国内外高压开关设备技术动向

摘要　文章首先论述了我国电力工业正在突飞猛进且以健康地向前发展的概况。并以准确的数据说明了我国电网投资首次超过了电源投资，改变了过去那种“重发、轻供、不管用”的局面。文章又以很大篇幅详细地介绍了SF6气体与高压开关设备。指出SF6气体虽然是很好的绝缘介质，但其也是温室气体，不生物降解，在大气中可以存活3200年，使全球变暖的系数很高。因此，在高压开关设备中不用或少用SF6气体已成为发展趋势。最后又阐述了国内外高压开关设备的发展动态。

关键词　高压开关设备　SF6气体　电网建设

1　电力工业与高压开关设备

我国电力工业正突飞猛进地向前发展，这种情况表现为电源与电网和谐发展。在这种和谐发展中，电网建设投资已超过电源建设投资，如电网建设投资比例由2005年的31.10％上升到2007年的44.63％，到2008年电源投资2878.73亿元，而电网投资2884.56亿元，电网投资首次超过电源投资。2009年电网投资又有增长，达到电力总投资的50.09％。电网建设投资的增长，这就改变了过去哪种“重发、轻供、不管用”的局面，为电网建设提供了资金保证。据专家估计“十二五”期间电源与电网投资比例将为4.5：5.5。

在电网建设中，不仅注重骨干电网的建设，而且注重输配电网的建设。若只关注骨干电网建设，而不关注输配电网建设，则会造成电网“头重脚轻”，电力“能上网却不能下网”，这样有电还是用不上，因此，作为输配电的城市电网和农村电网也有了较大发展。我国电网的电压已从中压――高压――超高压直到特高压。2009年1月6日，我国首条1000kV电网正式投运，这标志着世界上首条1000RV线路正式投入商业运行。我国现已建有220kV及以上线路40多万km。

电网的大发展，为高压开关制造业提供了千载难逢的发展机遇。高压开关设备在线路运行中起到控制和保护作用，当线路运行时随着开关的关合，强大的电力源源不断地供应千千万万用户。而当线路运行发生故障时(如短路)，开关一马当先，立即动作切断故障，保护线路及其设备的安全。因此，高压开关设备对保护线路的安全运行至为重要，它的制造质量和技术水平直接影响到线路安全。

不同电压等级线路所需开关数量不同。高压和中压用量为之较大，而超高压和特高压用量为之较少，呈金字塔形。这里以所需断路器为例，有这样的估计数据：电力每增加1万kW，约需550kV断路器0.1台；252kV断路器0.72台；126kV断路器2.49台；12kV断路器100～150台。由此可见，在配电领域，12kV断路器用量较大。其他配电类型开关数量也会相应增加，如断路器与隔离开关比例为1：3～4；断路器与负荷开关比例为1：5～6。作为成套装置的配电网开关柜、C－GIS、环网柜、F－C回路柜、负荷开关――熔断器组合电器及箱式变电站亦会大幅增加。因此随着电网建设的加大，特别是城乡配电网建设，对中压开关设备的需求量将大大增加。这对中压开关制造业非常有利。

特别是近20多年来，高压开关行业经历了辉煌的发展，尤其是高压开关协会不断发展壮大。如会员单位从20年前的七、八十家发展到如今的七、八百家，高压开关行业的产值从20年前的25亿元发展到现在的过1000亿元，生产配套能力从20年前的几百万kW，发展到现在的过亿kW，生产产品的开发从20年前的仿制和技术引进到现在的自主创新将完全国产化，产品电压等级从中高压上升到超高压乃至特高压。如在超高压和特高压方面，自主创新开发出550kV单断口SF6断路器和GIS、800kV双断口SF6断路器和GIS，合作开发出1100kVGIS和H－GIS，这些产品都达到世界先进水平。

从电力工业角度来讲，电力系统是发电、输电、变电、配电、用电的整体，其中每个环节都需要高压开关来控制和保护。因此，高压开关对电力系统的安全可靠运行尤为重要，这也促使高压开关制造业不断技术创新，制造出更加安全可靠的产品。

2　SF6气体与高压开关设备

政府向气候变化专门委员会(IPCC)指出。“自20世纪中期以来，观测到全球平均气温偏高可能是由于人类活动使温室气体浓度明显增加而造成的”1995年京都议定书明确指出6种受限制的温室气体，其中包括CO2和SF6等气体。在这些温室气体中，CO2等温室气体吸收了红外线的大部分区域，但在8－12μm范围内吸收率很小。在该波长内，红外线穿透率很高被称为“大气之窗”，而SF6气体吸收的光谱存在于“大气之窗”区域内，因而SF6吸收了这段光谱的红外线，对全球变暖倍加影响。

按对温室效应的贡献率，CO2占60％，而SF6仅占0.01％。大气中温室气体的年总排放量约为430亿t，其中CO2年排放量约为235亿t，而SF6年排放量约为2000t。显然SF6气体的年排放率较小，但它对温室效应却存在着潜在危险。SF6气体的全球变暖系数很高。若取CO2为1，则SF6气体为23000。同时SF6气体在大气中的寿命很长约为3200年，因为SF6气体大部分既不能化学降解也不能光学降解，它在大气中造成累积效应。与之相比CO2大气中的寿命约为50～200年。SF6气体属于氟(F)化气体，这些氟化气体包括碳氟化合物(CFCs和HFCs)和SF6气体。2006年颁布实施的氟F－气体排放法规定，在运动鞋、网球、轮胎和双层玻璃幕墙中禁止使用SF6气体，但在高压开关中因没有找到替代技术，所以在高压开关中允许继续使用SF6气体。

SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能，这正是高压开关性能的关键。长期以来，人们就寻找替代介质，但没有一种介质可以与SF6比媲。

在选择替代气体方面，人们一直不断的探索、研究，做了大量工作。现已发现的CF3I气体其绝缘性能很好，在均匀电场中的绝缘水平是SF6气体的1.2倍、SLF开断性能约为SF6气体的0.9倍。但其价格昂贵，是SF6气体 的100倍，因此进入实际应用很不现实。如表1所示。

从环保的角度出发，寻找替代气体的范围正逐渐缩小到空气、氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、惰性气体的氦气(He)、氩气(Ar)及其混合物上。迄今已取得一定的进展，并逐步走向应用领域。如国外在使用空气绝缘和氮气绝缘方面，已开发出24kV的充气柜(C－GIS)、72.5kV的气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)。采用真空灭弧室作为开断元件，内绝缘则通过提高空气或氮气的压力，优化产品结构而使之达到替代SF6气体的目的。如图1所示。

据报道，1995年全球SF6气体产量为8500t，当时用气量高的如日本为2300t、德国为1000t。这两国高压电器制造业发达，特别是日本当时正开发用气量大的550kV和1100kVSF6断路器和GIS。到了20世纪末及21世纪初，SF6气体的总用量还为8000～9000t。这是因为SF6气体有20％用于其他工业领域，而在这些领域禁止使用SF6气体，同时日本和德国已不再是使用SF6气体的高峰期，加之特别在中压开关领域越来越多地使用真空开断和其他介质绝缘，使SF6使用总量趋于减少。

此间，中国正大力发展电力工业特别是发展超高压和特高压输电，加之在中压使用C－GIS和RMU增多，使得中国使用SF6气体剧增，据称2008年我国高压开关行业用气量达4500～5000t。如某厂2008年生产各类电压等级GIS2100间隔，GCB约210台。据不完全统计，高压开关行业2008年生产GIS约21686间隔，生产GCB约23328台。在高压开关中，电压等级越高，用气量越大。GIS比GCB用气量大很多。在GCB中罐式断路器(CT－GCB)又比支柱式断路器(P－GCB)用气量大。在高压开关设备中，中压等级的用气量仅占10％，而高电压等级占总用气量的90％。因此减少高压开关设备的用气量至为重要。

日本在这方面已作出努力，开发出少用或不用SF6气体断路器和GIS产品。以下举几例。

日本AE帕瓦公司于2001午7月开发出145kV／40kA单断口支柱式真空断路器(VCB)。该产品用干式空气绝缘，用真空开断，完全没有用SF6气体。2004年该公司又开发出72／84kV非SF6型罐式干燥空气绝缘的真空断路器(VCB)。最新又开发出72／84kV环保型真空断路器。非SF6气体型真空断路器自2004年以来已投运150台，表2示出非SF6气体和环保型72／84kV VCB参数的比较。

图2示出72.5kV非SF6气体型真空断路器，图3示出72.5kV环保型真空断路器。

在GIS方面，该公司开发出用干式空气绝缘的72kVGIS(见图4)。

三菱公司从2000年以后首先在24～36kV实现了无SF6开关柜的商品化。之后通过改进干燥空气绝缘和固体绝缘的复合绝缘技术，在7.2～72kV各电压等级实现了非SF6气体密封式复合绝缘开关设备(见图5)。其参数做到额定电压7.2、24、72kV，额定电流630、800、1250A，额定短时耐受电流25／31.5kA，该产品用低压力空气绝缘(0.03～0.15MPa)，用真空开断。

表3示出密封式复合绝缘开关设备的产品概念，表4给出额定参数，图5示出72kV HG－VA型C－GIS结构图。

明电舍公司开发出少用SF6气体的真空断路器，该公司在145kV单断口瓷柱式真空断路器基础上，又开发出双断口罐式真空断路器，该产品用真空开断，而仅用少量SF6气体绝缘(0.15MPa・G)。

该断路器的额定值见表5。

通过使用纵磁场真空灭弧室(V1)和优化的均压电容器，实现了VI小型化。所需操作功相比原来的168kV瓷柱式VCB降低40％。

图6和图7分别示出了168kV罐式真空断路器的外形和内部结构。

168kV罐式VCB由操动机构、三相连接杆、外壳、极柱及台架组成。罐式断路器重心低、耐震性能好，可安装套管式电流互感器。日本属于多地震国家，因而变电站中使用设备的耐震性能很重要。该产品首台已在日本新干线154kV受电变电站中开始使用。

3　高压开关设备发展动态

在我国电网电压中，将1000kV及以上称为特高压；330、500、750kV称为超高压；66、110、220kV称为高压；10、20、35kV称为中压。国际电工委员会将1000V以下统称为低压，而我国由于没有1000V电压等级，故将3000V以上划为高压，因此中压、高压、超高压和特高压统称为高压。高压开关也因此按电网的标称电压将电压等级划分为相应的额定电压。如特高压标称电压对应的高压开关额定电压为1100kV；超高压330kV为363kV；500kV为550kV；750kV为800kV；高压66kV为72.5kV；110kV为126kV 220kV为252kV。中压10kV为12kV；20kV为24kV 35kV为40.5kV。因此对电网称其标称电压，对开关应称其相应的额定电压。如上所述，高压开关在电网中起到控制和保护作用，随着高压开关的关合，强大的电力源源不断地流向用户。支持国民经济建设和满足人民生活需求，而当电网发生故障时(如短路)，高压开关能当机立断切除线路，保证线路和设备的安全，因此，高压开关对电网的安全运行至为重要。

随着电网的发展，我国高压开关行业已形成一个大行业，据不完全统计，生产厂家约2000家，形成国企、民企和合企鼎立之势，从产值讲，已上千亿，有人估计为1200亿元。这其中一般认为高压(包括高压、超高压和特高压)和中压的产值约为1：1或4.5：5.5。但随着电压等级增高，生产厂家越来越少，其中高压和超高压生产厂家约为30多家，而生产特高压(1100kV)开关设备的厂家不过3家，而大量的厂家生产中压开关产品，生产厂家上千家。

从产品的类型看，高压以上开关产品品种较少，主要为断路器、敞开式空气绝缘开关设备、气体绝缘组合电器、隔离开关等。每个品种又有多个类型，如断路器就有罐式和支柱式等。但高压以上产品类型远不如中压开关多，中压开关设备如断路器、空气绝缘开关设备、气体绝缘开关设备、环网柜、预装式变电压、电缆分接箱、接触器、熔断器、负荷开关、负荷开关――熔断器组合电器等。每一种产品又有许多类型，如断路器有SF6式、真空式、户内型、户外型；空气绝缘开关柜有铠装移开式、固定式等。

总之，对高压以上等级而言，生产厂家较少，产品类型也少，而中压生产厂家多，产品类型多竞争激烈。

(未完待续)