新形勢(shì)下高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)發(fā)展

中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)高壓開(kāi)關(guān)分會(huì) 趙永濤 倪鋒／

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)從高速增長(zhǎng)逐步轉(zhuǎn)為中速增長(zhǎng)?！笆濉逼陂g，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增長(zhǎng)平穩(wěn)，年均增幅基本保持在5%左右；主要產(chǎn)品產(chǎn)量整體穩(wěn)中有升。2020年，面對(duì)新冠肺炎疫情的巨大沖擊，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)堅(jiān)持戰(zhàn)疫情、保生產(chǎn)、促發(fā)展，預(yù)測(cè)2020年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行總體與2019年度相差不大，產(chǎn)品產(chǎn)量繼續(xù)保持上升趨勢(shì)。

2021年是“十四五”的開(kāi)局之年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)面臨重要發(fā)展機(jī)遇，預(yù)計(jì)行業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增速將不低于5%；運(yùn)行曲線前高后低。國(guó)家主干電網(wǎng)建設(shè)與改造、配網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造、新能源、城鎮(zhèn)化建設(shè)、軌道交通等將共同推動(dòng)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)進(jìn)入新的更新?lián)Q代周期，未來(lái)五年，我國(guó)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)將進(jìn)入一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存時(shí)期，“轉(zhuǎn)型升級(jí)”成為關(guān)鍵。

一、行業(yè)經(jīng)濟(jì)情況

（一）主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

“十三五”期間，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)產(chǎn)值、收入等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增長(zhǎng)平穩(wěn)，年均增幅基本保持在5%左右。但由于成本上升和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的影響，行業(yè)獲利水平前期下降較為明顯，2019年利潤(rùn)實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，初步扭轉(zhuǎn)了下降趨勢(shì)。

（1）工業(yè)總產(chǎn)值

2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)共實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值2411.34億元，較上年同比增長(zhǎng)5.02%?！笆濉逼陂g（2016～2019年，下同），年均增長(zhǎng)率5.5%。

（2）出口交貨值

2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)實(shí)現(xiàn)出口交貨值71.33億元，較上年同比增長(zhǎng)6.97%。“十三五”期間，年均增長(zhǎng)率6.7%。

（3）工業(yè)增加值

2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值544.9億元，較上年同比增長(zhǎng)3.67%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率3.6%。

（4）主營(yíng)業(yè)務(wù)收入

2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)實(shí)現(xiàn)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入2216.08億元，較上年同比增長(zhǎng)4.05%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率4.8%。

（5）利潤(rùn)總額

“十三五”期間，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)利潤(rùn)總額年均降幅約2%。2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)利潤(rùn)總額137.87億元，較上年同比增長(zhǎng)16.77%，初步扭轉(zhuǎn)下降趨勢(shì)。

（6）資產(chǎn)總額

2019年末，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)資產(chǎn)總額共計(jì)3275億元，較上年同比增長(zhǎng)4.73%。“十三五”期間，年均增長(zhǎng)率9.97%。

（7）科技投入

2019年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)完成科技投入84.37億元，較上年同比增長(zhǎng)23.13%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率10.7%。

（二）主要產(chǎn)品產(chǎn)量

“十三五”期間，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量整體穩(wěn)中有升，前期產(chǎn)量波動(dòng)較大，后期逐步企穩(wěn)回升。2019年主要產(chǎn)品產(chǎn)量增長(zhǎng)明顯，其中：GIS產(chǎn)量增長(zhǎng)顯著，開(kāi)關(guān)柜、真空斷路器產(chǎn)量基本保持平穩(wěn)，SF6斷路器產(chǎn)量降速趨緩，隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)產(chǎn)量均有不同程度增幅。

（1）72.5kV及以上電壓等級(jí)GIS

2019年，72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)量18992間隔，較上年同比增長(zhǎng)20.65%。“十三五”期間，年均增長(zhǎng)率1.9%。

（2）SF6斷路器

2019年，72.5kV及以上電壓等級(jí)高壓SF6斷路器產(chǎn)量8330臺(tái)，較上年同比下降3.25%?！笆濉逼陂g，年均下降2.5%。

（3）真空斷路器

2019年，40.5kV及以下電壓等級(jí)高壓真空斷路器產(chǎn)量89.24萬(wàn)臺(tái)，較上年同比增長(zhǎng)5.89%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率5.7%。

（4）金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備

2019年，40.5kV及以下電壓等級(jí)金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)量95.36萬(wàn)面，較上年同比降低1.65%。“十三五”期間，年均增長(zhǎng)率5.3%。

（5）隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)

2019年，隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)量39萬(wàn)組，較上年同比增長(zhǎng)8.33%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率5.9%。接地開(kāi)關(guān)產(chǎn)量29萬(wàn)組，較上年同比增長(zhǎng)16%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率0.9%。

（6）預(yù)裝式變電站

2019年，預(yù)裝式變電站產(chǎn)量6.3萬(wàn)臺(tái)，較上年同比增長(zhǎng)5.7%?！笆濉逼陂g，年均增長(zhǎng)率3.6%。

表1 2020年主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)

（三）2020年行業(yè)情況

2020年是“十三五”收官之年，在日益復(fù)雜嚴(yán)峻的國(guó)內(nèi)外大環(huán)境下，又遭遇新冠肺炎疫情的巨大沖擊，在中央統(tǒng)籌推進(jìn)疫情防控和各項(xiàng)政策措施的大力推動(dòng)下，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)堅(jiān)持戰(zhàn)疫情、保生產(chǎn)、促發(fā)展，最大限度保障我國(guó)電力安全運(yùn)行。根據(jù)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)調(diào)查，預(yù)測(cè)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)2020年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行總體情況與2019年偏差不大。

（四）2021年行業(yè)展望

2021年是“十四五”的開(kāi)局之年，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)面臨重要發(fā)展機(jī)遇。有利因素：一是構(gòu)建新發(fā)展格局下貫徹新發(fā)展理念的頭一年必將激發(fā)新的增長(zhǎng)積極性；二是新冠疫情在我國(guó)已被基本控制，對(duì)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響肯定將小于2020年；三是中央明確加大新型基礎(chǔ)設(shè)施投資力度、擴(kuò)大制造業(yè)設(shè)備更新和技術(shù)改造投資，對(duì)電工行業(yè)帶動(dòng)作用將在2021年集中體現(xiàn)；四是國(guó)家相關(guān)刺激措施和扶持政策將在2021年全面展開(kāi)。不利因素：一是電工行業(yè)投資積極性尚未被激發(fā)起來(lái)；二是國(guó)際環(huán)境復(fù)雜，匯率飆升導(dǎo)致出口難增；三是產(chǎn)業(yè)升級(jí)仍需時(shí)間，遠(yuǎn)水解不了近渴。綜上所述，預(yù)計(jì)2021年高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將繼續(xù)保持平穩(wěn)增長(zhǎng)，增速將不低于5%；運(yùn)行曲線將因2020年的對(duì)比基數(shù)前低后高而呈前高后低之勢(shì)。

以國(guó)家主干電網(wǎng)建設(shè)與改造奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，以配網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造、新能源（分布式電源）的接入、充電設(shè)施的互聯(lián)互通、城鎮(zhèn)化建設(shè)、軌道交通等多個(gè)增長(zhǎng)點(diǎn)共同推進(jìn)，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)將進(jìn)入更新?lián)Q代周期，產(chǎn)品升級(jí)換代的需求旺盛。隨著行業(yè)整體技術(shù)水平的不斷提升，未來(lái)五年，我國(guó)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)將進(jìn)入一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存時(shí)期，“轉(zhuǎn)型升級(jí)”成為關(guān)鍵。

二、行業(yè)技術(shù)發(fā)展

為了滿(mǎn)足能源電氣化、綠色低碳和智能可靠的要求，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)積極推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略，通過(guò)自主創(chuàng)新、完善設(shè)計(jì)，不斷提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級(jí)和高端化，使產(chǎn)品更加契合市場(chǎng)需求。

（一）一二次融合

2017年國(guó)家電網(wǎng)公司推出的《配電設(shè)備一二次融合技術(shù)方案》，總體思路是通過(guò)提高一二次設(shè)備融合標(biāo)準(zhǔn)化、集成化水平，提升配電設(shè)備運(yùn)行水平、運(yùn)維質(zhì)量與效率，滿(mǎn)足線損管理的技術(shù)要求，服務(wù)配電網(wǎng)建設(shè)改造。

以此為背景，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)積極推進(jìn)相關(guān)研究，優(yōu)先解決電子式互感器集成研發(fā)、二次終端設(shè)備電子式互感器信號(hào)接入、計(jì)量功能研發(fā)等迫切的問(wèn)題，分階段推進(jìn)柱上開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備一二次融合。

1.關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能控制單元

配置線損采集模塊，計(jì)算正反向有功電量和四象限無(wú)功電量、功率因數(shù)，具備計(jì)量數(shù)據(jù)凍結(jié)功能，包括日凍結(jié)、功率方向改變時(shí)的凍結(jié)數(shù)據(jù)。內(nèi)設(shè)故障錄波裝置，支持上傳主站，數(shù)據(jù)包括電壓、電流、開(kāi)關(guān)位置等，支持歷史數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)閱，以文件方式上傳至配網(wǎng)主站。調(diào)閱日凍結(jié)電量、電能、功率、電壓、電流定點(diǎn)數(shù)據(jù)，電壓、電流日極值數(shù)。循環(huán)存儲(chǔ)、失電不丟失。

（1）電子式電壓互感器和電子式電流互感器

電子式電壓互感器多采用電阻、阻容分壓式傳感器，具有成本低、精度高、體積小、重量輕的特點(diǎn)，受環(huán)境影響小，無(wú)二次短路危險(xiǎn)。

電子式電流互感器多采用低功耗線圈，直接輸出小電壓先后，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)，工藝簡(jiǎn)單，精度高，無(wú)飽和，頻響范圍寬，線性度好，在系統(tǒng)故障狀態(tài)下可使保護(hù)裝置可靠動(dòng)作。

（2）故障隔離與自愈技術(shù)

在遍歷算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)供電拓?fù)涞膱D形化智能識(shí)別，能發(fā)揮出較高的可視化、更為簡(jiǎn)單的配置以及較強(qiáng)的擴(kuò)展性特征，包括輻射型網(wǎng)絡(luò)、鏈?zhǔn)絾苇h(huán)網(wǎng)、花瓣型網(wǎng)絡(luò)以及鏈?zhǔn)蕉喹h(huán)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，還有多聯(lián)絡(luò)、多電源、多T節(jié)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。區(qū)域型終端能夠完成區(qū)域內(nèi)所有故障信息的收集與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠顒?dòng)實(shí)現(xiàn)所有單元配電終端GOOSE信息交互，判斷供電恢復(fù)策略。

（3）一二次設(shè)備接口的匹配及防護(hù)

一二次設(shè)備接口包括控制接口、通信接口、測(cè)量接口和擴(kuò)展接口。需要保持通信規(guī)約、接口功能、擴(kuò)展接口以及保護(hù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行接口功能的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)進(jìn)行接口尺寸定義、接口容量選擇以及接口電平匹配等相關(guān)內(nèi)容的尺寸設(shè)計(jì)。通過(guò)三段電流保護(hù)、小電流接地、就地FA保護(hù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)電流的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

（4）環(huán)網(wǎng)一二次融合

一二次融合環(huán)網(wǎng)柜多由環(huán)進(jìn)環(huán)出單元、饋線單元、母線設(shè)備（PT）單元、集中式DTU單元組成。所有環(huán)進(jìn)環(huán)出單元、饋線單元的電源、電流、遙信、遙控等回路通過(guò)二次電纜匯總于DTU單元，母線設(shè)備單元的電源、電壓等回路通過(guò)二次電纜匯總于DTU單元。DTU單元整體實(shí)現(xiàn)三遙、計(jì)算、相間及接地故障處理、通信、二次供電等功能，計(jì)量采用獨(dú)立模塊，DTU核心單元通信采集計(jì)量數(shù)據(jù)。

2.發(fā)展方向

（1）配電一二次設(shè)備深度融合

以提升配電裝備智能化水平，減少一二次設(shè)備采購(gòu)、組裝、聯(lián)調(diào)壓力，實(shí)現(xiàn)集約用地與景觀協(xié)調(diào)為目標(biāo)，進(jìn)一步研究和深化一二次設(shè)備融合技術(shù)?；谡纤枷氲某商组_(kāi)關(guān)一體化設(shè)計(jì)與融合技術(shù)，配送式標(biāo)準(zhǔn)化綜合配電臺(tái)區(qū)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣、狀態(tài)、動(dòng)環(huán)綜合感知的配電設(shè)備智能化技術(shù)。

（2）控制單元技術(shù)提升和深化應(yīng)用

研究標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、集成化制造工藝，結(jié)合工業(yè)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)優(yōu)化。研究終端與主站的自識(shí)別、自診斷的智能交互及監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制單元的即插即用。

（3）環(huán)網(wǎng)設(shè)備一二次融合成套

一二次設(shè)備深度融合，DTU分布式安裝。環(huán)網(wǎng)柜由環(huán)進(jìn)環(huán)出單元、饋線單元、供電與通信單元（含供電PT、后備電源、通信模塊）組成。各單元柜電源由供電與通信單元統(tǒng)一提供，三遙動(dòng)作性DTU安裝在各單元間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)本間隔的三遙、計(jì)量、相間與接地故障處理、通信功能，通信方式接入通信單元，由通信單元對(duì)上通信，DTU和通信模塊實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)可更換，支持熱插拔。

（4）為配電網(wǎng)精益化管理服務(wù)

一二次設(shè)備融合是實(shí)現(xiàn)配電一二次設(shè)備智能化的重要前提，并與配電自動(dòng)化和信息化等形成完整的科學(xué)技術(shù)體系，全面提升配電設(shè)備精益化管理水平。面向調(diào)度業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)重要配電設(shè)備和控制單元的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，做到可感知、可觀測(cè)、可控制。面向運(yùn)檢業(yè)務(wù)：實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備運(yùn)維流程電子化管理，做到日常巡視、檢測(cè)檢修、故障搶修的及時(shí)高效，并通過(guò)移動(dòng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同互動(dòng)。面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：通過(guò)一二次設(shè)備融合，在及時(shí)了解配電網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備健康水平的同時(shí)，為配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)造基礎(chǔ)和條件。

（二）直流配電網(wǎng)

1.直流配電的優(yōu)勢(shì)與主要問(wèn)題

（1）直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

直流配電網(wǎng)的供電容量大（供電半徑）；直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量高；直流配電網(wǎng)的線路損耗??；直流配電網(wǎng)能量傳輸效率高；直流配電網(wǎng)的可靠性強(qiáng)；節(jié)能降耗及直流配電到戶(hù)的可行性強(qiáng)；清潔能源及儲(chǔ)能設(shè)備的便捷接入。

（2）直流配電網(wǎng)主要問(wèn)題

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、短路容量增大；交直流能量變換損耗高；可控性靈活性差；雙向互動(dòng)、新能源支持能力差。

2.關(guān)鍵設(shè)備

（1）DC/DC變換器

DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)直流配網(wǎng)中不同地電壓等級(jí)直流設(shè)備間的互聯(lián)和控制。關(guān)鍵技術(shù)包括：合理的拓?fù)湫问剑∕MC形式、多重化Buck-Boost方式、中頻變壓器耦合方式、三點(diǎn)平方式）；合適的控制策略以提高變換器的連續(xù)性和靈活性；采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以減少變換器的開(kāi)關(guān)損耗，提高換流效率，抑制電磁干擾。

（2）控制系統(tǒng)

直流配電網(wǎng)可能涉及多個(gè)電壓層級(jí)，每個(gè)層級(jí)功能定位不同，因此，直流配電網(wǎng)的控制通常依據(jù)不同的電壓層級(jí)設(shè)置，不同電壓層級(jí)的控制器間通過(guò)信息交互實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。通常分層設(shè)計(jì)如下：

上層控制：實(shí)現(xiàn)各換流器間的參數(shù)設(shè)置，配網(wǎng)整體的監(jiān)控和優(yōu)化運(yùn)行。

中層控制：直流配電網(wǎng)包含大量AC/DC、DC/DC換流器，中層控制功能通過(guò)這些換流器實(shí)現(xiàn)，定電壓控制、定功率控制（定電流控制）、下垂控制。

底層控制：觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)與保護(hù)。

（3）直流斷路器

直流斷路器是直流系統(tǒng)中一種重要的開(kāi)關(guān)電器設(shè)備，它具有通斷直流回路的開(kāi)關(guān)功能和可靠切斷故障電流的保護(hù)功能，已廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電、地鐵牽引、船電系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前依然是制約中壓直流配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。直流斷路器主要分成三類(lèi)：機(jī)械直流斷路器，固態(tài)直流斷路器和混合直流斷路器。

隨著對(duì)直流斷路器的不斷研究，直流斷路器也遇到了很多技術(shù)難題，如：機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧以及分?jǐn)嗨俣葐?wèn)題；固態(tài)開(kāi)關(guān)串聯(lián)技術(shù)、并聯(lián)技術(shù)；提高斷路器可靠性；降低直流斷路器的投入費(fèi)用；快速檢測(cè)故障技術(shù)及快速可靠的控制技術(shù)等。

近幾年，隨著直流輸電的不斷發(fā)展，特別是基于電壓源換流器（VSC）多端口直流輸電的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械斷路器基本上不能滿(mǎn)足其要求，因此迫切需要一種能夠快速隔離故障電路，而且開(kāi)斷能力強(qiáng)，能夠重復(fù)使用的直流斷路器。

機(jī)械斷路器雖然開(kāi)斷能力強(qiáng)，但分?jǐn)嗑徛?，重?fù)操作能力較差，而且基本上沒(méi)有可擴(kuò)展（擴(kuò)容）能力。固態(tài)斷路器分?jǐn)嗨俣瓤?，可重?fù)操作使用，可擴(kuò)展性良好，但是通態(tài)損耗巨大，技術(shù)難度大，且目前多用于低壓場(chǎng)合，不能滿(mǎn)足直流輸電對(duì)其的能耗要求。混合直流斷路器正常工作時(shí)，電流流過(guò)機(jī)械斷路器，所以其通態(tài)損耗低，與機(jī)械斷路器相當(dāng)；發(fā)生短路故障時(shí)，流過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)的電流到固態(tài)斷路器，固態(tài)斷路器分?jǐn)嗨俣妊杆伲麄€(gè)混合直流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間小于10ms（有些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)小于6ms），能夠滿(mǎn)足目前直流輸電的要求，并且可擴(kuò)充容量，可重復(fù)操作，但是技術(shù)難度相對(duì)較大。近年來(lái)混合直流斷路器成為主要研究方向，被認(rèn)為是在直流輸電領(lǐng)域最有發(fā)展?jié)摿Φ臄嗦菲鳌?/p>

3.直流配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

直流配電網(wǎng)的發(fā)展與功能需求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。目前低壓直流配電的應(yīng)用獲得普遍認(rèn)可，中壓直流的發(fā)展與應(yīng)用模式尚處于探索過(guò)程中。近年來(lái)，得到快速發(fā)展的電力電子技術(shù)、信息與控制技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)為直流配電網(wǎng)的實(shí)施提供了有利保證。換流器效率的提升、故障與維護(hù)、多換流器協(xié)調(diào)控制、系統(tǒng)可靠性的提高等都需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化及運(yùn)行管理模式也是未來(lái)重要工作內(nèi)容。

（三）SF6替代氣體

SF6氣體作為一種限制排放的溫室氣體，在電力系統(tǒng)中減少、限制甚至禁止使用SF6氣體是未來(lái)電網(wǎng)裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前SF6氣體替代的主要研究方向有：用環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)；更高電壓等級(jí)真空技術(shù)；產(chǎn)品小型化，減少SF6氣體的使用量等。

（1）SF6混合氣體

近年來(lái)，關(guān)于SF6混合氣體的研究取得了一些進(jìn)展。目前來(lái)看，在各種SF6混合氣體中，SF6-N2最具工業(yè)應(yīng)用前景。研究表明，SF6含量為50%的SF6-N2混合氣體在均勻電場(chǎng)中的耐電強(qiáng)度能達(dá)到純SF6的 85%左右，由于混合氣體的優(yōu)異值比純SF6高，因此對(duì)電極表面缺陷及導(dǎo)電微粒的敏感度更低。ABB、西門(mén)子等公司已相繼開(kāi)發(fā)出了使用SF6-N2混合氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的斷路器。但是，在這些混合氣體中，SF6的含量仍然比較高（>30%），不能達(dá)到降低SF6排放的目的。

（2）全氟化碳類(lèi)氣體（PFC）

全氟化碳（PFC）是碳?xì)浠衔镏械臍湓颖环尤〈笮纬傻囊活?lèi)化合物。研究確認(rèn)八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SF6，絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于SF6；全氟丙烷（C3F8）氣體也是全氟碳化物的一種，20%的C3F8與80%的N2組成的混合氣體能有效降低GWP，且其絕緣強(qiáng)度接近于20%SF6-80%N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度。然而，c-C4F8和C3F8雖然表現(xiàn)出不俗的絕緣性能，但它們屬于全氟化碳類(lèi)氣體（PFCs），也是規(guī)定的全球限制使用的溫室氣體，并且這一類(lèi)氣體的沸點(diǎn)通常都較高，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性。

（3）CF3I氣體

三氟碘甲烷（CF3I）氣體是近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的一種環(huán)保型絕緣氣體。它無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、不燃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的油溶性和材料相容性，很強(qiáng)的電子吸附能力和絕緣強(qiáng)度。目前對(duì)CF3I絕緣性能的研究仍處于起步階段，需要全面摸清它在復(fù)雜電氣環(huán)境下的擊穿特性，明確哪種混合組元以及何種混合比例適用于電氣設(shè)備中作為絕緣介質(zhì)。

（4）g3氣體

2014年，法國(guó)阿爾斯通（ASTOM）從美國(guó)3M公司制冷劑目錄中篩選出了一種名為NovecTM4710的氣體。這種氣體的絕緣性能是同等條件下SF6的2.2倍以上，同時(shí)GWP又遠(yuǎn)低于SF6氣體。但同樣受困于液化溫度較高的問(wèn)題（沸點(diǎn)為-4.7℃），ALSTOM不得不將NovecTM4710與CO2混合使用?；旌虾髿怏w的絕緣性強(qiáng)度仍能達(dá)到同等條件下SF6的87%～96%，可以作為絕緣和滅弧介質(zhì)應(yīng)用于72kV以上電壓等級(jí)的斷路器中。

（5）常規(guī)氣體

空氣在自然界分布最廣最廉價(jià)，是應(yīng)用最廣的一種氣體電介質(zhì)，具有液化溫度低、擊穿后自愈、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。N2化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，呈惰性且不助燃，在電氣設(shè)備中是一種常用的氣體電介質(zhì)。近年來(lái)，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)企業(yè)在積極推進(jìn)以干燥壓縮空氣或N2為絕緣介質(zhì)的研究開(kāi)發(fā)，取得一定成績(jī)，相繼開(kāi)發(fā)出干燥空氣（或N2）的氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜、C-GIS等系列產(chǎn)品，并進(jìn)入市場(chǎng)成功運(yùn)行。

（6）高壓真空技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)高壓真空技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，相繼研制開(kāi)發(fā)出72.5kV、126kV單斷口真空滅弧室和真空斷路器，解決了長(zhǎng)真空間隙下?lián)舸╇妷猴柡?、高電壓大電流開(kāi)斷與大真空開(kāi)距關(guān)合觸頭熔焊等技術(shù)難題，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

三、開(kāi)關(guān)設(shè)備質(zhì)量情況

（一）開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行故障情況

近年隨著電網(wǎng)的飛速發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的產(chǎn)量逐年遞增，掛網(wǎng)運(yùn)行的產(chǎn)品種類(lèi)及數(shù)量也不斷加大，事故的頻數(shù)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。據(jù)某電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，12kV及以上站內(nèi)高壓開(kāi)關(guān)柜共發(fā)生22起故障，故障率為0.0160次/百面·年，較上年增加了0.0053次/百面·年。其中絕緣件、電聯(lián)件、保護(hù)插件及機(jī)構(gòu)的故障次數(shù)較多。

（二）開(kāi)關(guān)設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)情況

高壓開(kāi)關(guān)型式試驗(yàn)類(lèi)別主要包括絕緣試驗(yàn)、容量試驗(yàn)、機(jī)械試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等。其中，容量試驗(yàn)較其余類(lèi)別更加苛刻復(fù)雜，試驗(yàn)項(xiàng)目多種多樣，試驗(yàn)參數(shù)和要求各異。且由于其破壞性及受試驗(yàn)設(shè)備限制，一般廠家無(wú)法通過(guò)出廠試驗(yàn)檢測(cè)產(chǎn)品相關(guān)性能。

（1）高壓開(kāi)關(guān)型式試驗(yàn)失敗總體情況

根據(jù)國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心近7年對(duì)實(shí)施的高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的型式試驗(yàn)進(jìn)行的失敗次數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，高壓開(kāi)關(guān)類(lèi)產(chǎn)品試驗(yàn)故障率從高到低依次為容量試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)，機(jī)械壽命試驗(yàn)，絕緣試驗(yàn)。具體見(jiàn)表4。

表2 2020年主要產(chǎn)品產(chǎn)量預(yù)測(cè)

表3 故障率統(tǒng)計(jì)

表4 2014～2020年國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心統(tǒng)計(jì)的開(kāi)關(guān)設(shè)備試驗(yàn)情況

（2）按產(chǎn)品類(lèi)別容量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)不合格結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。從表5中可以看出，40.5kV及以下斷路器及其成套設(shè)備試驗(yàn)失敗項(xiàng)目主要集中于短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)（動(dòng)熱穩(wěn)定），T100s，T100a。對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由于試品原因?qū)е略囼?yàn)失敗共計(jì)580次，各種失敗項(xiàng)目所占比例見(jiàn)圖所示。

圖 40.5kV及以下斷路器及開(kāi)關(guān)設(shè)備容量試驗(yàn)失敗統(tǒng)計(jì)

表5 40.5kV及以下斷路器及成套設(shè)備容量試驗(yàn)失敗統(tǒng)計(jì)

（三）開(kāi)關(guān)設(shè)備容量試驗(yàn)問(wèn)題與原因分析

（1）短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流試驗(yàn)-金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（斷路器）

1）問(wèn)題描述：試驗(yàn)后主回路電阻的測(cè)量值與試前相比增加超過(guò)20%。

原因分析：短時(shí)耐受電流試驗(yàn)的發(fā)熱引起試驗(yàn)回路導(dǎo)電材料、固定連接電阻值的增加；短時(shí)耐受電流試驗(yàn)時(shí)使得接觸電阻增加或使接觸部位出現(xiàn)熔焊或燒蝕。

解決方案：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮導(dǎo)電材料本身的電阻、固定連接電阻和活動(dòng)連接的接觸電阻的變化，并在試驗(yàn)前對(duì)活動(dòng)連接部分進(jìn)行緊固。

2）問(wèn)題描述：用于金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中的斷路器試驗(yàn)時(shí)梅花觸指燒損。

原因分析：峰值耐受電流試驗(yàn)時(shí)的電動(dòng)力使得斷路器與開(kāi)關(guān)柜的導(dǎo)電連接部位出現(xiàn)分離現(xiàn)象；梅花觸指設(shè)計(jì)的短路承受能力不足；試驗(yàn)時(shí)斷路器與開(kāi)關(guān)柜的導(dǎo)電接觸部位連接不緊固。

解決方案：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮梅花觸指的短路承受能力；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電動(dòng)力對(duì)連接部位的影響；試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保斷路器與開(kāi)關(guān)柜的良好連接。

（2）短路電流關(guān)合/開(kāi)斷試驗(yàn)-金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（斷路器）

問(wèn)題描述：斷路器及其成套設(shè)備：短路試驗(yàn)、電壽命、異相、失步等方式不能開(kāi)斷、拒分、開(kāi)斷后工頻擊穿、對(duì)地閃絡(luò)、外閃漏氣、爆炸等。

解決方案：取決于真空滅弧室性能，試前核查開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械特性及外絕緣狀態(tài)。

（3）容性電流開(kāi)合試驗(yàn)-金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（斷路器）

問(wèn)題描述（CC、BC）：主要問(wèn)題是重?fù)舸?/p>

解決方案：取決于真空滅弧室性能，應(yīng)在試驗(yàn)前正確調(diào)整開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械特性。對(duì)滅弧室進(jìn)行老煉試驗(yàn)。

（4）內(nèi)部故障試驗(yàn)（中置柜）

問(wèn)題描述：試驗(yàn)后出現(xiàn)指示器被點(diǎn)燃、試品的外殼燒穿或開(kāi)裂、試品的門(mén)或蓋板打開(kāi)、試品的外殼無(wú)法可靠接地等現(xiàn)象均判定為試驗(yàn)失敗。

原因分析：開(kāi)關(guān)柜的整體強(qiáng)度不足，密封不嚴(yán)；被試隔室空間較?。ㄈ鐢嗦菲魇遥?；泄壓通道不暢或泄壓釋放速度過(guò)快。

解決方案：提高產(chǎn)品的材質(zhì)強(qiáng)度，如門(mén)及蓋板的厚度，螺釘?shù)臄?shù)量等；提高門(mén)鎖（把手）的強(qiáng)度，可增加適當(dāng)?shù)逆i扣；泄壓板可采用非緊固式螺釘（如尼龍扣）；采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的泄壓頂蓋，可使用 V型網(wǎng)板增加承壓，網(wǎng)板的厚度最好在 1.0mm 以上以確保強(qiáng)度。

（5）內(nèi)部故障試驗(yàn)（充氣柜）

問(wèn)題描述：試驗(yàn)后出現(xiàn)指示器被點(diǎn)燃、試品的外殼燒穿或開(kāi)裂、試品的門(mén)或蓋板打開(kāi)、試品的外殼無(wú)法可靠接地等現(xiàn)象均判定為試驗(yàn)失敗。兩相故障發(fā)展為三相故障判定為試驗(yàn)無(wú)效（需進(jìn)行三相試驗(yàn)）。

原因分析：氣箱的整體強(qiáng)度不足，密封不嚴(yán)；泄壓通道不暢或泄壓釋放速度過(guò)快；固體絕緣導(dǎo)體安裝不當(dāng)導(dǎo)致兩相發(fā)展為三相故障。

解決方案：提高產(chǎn)品焊接工藝，確保氣箱強(qiáng)度足夠，對(duì)于緊固件連接的箱體要安裝合適的密封條；合理設(shè)計(jì)防爆膜（板）；具有固體絕緣的隔室，應(yīng)確保其導(dǎo)線連接部分具有完全的絕緣形態(tài)；如電纜室，建議安裝完整的三相絕緣電纜并安裝好電纜支撐架防止電纜在試驗(yàn)中的擺動(dòng)，做好非短接相的絕緣包封。

（6）短路關(guān)合能力試驗(yàn)-負(fù)荷開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)（金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備、空氣絕緣）

問(wèn)題描述：試驗(yàn)時(shí)主要出現(xiàn)試品燒損、熔焊、試驗(yàn)后無(wú)法正常分閘及充氣隔室漏氣等現(xiàn)象。

原因分析：開(kāi)關(guān)短路關(guān)合能力的設(shè)計(jì)不足，機(jī)械特性調(diào)整不好。

解決方案：設(shè)置合理的關(guān)合速度，三相開(kāi)關(guān)試驗(yàn)前應(yīng)保證良好的同期性。應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性（速度、同期性、對(duì)中）、觸頭接觸力適當(dāng)調(diào)整，不盲目提高參數(shù)。

（7）100%有功負(fù)載電流，接地故障條件下電纜充電電流開(kāi)合試驗(yàn)-負(fù)荷開(kāi)關(guān)（金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備）

問(wèn)題描述：開(kāi)斷失敗，相間閃絡(luò)，開(kāi)斷后工頻擊穿。

解決方案：應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性（速度、同期性等）、觸頭接觸力適當(dāng)調(diào)整。

（8）開(kāi)合轉(zhuǎn)移電流試驗(yàn)-負(fù)荷開(kāi)關(guān)-熔斷器組合電器

問(wèn)題描述：轉(zhuǎn)移電流不能開(kāi)斷，相間閃絡(luò)。

解決方案：應(yīng)對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性（速度、同期性等）、觸頭接觸力適當(dāng)調(diào)整，不盲目提高參數(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)20年代，面對(duì)新冠疫情等多種不利因素的綜合影響，以西開(kāi)、平高、泰開(kāi)、西高院等為代表的高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)企業(yè)堅(jiān)持智能、綠色的科技發(fā)展理念，堅(jiān)持自主創(chuàng)新，將持續(xù)推進(jìn)和深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，主動(dòng)在能源革命的偉大變局中化危為機(jī)，為高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展而努力奮斗。