我国高压断路器发展.docx
《我国高压断路器发展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《我国高压断路器发展.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
我国高压断路器发展
我国高压断路器的现状及发展趋势
0.引言
高压断路器又叫高压开关，具有足够的开断能力和灭弧能力，它不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且当系统发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，可以迅速地切除故障电流，以减少停电范围，防庄事故扩大，对于保证电力系统的安全运行，具有极其重要的意义
高压断路器经历了油断路器、压缩空气断路器、真空断路器,SF6断路器的演变。
SF6断路器在七十年代初被广泛采用，它是以六氟化硫作为灭弧介质，这种断路器的切断能力大，在自由开断情况下，其切断能力比其他断路器高10倍左右。
在电力系统的稳定和安全运行发挥着重要的作用，在经济效益和社会效益方面也具有非常重要的意义
1.SF6断路器的性能
SF6断路器是利用SF6气体为绝缘介质和灭弧介质的无油化开关设备，其绝缘性能和灭弧特性都大大高于油断路器。
六氟化硫断路器具有以下特点
1）灭弧能力强、介质强度高、单元断口耐压值高，因而在同一额定电压等级下，所需要的申联断口数减少，提高了产品的经济性能
2）电气寿命长。
50kA满容量连续开断可达19次，累计开断电流可达4200kA，检修周期长，适于频繁操作
3）开断性能好。
由于SF6气体的电负性，使之具有强烈的吸附自由电子的能力。
电离的等离子体扩散受到约束，从而使离子复合很有效。
开断电流大，已达80-100kA，甚而200kA,熄弧时间短，一般为5-15ms。
同时反相开断、近区故障、空载长线、空变等开断性能也好
4）绝缘性能高。
SF6绝缘强度约为空气的5-10倍
5）SF6气体是无色、无味、无毒的，不易燃烧，而且不易与其它物质发生反应的很稳定的气体。
另外当断路器断开时，被电弧加热所引起的压力升高极小，因此运行可靠，不会发生爆炸事故
2.高压SF6断路器的发展
2.1双压式SF6断路器
在断路器内设置两个SF6气体系统（高压系统与低压系统），只是在分闸过程，才通过控制吹气阀门使高压室流向低压室形成高压气流。
分断完毕，吹气阀门关闭。
其灭弧室原理是在高压室与低压室间有压气泵、管道相联，当高压室气压降低或低压室气压升高到一定限度时，压气泵启动，把低压室的SF。
气体打到高压室，形成气体的自动封闭循环系统。
2.2单压式SF。
断路器
单压式结构简单，适应环境温度范围广。
压气式也经历了一个发展过程:
从吹弧看，第一代单压式为单吹结构，开断电流小。
第二代单压式为双吹结构，开断电流增至（40-50kA），断口电压仍低，一般252kV产品为双断口。
第三代单压式为双吹结构并辅以热膨胀效应（混合灭弧）。
开断电流大，增至63kA，断口电压高，单断口可做到252kV,363kV,420kV甚至550kV
单压式的发展，从灭弧室看，采用了更小的压气活塞。
灭弧室活塞缩小带来的优点:
1）使产品开断过程的整个运动系统质量减小;
2）使产品的操作功率减小;
3）使产品的缓冲变得容易，机械寿命长
2.3自能式SF6断路器
自能式SF6断路器有两种灭弧原理:
热膨胀原理;旋弧原理。
目前绝大多数自能式断路器利用热膨胀原理。
自能式原理是利用电弧能量加热膨胀室的SF6气体，建立压力，形成气流，熄灭电弧。
但在开断小电流时，因电弧能量小，需要加一个小活塞压气，形成助吹。
由于操作功的大大减小，这样可采用结构简单的弹簧操动机构。
目前热膨胀式已发展到第二代。
第一代产品是通过减小灭弧所需压气能量而达到减少操作功的效果。
压气活塞直径是按开断30%最大故障电流设计的，而且运动质量也小，这就减小了操作功。
第二代产品更加完善热膨胀效应，提高开断性能，既改善了开断容性电流，又进一步减小了操作功
2.4智能式SF6断路器
现代高压断路器现代化的又一个特点是断路器智能化，即由传统的机电系统发展成以计算机为核心的现代智能化系统。
当前对高压断路器在线检测内容有:
1）SF6气体;
2）操动机构系统;
3）脱扣器;
4）控制和辅助回路;
5）动力传动链
通过这此检测可发现90%以上的故障，在线检测可使断路器从定期检修变为实时状态检修
3.瓷柱式与罐式SF6断路器及其应用
我国最早应用SF6断路器，是在1970年东北电管局从国外引进了3台西门子公司生产的H-912型220KV双压瓷相式SF6断路器安装于沈阳虎石台一次变电站，如今运行良好。
高压六氟化硫断路器按照结构分为瓷相式与罐式两种，二者对比，它们都有各自的特点
1）瓷相式和罐式高压SF6断路器，它们均能满足高压大容量的要求。
瓷相式的灭弧室装在绝缘支相上，通过串联灭弧室，将它们安装在适当高度的绝缘支相上，便可获得任意的电压额定值。
绝缘支相现大多为瓷相，也出现了有机复合支相。
罐式的灭弧室安装在与地电位相连的金属罐体内。
高电压下，每相需要将多个灭弧室串联装在同一罐体内。
2）加装电流互感器。
从加装电流互感器方面看，瓷相式断路器处于劣势。
因为瓷相式的灭弧室安装在绝缘子内，位于绝缘支相顶上，电流互感器必须单独装在自身的绝缘支相上;而套管式电流互感器可装在罐式断路器的套管上。
在某些使用场合，断路器不需要带电流互感器，尤其在用作投切电容器组和并联电抗器的开关时。
在这里，瓷相式的价格只相当于罐式断路器的60%，且因采用多断口，能更好地耐受重击穿
3）外部耐压能力。
从外部耐压来看，瓷相式断路器灭弧室多个串联就能满足任一额定电压值，但外部绝缘耐受能力受其灭弧室自身长度的限制。
而罐式断路器只要能开发出为减少断口数而必要的耐受能力，就可制出绝缘套管。
因此罐式断路器已做到550kV/63kA单断口1100kV/50kA双断口。
4）SF6气体用量。
从SF6气体用量看，瓷相式优于罐式。
罐式断路器的用气量比瓷相式多得多
5）适应环境能力。
从适应环境角度看，大容积罐式断路器表现出其优势。
在罐式断路器可放入加热器，而瓷相式则不能
6）抗震能力。
从抗震角度看，罐式断路器远优于瓷相式。
因瓷相式断路器重心高导致抗震性差
7）价格比较。
从价格看，对同等容量而言，瓷相式断路器优于罐式。
一般来说，罐式断路器的价格比同等容量的瓷相式断路器加外置电流互感器（如SF6互感器）的价格还高出20%左右
我国电网建设正在快速向前发展。
一方面，表现在电网的建设投资已超过电源建设的投资，使电网与电源和谐发展，改善了过去那种“重发轻送不管用”的局面。
在电网建设中，不仅注重骨干电网，而且作为输配电的城市电网和农村电网也有了大发展，使电力能上网也能下网，以便供电给千千万万的用户。
另一方面，
随着电力的大发展，我国电网的电压已有中压、高压、超高压和特高压。
2009年1月6日，我国首条1000kV线路投运，这是世界上首条真正投入商业运行的最高电压线路。
同时，我国现已建有220kV及以上线路40多万km。
电网的大发展为高压开关设备制造业提供了千载难逢的发展机遇。
高压开关设备在线路中起控制和保护作用。
当线路运行时，随着高压开关的关合，强大的电力源源不断地流向用户，而当线路发生故障（如短路）时，
高压开关一马当先，立即切除故障，保障线路的安全。
因此，高压开关对线路的安全运行至关重要。
近20多年来，特别是改革开放以来，高压开关行业经历了辉煌的发展历程。
这从高压开关行业协会来看，会员单位从20年前的七八十家发展到今天的七八百家；高压开关行业的产值从20年前的25亿元发展到现在的1000多亿元；生产配套能力从20年前的几百万千瓦发展到现在的过亿千瓦；生产开发的产品从20年前的仿制和技术引进发展到现在自主创新的完全国产化；产品电压等级从高压上升到超高压和特高压。
如我国自主创新，开发出550kV单断口SF6
断路器和GIS、800kV双断口SF6断路器和GIS，合作和自主开发出1100kVGIS和H—GIS。
这些产品已达到世界先进水平。
“十一五”期间，高压开关行业各项经济指标均大幅增长，其中，工业总产值年均增长25.89%；利润总额年均增长20.43%。
产品产量增长显著，其中550kV气体绝缘金属封闭开关设备2010年产量较2005年增长3.3倍，年均增长66.1%；40.5kV交流金属开关设备2010年产量较2005年增长1.18倍，年均增长23.54%；12kV环网柜2010年产量较2005年增长81%，年均增长16.2%。
高压开关行业平稳快速增长，保障了国家重点工程建设的顺利实施，满足了电力发展和电网建设的需求，支持了国民经济的快速增长。
2010年，高压开关行业继续保持平稳较快增长，全年实现工业总产值1518.19亿元，比2009年增长13.24%。
由于受到国家宏观调控政策和电网投资下降等因素影响，增长速度较上年有所下降，较上年下降了3.78个百分点。
全年生产126kV及以上电压等级气体绝缘金属封闭开关设备12744间隔，生产126kV及以上电压等级高压SF6断路器8142台，生产各型金属封闭开关设备511476面。
高压开关设备是指用于发电、输电、配电和电能转换有关的开关电器。
习惯上将高压开关设备的额定电压细分为中压（3.6kV、7.2kV、12kV、24kV和40.5kV）、高电压（72.5kV、126kV和252kV）、超高压（363kV、500kV和800kV）及特高压（1100kV）等。
高压开关设备的额定电压高于线路对应的标称电压。
高压开关设备包括元器件和成套装置。
以下介绍我国最新自主研发的特高压和超高压及高电压典型产品。
1特高压大容量1100kV/6300A—63AGIS
我国1000kV晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范工程是我国第一个特高压输电工程，且是世界上第一个以特高压长期运行的特高压输电工程，于2009年1月6日正式投入运行。
该工程包括3站2线，起于山西省晋东南变电站，经河南省南阳开关站，止于湖北省荆门变电站。
1000kV晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范线路全长640km（含黄河和汉江两个大跨越工程），经过山西、河南和湖北三省九市。
我国特高压形成三纵三横一环网格局。
根据国家电网公司透露的特高压工程建设规划，到2015年，将建成“三华”（华北、华东和华中）特高压电网，形成“三纵三横一环网”，并将建成11回特高压直流输电工程。
按照该规划，未来5年特高压的投资规模将达到2700亿元。
2009年1月6日，我国首条晋东南—南阳—荆门1000kV特高压交流试验示范工程投入运行。
当时提供的1100kV特高压GIS（H—GIS）为与国外企业合作生产，其中西开电气与ABB公司、平高电气与东芝公司以及新沈高与日立公司合作。
当时产品的主要参数为1100kV/4000A—50kA。
为了满足国网公司后续特高压工程1100kV/6300A—63kA开关设备市场的需求，国内主要制造商自主对该参数特高压开关设备进行了研发。
如西开电气于2010年9月完成1100kV/6300A—63kA特高压开关设备研制。
又如平高电气特高压大容量开关设备也于2010年12月23日在中国高压电器监督检验中心通过了全部型式试验。
平高电气在晋东南特高压工程50kA百万伏级断路器的基础上，研制成功了63kA百万伏级双断口断路器。
在历时两年的研制过程中，先后攻克了6300A额定电流升级，63kA短路开断电流增容及双断口等关键技术。
新沈高自主研发出具有自主知识产权的1100kV/6300A—63kAGIS产品。
断路器采用四断口串联结构，用液压弹簧操动机构。
全部壳体采用铝合金材料，呈低位布置。
西开电气于2009年正式启动了1100kV/6300A—63AGIS的研制，在特高压试验示范工程原有的4000A/50kA设备基础上，研发了1100kV/6300A—63kA大容量开关设备。
以下对西开电气大容量GIS作一简介。
1100kV/6300A—63kAGIS采用整体分相式结构，由断路器、电流互感器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、充气套管、母线、电压互感器和避雷器等元件组成。
（1）断路器
1100kV断路器整体采用水平布置，中心高度为1.3m，便于操作、维护和检修。
灭弧室采用四断口串联结构，水平布置，每断口间带有并联电容器。
闭合电阻与灭弧室并联分列，处于一个单独的气室，并带有一个单独的闭合电阻开关。
闭合电阻开关是一个合分开关，采用了合后即分的设计原理。
每相断路器配用一台HMB—16型液压操动机构，机构与灭弧室采用直连结构，通过
传动机构驱动闭合电阻开关。
断路器灭弧室是在原有4000A/50kA技术基础上进行研发的，为了满足电流6300A的要求，通过反复优化导电结构，结合试验验证，使灭弧室额定电流达到了
6300A。
额定电流增容主要采取了以下措施。
1）对通流4000A产品的温升试验数据进行分析，计算分析出通流1.1×6300A可能会超标的部位，优化这些部位的导电结构。
2）触头连接部位通过增加触指片数量，导体采用高电导率的材料减少发热。
3）改善散热情况，如将静侧触指支撑分拆为两个零件，其中与静触头接触部分的材料由铸铝改为铜材，以改善导热、散热条件，降低设备温升。
（2）隔离开关
隔离开关分为带投切电阻和不带投切电阻两种。
不带投切电阻隔离开关为直角型隔离开关，配用电动机机构。
带投切电阻隔离开关采用立式布置，配用电动弹簧操动机构，设有500ΩVFT电阻。
两种结构的隔离开关均采用单相操作，三相间无传动装置，可根据需要设置观察窗，方便观察断口状态。
可与接地开关组合，也可单独使用。
壳体采用焊接结构。
两种隔离开关均具有开、合容性电流（有效值）2A，感性电流（有效值）1A及合母线转移1600A，转换电压400V的能力。
（3）接地开关、快速接地开关
接地开关、快速接地开关设计理念先进，零部件数量少，通用性强，生产组织极为方便。
接地开关配用电动机构，快速接地开关配用电动弹簧操动机构，可以与隔离开关配合使用，也可以与母线接头配合使用。
快速接地开关具有关合短路电流，以及开合静
电感应电流、电磁感应电流的能力。
采用铸铝壳体，结构简单，性能可靠。
快速接地开关具有开合电磁感应电流360A，电磁感应电压30kV，静电感应电流50A，静电感应电压180kV的能力。
额定短路关合能力171kA，2次。
（4）电流互感器
电流互感器采用电磁式原理，外置式结构，采用SF6气体绝缘，安装在断路器两侧。
互感器线圈采用环氧树脂半浇结构，整体结构紧凑，可靠性高。
（5）进出线套管
套管可选用瓷套管或复合套管，复合充气套管的导2800kV气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）生产800kVGIS的国内公司主要有西安西电开关电气有限公司（以下简称“西开电气”）、新东北（沈阳）高压开关有限责任公司（以下简称“新沈高”）、平高电气有限责任公司（以下简称“平高电气”）。
西开电气在消化吸收引进的550kVGIS技术基础上，自主创新，研发出了具有完全自主知识产权的800kVGIS，并于2007年5月在国内率先完成了整套型式试验；新沈高公司通过技术转让，分别引进韩国晓星公司的800kVGIS制造技术，并逐步国产化。
新沈高公司与韩国晓星公司合作为我国750kV试验示范线路提供了两间隔GIS设备，并已
投运。
后续750kV电网建设中，西开电气、新沈高及平高电气均有不同数量的订货。
2.1西开电气800kVGIS
西开电气于2006年3月开始自主研制800kVGIS，并于2007年5月完成了整套型式试验，2008年6月通过了中国机械工业联和会主持的技术鉴定，现已有22间隔的工程订货。
800kVGIS采用整体分组结构，由断路器、电流互感器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、充气套管、母线、电压互感器和避雷器等元件组成，除断路器外，其余元件均按1100kV电压等级进行设计，并分别按800kV和1100kV电压等级完成了绝缘试验。
800kVGIS用断路器，灭弧室为卧式布置，采用双断口结构，断口间带有并联电容及闭合电阻。
断路器配用大功率液压弹簧操动机构。
结构上采用模块集成化设计，无外接管路，以碟形弹簧为储能元件，
具有操作功率大，体积小，性能稳定等特点。
电流互感器采用电磁式原理，内置式结构，气体绝缘，安装在断路器两侧，互感器线圈采用整体环氧树脂浇注。
隔离开关采用立式布置，配用电动弹簧操动机构，并设有分、闭合电阻，可有效地抑制快速瞬态过电压（VFTO）。
接地开关分两种：
检修用接地开关，配用电动操动机构；快速接地开关，配用快速弹簧操动机构。
盆式绝缘子采用带金属法兰结构，可有效减小绝缘材料的承载应力，同时使接地连接更为可靠，产品外观简洁。
母线壳体采用铝合金焊接壳体，导体为铝管型材加工而成，导体连接采用插入式触头结构产品基本参数：
额定电压800kV，额定电流4000A，额定短路开断电流为50kA，额定峰值耐受电流为135kA，额定短路持续时间为2s，额定雷电冲击耐受电压为2100kV，额定操作冲击耐受电压为1550kV，额定短时工频耐受电压为960kV。
西开电气800kVGIS除断路器外其余部分均按照1100kV电压等级设计，有较大的裕度；并且在国家高压电器质量监督检验中心进行了整套型式试验，绝缘试验分别按800kV和1100kV电压等级进行了绝缘验证，对充气套管外绝缘进行了海拔3000m的修正验证；断路器具有很强的短路分断能力，可满足系统时间常数120ms条件下的短路分断要求，直流分量达81%。
型式试验表明该产品满足设计要求。
2.2平高电气ZF27—800型GIS
ZF27—800型GIS是河南平高电气有限责任公司为我国750kV电网建设自主研发成功的800kVGIS。
该产品于2005年研制，2007年4月通过全部试验，并于2007年10月通过国家级鉴定。
该产品由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、母线、电压互感器、避雷器、套管和汇控柜等组成。
ZF27—800型GIS元件总体呈一字形布置，其中断路器为双断口串联卧式布置，液压机构在断路器大罐体底部，电磁式电流互感器在其两侧。
该产品在研发过程中进行了灭弧室开断性能分析，优化了灭弧室的气流场、电场等；又进行了机械特性和强度分析，使之达到结构性能上的最优化；还进行了绝缘性能分析，优化元件内部电场，改善电场分布。
2.3新沈高ZF15—800型GIS
ZF15—800型GIS是新沈高公司自主开发的新产品，其性能优良，已销售11间隔。
主要技术参数和特点：
额定电流为5000A，母线额定电流为6300A，额定短路开断电流为50kA，断路器为双断口，配液压机构，铝外壳，适用于户外、低温和高海拔地区；标准模块化设计，结构紧凑灵活；1min工频耐压为960kV；雷电冲击耐压为2100V，操作冲击耐压为1550kV；隔离开关、接地开关、母线和电流互感器SF6气体额定最低功能压力仅为0.3MPa。
3550kV单断口罐式SF6断路器我国开发出拥有自主知识产权的550kV单断口罐式SF6断路器，这使我国成为继日本之后第二个拥有550kV单断口SF6断路器设计和制造技术的国家。
众所周知，现代高压断路器的发展趋向高电压、大容量和小型化。
550kV单断口SF6断路器的研制成功体现了高压SF6断路器技术的巨大进步。
550kV单断口SF6断路器的灭弧单元经历了四断口
—双断口—单断口。
单断口相比双断口SF6断路器，产品整体结构得到了简化，零部件数量及用气量大大减少，产品的运行可靠性和技术经济指标得到大幅度提高。
日本有这样的经验：
日本1976年550kV罐式断路器为四断口，到1993年减为单断口。
若以双断口与单断口作比较，双断口的断路器为100%，则单断口断路器的重量减至为70%，零部件数减至约70%，充气量减至约60%。
3.1西开电气500kV单断口罐式断路器
西开电气公司于1999年开始启动550kV单断口罐式SF6断路器的研制计划，1999年研制成功了363kV/500kA单断口SF6断路器，在此基础上，通过利用计算机解析技术对高电压、大容量断路器灭弧室进行了探索研究，开发出了我国首台550kV/50kA单断口断路器试验样机。
（1）主要技术参数和总体结构
额定电压550kV，额定电流4000A，额定短路开断电流50kA，额定雷电冲击耐受电压1657kV，额定工频耐受电压680kV。
该断路器为交流50Hz户外型落地罐式开关设备，产品为分相式，操动机构挂于罐体的一端，电流互感器线圈置于套管下方，总体结构紧凑。
灭弧室为单断口结构，灭弧室零部件较双断口断路器减少约一半，简化了结构，提高了产品运行的可靠性。
每台为断路器配一定数量的电流互感器，断路器采用CQ—1型式气动弹簧操动机构，可实施分极操作，也可进行三极电气联动操作。
（2）550kV单断口断路器的技术要点通过提高额定气体压力，加大喷口喉部长度，增加大弧触头附近的气体密度以及降低弧触头端部电场强度等措施，使得开断速度与363kV/50kA单断口SF6断路
器相比提高了约30%。
另外，在断路器壳体内部设置了内拐臂，使灭弧室的动作行程相对于操动机构得到了加大，从而减小了可动侧的等价质量。
与双断口断路器相比，将额定SF6气体压力0.5MPa提高到0.6MPa，使绝缘性能提高约13%（额定压力下）和15.7%（闭锁压力下），从而增大了弧触头附近的气体密度，有利于提高断口间绝缘的恢复特性。
3.2平高LW55—550/Y4000单断口罐式SF6断路器
LW55—550/Y4000型罐式SF6断路器是河南平高电气股份有限公司借鉴国内外先进技术自主设计开发的产品。
产品包括断路器、电流互感器和充气套管。
采用SF6气体作为灭弧和绝缘介质，灭弧室为单断口，采用单压式变开距结构。
LW55—550/Y4000型罐式SF6断路器整台产品由三个独立操作的极组成。
断路器为单断口，水平布置在罐内；配用液压操动机构，操动机构放置在金属罐体一端。
断路器操作方式为分极操作，可以进行单极通断操作和自动重闭合操作，也可通过电气三极联运操作，配用的液压机构为集成块式、大功率液压操动机构，液压管路全部内置，无渗漏。
采用了贝林格公司提供的阀系统（包括一级阀和二级阀），保证液压系统的安全可靠操作。
4126kV气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）技术的进步
126kVGIS在我国发展迅猛，产最多，用量大。
据统计，2010年126kVGIS产量为9272间隔，较2009年增长率为24.76%，较2009年提高了16.44%，超过了GCB（断路器）的产量，占全部电压等级产量的70%左右126kVGIS在我国的发展分为三个阶段，三相分筒式、三相共筒式以及智能化型。
分筒式阶段：
诞生于20世纪七八十年代，参数做到额定电流2000～3150A，短路开断电流31.5～40kA。
间隔宽度普遍在1.8m左右，后又做到1.2m左右。
三相共筒式阶段：
诞生于20世纪90年代。
参数做到额定电流3150A，短路开断电流40kA。
三相共筒式分老产品和新产品。
老产品间隔宽度为1.2～1.4m，新产品小型化，间隔宽度最小为0.8m。
智能化型：
随着国家建设智能电网智能化型GIS应运而生。
它以先进的传感技术为支撑，以电子和计算机控制技术为理论支撑的智能检测分析判断功能，以网络通信技术为支撑的将GIS设备信息与变电站主控计算机信息连在一起的信息共享功能。
新一代三相共筒式设计是以小型化、标准模块化、工程布置方案灵活以及高可靠性为出发点，全面提升三相共筒型GIS的技术档次。
在新一代GIS中，采用三工位隔离接地组合开关呈直列式布置，灭弧技术从原来的压气原理提升
升级会员 