空开关，并取得成果。20世纪60年代真空开关才发展成为实用产品。GE公司在1961年成功研制出第一台商用三相真空断路器，电压15kV，额定电流600A，额定开断电流12kA。
德国和日本虽然起步较晚，但在吸收别国经验的基础上不断研究和创新，因此发展很快。日本于20世纪70年代末开始大力发展真空断路器，在中压领域很快就取代了油断路器，到90年代初，市场占有率就达到80%，并成为世界上真空断路器的生产大国，在21世纪初还成功研制出123kV单断口户外真空断路器。德国西门子公司和ABBCalorEmag公司在世界上已销售真空断路器总计30万台，取得200万运行年经验。
1.2.国外主要公司的发展及水平
a.伊顿电气集团研制真空断路器已有40余年的历史和经验。由于在真空技术、真空工艺、触头材料、真空电弧控制及设计方面有很大发展，目前其12～15kV真空灭弧室的直径已从1967年的180mm减小到50mm。新一代TVAC型抽出式真空断路器的主要特点是：比同类断路器体积小60%，质量小50%；三位抽出式结构（断开、测试、连接），适用于抽屉柜；机构与一次导体之间具有接地金属安全挡板和接地的一次金属安全活门；弹簧压紧式多触指一次隔离触头，镀银的一次静隔离触头；数字式脱扣器单元（微处理器、RMS传感器），无需外部电源、可现场检测等。
b.西门子公司生产真空断路器已有30余年的历史和经验，是世界上较大的真空断路器和真空灭弧室制造公司之一。其生产的3AH系列真空断路器的铜触头材料、纵磁场触头结构、中封式外壳及独特的铜触头材料电弧熔炼技术，使其后来者居上，已占中压开关产量的90%。世界上有30多个国家引进了西门子公司的技术。3AH系列是将3AF和3AG系列的经验与本身的传动技术和制造技术的最新成就融合为一体，主要特点是采用了组合式结构方案及新型免维护电动弹簧储能机构，使其更加小型化和可靠。西门子公司在21世纪初推出的全新NXACT开关组件是具有隔离功能的真空断路器组件，无支柱绝缘子，真空灭弧室和电流端子的机械强度承载器件是用玻璃纤维加强聚脂材料制成的半壳型器件，操作和信息柜按最佳人机控制方式布局，是一种智能型的新一代真空断路器。
c.ABB公司接收的CalorEmag公司专业生产真空断路器，其产品有VBL和VD4型，额定电压12～24kV、额定电流630～3150A，额定开断电流最高达50kA。产品主要特点：结构紧骤，尤其适合安装在抽屉柜上；三相灭弧室均装在环氧树脂绝缘筒内，可防损伤和污染，且缩小了相间距离；配小型弹簧操动机构。新型VMI型真空断路器配免维护的永磁操动机构，零件数量比弹簧操动机构少60%左右。
d.东芝公司1965年就开始生产真空灭弧室，已累计生产了250万只。其真空断路器主要有VG、VK、VA、VL等系列，额定电压7.2～84kV、最高额定开断电流达100kA（13.8kV）。新型的7.2kV、40kA大容量低过电压的VL型真空断路器是世界上首先实现不用过电压抑制装置的低过电压型真空断路器，主要采用了改进的AgWC合金触头材料等有效的技术措施。新开发的24kV超小型VG型真空断路器比原来产品的体积减少了60%，质量减小了38%，采用了真空灭弧室浇注模块和新型的以盘簧为动力源的凸轮驱动方式的弹簧操动机构（合闸直线运动）。
2.国内真空断路器的发展
2.1.国内真空断路器的发展简况
我国在20世纪60年代就开始研究真空灭弧室，70年代初开始生产真空灭弧室和真空断路器。通过引进国外先进技术，经过30年来的努力，我国已进入了真空断路器生产大国的行例，真空灭弧室和真空断路器技术水平日趋成熟，12kV及40.5kV级有逐渐取代SF6断路器的趋势，20世纪初已研制成功单断口126kV户外真空断路器。
2.2.国内真空断路器的生产现状
2.2.1.合资合作情况
引进国外技术生产和合资企业生产的真空断路器较多，包括有ABB公司的VD4系列，西门子公司的3AF、3AG、3AH3、3AH5系列，东芝公司的VK系列，Alstom公司的HVX型，以及引进比利时EIB公司、荷兰HOIEC公司的产品等。世界上生产真空断路器的大公司差不多在中国都有合资或合作企业。
2.2.2.国产真空断路器稳步发展
在消化、吸收国外先进技术的基础上，国内主要生产真空断路器的厂家也很快发展出一批性能先进，适合我国国情，适应我国工艺条件的新一代真空断路器：西安高压电器研究所与其他单位联合研制的ZN28-12系列，额定电流1250～4000A，额定开断电流20～63kA；西安高压电器研究所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96-12系列固封极柱式真空断路器，配模块化弹簧操动机构，其技术参数与制造水平已处于国际同类产品的先进行列，是我国12kV级新一代真空断路器的代表；天水长城开关厂的ZN90-40.5型、福州天宇电器股份有限公司的ZN91-40.5型都是近年来推出的技术先进、全组装式的户内小型化产品。
近年来户外真空断路器也得到可喜的发展，除ZW6-12、ZW7-12、ZW8-12等型外，新产品不断推出，如中国电力科学研究院高压开关所研制的ZW32-12型、ZW□-40.5型，北京北开电气股份有限公司研制的单断口ZW35-72.5型、ZW36-126型（采用日本明电舍公司的真空灭弧室，连续开断40kA短路电流20次不检修，机械寿命10000次，已处于国际同类产品的先进水平）。
3.我国真空断路器行业存在的主要问题
a.生产厂家多，集中程度差，规模效益差。国内生产真空断路器的有几百家企业。2003年统计，生产量最大的年产量8000多台，最少的只有几十台，年产量2000台以上的仅3家企业。而国外经验是年产量2000台以下的企业经济效益会比较差。
b.产品重复引进和开发的多，型号多，精品少，仅12kV户内真空断路器国内的型号已近100个，很多型号大同小异，真正能与国外名牌产品媲美的精品较少。所以，用户还是比较青睐国外名牌产品。
c.产品质量与国外产品比较有一定的差距，主要表现在真空灭弧室的质量、真空断路器的机械稳定性和机械寿命及外观等方面。
d.竞争激烈带来的问题。国外产品大量进入国内市场，国内生产厂家又多，为了在市场获得“一杯羹”，一些厂家采取低价销售政策，导致使用性能不良的配件，严重影响了产品质量。
4.真空断路器的发展方向
a.开发低过电压产品。真空断路器最大的缺点是开断小电流时容易发生截流而产生过电压。过去抑制过电压普遍采用的方法是加装过电压吸收装置（如RC回路、ZnO避雷器），使真空断路器复杂化且增加了成本和事故隐患。电压越高抑制过电压越难。由于40.5kV真空断路器过电压造成的绝缘事故频繁，上海供电局曾经在20世纪90年代中期发文，要求在35kV系统中限制使用真空断路器，改用SF6断路器。近年来日本在采用低过电压触头材料解决真空断路器过电压的技术方面走在前列：富士公司开发了CuCr添加高蒸汽材料，三菱公司开发了CuCrBiα多元触头材料，东芝公司开发了新型AgWC触头材料。实践证明采用低过电压触头材料来抑制过电压的方法是十分有效的，可以使过电压降低到1/10，满足使用需要。我国应加速低过电压触头材料的研制。
b.向大容量、小型化、高可靠性、免维护和智能化迈进。国外近年来在真空断路器大容量、小型化、高可靠性、免维护和智能化方面发展很快，新产品频出，所以能占领中国不少市场。我国应加快这些方面的研制，才能与国外产品并驾齐驱，保住自己的市场。
c.真空断路器属环保型产品，应尽快向高电压等级发展。