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我国开关设备的发展概况和发展趋势（２）

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　　作者：李召家（广州南洋电器厂，广东广州510050）[/B]
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750 k V电压等级的电网，我国将上1 200 k V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750 k V输电线路将在西北电网建成。750 k V电压等级电网的启动，预示着我国另一个特高压等级1 000 k V或1 200 kV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500 kV的双断口SF6断路器（理论上讲，1 200 k V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294 k N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392 k N和490 k N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，220 k V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：72．5～330 k VGIS三相共箱化和复合化；550 k V GIS的断路器部分由双断口减为单断口，1 100 k V GIS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500 k VGIS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8 DN8型72．5～145 kV GIS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0．8 m；日本的275 kV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145 k V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420 k V电压等级。
　　“九五”后期，我国一些厂家已研发出126 k V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126 k V电压等级、额定电流2 500 A、额定短路开断电流31．5 kA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12 k V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12 k V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12 k V真空断路器已可做到额定电流4 000 A，额定短路开断电流50 kA，少数可做到额定短路开断电流63 kA，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3 AH4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24 k V，额定电流12 500 A和额定短路开断电流125～240 kA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300 MW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300 MW的机组，额定电流为13 000 A，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133 ms，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k V／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24 k V，额定电流8 000 A或12 500 A，额定短路开断电流80 kA或100 kA。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4 000～12 000 A，额定短路开断电流40～80 kA。
　　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36 mm，是12 kV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　12～40．5 k V中压成套装置
　　12 kV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12 kV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　12～72．5 k VC－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0．02～0．04 MPa）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40．5 k V，额定电流1 250 A，额定短路开断电流25 kA的C－GIS，外形尺寸（宽×高×深）为800 mm×2 450 mm×1 300 mm，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、以计算机为主的控制与保护单元（目前主要是微机综合继电保护装置）和以现代传感器为主的信息采集系统（电流、电压和温度测量等）。
　　目前，采用微机综合继电保护装置的高压开关柜越来越多，采用这种装置的成套设备，其柜内空间较以往的电磁式继电器要宽松，主要表现在仪表室，但从根本上而言，目前柜的体积尺寸并未缩小，因为电流互感器和电压互感器仍是电磁式的，它们所占的空间占据了整个柜的1／3，仪表室虽空，但无法安排其它用途。所以，目前及以后重点开发的任务是采用新型的传感器，用以代替电流互感器和电压互感器。长时期以来，我们一直使用的电流互感器和电压互感器，由于它们由铁磁材料做成，存在饱和的问题，所以线性度差，为分别满足测量和保护（控制）的需要，往往要采用不同规格、性能的电流互感器和电压互感器，分别担任保护和测量的功能。另外，它们还存在着铁磁谐振的隐忧，而体积大，则是显而易见的。近年在国外的成套设备中已采用了体积小得多的新型传感器。
3．2．6．1　电流传感器——Rogowski线圈
　　Rogowski线圈是一个环形螺管线圈，将传导电流的导体穿过环形线圈中心，传感器的输出电压u正比于位于环形线圈中心的导体中流过的电流i的导数，
　　u＝Ldi／dt．（1）
式中，L为线圈的电感，其值决定于线圈的几何结构（匝数等）。
由于线圈无铁心，所以它有很多好处：
　　a）动态量程大，线性度好，控制保护和测量功能可以兼得，无需采用两套互感器；
　　b）尺寸小，质量轻，可在开关柜内最佳利用空间，也易于与其它配电装置组合；
c）安全性好，不存在电流互感器开路的问题；
　　d）成本较低，易于实现标准化和进行应用推广。
3．2．6．2　光纤电压传感器（OVT）
光纤电压传感器分无源OVT、有源OVT两类共6种。目前用得较多的是传光型无源OVT，它是基于POCKELS光线性光电效应的。这一效应是：在电场（或电压）的作用下，透过某些物质的光发生双折射，双折射光波之间的相位差与外加电压或电场强度成正比，检测出相位差，即可检测出电压或电场强度的大小。
　　光电电压传感器的动态量程大，响应速度快，可适应电子式测量，保护与控制功能可综合在一起，尺寸小，质量轻，具有高可靠性与电磁兼容性，安全性好。
　　当采用了现代传感器与微机综合继电保护装置后，其信号全是数字式信号，接口的信号处理也方便，通过这样的组合，新一代的智能化成套装置就出现了。

发表时间：2005年8月19日李召家

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