高压开关设备相关知识及行业概述

第一节 高压开关设备的相关概念

一、高压开关的定义

高压开关是电压超过1KV用来接通或断开电路的设备总称。高压开关包括隔离开关、熔断器、断路器和各种组合开关电器等，其中隔离开关和熔断器的结构比断路器简单，因而称为简易开关电器。

二、高压开关设备的组成及介绍

高压开关设备是指高压开关与控制、测量、保护、调节装置以及辅件、外壳和支持件等部件及其电气和机械的联结组成的总称。

第二节 我国高压开关设备的发展与应用

一、我国高压开关设备的发展历程

1、开关设备全工况的试验研究

典型事故调查，近几年来，全国发生了多次由于开关柜绝缘问题造成重大事故：

1)1982年8月，北京供电局大郊亭变电所，在合闸送电时连续两次发生开关柜绝缘问题，烧毁开关柜1台，烧损8台，烧毁电流互感器4只，支柱绝缘子40多支，隔离开关7组，致使全部连续停电数天。

分析事故原因，发生事故的前几天，正值连续下雨，配电室电缆沟内进水，室内温度很高，开关柜绝缘受潮，致使在合闸操作时，造成开关柜相间闪络。

2)1986年2～10月，湖南金竹山电厂连续六次发生厂用电6kV开关柜内闪络起火，烧毁、烧损开关柜9台、支柱绝缘子近百个，其他设备数十件、造成机组甩负荷，机炉停运。

3)1985年天津变电所合闸送电时，开关柜闪络，引起避雷器爆炸、配电室起火，烧毁开关柜8台。

1986年唐山某变电所开关柜运行中无操作，绝缘隔板烧焦起火。

1987年6～7月河南焦作东郊变电所，分别发生两起由于开关触头绝缘板放电，烧毁断路器，以及开关柜母线支柱绝缘子闪络、炸裂，造成三相短路的事故。

2、环境因素对开关设备的影响

我国是具有多种气候类型的国家，南方多属亚湿热或湿热地区。虽然开关柜安装在户内的设备，但绝大多数安装开关柜的配电室都不是密闭的房屋，目前更不具备空调条件。因此安装在重工业、化学工业，在山区、江河、沿海地区以及湿热带气候地区的开关柜就容易受到来自外部环境的影响，如潮气、凝露、灰尘和化工污秽。这些环境条件比正常的条件严酷得多。其中湿度、温度及污秽是影响开关设备寿命和运行安全的决定因素。

3、编制《户内交流高压开关柜和元部件凝露及污秽试验技术条件》(报批稿)

以上的分析说明环境条件对于开关设备的寿命和运行安全起着重要作用，但目前世界各国，包括IEC都没有关于户内开关设备在严酷环境条件下的试验标准及方法。为此，国际电工委员，在拟定严酷气候条件下的封闭式(金属或绝缘外壳)开关设备的补充规范时，专门组建了一个工作组。

本课题在1986年3月召开的第一次工作会议上曾制订了开展本课题的方向、步骤和计划。其中包括编制符合我国国情，满足运行工况，能为开关设备设计、试验和制造提供一定科学依据的"户内交流高压开关柜全工况绝缘试验技术条件"就是本课题的主要任务之一。

在IEC298出版物："交流金属封闭式开关设备和控制设备"中，认为户内设备一般不会出现凝露。目前国内和IEC的有关标准中，对户内设备也都不考虑污秽情况。但事实上，开关柜在运行中发生的大量绝缘闪络事故，多是由于环境条件的影响，使绝缘材料受潮，设备绝缘表面产生凝露和附着污秽，因而设备绝缘水平下降造成事故。

因此，在编制试验技术条件时，除了保留户内开关柜以前所有的试验项目外，修改了有关使用条件和适用范围的条款，特别补充了"凝露试验"、"人工污秽试验"和"高温试验"项目。由于"高温试验"项目准备另立专题进行试验研究，仅就"凝露试验"和"人工污秽试验"项目的编制过程和考虑的原则作了说明。

4、10kV高压开关柜绝缘距离验证

1)复合绝缘试验：交流金属封闭式开关设备和控制设备广泛采用绝缘材料制成的隔板和活门，构成复合绝缘以达到缩小体积降低成本的目的，这就使得设备的绝缘问题较一般纯空气绝缘变得复杂多了。据有关报道：GFC-15-02型高压开关柜，在焦作供电局的焦南变安装投运后先后三次因静触头对绝缘板放电使静触头支持绝缘子炸裂而造成事故。水电部高压开关技术通讯(82-85合订本)明确指出，此类开关"由于未进行过隔板在受潮、脏污及相对湿度为90%等实际使用条件下的绝缘强度考核，开关柜前后封闭又不完善，空气绝缘距离不能保证安全运行"。

以往的运行经验表明，影响复合绝缘水平的因素有大气条件、板材质量、隔板表面清洁状况、带电体与隔板间的空气净距、隔板的接地部位离带电体的距离等等。现有开关柜的设计对上述后两个绝缘距离缺乏足够的研究，表现在静触头离隔板的距离没有一个统一的规范。

2)闪络电压：在常温常湿条件下进行了全波冲击50%破坏性放电试验，其结果见下表；在常温常湿和凝露条件下进行了工频闪络试验，其结果见下表。

全波冲击放电电压



工频闪络电压

5、JYN口-6-10防"火烧连营"防污闪型开关柜绝缘结构选择与试制方案

1)经调研收集了技术资料(国际两部技术文件与引进同类型产品的说明书)，对其材质、设备结构进行筛选，取长补短，采用复合式绝缘结构、优化组合。特别吸取水电站尾水渠旁湿度特别大，由SN3-10/3000型少油断路器组装的11kV户外开启式开关柜，运行30多年成功经验，而设计了具有在过电压的情况下，对有时产生电晕、闪络放电及绝缘表面放电，能及时恢复并不会影响其它设备水平的开关柜。

2)从防凝露与防污闪角度出发，套管爬距，相间与对地距离都参照户外的尺寸，对户内的设备防污闪更为有利。

3)开关柜宽必须由840mm改为1000mm，用到火电厂6kV厂用配电系统上。可将降压运行的绝缘余度利用上，再按户外6kV安全距离推算为115mm，可保留840mm的柜宽。

4)对我国30万kW以上机组，引进真空断路器的柜宽800mm，安全距离为100mm，其手车柜保持原封不动，安装在国产840mm、电气间隔125mm柜内。

5)开关柜采用最新设计的组合式母线瓷穿墙套管，母线还不增加接头(改造旧设备可利用原有母线)，与全塑固体绝缘包覆铠装柜降低造价；真空断路器柜15%、少油断路器柜25%。

6)6kV手车柜隔板相间处开口后，再用黄铜焊平的降温措施(改造旧设备经验)。

7)母线室增加入风管(逆止阀)，降低其运行温度，锦州开关厂已发现母线温度偏高，必须增加母线截面。

8)设计方案完全具备设计院选型选厂的规定：如在相应工程或相似条件有1～2台设备运行并超过两年，已证明产品的安全可靠。

通过引进国外先进的电力技术和设备，提高了中国电力工业的技术装备水平。通过消化吸收、攻关创新，加大了先进电力生产设备的国产化力度。建议采用10kV开关柜全工况技术攻关的成果上，再吸取金属铠装中置式手车柜结构与我国制造运行50年经验，争取设计与制造出超过引进技术性能的全工况开关柜。

二、高压开关设备在我国的应用情况

全球高压开关设备市场容量在1998年达120亿美元，且近年来一直呈上升趋势，其中我国现已成为世界高压开关第二大市场。由此可见，高压开关行业在我国确实是一个朝阳产业。高压开关市场走向大致有两个方面一是更新换代需求，目前，我国运行中的高压开关设备有很多超过或近20年，老旧破损严重，亟待更新换代，这是市场容量的一个重要组成部分；二是新建工程需求，对此，国内电力工业的发展是高压开关行业发展的“晴雨表”，因而，谈到高压开关的市场容量就离不开我国的电力建设进程和规划，如电力”十一五”规划及2020年远景展全国西电东送规模在2005年达到2500万kW，2010年将增加到5500万kW，2020年则超过1亿kW。初步规划“十一五”期间，全国新建30kV及以上交流线路3.6万km，变电容量18亿kVA，平均每年新增7000km，3600万kVA。到2010年．330kV及以上交流线路达到12万km，变电容量达到4.8亿kVA。“十一五”期间330kV及以上输变电工程投资规模约1600亿元左右，其中交流工程1400亿元，直流工程200亿元。

三、我国高压开关设备的制造情况

1、高压SF6发展势头良好，且增长稳定，而GIS产品则以倍速增长，尤其是252kVGIS发展明显。

2、特高压开关设备需加大自主研发力度

近期以来，交、直流特高压项目陆续开工，“市场倒逼技术”的紧迫形势，进一步催生高压开关行业诸多新技术。高压交流隔离开关设备的研制明显加速，并实现从超高压向特高压的跨越。行业发展总体形势趋好，但进一步提高研发能力，降低产品成本，仍值得业界重点关注。

3、混合技术开关设备在升温

高压开关设备一般为空气绝缘开关设备（AIS）、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）。20世纪末世界上出现了另一种开关设备，即混合绝缘技术开关设备（MIS）。包括ABB的PASS型、三菱的MITS型、东芝的GID型、西门子的HIS型、Alstom的GIM型等。它们是空气绝缘或/和气体绝缘组合的紧凑型开关设备。其优势是，它比AIS大大节省了占地面积，又比GIS却大大节省了费用。在20世纪、50年代和60年代，欧洲就是用此设备对老电站进行改造，节约了费用，也减少了占地面积。

4、高压隔离开关的完善改进有成效

高压隔离开关技术有了很大进步，主要表现在两个方面：

1）自主研发出800KV隔离开关；

2）现有产品进行了完善改型，更好地满足运行要求。

5、真空断路器更加辉煌

真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。真空断路器在我国中压领域居于主导地位，特别是12KV真空断路器市场呈快速增长趋势。真空断路器最初由英、美研究，随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。近年来，真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进，使我国真空断路器的发展极为迅速。目前国内真空灭弧室的品种不比国外差，有采用纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的真空灭弧室，Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断50KA、63KA。中国的真空灭弧室已达到较高的水平，真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。德国汉诺威博览会为世界上最大的工业展览会，素有新产品橱窗之美，从该博览会上可以看出真空断路器趋向于专用化、小型化、智能化、低过电压几大方向发展。

6、真空灭弧室制造技术取得巨大进步

随着真空开关在中低压领域越来越普遍地应用，真空灭弧室的真空度成为用户关心的重点。真空灭弧室是真空断路器的关键部件，它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封，内部有动、静触头和屏蔽罩，室内有负压，真空度为1.33×10-2～1.33×10-5Pa，保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。只有在一定的真空度下，真空断路器的可靠性才能得到保证。近年来，真空灭弧室的质量有了很大提高，得益于采用新技术、新工艺、新材料，走技术创新之路。这主要表现在采用大型真空炉、用一次封排工艺、采用低碳量的不锈钢制造波纹管、用铜陶瓷封接取代可伐一陶瓷封接，尽量少用或不用可伐等。

7、金属封闭开关设备（开关柜）有新亮点

8、负荷开关与环网柜发展空间大

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