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摘要：当前，真空技术与SF6技术是中压开关设备领域的主流技术，经过多年的发展和应用，这两种技术已经十分成熟。文章就这两种技术进行了分析，并对二者的性能进行了比较。
关键词：中压开关；真空技术；SF6技术
经过漫长的发展历程，中压开关设备开断技术经历了多次的更新换代，逐步形成了以真空技术和SF6技术为主的开断技术。而目前，在中压领域，真空技术基本上取代了SF6技术，而在高压和超高压领域，SF6技术仍然占据主导地位。
1.真空开断技术与SF6开断技术发展概述
在1kV及以上的额定电压开断回路的高压开关设备中，其发展历程先是多油，再是少油，然后是压缩空气，直到现在的SF6技术和真空开断技术[1]。在漫长的发展历程中，多油、少油、压缩空气等三种技术到目前已经基本上被淘汰，当前开关设备的主流技术就是SF6开断技术和真空开断技术。其中SF6技术的源头最早可以追溯到两位法国科学家在试验室制作的六氟化硫，也就是SF6气体，这两名化学家分别是李博便和摩森。到了二十世纪四十年代，许多欧美国家开始将SF6用于工业制造和电力设备制造上。而我国在2000年以前，基本上都是使用SF6开关设备。但是电压在35kV及以下的中低压开关设备中，SF6开关已经大面积的被真空开关取代。在1893年，第一只真空灭弧室被设计出来，设计者是美国人里顿豪斯，由此开启了真空技术的发展源头。在二十世纪五六十年代，各种规格的真空断路器在美国生产上市。到了2009年，我国中压断路器中，真空断路器占到了99%以上，并有100多家生产企业[2]。在其他国家，真空断路器也成为了中压设备开关的主流。
2.真空开断技术与SF6开断技术的绝缘原理
在常温常压压下，SF6是一种无色、无毒、没有臭味、没有腐蚀性且不能燃烧的气体，其具有比较稳定的化学性质，既不会和酸、碱、盐发生反应，也不会和水、氨等发生反应，通过电弧的作用，SF6会发生分解现象，且分解为S和F的原子气，如果一旦电弧解除，其会迅速复合成SF6，复合时间以微秒计。在压力相同的情况下，与氮气或空气相比，SF6无论是在耐电强度、击穿电压能力方面，还是灭弧能力上都更加优越，起码优于一百倍以上，如果是在2×105Pa的环境下，其与变压器油有着相近的介电强度，因此，SF6的绝缘性能非常优越，是一种十分良好的超高压绝缘介质材料。我们从帕森定理可以看出，气体压力不同，其间隙电压耐受强度也会发生变化，我们可用“V”字形的曲线表示二者之间的关系，也就是说，不管是增加充气压力还是降低充气压力，极间间隙的绝缘强度都会获得提高。而且，如果降到133.32×104Pa以下的绝对压力时，绝缘击穿电压基本上不会发生变化，有一定的较高值。采用真空开断技术的真空断路器所获得的高绝缘强度就是利用这个范围。
3.真空开断技术与SF6开断技术中的灭弧技术
在电弧作用下，SF6气体会形成等离子体，其中等离子体的构成中包括正负离子、原子以及电子。对于电弧中的电压以及弧隙之中的热量，等离子体能够进行吸收和分解[3]。而与此同时，在温度处于一个定值时，SF6气体的导热系数会获得增大，从而使冷却效果更加强化。此外，SF6分子具有良好的稳定性和强烈的电负性，能够使自由电子更加容易被俘获，使弱电的发展得以削弱，而且在电弧的作用下被分解后也能够十分快速的进行合成，又复合成SF6分子，由此导致SF6的灭弧过程十分简单。而对于真空断路器来说，其在灭弧过程中相对来说比较复杂。在分断的那一刹那，两触头之间的绝缘被击穿，由此形成真空电弧，以触头结构为依据，此时电弧柱会在真空区域进行快速的扩散。如果之前被分断的电流逐渐趋于零时，此时会造成触头间电弧的压力与温度迅速降低，最终电弧难以获得持续直至熄灭。就在几微秒的时间之内，触头间的耐压水平能够十分快速的得到复原。而与此同时，触头已经断开且有一定的距离，不可能有电弧产生。真空灭弧的整个过程就是这样。
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4.真空开关和SF6开关的性能比较
真空开断技术与SF6开断技术在实际应用中，其性能各有优劣。对于灭弧单元内部的压力，真空开关并不需要进行检测或监视，因为其发生泄露的可能性非常低。而SF6开断技术就需要安装压力开关和继电器进行监视，因为其存在较高的泄露可能性，年平均泄露率达到1%。在灭弧单元电气的使用寿命方面，真空开断技术在额定电流下可进行30000次的操作，并且具有高达50次的短路电流开断能力。而SF6开断技术在额定电流下操作次数可达10000次，并且具有30次的短路电流开断能力。在灭弧单元的可靠性方面，真空开关极柱零部件总个数自由10个，相对较少的零部件个性使得制造和装配的质量风险大大降低，因此具有较高的可靠性。而SF6开关极柱装配的零部件个数达到了近50个，零部件数量较多，增加了制造和装配的质量风险，其可靠性相对真空开关较低。真空开关的极柱不需要维护，因此不会产生维修费用，但发生故障更换成本较高。SF6开关极柱需要维护，整机进口产品成本较高，并且维修起来也不方便。在运行过程中，SF6如果泄漏，或者无法对短路电流进行开断时，此时SF6极柱压力得不到释放，会突然发生骤变，导致爆炸事故，并会产生毒性气体及化合物。真空开关在运行中则不会发生爆炸。对于废弃的真空开关，其可进行回收，而不需要经过特殊处理，而SF6气体不可进行回收，其需要经过专业的特殊处理。
5.注意事项
真空开断技术与SF6开断技术在中压开关设备中能够进行相互替代，但是在实际应用的过程中，这两种技术又都存在一些自身的问题，需要引起注意。
5.1关于真空开关的截流过电压问题
小电感电流在被真空开关开断时，因为真空开关的分断能力比较强大，会造成电流还没达到自然零点时就已经被强行开断，这种情况我们称之为截流。如果发生截流现象，因为回路中的电流具有很大的变化率，容易造成电感上存在巨大的压降，也就是过电压。对于回路中的设备而言，截流过电压的产生会对其造成十分巨大的损害。在二十世纪六十年代以前，截流过电压问题是阻碍真空开断技术发展的重要原因。这也是造成二十世纪末SF6开断技术的应用一直领先真空开断技术的主要原因。一直到后来，多元合金的使用，以及使用低熔点合金浸渍到多孔高熔点金属触头上这一工艺的不断完善，使得弧柱扩散的速度得以有效的减缓，金属质点得以持续蒸发直到电流到达零点，最终使得截流过电压得以有效抑制，从而真空开断技术得以快速的发展。
5.2 SF6气体的环保问题
1997年发布的《联合国气候变化框架公约京都议定书》中，SF6气体被列为了受限制的温室效应气体，以及相关的产业和部门也被列出，从总量上来说，SF6气体对温室效应造成的影响较小，但是作为被限制的气体，会使得人们少用或者不用SF6气体。京都议定书的发布，使得SF6开断技术的应用和发展在很大程度上受到了影响，并且其造成的影响还将继续。
6.结语
综上所述，SF6气体的绝缘灭弧性能十分优越，当前还没有发现相关材料能够代替其作为绝缘灭弧介质的地位。而真空灭弧技术在中压开关设备领域能够完全取代SF6开断技术，SF6开断技术在中压领域也在逐渐淡出，大量的厂家已经陆续停产，其设备的后期维护成本将逐渐提高，而随着规模化的发展，中压真空技术的成本也将逐渐降低，在高压和超高压领域真空技术难以取代SF6技术，但可将真空技术作为中压开关设备的首选。
参考文献：
[1] 段肖力，修士新，吴水锋，冯顶瑜，叶会生，李泉.真空开关横磁触头磁场仿真与电弧特性研究[J].高压电器.2017（03）
[2] 华玉林.过电压保护器在限制真空断路器操作过电压中的应用[J].石油技师.2015（00）
[3] 赵江涛，李建基.中压真空断路器的演变和最新发展[J].电工电气.2013（05）
论文作者:习登攀
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
标签：技术论文; 过电压论文; 真空论文; 电弧论文; 气体论文; 中压论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第25期论文;