自主创新的超高压开关设备等

自主创新的超高压开关设备

近年来，我国开关行业以市场为导向，加大科研力度与投入，出现了许多具有知识产权的超高压新产品，这里举几例。

1．550kV单断口罐式断路器

西开电气最新研制成功具有世界先进水平的550kV4000A 50kA单断口罐式SF6断路器。从363kV 50kA单断口断路器，跃升到550kV 50kA单断口断路器，这是SF6断路器技术的巨大进步。该公司利用计算机解析技术，提高了额定气压(0.6MPa)和分闸速度，对弧触头和喷口形状作改进，优化灭弧室结构，从而开发出550kV4000A 50kA单断口罐式SF6断路器。该产品为分相式。操动机构挂于罐体的一端，电流互感器线圈置于套座下方。灭弧室为单断口结构，其零部件相比双断口减少约一半。该断路器配用新型气动弹簧操动机构，可实施分极操作，也可进行三级电气联动操作。

550kV 4000A 50kA单断口罐式SF6断路器的研制成功。大大提高我国超高压断路器的制造水平。

2．800kV 4000A 50kA双断口罐式SF6断路器

800kV双断口罐式SF6断路器是西开最新自主研发的具有自主知识产权的超高压产品。该断路器的灭弧室为双断口结构。为抑制操作过电压，断路器并联有一定数量的合闸电阻。在主触头断口间并联有一定数量的电容器，保证电压在触头间的合理分配。该断路器配用大功率气动弹簧操动机构。自主研发出充气套管。解决了沿套管轴向电压分布不均的问题。在研发过程中。通过大量的电场、气流场计算。不断对灭弧室进行修改设计，确保了灭弧室具有良好的电场分布、气流的分布和温度场分布。

3．GW27―80014000型隔离开关和JW8―800型接地开关

该产品采用三柱水平旋转和自动翻转的复合运动模式，操作力小，结构合理。它主要由底座总装配、棒型支柱绝缘子、导电杆装配、静触头装配、CJll电动操动机构组成。该隔离开关由三个单极装配(单相)组成，每极配一台CJll电动机操动机构。CJll电动机操动机构安装在每相底座下面的基础上，通过CJll电动机操动机构可进行分相操作。

JW8―800型接地开关属国内第一台通过自主研发的新产品，具有独立的知识产权。其产品结构简单，操作灵活，适用于海拔2000m以下地区。

以上两产品技术参数为额定电压800kV，额定电流4000A，额定短时耐受电流50kA。

以上两产品为平高集团研制成功的新品，达到国际先进水平。

4．ZHW1―252/3150―50型复合式开关设备

该产品是一种以罐式断路器为核心的、不含封闭母线的复合式SF6GIS。该产品以SF6气体为灭弧介质，由断路器、电流互感器、五工位组合式隔离/接地开关、三工位组合式隔离/接地开关、气体绝缘套管及汇控柜等元件组成。

该产品具有技术先进、结构新颖紧凑、运行可靠性高、节省占地、模块化设计等一系列优势。断路器灭弧室采用SF6压气式变开距结构，开断能力强，触头寿命长，绝缘性能好。液压操动机构的弹簧储能取代氮气储能，避免了环境条件的影响。五工位组合式隔离/接地开关通过动触头转动360°可实现五个工作位置和一个过渡位置。三工位组合式隔离/接地开关通过触头转动180°，可实现三个工作位置。主要技术参数为额定电压252kV，额定电流3150A，额定短时耐受电流50kA。

该产品为平高集团最新研制成功的新品，达到国际先进水平。

5．ZHW―550型复合式开关设备(H―GIS)

西开电气自行研发的ZHW―550型H―GIS是以GIS技术为基础设计的，其基本元件是由GIS用断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器、充气套管组成，可与敞开式电压互感器、避雷器、架空母线配合使用，构成新型开关站。该产品具有可靠性高、环境适应能力和抗地震能力强、总占地面积小、技术经济指标高及模块化设计等特点。ZHW―550型复合式开关设备的价格约为GIS产品的80％，而占地面积仅为敞开式开关设备(AIS)的45％左右，其经济指标优越。该产品已用于福建水口等电站。其参数做到额定电压550kV，额定电流3150A和4000A，额定短时耐受电流50kA和63kA(3s)。

固封真空断路器及其固封绝缘开关柜

真空断路器的外绝缘有空气绝缘(AIS)、气体绝缘(GIS)和固体绝缘(SIS)。空气绝缘技术成熟，用得最早最多。但它受环境影响较大，不稳定因素较多。气体绝缘当前主要用SF6气体，SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能，目前应用相当广泛。但SF6气体属于受限制使用的温室气体，它对温室效应具有很大的潜在危险。因此，对密封要求严格，对其泄漏有严格限制。固体绝缘利用环氧树脂绝缘，而环氧树脂中65％为SiO2材料，SiO2对环境没有影响，产品使用后还可回收再用。固封绝缘用作真空断路器外绝缘使产品紧凑、小型化和环保。

国外制造商近年来大力发展固封绝缘技术，如ABB公司1997年起将固封绝缘用于它的VM1型、eVM1型及VD4型户内真空断路器，而且最新用于户外重合器等。如在2006汉诺威博览会上，ABB展出的VD4型户内真空断路器，配用固封极柱，做到额定电压36kV极，额定短路开断电流50kA。ABB公司于2000年重新设计它的OVR型户外重合器。新型重合器采用环脂肪族环氧树脂浇注壳体，减少了运动件数。延长了维护周期，而且小型、紧凑、环保。固封重合器分两种类型：一种用于15，5kV～27kV电压范围，另一种用于38kV电压等级。

ABB加大固封极柱的生产，如2003年生产固封极柱3万只，而2004年达到10万只。

国内有十几家企业都在生产固封极柱。其中厦门华电引领中压开关固封技术。该公司的固封真空断路器系列全，规格完整。该技术源自德国，是由资深的中、德真空断路器专家带领的研发队伍联合开发的。通过引进德国和瑞士先进的自动压力凝胶工艺(APG)，其极柱采用原装进口树脂将超低阻型真空灭弧室及每一相上下触臂的连接端子直接固封在环氧树脂的相柱内，即固封绝缘。厦门华电创新地采用了固封极柱LSR缓冲双APG成型工艺，从2003年投入生产到现在已经有一万多台应用该技术的真空断路器进入市场。

目前厦门华电下一阶段的目标是把SIS应用到中压成套开关设备，也就是固封中压开关柜(SIS)。

固封开关柜结构更加紧凑、占地面积小、可靠又环保，代表了中压开关柜的一种发展方向。在这方面，国外有的企业已作出努力，其中日本东芝已取得这方面的初步经验。东芝公司于1999年开发出高性能环氧树脂及高效能环氧浇注技术，并于2002年生产出24kV SIS固体绝缘柜，之后又进行了系列化生产，迄今已经生产出36kV SIS固体绝缘开关柜，目前又进行更高电压等级72kV及84kV产品的开发。

东芝公司SIS固体绝缘柜自2002年正式投入运行以来，迄今已生产了200面，预计今后固体绝缘开关柜的市场使用量将会更加扩大，尤其在电力消费大的首都和地方省会城市。

在国内，如西安森源开关技术研究所有限公司已研发出固体绝缘开关柜。固封真空断路器的应用为固体绝缘开关柜的设计提供了可能性。固封真空断路器的一些难点问题已得到解决，如壳体温升过高，极柱绝缘开裂，相间电弧闪络等。新设计的固体绝缘开关柜的特点是：柜体实现小型化、轻量化，采用小型断路器，固体绝缘件，包括固体绝缘母线、固体绝缘电流电压传感器、小型化的隔离开关等。该设计的参数为12kv/1250～2500A/31，5kA。

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的发展

从20世纪60年代GIS问世以来，GIS一直处于发展之中，在保持高可靠性的同时减少材料用量和降低成本。GIS的发展主要表现在：

(1)断路器技术的发展，在增大容量的同时，减少断口数。减少断口数是提高断路器和GIS技术经济指标的最主要措施。减少断口数，能简化结构、提高可靠性，同时减少SF6气体用量和排放量。目前550kV SF6断路器已由双断口发展到单断口。日本早已开发出550kV 63kM50kA单断口SF6断路器，我国最新也开发出550kV4000A 50kA单断口SF6断路器。

(2)GIS在壳体结构上从分相式――三相共筒式――复合化。

GIS的壳体从分相式发展到三相共筒式，使GIS进一步小型化。目前国际上已做到300kV全三相共简化，550kV母线三相共筒化、复合化是将多个元件组合在一个充气筒内，如将断路器和母线复合为一个充气筒内，又将隔离开关、接地开关、避雷器和电压互感器由原来多个气筒复合为一个气筒。这样做可使GIS小型化、轻量化。

(3)元件的多功能化，如将隔离开关和接地开关复合成三工位隔离/接地开关，可省略电气操作联锁，不存在DS和ES间各种误操作，显著提高了运行可靠性。

(4)铝合金铸造和加工技术的发展，使外形和体积最小化。GIS壳体有钢板卷制、铝板焊接和铸铝结构，以铝合金铸造气密性最好，且能按绝缘要求优化铝壳形状。

(5)使用智能化监控和诊断工具，以延长维修周期。并避免不必要的工作。GIS智能化技术可对GIS进行在线检测，及早发现故障，防患于未然，又可对GIS运行状态进行监视，变“定期维护”为“状态维护”。这样做，大大提高了运行可靠性，同时大大节省了维护费用，因而智能化会带来巨大技术经济效益。因此GIS二次控制从传统的电磁机械式走向智能式，这是电网自动化的需要，也是提高GIS可靠性的需要。

从世界范围看。GIS以它的紧凑设计和模块系统可满足用户的不同要求。GIS经过几十年的发展，取得了很大进步，主要表现在：(1)与AIS相比，节省空间达98％：(2)减少SF6气体用量达75％；(3)间隔年漏气量低于0.5％；(4)252kV GIS可整间隔交货，为一运输单元。

GIS在我国发展势头强劲

GIS是全体绝缘金属封闭开关设备的英文简称。GIS在我国发展势头强劲。产量大幅增加。据统计，2005年550kV GIS的产量为107间隔，而上年仅为8间隔，同比增长13.38倍。252kV GIS产量为1053间隔，上年仅为679间隔，同比增长55％，126kV GIS产量为2899间隔，上年仅为2280间隔，同比增长27.15％。GIS生产厂家猛增，国企、合企、民企一起上。据笔者不完全统计约有20多家，计有：西安西开高压电气股份有限公司、平高集团、上海华通开关厂有限公司、新东北电气(沈阳)高压开关有限公司、北京北开电气股份有限公司、西安高压电器研究所电器制造厂、泰开集团有限公司、正泰电气股份有限公司、上海西安高压电器研究所有限公司、如皋高压电器有限公司、平高―东芝高压开关有限公司、上海西门子高压开关有限公司、Areva集团公司、益和电气集团股份有限公司、上海平开华明高压开关有限公司、北京华东电气股份有限公司、厦门ABB华电高压开关有限公司、山东鲁能恩翼帕瓦电机有限公司、维奥输配电(广州)有限公司、江苏现代南自电气有限公司、泰山恒信开关集团、湖北永鼎开关有限公司。

在这20多个生产厂家中，首先都生产126kV GIS，也有的生产到252kV GIS。在生产550kV GIS厂家中，外企(合企)主要有ABB、Siemens、Areva、东芝、AE power等企业。国企主要有西开高压电气和新沈高。在2006年中国铭牌产品中，西开高压电子工业部气和新沈高的“72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备”(GIS)被称为“中国名牌产品”。目前合企GIS占国内市场相当大份额如占550kV断路器和GIS市场的80％，占252kV GIS市场的50％，占126kV GIS市场的30％。但随着国企实力的增强和民企的崛起，这种局面会得到扭转。

我国已启动1100kV特高压交流输电工程，目前国内三大企业(西开高压电气、平高集团和新沈高)正在积极研制1100kV GIS和H―GIS。

世界电力与电力设备的展望

根据EIA的《国际能源展望2006》预测，未来25年世界用电的需求量巨增，其中发展中国家占大头。2030年全世界的用电量将是2003年的两倍。其中经济合作与发展组织(OECD)国家将占全世界总增长量的29％，非OECD国家占71％。全球用电量将从2003年的14，7810万亿kW・h增长到2015年的21.6900万亿kW・h和2030年的31.0160万亿kW・h。全世界发电装机容量将从2003年的37.1亿kW增长到2030年的63.69亿kW，年均增长2％。到2010年中国发电装机容量将达8.18亿kW，到2020年中国发电装机容量将达11.86亿kW，从而超过美国，跃居世界第一。

有资料显示，全球电力设备行业2005年总的市场规 模大约是558.78亿美元。过去几年均增长速度为4％～5％，其中欧洲市场上基本是零增长。主要依靠亚太市场拉动，中国近几年的增长速度为35％。2005年中国电网建设创造了大约80亿美元的市场需求，占全球市场的比例近15％。“十一五”期间，中国电网建设投资规模近1.2万亿元。根据预测，2007年是中国电网投资的高峰期，这也将使得输变电设备行业迎来增速最快的年头。

就全球电力设备而言，全球前三强(ABB、Siemens、Areva)占全球电力设备市场的43％(资料来源：2005年Goulden Reports)。ABB2005年总销售额为224.42亿美元，电力设备销售额为97.8亿美元，在华电力设备销售额为24亿美元(大约187.2亿元)，Siemens(西门子)2005年总销售额为754.45亿欧元，电力设备销售额为123.11亿美元，在华电力设备销售额小于20亿美元(大约156亿元)，Areva2005年总销售额为101.25亿欧元，电力设备销售额32.11欧元，还有施耐德电气2005年销售额为117亿欧元，电力设备销售额大约为81.9亿欧元，在华销售额约45亿元(税后)。(资料来源：长江证券研究所)。

日本新一代C―GIS

C―GIS是箱式气体绝缘开关设备的英文简称。自从SF6作为绝缘气体于1997年在日本京都议定书中被定为受限制的温室气体以来，日本各大制造商纷纷开发新一代C―CIS。新一代GIS之新主要在绝缘介质上。日本日立、三菱、东芝、明电舍、富士、日新等制造商都已开发出新一代C―GIS。对于绝缘介质来说，有用干压空气绝缘，有用固体绝缘，也有用复合绝缘，当然也有采用新技术改进结构的减少SF6气体用量的小型化新产品。如富士电机公司开发出减少SF6气体用量的2.4kV和72/84kV新一代C―GIS，该公司还开发出完全不同SF6气体的干压空气绝缘的C―GIS。明电舍实现SF6气体低气压化，开发出小型化72/84kVC―GIS。日本东芝公司开发出固体绝缘的24kW36kVC―GIS。日新电机公司开发出24kV高压力干压空气绝缘的小型化C―GIS。日本三菱公司开发出低压力干压空气＋绝缘隔板的复合绝缘24kV和72kVC―GIS。日立公司开发出真空一SF6--固体复合绝缘的24kVC―GIS。

日本在C―GIS中少用或大多不用SF6气体而开发出新一代C―GIS的做法。值得关注。SF6气体主要用于电力设备特别是高压开关中，因为SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能。但SF6却被定为受限制的温室气体。虽然SF6气体用量少，从宏观看，对温室效应的影响仅占0.1％，但它对温室效应具有潜在的危险性，因为SF6气体分子对温室效应的影响是CO2的23900倍，它又在大气中的寿命很长，为3200年。因此，少用或尽量不用SF6气体而改用其他绝缘介质，这是摆在高压开关制造商面前的一项严肃而紧迫的任务。日本制造商在这方面开了个好头，值得关注。

电力节能技术

在节能方面，国家在“十一五”规划中明确提出“到2010年底单位GDP能耗降低20％”和“到2020年中国GDP翻两番，能源消费只翻一番”的目标。并且，GDP能耗指标完成情况作为干部考核的约束性指标、部分省市开始采取政府补贴的方式鼓励企业进行节能方面的技术改造，对节能设备市场无疑是极大的推动。因此，受政策驱动下的节能设备市场将远远比环保市场成熟以及更快速的发展。

电力设备行业的节能型产品有两大类，一种是通过增加新的装置改善现有电力主设备的能源消耗、提高电力生产运营的效率：另一种本身就是新型节能产品，属于新技术的应用。发电环节节能工作的主要任务是提高机组运营效率、降低厂用电；输变电环节节能的主要任务是降低线损率(包括线路损耗和变压器损耗)。

目前，世界上普遍采用电力电子技术作为电力节能技术，其中包括高压动态无功补偿装置(SVC)、可控串补(TCSC)、静止无功发生器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)、高压直流输电(HVDC)、有源滤波器(AFC)、DFACTS系列技术(又称用户电力COSTOME Power技术)等柔性输电技术(FACTS)，以及高压变频调速装置、各种中低压变频调速装置和高压大功率软启动装置等变频传动技术。而电力电子技术的相对成熟(掌握自主知识产权)是政府积极推动这个市场另一个主要原因。

SVC是目前最为成熟、国际上应用最广的大功率高科技电力节能产品，广泛应用于电力、冶金、煤炭、矿山、电气化铁道等输配电系统，通过快速自动调整无功量，使系统功率因数从0.7左右提高到0.95以上。具有重大的节能作用。实践证明，在电力系统中推广应用SVC，可极大地降低电力传输过程中的线路损耗，使电网的传输效率提高30％～70％，即使用SVC的2条传输线在传输能力上与未使用SVC的3条传输线相当，节能作用显著，并可降低电压波动、增加系统阻尼，抑制谐波、保障电网安全运行等。由于装备SVC的造价仅为新增1条输电线路成本的20％左右，以我国每年新上线容量和大区域电网互联的发展来计算，全面推广SVC每年可节约电力投资近50亿元。

与SVC相比，高压变频调速装置的应用领域更加广泛，基本可遍及所有使用高压电机的行业，能够实现各类高压大功率电机的节能降耗，节电效率达30％～70％，是目前世界上应用领域最广、节能效率最突出的新技术产品。

(摘自《机电商报》)