高压开关设备的现状及应用.docx

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高压开关设备的现状及应用

高压电器开关设备的

现状及应用

一.前言

1.中国高压开关设备发展历程

2国内运行电压概况

二.高压电器开关设备的现状

1.高压电器开关发展的特点

2.高压电器开关的现状及水平

⑴.高压电器开关

a.断路器

b.隔离开关

c.接地开关）

⑶.互感器

⑷.避雷器

⑸.组合电器

a.户内手车敞开式组合电器

b.复合式组合电器

c.封闭式组合电器

三高压电器开关设备在电力系统的运行方式

1.单母线接线运行方式

2.单母线分段接线运行方式

3.3/2断路器接线运行方式

一.前言

1.中国高压开关设备发展的历程

国内高压电器开关设备发展总的来说经历了三个阶段：

a.起步、学习；

中国的高压电器开关设备的设计制造基本是从零开始的，因为没有技术、设备，更没有经验。

上世纪50年代初，是依靠当时苏联提供的技术资料以及设备，并在他们技术人员的帮助下开始了高压电器开关设备图纸、资料学习消化以及制造。

高压断路器设备是以少油断路器（SN1-10）、多油（DW1-35）及压缩空气断路器（KW1-110）为主，同时在西安开始建立高压电器试验基地，并且整机进口断路器及有关设备，开始了中国的高压电器开关制造、试验以及运行的初始阶段。

b.发展、自行设计、制造

60年代苏联技术人员撤离，我们全面开始了自行设计、研制及制造自己的高压电器开关设备。

在这期间首先研制出双断口110kV少油断路器（SW-系列）及空气断路器（KW-系列），而且容量及开断能力较苏联产品有了很大提高，完全满足了国内电力系统的发展和需要。

70年代为了适应国内经济形势的发展，充分利用黄河上游的水利资源西电东送，在甘肃刘家峡修建了国内最大的百万千瓦机组的水力发电厂，并以363kV电压等级向陕西、关中输送电力。

这就是在国内乃之世界上最具影响力的中国第一条363kV《刘家峡→天水→关中》输变电线路。

使用的开关设备全是国内制造，断路器选用的是KW4-363（西开）及KW5-363（沈开）型高压空气断路器，中国高压电器开关设备有了很大的发展。

同时少油断路器（SW6-系列）配用液压机构也从126kV发展到363kV，成为国内最具影响力的开关设备，几乎占领了整个国内开关设备市场，同时断路器出口到越南、巴基斯坦、阿尔巴尼亚等国家，成为国内最早出口开关设备的产品。

在这期间高压SF6断路器也在紧张的研制、发展，单断口126kV及双断口252kV/40kA高压SF6断路器的研制、投运成功，标志着中国已进入高压SF6断路器的先进行列。

C成熟，引进技术、开关设备快速发展

80年代更是输变电设备快速发展时期，80年代初国内自行设计、研制的开关设备KW4-550（西开）及KW5-550（沈开）型高压空气断路器，用于第一条550kV《元宝山→锦州→辽阳→海城》输变电线路并投运成功。

为我国开关设备从超高压向特高压发展以及电网运行积累了经验、奠定了基础。

改革开放年代又给中国输变电设备的发展增加了新的活力，引进、吸收、学习国外先进开关设备技术、加工设备以及先进的管理模式，已成为国内高压电器行业最急迫、自觉的举措和行动，必然带来了中国高压电器行业的繁荣与稳步发展。

●2005年我国第一条800kV《关亭（西宁）→兰州东》特高压

输变电线路投运成功，以及2008年我国第一条1100kV《元宝山→南阳→荆门》特高压输变电线路投运成功。

使得中国成为世界上为数不多的1100kV特高压输变电线路的国家〔美国、俄罗斯（已停运）、日本等〕，感到欣喜的是这些特高压输变电线路运行的设备有一部分是国产设备，其参数及性能已是世界先进水平。

现在第二条1100kV《淮南→上海》特高压输变电线路在投建中，有一部分开设备已运到安装现场。

●断路器灭弧室的结构也从双压式→单压式→自能式，现在世界上最先进的550kV单断口、双动自能式灭弧室结构正在研制中。

另外国内首创、智能化水平最高的敞开式GIS、复合式组合电器（即PASS）和252kV三相机械联动的断路器批量投产，这些标志着中国开关电器的研制、生产已进入世界大国的先进行列。

d．真空断路器的发展情况：

我国真空断路器的研制是从70年初开始的，那时在西安高压电器研究所成立了真空断路器研制小组，也就是后来的八室。

在此之前10kV使用的开关柜型号是GG1-A（苏联型号）为固定柜，配用的是少油断路器是SN1-10，这种断路器切合正常负荷电流还可以，但是要切合短路电流，特别是切合容性或感性小电流经常出现问题，甚至爆炸事故。

80年代初由于大功率晶体管的问世，逐渐代替了电子管，几个做电子管的大型企业逐渐转型，在八室的基础上开始了真空灭弧室的研制和生产，开始了国内真空断路器的生产。

但由于真空灭弧室的真空度、触头材质及形状等原因，质量较差，甚至出现切合容性或感性小电流截流过电压问题，引起爆炸事故，影响了真空断路器的发展速度。

90年代初制造厂更换制造设备、并且在触头材质及形状做了重大改进后真空灭弧室的质量有了很大提高，真空断路器才有了很大发展，并且对原有的少油断路器进行更新。

尤其是手车柜在国内投入使用，使得真空断路器有了飞跃式发展，而且现在35kV真空断路器也在普遍采用。

特别值得指出的是110kV的单断口真空断路器（额定电流2000A额定短路开断40kA）2012年已投入试运行，额定电流2500A的单断口真空断路器型式试验也快要完成。

我国真空断路器的水平已进入世界先进行列。

2.我国输变电线路运行电压概况

高压输变电线路运行电压分类，一般定义126kV及以下为高电压系统、252kV～550kV为超高电压系统、800kV以上为特高电压系统。

现将国内输变电线路运行电压介绍如下：

西北地区：

800kV→363kV→126kV→40.5kV→12kV

（注：

近期新疆、宁夏也已上550kV及252kV电压等级）

东北地区：

1100kV→550kV→252kV→72.5kV→12kV

（注：

有些企业也启用126kV及40.5kV电压等级）

其它地区：

1100kV→550→252kV→126kV→40.5kV→12kV

（注：

24kV已启用将逐渐代替12kV电压等级）

二.高压电器开关设备的现状

1当前高压电器开关发展的特点：

从总的形势看现在及以后高压电器发展方向的特点有三：

第一.高电压，远距离送电需要；

第二.大容量，适应电力系统发展；

第三.智能化，满足智能电网建设；

⑴.高电压，是远距离送电需要

高电压、远距离输送电力是客观存在及经济发展的需要。

因为资

源一般都远离经济发展地区，如华东、华南地区资源匮乏，但电力需求量又很大。

又如西南、华北地区水利、煤矿资源丰富、电力资源也很丰富，急需输送到经济发展地区。

电力资源的最大特点是不能储存，也就提出了远距离输送电力的问题？

远距离输送电力的关键是线路损耗，必须要超高压、特高压输送电力线路损才能最小。

这就需解决超高压、特高压系统的绝缘、过电压以及设备的制造等一系列课题。

现在高电压、远距离输送电力是衡量一个国家的经济实力及电力设备技术水平的重要标志，也是电力系统发展的方向。

我们国家输变电系统的运行电压发展到1100kV，已是世界领先水平，它是从363kV→550kV→800kV→1100kV，经过数十年努力、积累、发展成功的结果。

⑵.大容量，适应电力系统的发展

电力系统的容量就是系统输送电力的能力，它既取决于电力系统的建设和发展，同时也取决于终端用户的用电负荷。

近十年特别是改革开放以来，国内经济呈现跨跃式发展，用电量急剧增加，所以电力系统的容量必须同比增加，这就要求高压开关电器设备的容量，即通流能力和短路电流开断能力提高，以满足系统的需要。

现在国内断路器正常运行电流（额定电流）已做到5000A、短路开断电流达到63kA，基本满足目前电力系统的需要。

所以电力系统的发展，必然需要更大大容量、更大电流的高压开关电器设备是形势发展的需要。

⑶.智能化，满足智能电网建设；

智能电网建设已从企业行为上升为国家战略。

按照智能电网的要求对常规开关设备进行智能化的更新或改造，将是智能电网建设赋予设备制造企业的艰巨任务。

a.智能设备的含义

智能设备是指一次设备和智能组件的有机结合体，具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化的高压电器设备。

智能组件是指由若干智能电子装置及和组成，承担主设备的测量、控制和检测等基本功能。

在满足相关标准要求时，智能组件还可以承担相关计量、保护等功能，可包括测量、控制、状态检测、计量、保护等全部或部分装置。

b智能设备采用的方案

智能设备采用“高压开关设备+智能组件”的模式。

根据发展趋势有以下3种方案：

方案一独立运行的传统一次设备加上外置的智能组件，智能组

件单独组屏，安装于就地或保护小室，各功能元件可合并，可独立。

外置的智能与传统的一次设备构成一个松散的“智能设备”。

方案二.一次设备加上内嵌的包含状态检测单元的智能组件，再加上外置的一个或多个智能组件。

该方案是方案一与最终完全智能化设备方案之间的过度方案。

过渡阶段在线检测设备应融入高压设备中，主要是传感器的嵌入，可以反映高压设备的诊断信息，其余组件可视技术发展情况，部分并入高压设备，也可安装就地智能组件柜或保护小室中。

虽不能实现真正意义上的智能设备，但该方案仍体现了智能设备紧凑化、集成化的发展趋势。

方案三.一次设备加上内嵌的智能组件，形成真正意义上的紧凑型一体化智能设备。

随着技术发展，智能组件和一次设备进一步融合，一次设备可以集成的组件也越来月多，最终形成一体智能设备。

该方案是智能一次设备的最终发展趋势。

C国内智能开关设备的现状

近期建设的大多数变电站一次设备已实现智能化，现阶段主要采用“一次设备机构加外置智能组件”，即智能设备方案一，作为当前条件下的解决方案在工程中实际应用。

●断路器选相合闸装置已经在550kV变电站中启用。

（断路器分、合闸操作的瞬间，系统的相位角是随机的和不确定的。

就会在投切某些设备时如：

分、合空载变压器、电容器组及空载线路时，产生过电压和涌流。

不仅会对运行设备造成危害，而且会导致保护装置误动，严重威胁系统运行的安全、可靠、稳定性。

选相合闸装置可以运用精确的相位控制，实现对操作过电压和涌流的有效控制，）

●组合电器中将断路器、隔离开关及接地开关（采用三工位开关）、电子式互感器、避雷器组成一个整体的封闭单元，采用智能化传感器处理技术，通过数字通信实现对设备的在线监测、诊断、过称监视和站内计算机监控。

随着技术的不断进步，将最终实现智能设备解决方案三，即一次设备加上内嵌的智能组件，完成包括测量、控制、状态检测、计量、保护等全部功能。

2.高压电器设备现状及水平

⑴高压电器开关：

高压电器开关主要有断路器及隔离开关、接地开关；

断路器按绝缘介质分类，目前采用的主要是真空断路器（一般用于40.5kV以下电压等级。

72.5kV～126kV单断口真空断路器正在研制中）以及SF6断路器（主要用于72.5kV～1100kV电压等级）。

其它诸如空气（KW型）、少油（SW型）及多油（DW型）等断路器均已被淘汰。

a高压SF6断路器

定义：

以SF6气体做绝缘及灭弧介质的断路器

作用：

断路器在满足电力系统绝缘水平的情况下，关合正常的负

荷电流，关合短路故障电流，它是电力系统重要的控制和保护设备。

类型：

瓷柱式断路器及罐式断路器两种

电压等级：

72.5kV～1100kV

额定电流：

2500A～5000A

短路开断电流：

31.5kA～63kA

配用机构：

72.5kV～126kV配用弹簧操动机构

252kV～1100kV配用液压操动机构

（252kV一部分用弹簧操动机构）

操作方式：

72.5kV～126kV为三相机械联动操作

252kV配液压机构为三相机械联动操作

252kV配弹簧机构为单相及三相电气联动操作

363kV～1100kV为单相及三相电气联动操作

灭弧室结构：

单动自能式（已开始研制双动自能式）

断口数：

252kV及以下为单断口；550kV以上为双断口（已开始研制单断口双动自能式）；

从以上可以看出国内断路器的发展已达到世界先进或领先水平：

●电压等级已发展到550kV、800kV、1100kV，是世界先进水平：

●252kV三相机械联动操作断路器，也是世界先进水平：

●灭弧室结构双动自能式已在试验进行中，是世界先进水平：

●断口数550kV、800kV、1100kV均为双断口，特别是双断口800kV及1100kV罐式断路器在线路上运行，已达到世界领先水平；

下面以图片形式简单介绍断路器的一些情况

b隔离开关

是一种没有专门灭弧装置的开关设备，在分闸状态有明显可见断口，在合闸状态能可靠通过正常工作电流和短路故障电流。

类型:

以瓷柱分：

单柱式、双柱式、三柱式

以断口分：

水平断口、垂直断口

以带接地刀分：

不接地、单接地、双接地

（隔离开关的类型、种类很多不做详细介绍）

电压等级：

72.5kV～1100kV

额定电流：

2500A～5000A

短时耐受电流及时间：

31.5kA～63kA/3s

峰值耐受电流：

80kA～160kA

配用机构：

手动、电动

操作方式：

单相操作、三相机械联动操作

下面以图片形式简单介绍隔离开关的一些情况

C接地开关

是一种用于专门接地的开关设备，可装在隔离开关上联合使用，（即隔离开关打开后，接地开关才可以合闸接地；而接地开关合闸接地时，隔离开关不允许打开。

）也可以单独使用。

类型：

按极分：

有单极、双极、三极；（单极只用于中性点接地系统；

双极、三极用于中性点不接地系统）

按用途分：

分为维修用接地开关及快速接地开关；

维修用接地开关：

一般的维修用接地开关，如需要时可操动机构使之将回路接地，以保护人身安全；也能在规定的时间内承载短路电流。

快速接地（或故障接地）开关：

除具备维修用接地开关的功能外，还具备关合规定的短路电流的能力；而且能切合线路电磁感应电流和静电感应电流。

使用：

●维修用接地开关一般和隔离开关联合使用，并有连锁装置，安装在断路器两侧，有单接地或双接地之分。

●如图所示，快速接地开关通常装在降压变压器的高压侧，当电源向只有一个变压器的终端变电站供电时，在变压器故障的情况下，接地开关应自动关合，造成人为接地短路，迫使时断路器分闸，切断故障。

如果向几个终端变电站供电时，为了使一个变电站的故障不影响线路对其它变电站供电，快速接地开关应与快速隔离开关联合使用，当故障变电站发生故障，快速接地开关关合迫使时断路器开断后，其快速隔离开关立即分闸将故障故障变电站切除断开。

断路器进行的是自动重合闸操作，经过0.3S快速隔离开关分闸，断路器重新合闸其它变电站恢复供电。

电压等级：

72.5kV～1100kV

额定电流：

2500A～5000A

短时耐受电流：

31.5kA～63kA/2s

峰值耐受电流：

80kA～160kA

配用机构：

手动、电动

操作方式：

单相操作、三相机械联动操作

⑵互感器

在电力系统中，为了测量和继电保护的需要，必须使用互感器。

互感器的作用：

是把高电压和大电流按比例地变成把低电压和小电流，以便提供测量和继电保护所需信号；把电力系统处于高电位的部分与处于低电位的测量仪表和继电保护部分分开，以保护运行人员和设备的安全。

电力系统对互感器的要求：

互感器的一次和二次应有足够的绝

缘，而且二次线圈必须有一点可靠接地，必须满粗测量精度要求。

a总体介绍

分类：

分为电压互感器及电流互感器；

绝缘介质：

油浸式互感器、浇注式互感器（用于40.5kV以下）及SF6互感器；

结构：

应用电磁感应原理来变换信号称为电磁式互感器；在电

压互感器中还采用电容式分压器结构称为电容式电压互感器（用于126kV已上电压等级）；

用途：

分为测量用互感器及保护用互感器。

在互感器中允许电流和相位差的特性数字称为准确级允许电流和相位差的特性数字称为准确级，它是互感器性能的重要参数。

准确级：

又分为测量用准确级及保护用准确级。

●测量用准确级：

电流互感器的准确级分为0.1、0.2、0.5、1、3和5共6种；

电压互感器的准确级分为0.1、0.2、0.5、1和3共5种；

0.1和0.2级—用于实验室作精密测量或当作标准电流互感器；

0.5级—用于供电给瓦时计或瓦特表；

1级—用于一般工程测量；

3级—用于供电给次要电路中的仪表或过电流继电器；

（用于供电给装在开关电器手动操作机构中失压脱扣器的线圈；

5级—用于供电给装在开关电器手动操作机构中过电流脱扣器的线圈；

●保护用准确级：

电流互感器的准确级分为5P和10P共两种；

电压互感器的准确级分为3P和6P共两种；

互感器的一次和二次应有足够的绝缘，而且二次线圈必须有一点可靠接地。

b.电子式互感器目前水平

电子式互感器是适应智能化发展的需要。

而且全封闭组合电器及

户外型复合式组合电器也急需电子式互感器，现在已经得到全面发展，西开电子式互感器在550kVGIS以及126kV、252kV户外型复合式组合电器设备投运，标志着电子式互感器已满足智能化的要求。

现将户外瓷柱式电子式互感器产品的外形及参数介绍如下：

⑶避雷器

由于雷击或操作线路，电力系统中常会出现高于正常工作电压的过电压。

为了保护电力系统和电气设备的绝缘不受过电压的损坏，必须装设避雷器设备。

分为阀片式避雷器和氧化锌避雷器。

氧化锌避雷器内部根据需要可以充有不同压力的SF6气体。

极大的提高了设备运行的可靠性。

广泛用于电力系统的不同电压等级中，最高已用于800kV及1100kV。

⑷组合电器

将分散的电器元件，进行集中布置，达到易于管理，节省空间位置，缩小变电站的占地面积。

a户内手车敞开式组合电器

将SF6断路器放置在可移动小车上，配置有一次隔离插头及电流互感器称为手车敞开式组合电器（一般称做手车式断路器），并配套有保护测量手车（即电压互感器及避雷器手车）。

电压等级：

72.5kV～126kV

额定电流：

3150A

短路开断电流：

40kA

配用机构：

弹簧操动机构

操作方式：

三相机械联动操作

灭弧室结构：

自能式

手车式断路器

配电流互感手车式器断路器

电压互感器和避雷器保护手车

这种类型的组合电器是我国上世纪60～70年代，首先在东北72.5kV电压等级使用的手车式少油断路器，也是国内最早使用组合

电器的设备。

在80年代末采用手车式SF6断路器，并扩大到126kV电压等级，现在已发展到自动化采集信息、控制、保护、操作，可以做到无人值守。

b复合式组合电器（PASS）

类型：

设备的一次电器元件（不包括母线）集中布置于封闭接地的金属壳体内，壳体内充有SF6气体做为绝缘介质并带有敞开式检修接地开关的装置称做复合式组合电器。

（一般用于户外）

电压等级：

126kV～252kV

额定电流：

3150A～4000A

短路开断电流：

40kA～50kA

配用机构：

弹簧操动机构

操作方式：

三相机械联动操作

整体布置方式：

外接母线分相式

ZHW4-72.5/126复合式组合电器（双母线）结构：

ZHW4-72.5/126复合式组合电器（双母线）结构图

该复合式组合电器为自行研制，国内首创，已达到国际先进技术水平，目前国内还没有其它厂家生产。

复合式组合电器采用外接母线安装、检修方便。

隔离开关与接地开关集成在一起，组成了一个三工位开关，共用一个操动机构。

并且配置有电子式互感器、信号采集器、合并单元、智能单元来实现产品的数字化，智能化，做到变电站无人值守化。

进出线套管采用复合套管具有重量轻、抗裂抗暴、防污、免维护的特点。

与瓷质瓷套相比大大减轻了产品重量，安装方便，不易损坏。

也可根据用户不同需求选用污秽等级的瓷套。

CSF6气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）

设备的一次电器元件及母线集中布置于封闭接地的金属壳体内，壳体内充有SF6气体做为绝缘介质，称为SF6气体绝缘金属封闭式组合电器。

（可用于户内或户外）

●小型化126kVGIS

电压等级：

126/145kV

额定电流：

3150A

主母线电流：

4000A

短路开断电流：

40kA

配用机构：

弹簧操动机构

操作方式：

三相机械联动操作

整体布置方式：

三相共箱式结构（包括母线）

西开电气经过六年的努力终于研制成功缩小型126kVGIS，其质量将达到国际一流水平。

选用三工位隔离接地开关是小型化GIS结构改进的关键，并采用智能控制和保护，成为智能化开关设备。

主母线额定电流达到4000A，为国内唯一水平，国外厂家也少有

●252kVGIS

电压等级：

252kV

额定电流：

4000A

短路开断电流：

63kA

断口数：

单断口

配用机构：

弹簧或液压操动机构

操作方式：

三相机械联动操作（液压操动机构）

整体布置方式：

三相共箱、母线共箱或分箱式

252kVGIS配液压操动机构实现了三相机械联动操作，满足了变压器和发电机的出口保护设备的需要。

是252kVGIS产品技术上的一次飞跃，而电子式电压互感器（电容分压式）、电流互感器（罗科夫斯基线圈）的启用，实现了光缆通讯、数字化传输，可用于智能化控制和保护系统的需要。

使252kVGIS产品技术达到国际一流水平。

●363kV、GIS

海拔高度:

3000m

额定电压:

363kV

额定电流：

4000A

短路开断电流：

50kA（单断口）

63kA（双断口）

配用机构：

液压操动机构

操作方式：

分相操作

整体布置方式：

三相分箱式结构，主母线共箱

●550kV、GIS

海拔高度:

2000m;

额定电压:

550kV；

额定电流：

4000A/6300A

短路开断电流：

50kA（单断口），

63kA（双断口）

配用机构：

液压操动机构

操作方式：

分相操作

整体布置方式：

三相分箱式结构

550kVGIS的技术指标达到世界领先水平，单断口做到50kA，而双断口做到63kA，且直流分量时间常数为120ms,是国际唯一。

另外，额定电流为1.1×6300A，目前为世界最高。

●800kV、GIS

海拔高度:

3000m;

额定电压:

800kV；

额定电流：

5000A（断路器）

6300A（隔离开关、母线）；

短路开断电流：

50kA;

断口数：

双断口

2006年2月，LW13-800断路器通过了中国电机工程学会和中国机械工业联合会联合主持的技术鉴定，其结构设计和主要技术参数达到国际同类产品领先水平。

该产品的成功研制，填补了国内技术空白，使我国开关设备设计制造水平跨上了一个新的台阶；同时也为我国750kV电网建设提供经济可靠的设备保障。

兰州东750KV变电站二、三期，共5个间隔800kVGIS，及

甘肃永登750KV变电站共9个间隔800kVGIS，已投入运行。

●1100kV、GIS

现在1100kVGIS除断路器以外，其与元件已随800kVGIS完成了试验，而自主研发的双断口断路器也完成了样机制造和调试，即将进入西高所进行试验。

西开与ABB联合开发、合作制造为湖北荆门1000kV变电站提供1100kVHGIS，目前样机也已进入型式试验阶段，其断路器采用四断口结构，部分元件已发往国外试验室试验，大部分试验将在西高所进行。

三高压电器开关设备在变电站的作用

1.电力系统对高压电器开关的要求：

⑴可靠性要求高。

高压电器开关设备是电力系统的控制、保护设备。

如