一、國外真空開關的發(fā)展概況

    人類從事將真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)的應用研究，到現(xiàn)在已有一百多年的歷史。早在1893 年，美國人里頓豪斯(Rittenhause)就設計出世界上第1 只真空滅弧室并以的形式發(fā)表；1920年，瑞典佛加（Birka）公司研制出世界上臺真空開關；1926年，加里福尼亞工學院的索倫森(Sornsen)教授發(fā)表了真空開關的試驗結果，并預言應用真空開關的時代不久就會到來。由于當時的真空技術還很落后，使得真空開關在工業(yè)上的實際應用被大大推遲了。

    到1950年前后，隨著真空技術以及相關技術如冶金技術等的發(fā)展，真空滅弧室的制造技術得到了提高，又重新開始了真空開關在工業(yè)上應用的研究。1956年，羅斯(H．Cross)對杰寧無線電制造公司(Jenning)生產(chǎn)的用于高頻回路的真空開關進行了改造，試制出了15kV、200A的真空開關。

    1961年美國通用電氣公司在總結前人經(jīng)驗的基礎上首先研制成功額定電壓15kV、12.5kA的真空斷路器，1966年相繼研制成功額定電壓為15kV、開斷電流為25kA和31.5kA的真空斷路器，從此真空開關正式進入電力開關的行列，美國也因此成為世界上早批量生產(chǎn)和使用真空開關的國家，在其影響和推動下，歐洲和亞洲的部分國家也相繼開始了研制工作，真空開關從此在全球范圍內(nèi)得到認同和發(fā)展。

    二十世紀70年代初，全球范圍掀起的中壓開關無油化浪潮給真空開關帶來了前所未有的發(fā)展機遇。憑借自身巨大的技術優(yōu)勢，真空開關僅用了不到20年的時間就取代少油開關而成為中壓領域的主導產(chǎn)品。目前單斷口真空斷路器已達到145kV 電壓等級，短路開斷電流已達到200kA 。

二、我國真空開關的發(fā)展概況

    我國真空開關的研制工作始于二十世紀50年代末，基本與美國同步，略早于日本。

    1958 年，由西安交通大學電器教研室和當時的西安高壓開關整流器廠合作成立了一個廠校聯(lián)合研制小組，由王季梅副教授和童永潮總工程師負責，正式開展真空開關的研制工作。小組成立后不到半年就成功研制出我國只真空滅弧室，并在西安交通大學電器實驗室的合成回路上通過了50Hz、4kV、5kA的電流開斷試驗。

    此后，西安高壓電器研究所于1960 年研制成功了電壓為6.7kV、500A 的單相真空開關，西安交通大學于1964年開發(fā)成功10kV，1500A 的三相真空開關，當同年這臺三相真空開關在北京全國高教展覽會上展出時，受到來自全國各地專家的好評，并引起全國各省市開關制造廠的興趣，是為推動我國真空開關生產(chǎn)和發(fā)展的起始點。

    1968年9月5日，國家重點國防工程(6895工程)在華光電子管廠實施，同年誕生了我國只商用真空滅弧室，從此華光電子管廠成為國內(nèi)首家生產(chǎn)真空滅弧室的企業(yè)。

    此后由于受到“文革”的影響，我國在真空電弧理論研究和真空開關開發(fā)方面的工作暫時停頓，一直到1976年才開始恢復。當時國內(nèi)從事真空電弧理論研究的主要單位有西安交通大學、西安高壓電器研究所和上海電器科學研究所三家。1978年以后，國內(nèi)有10多家工廠正式投入真空開關的生產(chǎn)，所需的真空滅弧室主要由寶光電工總廠和華光電子管廠生產(chǎn)。

    1984年，西安高壓電器研究所、桂林電器科學研究所、寶光電工總廠和北京開關廠等四家聯(lián)合引進了德國西門子公司3AF系列真空斷路器的全套制造技術（含CuCr觸頭材料、真空滅弧室和真空斷路器三大部分）。1986年，華光電子管廠引進了美國西屋公司全套真空滅弧室的制造技術（含CuCr觸頭材料）。這兩次引進使我國真空開關行業(yè)的制造和設計水平均得到了的提高，為此后我國真空開關行業(yè)的發(fā)展和繁榮奠定了技術基礎。

    1992年，兩部（即當時機械電子工業(yè)部與能源部）召開了關于在電力系統(tǒng)廣泛推廣應用真空開關的“天津會議”，從此我國真空開關進入快速發(fā)展期，市場上先后出現(xiàn)了多種由我國開發(fā)、技術指標達到當時國外水平的真空斷路器，其代表產(chǎn)品有ZN23、ZN28和ZN63A等。在此階段，我國己能生產(chǎn)額定電壓為35kV，開斷能力為31.5kA 及10kV，50kA、63kA 的真空斷路器。到2003年，我國已研制出72.5kV、110kV/31.5kA和18 kV/80kA的單斷口真空斷路器，全行業(yè)年產(chǎn)各類真空開關20萬余臺，在世界上真空開關從業(yè)廠家、產(chǎn)銷量和品種系列，成為名符其實的“真空開關王國”。

三、國內(nèi)外真空滅弧室產(chǎn)業(yè)狀況

    1、 美國

    美國是世界上早開始生產(chǎn)和使用真空開關的國家，目前生產(chǎn)真空滅弧室的廠家主要有通用電氣(GE)、西屋(WH)、庫柏（Cooper）和杰寧(Jenning)公司，其中GE是全球早開始系統(tǒng)研究真空開關和真空電弧理論的公司。

    二十世紀60年代初，GE公司的李天河等人提出橫向磁場熄弧原理，并據(jù)此研制出基于螺旋槽橫磁觸頭結構和CuBi觸頭材料的真空滅弧室，將真空開關的短路開斷能力提高到了15kV、12.5kA，從而使真空開關真正具有了商業(yè)實用意義，李天河因此被稱為“真空開關之父”。在此后的二十余年里，GE公司在滅弧機理、觸頭材料、試驗方法和試驗設備方面都做了大量的工作，其技術在二十世紀80年代中期及以前一直在全球處于地位，并曾出口到德國、日本等國的公司。

    目前該公司主要生產(chǎn)額定電壓4.16kV～45kV，額定電流630A～3000A，額定短路開斷電流18kA～60kA的真空滅弧室，仍然以螺旋槽橫磁觸頭結構為主。

    值得一提的是，該公司將14個真空滅弧室串聯(lián)，研制出了額定電壓高達765kV、短路開斷能力40kA的真空斷路器。

    WH公司從1960年開始研制真空滅弧室，是美國另一主要的真空滅弧室和真空開關制造商，目前該公司無論是技術水平、制造工藝，還是產(chǎn)量均已超過GE公司，是目前全球的真空滅弧室制造商之一。該公司的24kV及以下產(chǎn)品普遍采用螺旋槽橫磁觸頭結構，36kV及以上產(chǎn)品采用線圈式縱磁結構，年生產(chǎn)能力超過25萬只，其產(chǎn)品除部分自配套使用以外，還大量出口到亞洲和歐洲。

    目前該公司主要產(chǎn)品為額定電壓0.4kV～38kV，額定電流200A～3150A，額定短路開斷電流12.5kA～63kA的真空滅弧室，除部分自配套使用以外，還大量出口到亞洲和歐洲。

    1994年，WH公司的控配電分部并入伊頓（Eaton）公司，后者于2000年在我國蘇州成立伊頓電氣（蘇州）有限公司，主要生產(chǎn)真空開關和真空滅弧室。

    2、英國

    英國在真空開關方面的研制工作幾乎與美國同步，其主要生產(chǎn)廠家是GEC公司（后并入法國Alsthom公司、AREVA公司），該公司于1965年制成世界上臺實用性真空接觸器，1969年制成25kV單相電氣化鐵路用真空斷路器。GEC公司于在二十世紀60年代在螺旋槽橫磁觸頭結構的基礎上研制出杯狀橫磁觸頭，并早開始在真空滅弧室上使用CuCr觸頭材料。目前該公司主要生產(chǎn)12kV～38kV，額定電流1250A～2000A，額定短路開斷電流13.1kA～40kA的產(chǎn)品，觸頭結構以杯狀橫磁觸頭為主。

    3、德國

    德國的主要生產(chǎn)廠家有Seimens、AEG（后并入法國Alsthom公司、AREVA公司）和Calor—Emag公司（后并入ABB公司），其技術來源為美國和英國。

    Seimens公司于二十世紀70年代從英國VIL公司（隸屬于GEC公司）引進技術，二十世紀80年代對該公司的觸頭結構CuCr觸頭材料的制造工藝進行了改進，發(fā)明了杯狀縱磁場觸頭結構和熔滲法（生產(chǎn)CuCr觸頭材料）。經(jīng)過30余年的發(fā)展，Seimens公司現(xiàn)已成為全球的真空開關制造商之一。Seimens公司目前主要生產(chǎn)1kV～38kV，額定電流400A～4000A，額定短路開斷電流12.5kA～63kA的真空滅弧室，年產(chǎn)量約18萬只，除部分自配套使用以外，還大量出口到亞洲和歐洲。

    Seimens公司的真空滅弧室以杯狀橫磁觸頭結構為主，但在12KV、24kV/31.5kA以上和36kV的真空滅弧室采用杯狀縱磁場觸頭結構。

    AEG公司從1979年開始系列化生產(chǎn)真空滅弧室，其技術源制自英國GEC公司。該公司目前主要生產(chǎn)額定電壓為12kV～36kV，額定短路開斷電流8kA～50kA的產(chǎn)品，以杯狀橫磁觸頭為主，但12KV/63kA、24kV，36kV/40kA的產(chǎn)品采用縱磁觸頭結構。

    Calor—Emag公司從二十世紀80年代從美國WH公司引進技術，其真空滅弧室產(chǎn)品一般采用螺旋槽橫磁觸頭結構(和WH公司有一定區(qū)別)，主要生產(chǎn)7.2kV～40.5kV，額定電流400A～4000A，額定短路開斷電流12.5kA～63kA的產(chǎn)品，年產(chǎn)量約20萬只，以自配套使用為主。

    Calor—Emag公司并入ABB公司后，在真空滅弧室電結構和外絕緣方面進行了大量的研究工作，于1997年在全球率先推出固封式真空滅弧室（固封柱），大大改善了真空斷路器的絕緣特性并簡化了裝配，目前已達到10萬只左右的產(chǎn)量。

    4、日本

    日本從二十世紀60年代初開始研制真空開關，其生產(chǎn)廠家有東芝、明電舍、富士、日立和三菱等公司，產(chǎn)品均以縱磁場結構為主，但又各有特點，其中東芝公司具有代表性。

    東芝公司是日本早開始研制的真空開關的廠家，該公司于1965年研制出日本只商用真空滅弧室，1968年引進美國GE公司的技術后，發(fā)展迅速，到目前為止已累計生產(chǎn)了250多萬只真空滅弧室，是日本生產(chǎn)規(guī)模的廠家，其產(chǎn)品除自配套使用以外，還大量出口到亞洲和歐洲的國家。

    東芝公司于1976年率先在世界上開始使用縱磁場觸頭（線圈式結構），并將原來采用的CuBi觸頭材料改為CuCr觸頭材料，從而使真空開關的開斷能力大幅度提高，在12kV下達到了200kA（試驗室水平）。此外，東芝公司還在高電壓和低電涌方面開展了大量的工作。

    東芝公司主要生產(chǎn)7.2kV～84kV，額定電流400A～4000A，額定短路開斷電流12.5kA～100kA的產(chǎn)品，年產(chǎn)量約5~10萬只。

    近年來，由于日本國內(nèi)電力投資的減少而導致輸配電產(chǎn)品市場萎縮，為提高市場競爭能力，各大公司之間開始了戰(zhàn)略重組。2001年7月，明電舍、富士和日立公司在各自原有輸配電產(chǎn)業(yè)的基礎上聯(lián)合組建了AE帕瓦株式會社，新公司將逐漸取代原來三家企業(yè)的輸配電業(yè)務。2002年3月，東芝和三菱公司又宣布聯(lián)合成立輸變電合資公司（TMT&D)，并由新公司取代原來兩家企業(yè)在輸變電銷售、設計、開發(fā)和制造方面的功能，成為日本的輸變電公司。

    5、中國

    我國從1968年開始真空滅弧室的實用化研制，只商用真空滅弧室于同年誕生在國營華光電子管廠(777)。1975年，由原國營寶光電工廠(4401)研制的ZKBD-1000／10-20型真空滅弧室在蘇州通過了原機械工業(yè)部（國家機械工業(yè)部）、原第四機械工業(yè)部（電子工業(yè)部）組織的兩部鑒定，標志著我國的真空滅弧室已經(jīng)進入到實用化階段。

    二十世紀80年代中期，原國營寶光電工廠和華光電子管廠分別從德國和美國引進了真空滅弧室和觸頭材料的制造技術，大大縮短了我國真空滅弧室產(chǎn)業(yè)和國外企業(yè)的差距，為此后我國真空滅弧室和真空開關行業(yè)的騰飛奠定了堅實的基礎。目前，我國已形成了以原國有軍工企業(yè)4401、779、771和777廠為龍頭的真空滅弧室產(chǎn)業(yè)體系，2004年全行業(yè)共生產(chǎn)80余萬只（未統(tǒng)計低壓），成為全球的真空滅弧室生產(chǎn)基地。

    目前我國已能生產(chǎn)額定電壓0.38kV～40.5kV ，額定短路開斷電流12.5kA～80kA 的各種真空滅弧室，其中斷路器用真空滅弧室除了在40.5kV部分采用線圈式觸頭結構以外，均采用杯狀縱磁場觸頭結構。

    30余年來，我國真空滅弧室的設計理論、制造工藝、質(zhì)量水平都有了質(zhì)的飛躍。粗略的劃分，可以認為國內(nèi)滅弧室的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了五代。國產(chǎn)的代真空滅弧室，以額定電壓12kV由φ145mm玻璃絕緣外殼，電結構為阿基米德螺旋槽橫磁、使用CuBi系合金觸頭，開斷能力達到20kA，額定電流1250A的ZKBDl250／10-20型真空滅弧室為代表；第二代真空滅弧室就是引進西門子的3AF系列真空滅弧室，其特點是屏蔽筒外露、陶瓷絕緣外殼、電結構為杯狀橫磁、使用CuCr50合金環(huán)狀觸頭，開斷能力達到31.5kA，額定電流達 2500A，后經(jīng)開發(fā)額定電流可達3150A、開斷能力可達到40kA；在消化吸收引進技術的基礎上開發(fā)了第三代真空滅弧室，其特點是屏蔽筒內(nèi)置、φ88～125mm陶瓷絕緣外殼、電結構為杯狀縱磁、CuCr50觸頭材料，開斷能力達到40kA，額定電流可達3150A，這期間也研制了一些線圈式縱磁場電的滅弧室，主要提高了開斷能力，但仍以杯狀縱磁為主；以一次封排技術為代表的第四代真空滅弧室的整體質(zhì)量有了很大的提高，此時各種成熟技術的綜合應用開發(fā)出大量的12kV、 24kV、40.5kV，低壓0.38kV～1.14kV各種參數(shù)的真空滅弧室批量供應市場，產(chǎn)品覆蓋了整個中壓領域。小型化、有外絕緣保護的真空滅弧室可稱為第五代產(chǎn)品，目前已開始批量供應市場。

四、真空滅弧室的發(fā)展趨勢

    真空滅弧室自從問世以來，一直在不斷的向小型化、高可靠性、低成本方面發(fā)展，隨著真空開關應用范圍的擴大，真空滅弧室也有了新的發(fā)展方向。

1、小型化

    真空電弧理論的發(fā)展和內(nèi)部電場優(yōu)化使真空滅弧室體積更??；

    復合絕緣技術的應用使真空滅弧室結構尺寸大大減小；

    真空斷路器機械特性的改進、同步開斷技術和高性能觸頭材料的應用使真空滅弧室“升級”，使用成為可能。

    真空滅弧室的小型化工作不論在國內(nèi)還是在國外已經(jīng)進行了很多年，并已取得了一定的成效。德國Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空斷路器，其12kV、20kA的真空滅弧室的觸頭直徑僅為40mm，12kV、50kA真空滅弧室的觸頭直徑為80mm。

    德國AEG公司推出的第三代真空滅弧室，其體積比縮小到原來產(chǎn)品的1／3。

    日本東芝公司研制成功SADE技術，使用該技術的真空滅弧室體積只有采用線圈式觸頭結構的產(chǎn)品的一半。

2、低成本

    真空滅弧室的小型化保證了低成本實現(xiàn)的可能。在近20年的時間里，國產(chǎn)真空滅弧室的體積減小了50%，價格降低了70%左右，其中有生產(chǎn)廠家提高工藝水平（如一次封排工藝的普遍采用），提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的努力，也與觸頭、波紋管、陶瓷殼等零件成本的降低密切相關。

3、高電壓

    隨著真空開關制造技術和理論研究水平的不斷提高，真空開關的發(fā)展已在嘗試著向高電壓大容量方向發(fā)展。美國通用電氣公司1980年后生產(chǎn)出了168kV/40kA的雙斷口真空斷路器，日本明電舍公司1980年開始生產(chǎn)145kV/31.5kA單斷口真空斷路器，日本東芝公司1987年研制成功了145kV/31.5kA單斷口真空滅弧室及168kV雙斷口真空斷路器。此外，日本三菱公司已研制成功270kV單斷口真空滅弧室，并且準備發(fā)展500kV雙斷口真空斷路器，一旦研制成功，估計其造價比同電壓等級的六氟化硫斷路器低。國內(nèi)目前已有北京開關廠和西安高壓開關廠研制的126kV真空斷路器(均采用日本明電舍真空滅弧室)一次通過了全部型式試驗并完成鑒定。

4、大電流

    發(fā)電機保護用斷路器由于額定工作電流較大，對真空斷路器來說溫升要求較難達到，同時，由于其短路電流開斷后瞬態(tài)恢復電壓上升速率高，要求有更高的介質(zhì)恢復速度，因此，這方面的使用一直受到限制。但近幾年在發(fā)電機保護用的真空斷路器、真空滅弧室方面都有了長足發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)6300A/80kA的真空型發(fā)電機保護用斷路器。

5、低電壓

    低壓開關電器產(chǎn)品是量大面廣的電器基礎元件，由于真空開關具有防爆和壽命長的特點，只要價格限制在一定水平，是有十分巨大的市場前景的。德國西門子公司1994年推出了額定電壓380V～1140V、額定電流630A～2500A、額定短路開斷電流為20kA～65kA的真空斷路器產(chǎn)品。目前國內(nèi)已研制出了380V～1140V、額定電流1600A～3200A、額定短路開斷電流30kA～80kA的低壓真空斷路器及其真空滅弧室。

6、固封柱（固封式真空滅弧室）

    采用APG技術，將真空滅弧室及其它的連接組件固封成柱，的提高了真空斷路器的耐候性，減少了相間距，使真空斷路器的結構更加緊湊，體積更??；固封技術的應用，使真空滅弧室的外絕緣水平得到了強化，真空滅弧室的高度尺寸尤其是絕緣外殼的尺寸可以盡量縮短，在內(nèi)部絕緣優(yōu)化的基礎上，真空滅弧室的體積也相應減少。但固封技術要求在真空滅弧室與緩沖層、緩沖層與環(huán)氧樹脂之間形成良好的結合，不能有空氣隙，否則很容易產(chǎn)生絕緣擊穿。

7、長壽命

    車載開關及電弧爐用頻繁操作的斷路器要求機械壽命長達10萬次甚至25萬次。隨著的操動機構如永磁機構的研制開發(fā)、波紋管制造技術的改進、真空滅弧室裝配工藝的優(yōu)化，長壽命的機構和真空滅弧室相繼開發(fā)出來，雖然l0萬次機械壽命的真空滅弧室已經(jīng)通過了型式試驗，但在長壽命真空滅弧室方面還有許多工作要做，首先要保證一致性，其次要向更高的壽命要求進軍，滿足市場需求。

8、專用化

    在市場日益細分的今天，一些專用的開關應運而生。鑒于開合電容器組時真空開關重燃引起的過電壓會對電力系統(tǒng)造成嚴重危害，有必要研制開合電容器組專用的真空開關。同樣，在鐵合金廠，用于電弧冶煉爐的開關由于操作過電壓比較高、使用環(huán)境惡劣，要求真空開關間和對地的絕緣水平要高、過電壓要低、使用壽命要長，因此有必要研制針對鐵合金廠的真空開關及真空滅弧室。