高壓開關設備制造技術的應用

朱家豪 翟艷彬

摘 要：近年來，我國高壓開關設備的發展很快，取得了較大的進步。為了適應我國電力系統發展的需要，企業還應繼續加大科技投入，加大研制開發力度，以求盡快縮小國際先進水平的差距。企業應從加強自身管理出發，做到細分銷售市場，在有限的市場空間找到發展動力。

關鍵詞：高壓開關設備；制造技術；應用

高壓開關設備是指電力系統中電壓等級在3kV及以上且頻率不高于50Hz的戶內和戶外交流開關設備。高壓開關設備主要用于電力系統的控制和保護，是非常重要的輸配電設備。高壓開關設備既可根據電網運行的需要，將部分電力設備或線路投入或退出運行，也可在電力設備或線路發生故障時，將故障部分從電網快速切除，從而起到保證電網中無故障部分的正常運行及設備、運行維修人員的安全。

1 概述

根據功能和作用的不同，可以將高壓開關設備分為兩類，如下：

1）器件及其組合。器件及其組合包括斷路器、接地開關、隔離開關、重合器、負荷開關、分斷器、接觸器、熔斷器及上述器件組合而成的接觸器-熔斷器（F-C）組合電器、負荷開關-熔斷器組合電器、熔斷器式開關、隔離負荷開關、敞開式組合電器等。

2）成套設備.成套設備為將上述器件及其組合與其他電氣設備（比如變壓器、電容器、互感器、電抗器、避雷器等）在金屬封閉外殼內進行合理配置和組合，并且具有相對完整使用功能的產品，比如金屬封閉的高壓開關柜、氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）和高壓/低壓預裝式變電站等。

2 高壓開關設備行業現狀

我國高壓開關行業是一個完全開放的行業。從20世紀90年代中期發展至今，國內高壓開關行業可謂突飛猛進。現生產高壓開關設備的企業約有2000多家，其中大部分為生產126kV以下高壓開關設備的企業，生產126kV 以上高壓開關設備的企業約50家左右，生產252kV以上高壓開關設備的企業30家左右。

2.1 行業競爭現狀

目前，國內高壓開關領域市場格局分為三個梯隊，呈“金字塔”狀。由于人才、技術等壁壘，參與高端高壓開關設備競爭的企業相對較少，主要企業所占份額相對較高；參與中低端高壓開關競爭的企業數量相對較多，主要企業所占份額相對較低。

以ABB、西門子、東芝、三菱等為代表的外資及合資企業，利用“本土化”方式，進而開拓中國市場、強化品牌效應，憑借資金、技術和品牌優勢占據了市場的高端。外資品牌在質量和可靠性方面具有顯著優勢，在252～550kV產品中占據較高的市場份額。但近兩年，在國家“重大裝備國有化”政策下，在國家電網公司招標中，外資企業占據市場的份額有所下降。以平高電氣、西電西開和新東北電氣高壓開關等為代表的我國傳統高壓開關設備優勢龍頭企業處于第二梯隊，通過吸收消化國外技術，已經具備較強的實力，是550kV以上高壓開關產品國產化的主力，在高壓開關各細分產品市場中均占有較高的市場份額。數量眾多的民營企業主要生產252kV及以下電壓等級的開關產品，比如技術含量相對較低的隔離開關、接地開關和電壓等級較低的126kV斷路器和封閉式組合電器。

2.2 電壓等級分布現狀

我國已能生產中、高、超高及特高壓全系列開關設備。高壓及以上開關設備的品種包括斷路器（GCB）、氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）、隔離/接地開關（DS/ES）、復合式 GIS（H-GIS）等。

1）特高壓開關設備。在特高壓開關設備方面，國內高壓開關行業“三巨頭”通過引進國外技術，能夠自主完成1100kV 開關設備的開發，其參數能夠滿足國家電網公司要求，達到額定電壓1100kV，額定電流6300kA，斷路器額定短路開斷電流50kA，絕緣水平達到工頻1100kV，雷電沖擊2400kV，操作沖擊 1800kV（極對地）。

2）超高壓開關設備。在超高壓開關設備方面，我國通過自主創新開發出了550kV單斷口罐式SF6斷路器及GIS。

3）高壓開關設備。在高壓開關設備方面，許多有實力的企業加入制造行列，主要生產自主設計的126～252kV 的各類開關設備，比如瓷柱式和罐式斷路器（GCB）、GIS、H-GIS及隔離/接地開關（DS/ES）等，同時，通過重新設計、改型，實現對原有的一些產品的小型化和智能化升級。

4）中壓開關設備。在中壓開關設備方面，制造廠家最多，其中以中壓真空斷路器為主導產品。

3 高壓開關設備制造技術現狀

1）解決熱功率耗散量較大。根據上述總結有關引發熱功率耗散量較大的因素，制造技術需要有針對性的進行研究探索。（1）輔助控制元件在選用過程中應該首要考慮功耗較低的那一類型；（2）在各個關鍵主回路連接部位均選用導電能力強、觸頭壓力大、截面寬的導體材料，并以此降低高壓開關設備的主回路電阻。

2）解決散熱能力不夠。為確保溫升與散熱能夠同時且穩定的運行，開關柜在制造設計中需要遵循“功率損耗高——底部；功率損耗低——頂部”的原則對各元件進行順序排列。另外，開關柜整體需要與墻面之間預留 10mm左右的間隔，使開關柜在運行過程中發散的熱能有足夠的空間進行消耗。

4 高壓開關設備的制造技術的具體應用

1）減少開關設備的熱功率耗散。開關設備因內部原因功率耗散而造成發熱的來源分為三類：大電流主回路的發熱；輔助和控制回路的發熱；電渦流作用金屬框架部件感應發熱、導體因交流電流集膚效應和接近效應（形位效應）等因素造成電流密度分布不均而發生的額外熱損耗。針對性地可以采用如下設計和制造控制手段：（l）減少開關設備的主回路電阻。實踐證明，觸頭和主回路連接部位采用高導電能力鍍層、較大的觸頭壓力、較大的導體截面積都是有效地減少開關設備的主回路電阻及降低溫升的方法；（2）選用低功耗的輔助控制元件；（3）當主回路電流低于 2000A 時，電渦流效應、導體集膚效應和接近效應作用有限，產生的熱效應通常可以忽略不計；但當主回路電流大于2500A 時，設計上應通過合理的元件布局來減少熱能的生成。目前開關行業大多通過直流電壓電流法來測量開關設備的主回路電阻，進而通過I2RT 來計算出交流功耗，這對大電流設備而言往往與實際運行情況有較大偏差。

2）加強開關設備的散熱能力。對于防護等級為IP50及以上級別的開關柜，熱能在柜內時主要通過熱輻射和自然對流（空氣加熱后密度差引起）將熱能由發熱元件傳遞到柜體表面，再通過柜體表面的熱輻射和柜外對流實現與外界的熱交換。當開關柜的防護等級為IP30及以下時，允許外殼有通風孔設計，此時開關柜內部的熱能通過對流方式比IP50級以上密封型開關柜更有效地傳遞到外部空間。對于無相變的兩種對流傳熱方式而言，在相同的散熱面積條件下，強制對流散熱的效果可以達到自然散熱的4—l0倍，開關設備采用強制散熱來降低溫升和提高負載能力也是一種很有效的途徑。另外，開關設備的設計制造過程中通過應用黑（灰）體輻射原理改善散熱表面的熱輻射能力，如將大電流真空泡兩端的鋁散熱器表面進行陽極氧化處理，將一些大電流匯流排表面漆成黑色等，往往能巧妙地降低溫升和增大設備的負載能力。

5 結語

認識高壓開關設備市場的現狀及技術發展趨勢，審慎地研發與投資，是業界面臨的重大課題。總之，高壓開關設備作為國家重點扶持的重大機械裝備業，是輸配電系統中起控制和保護作用的最重要電力設備，智能電網的發展又是經濟騰飛的新增長點，因此行業使命任重而道遠。

參考文獻

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