我国开关设备生产企业的概况.docx

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我国开关设备生产企业的概况

我国开关设备的发展概况和发展趋势（转载）　2008-11-2518:

22

分类：

转载的

字号：

大大 中中 小小

李召家

（广州南洋电器厂，广东广州510050）

摘　要：

以输、变、配电设备制造业中的开关行业为例，综述了开关生产企业的状况、生产能力，以及开关产品的水平状况，对当前开关行业的研发热点和今后的发展趋势作了详细的介绍和分析。

关键词：

开关设备；生产企业；技术；现状；发展

1　我国开关设备生产企业的概况

建国以来，开关设备行业经过50多年的努力，特别是改革开放以来，“六五”至“九五”期间的20年的努力，取得了很大的发展。

据1998年底的统计，参加高压开关行业协会的企业单位共有654家，未参加行业协会的企业约500家。

因此，我国高压开关行业制造厂家约1100家，职工总数约31万人。

据2000年对194家中压开关企业的统计［1］，12kV真空断路器总产量为89680台，产量在1000台以上者27家，这27家企业共生产12kV真空断路器60886台，占194家企业总产量的68％；12kV金属封闭开关设备总产量为77782面，产量在1000面以上者21家，这21家企业共生产12kV中压开关柜41729面，占194家企业总产量的54．07％。

据1999年对广东省15家12kV中压开关生产企业的统计，12kV真空断路器（户内和户外）产量达700～800台的仅2家，15家企业的总产量为3157台，占全国统计207家生产企业总产量的4．4％；而12kV中压金属封闭开关设备产量为5898面，占全国产量的8．1％。

2　我国开关产品的现状

IEC标准（IEC38，IEC298，IEC439）和欧洲标准规定：

小于或等于1．0kV的电压称为低压，1～72．5kV的电压称为中压，大于72．5kV的电压称为高压。

按国际大电网会议的规定，最大线电压为400～1000kV的电压称为超高压，1000kV以上的电压称为特高压。

所以，我国称500kV电压为超高压。

本文按上述规定界定低压、中压、高压、超高压和特高压。

2．1　SF6高压开关设备

2．1．1　产品的技术水平

建国以来，我国高压开关设备的制造经历了多油—少油—无油（绝缘介质为SF6或真空）的阶段。

1971年，由西安高压电器研究所牵头组织、自行但当时我国生产的SF6高压开关设备，其技术、经济指标与国际水平相比是落后较多的。

至“九五”期末（2000年），我国已有17家企业可以生产126kV及以上的高压开关设备，其中可以批量生产252kV高压开关设备的有五大开关厂：

沈阳高压开关厂、西安高压开关厂、平顶山高压开关厂、北京开关厂、华通开关厂。

在这五大开关厂中前三家企业具备生产126～252kV气体绝缘线路断路器（GCB）和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的能力。

西安高压电器研究所还与西安高压开关厂、平顶山高压开关厂、浙江开关厂共同研制成功了126kV柜式GIS（C－GIS，间隔宽度为1．3m）。

据不完全统计，在20世纪90年代（1990～1998年），我国五大开关厂共生产126～550kVGIS2111间隔。

就目前我国通过引进技术生产或合作生产的126～550kV高压开关装置的技术水平而言：

a）126kV断路器可以做到额定电流3150A，额定短路开断电流40kA（个别可达50kA），短路开断次数20次，机械寿命3000次。

b）252kV断路器已由20世纪80年代末的“双断口”进步到现在的“单断口”（电压可达到363kV，额定电流可达4000A，额定短路开断电流可达50kA），灭弧方式已发展到自能式灭弧，因而可以采用弹簧操作机构。

c）可制造550kV“双断口”瓷柱式断路器。

d）对于126kVGIS产品，北京开关厂、华通开关厂、平顶山高压开关厂的产品为母线三相共箱，间隔分相；西安高压开关厂、沈阳高压开关厂可做到全三相共箱。

126kVGIS间隔宽度一般都在1．5m以上，“九五”期末出现1．2m间隔宽度的分相式产品。

e）对于252kVGIS产品，西安高压开关厂、沈阳高压开关厂的产品为间隔分相，母线三相共箱。

广东省在“九五”时期之前还不能生产126kVSF6高压断路器，“九五”期间，广州高压电器厂（现已并入广州南洋电器厂）消化、借鉴国外样机的技术，自行开发了126kVSF6自能灭弧式高压断路器，其参数为额定电压126kV，额定电流2500A和3150A，额定短路开断电流31．5kA。

2．1．2　国产产品与国外产品的差距

目前，我国高压开关装置的电压等级只能达到550kV，产品的质量稳定性和使用可靠性与国外相比尚有差距。

国外一些大公司的高压断路器和GIS产品的电压等级已达到800kV以上，如西门子公司、ABB公司和ALSTHOM公司有72．5～800kV的GIS系列产品，日本东芝公司和日立公司有72．5～1100kV的GIS系列产品。

此外，对于GIS的小型化，施耐德公司已能做到126kVGIS间隔宽度为0．8m。

2．2　中压开关及开关柜

从供电安全和维护方便出发，中压开关的无油化一直是我们努力的目标，“九五”期间，我国在这方面有了很大的进步，至2000年，我国12kV中压断路器产品无油化比例达96．8％（其中SF6断路器占9．45％，真空断路器占87．36％），而这一指标在“八五”期末仅为57％。

在“九五”期间，中压开关及开关柜得到了长足的发展，这一方面得益于国家电力工业的发展，另一方面也得益于从1998年开始的城乡电网改造的带动。

2．2．1　中压真空开关

中压真空开关在技术性能上得到了很大的提高。

我国自行开发的ZN28型真空开关额定电流最大为4000A，额定短路开断电流最大为63kA。

在国内市场上已成就了一批较为知名品牌的产品，如：

ZN28型（西安高压电器研究所开发）、ZN18型（广州南洋电器厂生产）、ZN12型（北京开关厂生产）、ZN21型（福州第一开关厂生产）、ZN64型（厦门ABB公司生产，其型号标记为VD4）和ZN63型（西安森原公司生产）等中压真空开关的系列产品。

这些品牌的产品机械寿命一般都达到10000次（连续无故障），有的达到2万次，个别达到6万次，短路开断次数一般都达30次，有的达到50次或以上。

市场竞争的结果使中压真空开关的技术参数不断提高，原电力部制订的行业标准DL402—1991《交流高压断路器订货技术条件》规定的要通过1．1倍额定电流温升，4s的动热稳定，几乎成为制造行业实际执行的标准，现在绝大多数的产品都能达到这一条件。

在产品朝高参数发展的同时，开关结构也得到不断的改进和提高，在“九五”期末出现了永久磁铁的操作机构，可望在进一步提高机械寿命的同时，操作机构更简单、可靠。

2．2．2　中压开关柜

在中压开关发展的同时，中压开关柜（成套设备）在“九五”期间也得到了同步的发展，开关柜采用了性能良好的元器件，如上所述的ZN28型、ZN18型、ZN12型和ZN21型等开关；采用了新型隔离开关和接地开关，如旋转型隔离开关、三工位隔离开关和具有短路关合能力的接地开关等，可满足不同型式柜体的要求，同时也提高了开关柜的性能；采用了新一代的附件，包括带电显示装置、电缆附件、热（冷）缩绝缘材料；采用了敷铝锌板，无须表面处理和防锈。

“九五”期末，智能化的中压开关柜发展迅速，集控制、保护和测量于一体的微机综合继电保护装置几乎取代了传统的电磁式继电保护装置。

柜的防护等级一般都达到IP3X，个别达到IP4X，很多柜型还通过了内部故障试验。

在柜型方面，老式的GGIA型固定柜基本被淘汰，用户大量使用手车柜，手车柜中除落地式外还出现了中置柜、双层柜（KYN59型）等。

“九五”期间另一个令人瞩目的变化是中压负荷开关及负荷开关柜的使用和生产大幅度增加。

为提高城市供电可靠率，采用环网供电方式的越来越多，使负荷开关和环网开关单元的使用大量增加。

据统计，1996年全国生产负荷开关20873台，生产环网柜8523面；而2000年生产负荷开关25865台，生产环网柜23975面，负荷开关产量增加了23％，环网柜产量是1995年的3倍（缘于负荷开关采用进口产品的较多）。

负荷开关和环网单元在品种上也增加了，现在不仅有压气式和产气式负荷开关，还有真空负荷开关、SF6负荷开关，以及将它们组装而成的环网单元，还有全密封充气（SF6）的环网单元。

但是，负荷开关和环网单元因其本身功能简单和受使用场所的限制，除品种和质量外，在性能和参数上并无更多的发展。

2．2．3　12kV柱上户外断路器、自动重合器和分段器

“九五”期间柱上断路器、自动重合器和分段器得到了发展。

柱上断路器由原来的以变压器油或SF6为绝缘介质，发展到真空柱上断路器（外绝缘浸油或充以SF6）或干式柱上断路器（外绝缘为环氧树脂浇注或有机硅绝缘材料）；额定短路开断电流由12kA发展到16kA和20kA；操作机构有弹簧机构，“九五”期末又出现了双稳态永磁机构（西安高压电器研究所设计），减少零件60％以上；控制器的电源由锂电池供电，无需外接电源。

2．2．4　广东省的情况

在“九五”期间，广东省的中压开关、开关柜及其它开关装置的生产也得到了很大发展。

产品达到了高参数，如ZN28型开关装置的额定电流为4000A，额定短路开断电流为50kA；ZN18型开关装置的额定电流为4000A，额定短路开断电流为40kA，且满足我国电力行业标准的要求，机械寿命可达到2万次，短路开断次数可达到40次。

能生产多种型号、规格的环网开关及开关柜，环网开关柜的产量占全国前10名厂家总产量的1／3，占全国产量的1／5，有一家开关厂的SF6柱上开关产量排在全国前5名之内，重合器、分段器等产品也都已面市。

2．2．5　国产产品与国外产品的差距

我国中压开关及开关柜的产品与国外产品的差距是参数还不够高。

国外中压开关的额定电流可达到5000A，额定短路开断电流达到63kA，较多产品的机械寿命达到3万次，个别达到6万次，10年以上不需润滑，免维护。

国外开关产品的质量，特别是真空灭弧室的质量稳定，开关产品工艺细致，外形美观（如VD4型开关）。

中电压开关柜一般都采用微机型综合继电保护装置，另外还有相当比例的C－GIS（40．5kV）占领着我国的市场，而这一点在我国还是空白。

柱上开关及自动重合器、分段器与国外的主要差距是现有柱上开关偏重断路器的生产和研究，注重短路开断容量，而柱上负荷开关品种少，还不能完全满足城市架空网络的分段隔离。

另外，产品漏气或渗油也是国产柱上开关与国外产品的差距之一。

3　开关技术和设备的发展趋势

3．1　高压、超高压、特高压技术及产品

进入21世纪，我国的输、变电设备将向更高的电压等级迈进。

随着西部大开发战略的实施，西电东送，西北地区将上750kV电压等级的电网，我国将上1200kV电压等级的电网。

随着2004年黄河上游公佰峡水电站的投产发电，我国第1条750kV输电线路将在西北电网建成。

750kV电压等级电网的启动，预示着我国另一个特高压等级1000kV或1200kV工程的启动也不是长远的和不可及的事情。

新一级特高压等级的出现，将面临许多技术方面的问题，如基础研究（包括对生态和环境的影响）、输电线路（线路充电容量、线路损耗等）、变电所和电气设备。

需要重点攻关的设备有：

a）断路器。

我国现在只能制造500kV的双断口SF6断路器（理论上讲，1200kV断路器可能是三断口），如何减少更高电压等级的断路器的断口，使体积减小，工作可靠，这是要重点攻关的课题。

b）绝缘子。

我国已能生产最大承受拉力为294kN的玻璃绝缘子和合成绝缘子，发展到更高一级电压，需要研究最大承受拉力为392kN和490kN的绝缘子。

3．1．1　GIS的发展趋势

西部大开发，带来水电大开发，水电站一般建在崇山峻岭中，可供建筑的面积小；城网改造，220kV高电压直入负荷中心，闹市之中尺土寸金。

GIS占地面积小，10年以上免维护，这就正好发挥它的优势，因此未来的发展，GIS的需求将大量增加。

GIS的发展趋势有两方面：

72．5～330kVGIS三相共箱化和复合化；550kVGIS的断路器部分由双断口减为单断口，1100kVGIS减为双断口，从而实现小型化。

三相共箱化是将主回路元件的三相装在公用的接地外壳内，内充SF6气体绝缘，并用环氧树脂浇铸绝缘子加以支撑和分隔。

目前，对于500kVGIS一般只做到母线三相共箱化，元件三相分箱。

三相共箱化可缩小间隔宽度，如西门子8DN8型72．5～145kVGIS为三相共箱式结构，其占地面积仅为普通型GIS（分相式）的50％，间隔宽度仅为0．8m；日本的275kV三相共箱式GIS，将占地面积缩小了30％。

复合化是将断路器、电压互感器、隔离开关和接地开关共置于一个充SF6气体的罐内，由于线路侧元件复合化了，故大大减少了气罐的数量，也减少了密封部位和密封长度，加工简单，体积缩小。

3．1．2　紧凑型组合式户外高压开关设备的开发

将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器和电压互感器有机地组合，使之成为紧凑型组合式开关设备，这种设备大大节省变电站的占地面积，占地面积为敞开式开关设备的60％，简化了安装工序（整体运输），减少了维护费用。

这种设备的价格比敞开式贵少许，但比GIS便宜很多，可节省投资。

例如我国江阴市某变电站从ABB公司引进了145kV紧凑型组合式开关设备，其综合造价只比采用常规敞开式开关设备的方案增加10％。

因此，对这种技术、经济指标先进的紧凑型高电压设备，我们在“十五”期间应加紧研制。

3．1．3　自能式SF6断路器的发展

为提高断路器的可靠性，降低操作功，20世纪80年代以来，利用电弧本身能量灭弧的自能灭弧结构开始问世，其工作原理一般称为自膨胀原理，或称为热膨胀原理和自能式灭弧原理。

它是在短路开断时用电弧自身的能量加热SF6气体形成压力差吹弧，在开断小电流时用压气助吹熄弧。

由于自能式灭弧是利用电弧自身的能量灭弧的，减少了灭弧室所需的压气能量，从而减少了操作功，其操作功仅为单压式的1／4～1／3，故可以使用可靠性较高的弹簧操动机构，免除了液压气动机构的漏液、泄气隐患，提高了系统的可靠性和安全性。

SF6自能式灭弧断路器出现于20世纪80年代中期，90年代后期已进入第二代自能式灭弧，现在ALSTHOM公司和AEGT＆D公司声称已发展到420kV电压等级。

“九五”后期，我国一些厂家已研发出126kV自能式SF6断路器，如原广州市高压电器厂于1998年通过鉴定的126kV电压等级、额定电流2500A、额定短路开断电流31．5kA的自能式SF6断路器。

自能式灭弧断路器有操动机构简单的优点，但当短路开断容量增大时，开断速度受电弧本身能量的限制而不能提高，这是今后要努力解决的问题。

3．1．4　超高压SF6断路器智能操作的研究

随着微型计算机的广泛应用，断路器的智能化问题亦随之提出，一种新型的断路器正在研究和兴起，这就是智能操作断路器。

智能操作断路器是根据所检测到的电网中开关开断前一瞬间的各种工作状态信息，自动选择和调整操动机构以及与灭弧室状态相适应的合理的预定工作条件，以改变现有断路器的单一分闸特性。

例如，在无载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等。

这样，就可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果。

智能操作的优越性在于：

a）断路器的正常开断操作可在较低速度下进行，从而减少断路器开断时的冲击力和机械磨损，不仅可减少机械故障和提高可靠性，还能提高断路器的操作使用寿命。

b）改变现有的试探性自动重合闸而成为自适应的自动重合闸，即做到在短路故障开断后，如故障仍存在，则拒绝重合；只有待故障消除后，才能重合，给系统的稳定带来好处。

c）实现定相合闸，降低合闸操作过电压，取消合闸电阻，进一步提高可靠性。

d）实现选相分闸，控制实际燃弧时间，使断路器起弧时间控制在燃弧的最佳相位角，不受系统燃弧时差要求的限制，从而提高断路器的实际开断能力。

3．2　中压技术及产品

目前我国中压等级的产品，产量最多的还是12kV电压等级的断路器及其成套装置，而且真空类占87％，所以下面主要分析12kV的真空断路器及其成套装置。

3．2．1　高参数的中压真空断路器及发电机出口断路器

3．2．1．1　真空断路器

我国现在12kV真空断路器已可做到额定电流4000A，额定短路开断电流50kA，少数可做到额定短路开断电流63kA，基本上能满足配电的要求，但对于一些特殊场合，如发电厂、某些冶金和化工企业的厂用电系统，，还需要更高参数的产品。

对于高参数产品的开发，不仅可满足市场的需要，还可提高制造厂产品的成套供货能力，扩大市场覆盖面。

真空断路器的高参数除了反映在额定电流和短路开断的能力上，还反映在机械寿命上，如用在炼钢电炉上的真空断路器，电炉每天操作几十次，要求真空断路器的机械寿命为6万～12万次，西门子公司的3AH4型真空断路器，就用于电炉上，其操作次数机械寿命为12万次。

3．2．1．2　发电机出口断路器

额定电压24kV，额定电流12500A和额定短路开断电流125～240kA的真空发电机断路器是直接连接在发电机和升压变压器之间，用以保护发电机的电气设备，由于制造技术上的原因，这种发电机断路器一般都价格昂贵。

据国际大电网会议调查，全世界有50％的核电厂和超过10％的火电厂采用了发电机断路器，我国目前仅有沈阳高压开关厂能够生产这种断路器（SF6型）。

发电机断路器有少油型、压缩空气型、SF6型和真空型。

由于现在发电机单机容量越来越大，据悉原国家电力公司已有规定，今后火电厂要增加新的燃煤机组，至少要300MW以上，这就使得短路开断能力差的少油型和压缩空气型断路器已不适用，SF6型及真空型断路器逐渐成为主流。

对发电机断路器的要求大致有三方面：

第一是额定值，需要具有很大的额定电流，如300MW的机组，额定电流为13000A，另外还需要具备很大的额定短路开断电流和额定短路关合电流，其值远远大于同级别的输配电断路器。

第二是开断性能，除需要具备很大的短路开断能力之外，还需要具备有非对称开断的能力，其短路开断电流的直流分量衰减时间达133ms，另外，还要具备失步开断的能力。

第三是固有瞬态恢复电压，发电机的瞬态恢复电压上升率的数量级为kV／μs，所以对发电机断路器，除了满足一般的开关制造标准外，还要满足专用标准GB／T14824—1993《发电机断路器通用技术条件》的要求。

沈阳高压开关厂研制成功的LN－24型SF6发电机断路器的参数为：

额定电压24kV，额定电流8000A或12500A，额定短路开断电流80kA或100kA。

1991年西门子公司推出的8BK41型真空发电机断路器的参数为：

额定电压7．2～17．5kV，额定电流4000～12000A，额定短路开断电流40～80kA。

在发电机断路器的产品上，真空型与SF6型相比，其开断性能和操作可靠性两者相当，但在价格上，后者因为制造工艺复杂，加工成本很高，所以价格相应就高。

发电机断路器电压等级一般处在中压领域，中压领域的主流是真空断路器，所以开发发电机断路器也是今后真空开关厂的一个重要的课题。

3．2．2　永磁操动机构的中压真空断路器

永磁操动机构是20世纪90年代中、后期兴起的，它是继电磁操动机构和弹簧操动机构之后兴起的一种新型操动机构，由于这种机构运动链少，零件数少，只是弹簧机构的40％以下，从而提高了可靠性，适合于频繁操作的场合。

永磁操动机构目前需要解决的问题是：

a）对于开距较大的高压真空断路器（例如63kV真空断路器的开距约36mm，是12kV真空断路器的3～4倍），要获得足够的电磁驱动力，需要较大的磁系统和可控充放电电源；

b）对于电子控制装置，需要高可靠性。

3．2．3　同步中压断路器与电子操动［2］

继永久磁铁机构的VM1型开关开发成功后，国外的公司又正在开发一种新的受控开关技术，即所谓“同步”或“选相”操作，可以避免或缩短操作的瞬态过程及其对电网的扰动。

同步操作一般是开关“零电压时关合”或在“零电流时分断”（电流自然过零，而不是强迫过零时分断），如能做到这一点，断路器的分断能力就可以大大提高，同时对电网造成的过电压也可大大降低。

如一台低成本的负荷开关若能保证在电流接近零时快速分开触头，就可以分断相当大的短路电流；在关合电容器组时，如果能选相合闸，就可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压。

永久磁铁的操动机构，避免了弹簧机构在脱扣释放后运动的不确定性和不可控性。

同时借助于光电传感器的光、电信号的转换和数字电路的接口，控制精度在μs数量级，就可以准确地执行光电指令信号，使得在弹簧机构的机械系统中很难实现的闭环控制成为可能。

所以，同步开关的研究与实践在近年来有了进展。

3．2．4　12～40．5kV中压成套装置

12kV成套装置是城乡电网改造中的主打产品，其发展趋势是智能化，小型化，轻型化，少（免）维护，高可靠性。

目前市场上流行的12kV金属封闭开关设备主要有KYN1型（西安高压电器研究所统一设计）、KYN2型（广州南洋电器厂生产）、KYN3型（天水长城开关厂生产）、KYN4型（福州第一开关厂生产）、KYN18型（北京开关厂生产）、KYN28型（西安森源公司生产）、KYN29型（广州南洋电器厂生产）、KYN33型（厦门ABB公司生产，型号标记为ZS1）、JYN1型（西安高压电器研究所设计）、JYN2型（原广州高压电器厂生产）、JYN3型（天水长城开关厂生产）和JYN6型（华通开关厂生产）。

除以上这些成套装置外，还有一些未列出的型号，都是空气绝缘柜，款式多，基本上可满足当前市场对开关柜性能的需要，但进一步缩小体积，实现少（免）维护，仍然是以开发和发展C－GIS为主导方向。

3．2．5　12～72．5kVC－GIS（充气柜）

充气柜是将诸如母线、断路器、隔离开关和互感器等高压元件封闭在充有较低压力（一般为0．02～0．04MPa）气体的壳体（柜）内，由于用SF6作绝缘气体，可大大缩小不同电位的金属带电体之间的绝缘间距，从而大大缩小柜体的尺寸，使柜体向小型化方向发展。

同时，由于它是全密封的（或主要部分密封），可不受外界环境（如凝露、污秽、高原、高寒、化学腐蚀等恶劣环境）的影响，提高了使用的安全性和可靠性，如果柜内配用真空开关（或SF6开关），就可实现少（免）维护，如果再配用智能型的综合继电保护装置就组合成智能免维护柜。

国外在20世纪80年代初已推出充气柜，1982年西门子公司率先推出充气柜，而我国当时可说是还处于起步阶段。

国外有西门子公司的8DC11型、ABB公司（德国）的ZVZ型和ZXZ型、AEGT＆D公司的WS型、东芝公司的GD型等。

西安高压电器研究所已研制出额定电压40．5kV，额定电流1250A，额定短路开断电流25kA的C－GIS，外形尺寸（宽×高×深）为800mm×2450mm×1300mm，体积为传统开关柜产品体积的1／4，节省占地面积31％。

为实现高档化、小型化和免维护，我国今后的中压成套设置仍以C－GIS为主导方向。

3．2．6　智能化中压柜、新型传感器

近年来，城网改造对配电自动化的要求日益提高，传统的电磁式继电器已不能满足需要，电子技术、计算机技术的发展给配电自动化水平的提高提供了可能，高压开关技术与微电子技术、计算机技术、信息传输技术相结合，产生了新一代的智能化开关设备。

智能化开关设备由三大部分组成，开关设备、以计算机为主