高壓開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)的應(yīng)用

朱家豪 翟艷彬

摘 要：近年來，我國高壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展很快，取得了較大的進步。為了適應(yīng)我國電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，企業(yè)還應(yīng)繼續(xù)加大科技投入，加大研制開發(fā)力度，以求盡快縮小國際先進水平的差距。企業(yè)應(yīng)從加強自身管理出發(fā)，做到細分銷售市場，在有限的市場空間找到發(fā)展動力。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)設(shè)備；制造技術(shù)；應(yīng)用

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

1 概述

根據(jù)功能和作用的不同，可以將高壓開關(guān)設(shè)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(guān)、隔離開關(guān)、重合器、負荷開關(guān)、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(guān)-熔斷器組合電器、熔斷器式開關(guān)、隔離負荷開關(guān)、敞開式組合電器等。

2）成套設(shè)備.成套設(shè)備為將上述器件及其組合與其他電氣設(shè)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(nèi)進行合理配置和組合，并且具有相對完整使用功能的產(chǎn)品，比如金屬封閉的高壓開關(guān)柜、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）和高壓/低壓預(yù)裝式變電站等。

2 高壓開關(guān)設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀

我國高壓開關(guān)行業(yè)是一個完全開放的行業(yè)。從20世紀90年代中期發(fā)展至今，國內(nèi)高壓開關(guān)行業(yè)可謂突飛猛進。現(xiàn)生產(chǎn)高壓開關(guān)設(shè)備的企業(yè)約有2000多家，其中大部分為生產(chǎn)126kV以下高壓開關(guān)設(shè)備的企業(yè)，生產(chǎn)126kV 以上高壓開關(guān)設(shè)備的企業(yè)約50家左右，生產(chǎn)252kV以上高壓開關(guān)設(shè)備的企業(yè)30家左右。

2.1 行業(yè)競爭現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)高壓開關(guān)領(lǐng)域市場格局分為三個梯隊，呈“金字塔”狀。由于人才、技術(shù)等壁壘，參與高端高壓開關(guān)設(shè)備競爭的企業(yè)相對較少，主要企業(yè)所占份額相對較高；參與中低端高壓開關(guān)競爭的企業(yè)數(shù)量相對較多，主要企業(yè)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(yè)，利用“本土化”方式，進而開拓中國市場、強化品牌效應(yīng)，憑借資金、技術(shù)和品牌優(yōu)勢占據(jù)了市場的高端。外資品牌在質(zhì)量和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，在252～550kV產(chǎn)品中占據(jù)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(wǎng)公司招標中，外資企業(yè)占據(jù)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(guān)等為代表的我國傳統(tǒng)高壓開關(guān)設(shè)備優(yōu)勢龍頭企業(yè)處于第二梯隊，通過吸收消化國外技術(shù)，已經(jīng)具備較強的實力，是550kV以上高壓開關(guān)產(chǎn)品國產(chǎn)化的主力，在高壓開關(guān)各細分產(chǎn)品市場中均占有較高的市場份額。數(shù)量眾多的民營企業(yè)主要生產(chǎn)252kV及以下電壓等級的開關(guān)產(chǎn)品，比如技術(shù)含量相對較低的隔離開關(guān)、接地開關(guān)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(xiàn)狀

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

1）特高壓開關(guān)設(shè)備。在特高壓開關(guān)設(shè)備方面，國內(nèi)高壓開關(guān)行業(yè)“三巨頭”通過引進國外技術(shù)，能夠自主完成1100kV 開關(guān)設(shè)備的開發(fā)，其參數(shù)能夠滿足國家電網(wǎng)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(guān)設(shè)備。在超高壓開關(guān)設(shè)備方面，我國通過自主創(chuàng)新開發(fā)出了550kV單斷口罐式SF6斷路器及GIS。

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

4）中壓開關(guān)設(shè)備。在中壓開關(guān)設(shè)備方面，制造廠家最多，其中以中壓真空斷路器為主導產(chǎn)品。

3 高壓開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)現(xiàn)狀

1）解決熱功率耗散量較大。根據(jù)上述總結(jié)有關(guān)引發(fā)熱功率耗散量較大的因素，制造技術(shù)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(yīng)該首要考慮功耗較低的那一類型；（2）在各個關(guān)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(guān)設(shè)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(wěn)定的運行，開關(guān)柜在制造設(shè)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(guān)柜整體需要與墻面之間預(yù)留 10mm左右的間隔，使開關(guān)柜在運行過程中發(fā)散的熱能有足夠的空間進行消耗。

4 高壓開關(guān)設(shè)備的制造技術(shù)的具體應(yīng)用

1）減少開關(guān)設(shè)備的熱功率耗散。開關(guān)設(shè)備因內(nèi)部原因功率耗散而造成發(fā)熱的來源分為三類：大電流主回路的發(fā)熱；輔助和控制回路的發(fā)熱；電渦流作用金屬框架部件感應(yīng)發(fā)熱、導體因交流電流集膚效應(yīng)和接近效應(yīng)（形位效應(yīng)）等因素造成電流密度分布不均而發(fā)生的額外熱損耗。針對性地可以采用如下設(shè)計和制造控制手段：（l）減少開關(guān)設(shè)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(guān)設(shè)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(yīng)、導體集膚效應(yīng)和接近效應(yīng)作用有限，產(chǎn)生的熱效應(yīng)通?？梢院雎圆挥?；但當主回路電流大于2500A 時，設(shè)計上應(yīng)通過合理的元件布局來減少熱能的生成。目前開關(guān)行業(yè)大多通過直流電壓電流法來測量開關(guān)設(shè)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(shè)備而言往往與實際運行情況有較大偏差。

2）加強開關(guān)設(shè)備的散熱能力。對于防護等級為IP50及以上級別的開關(guān)柜，熱能在柜內(nèi)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(fā)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(xiàn)與外界的熱交換。當開關(guān)柜的防護等級為IP30及以下時，允許外殼有通風孔設(shè)計，此時開關(guān)柜內(nèi)部的熱能通過對流方式比IP50級以上密封型開關(guān)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(guān)設(shè)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(guān)設(shè)備的設(shè)計制造過程中通過應(yīng)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(shè)備的負載能力。

5 結(jié)語

認識高壓開關(guān)設(shè)備市場的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢，審慎地研發(fā)與投資，是業(yè)界面臨的重大課題?？傊邏洪_關(guān)設(shè)備作為國家重點扶持的重大機械裝備業(yè)，是輸配電系統(tǒng)中起控制和保護作用的最重要電力設(shè)備，智能電網(wǎng)的發(fā)展又是經(jīng)濟騰飛的新增長點，因此行業(yè)使命任重而道遠。

參考文獻

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