高压开关行业近年来发展状况及未来趋势

高压开关行业近年来发展状况及未来趋势

何利利

西安高压电器研究所

1 行业市场状况及趋势

1.1 行业近几年市场需求状况

据有关资料，全球输配电设备市场容量约420亿美圆，其中高压开关设备1998年达120亿美元，这些年来一直呈上升趋势而市场增长最快为发展中国家，中国是发展中国家中增长最快的市场之一，中国已成为国际第二大市场（1998年已近14亿美元）。因此高压开关设备市场发展看发展中国家，发展中国家看中国。中国从某种程度上代表着国际高压开关市场的发展。

国内电力工业发展是行业发展的“晴雨表”，从其发展不难窥透出行业发展。

一般增加电源和电网建设预示着用电的需要增加，也预示着输变送配电设备的需求增加，也预示着行业的发展。

这些年来，国民经济的高速发展迫使电力工业迅速发展，据相关资料统计，国内继发电总装机容量在1987年突破1亿kW，1995年3月突破2亿kW，1996年居世界第二位，2000年4月突破3亿kW的基础上，用4年时间于2004年5月底突破4亿kW，目前总装机排世界第二位。中国总装机容量1990-2003年发展如图1所示：

图1

近几年，由于国民经济的高速发展，2002年电力供需形势从“九五”末供应略有剩余转为供需紧张，造成相当程度的电力短缺，发电总装机增长明显低于用电量增长速度，因此为了适应经济发展，国家对电力工业“十五”发展规划作了进一步调整，电源建设从原来总装机容量到2005年的3.73亿kW调整到4.3亿kW。不仅如此，为了满足国民经济的发展和人民生活水平的提高，预计未来15年仍将增加5亿kW以上。

由于长期缺电造成的严重的“重发轻供不管用”倾向导致电网建设同电源建设不匹配，结果形成有电送不出，送出无法用的局面，因此从1998年开始进行了城乡电网建设与改造， 1998-2002年累计完成投资3878亿元，2002年电网项目投资1141亿元，占固定资产总投资的69.4%。从1999年开始，电网建设以“西电东送、南北互供，全国联网”为重点内容，全面加快了电网建设，全国联网项目相继投产，西电东送三大通道全面开工建设，各大区和省电网主干网架建设都在有序进行，西北

7

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

750kV输电工程业已启动。2003年国家发改委批复投资600亿元用于电网建设与改造，国家共批准新开工电站总规模为3111万kW，新投产电站项目规模超过3000万kW，发电设备生产超过3700万kW，比2002年增长74.49%，2003年进入中国电源建设市场的资金超过了2000亿元，接近2001、2002两年的投资总和。可预计今后电网建设仍将保持较高的发展速度，以彻底解决电源、电网建设的不匹配问题，解决电力短缺问题。

近几年电力工业的高速发展，带动了高压开关设备市场的发展，特别是2003年至今行业企业呈现出“热火朝天”的景象。

其他相关行业也在稳定发展，虽然受到从去年开始的国家宏观调控政策的影响，甚至对开关行业市场需求量有一定影响，但从某种程度上也减轻了高压开关行业供应能力不足的压力，对行业长期稳定发展有利。

1.2 国内产品市场的变化特点

1.2.1 总体市场容量继续增加

根据2003年国内高压开关行业年鉴统计显示，2003年行业各项主要经济指标均明显好于上年，工业总产值（现行价）增长25.11%，其中高压开关部分产值增长22.42%，工业增加值增长28.35%，销售收入增加28.81%，总利润增加32.18%，其中高压开关部分利润增长34.93%，全员劳动生产率增长26.93%。说明行业去年生产总体形势同市场形势吻合。近几年行业总体产量如图2所示。

图2

主要产品情况如下图3-4所示：

图3

图4

8

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

2003年行业主要产品的产量除12kVSF6断路器产量略有下降外，其他均增幅较大，如40.5、126kV SF6断路器产量增长率分别为45.4%、48.4%，12、40.5kV真空断路器产量增长率分别为50.4%、69.7%，12、40.5kV开关柜产量增长率分别为75.2%、32.4%，12kV箱变产量增长率为91.8%。总体市场容量较上年有显著增长。

以上显示，行业主要产品市场容量总体在不断上升，行业市场总体容量在持续增加、扩大，这与国家的宏观经济政策和经济强有力、高速发展是密不可分的，是我国电力工业持续高速发展，电网建设，三峡工程、农网改造、西部开发等一大批工程项目为高压开关行业的进一步发展提供了广阔的空间和无限的机遇的结果。 1.2.2 向无油化方向发展

数据统计显示，近些年来，行业市场无油化开关市场比重也一直在不断提高，截止2003年底，各电压等级的无油化开关市场比重已到达97%以上，如图5所示。

图5

2003年12kV无油开关（主要指SF6和真空断路器）比重从2002年的99.54%提高到2003年的99.85%；40.5kV无油开关（主要指SF6和真空断路器）比重从2002年的95.59%提高到2003年的97.55%；126kV无油开关（主要指SF6断路器）比重从2002年的97.4%提高到2003年的98.6%，市场继续向无油化方向发展趋势明显。

图6

而油开关的产量总体呈下降态势，如图6所示。

截止2003年，252kV、126kV、40.5kV、12kV油开关市场总量分别为1台、58台、544台、323台，所占比重分别为0.13%、1.4%、2.45%、0.16%，油开关市场继续不断萎缩。 1.2.3 真空开关市场容量扩大，市场占有率提高

真空断路器市场主要集中在12～40.5kV中压领域，并占据绝对优势，如图3、图4所示，真空断路器市场容量总体上在扩大，从近年发展来看，其市场份额基本逐年增加，如图7所示。

9

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

图7

2003年无油化开关中的真空断路器市场容量，12kV从2002年的144044台增长到209358台，比重从2002年的92.3%提高到95.8%，40.5kV从2002年的13532台增长到21656台，比重从2002年的57.5%提高到62.2%，变化比较明显，市场容量继续扩大，市场占有率进一步提高。 1.2.4 预装式变电站需求增长显著

箱变市场发展如图3所示，一直保持增长态势，增长较快,增长率如图8所示，显示出良好的发展态势。

图8

1.2.5 12kV开关柜市场呈现快速增长趋势

如图4，总体市场容量呈上升增长态势，特别是近2年来，开关柜增长相对较快，年增长率如图9所示， 2003年，产品增长率高达75.2%。同国家基础建设和固定资产投资有关。

图9

1.2.6 高压SF6产品市场发展良好

如图3，高压产品整体市场容量呈增长趋势，具体产品近几年年增长率如图10所示。从2001年开始，SF6断路器增长较平稳，而GIS产品几乎每年都以成倍的速度增长，特别是252kVGIS，增幅连续2年遥遥领先。

10

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

图10

1.2.7 开关行业规模化程度不断提高

随着企业组织结构调整、资产重组和重大技术改造，扩大了企业的生产经营规模，提高了产品规模化生产和市场竞争能力。高压产品生产厂家少，集中度较高，有一定规模；中压主要产品产量形成一定规模的厂家在市场中的占有率如图11所示。图12—图19所示分别是几个主要产品的产量集中度曲线。

图11

图12 12kV真空断路器的集中度

图13 12kV开关柜的集中度

11

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

图14 12kV环网柜的集中度

图15 12kV箱变的集中度

以上数据统计显示，中压领域的几个主要产品生产企业产量已超过行业总产量的一半，同时产品生产的行业集中度也有所提高，产品趋于规模化生产。

在2000年以前由于电网投资的高速增长，高压开关行业有过一段高速发展时期，在城农网改造结束后有所减缓。但2002年下半年以来，全国电力需求快速增长以及电力行业开始实质性的体制改革，国家加大对电源以及电网建设投资力度，又为高压开关市场的再度快速发展奠定了基础。 总体来说，市场是稳中有升，发展状况良好。

1.3 市场发展趋势分析

1.3.1 高压开关市场将进一步快速平稳向前发展

为了满足国民经济发展的需要，今后国家电力工业将超常规发展，发展仍将重点突出结构调整和电网建设，解决好电源和电网的协调发展，及电力短缺问题。

电源建设步伐将加快。根据国家电力规划安排，2005年发电总装机容量将达到4.3亿KW，“十一五”期间平均年投产装机容量3300kW，到2010年总装机容量达到近6亿kW，2020年将达到9.5亿kW，电源建设速度之快是从未有过的。

电网建设力度必然加大。要解决电力同国民经济相适应问题及电力短缺问题，仅靠电源建设是远远不够的，电网建设必须同电源建设相匹配，因此我国电网建设仍将以“西电东送、南北互供，全国联网”为重点内容，并要加大技改力度。在“西电东送”的北、中、南三个通道及跨大区联网的建设中，直流输电不包括“十五”在建项目，2005年到2020年，输电线路建设有16条以上，其中“十一五”期间4条，平均今后每年要建成1条以上线路，再加上大区联网的3-4个背靠背直流工程，其规模之大在世界上也是不多见的。而城乡电网建设是一个长期行为，今后肯定要继续加大投资发展，以满足用电的需要和农村人口城市化政策的启动实施后市场需求增加的要求。

电力工业超常规发展必将进一步加快行业的发展。

当然其它相关领域或行业的稳定发展，今后必将会给行业企业带来可观的市场，如电气化铁道建12

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

设，“十五”期间投资3500亿元，需要126kV断路器750台，铁道断路器1500台，到2005年电气化铁道里程达2万公里，到2010年总里程将到2.6万公里以上，届时京沪、京哈、京广和陇海4条主干将全面电气化，并实现联网；横贯中国腹地的能源大动脉“西气东输”工程、“南水北调（东中西三条调水方案，调水量400亿立方米）”等项目实施也需要大量的电器设备。虽然有些相关行业今后仍将受到从去年开始的国家宏观调控政策的影响，会对开关行业市场需求量有一定影响，但从某种程度上使得需求“缓释”，同时也减轻了行业总体供应能力不足的压力，对行业长期稳定发展有利。

这些是行业平稳发展的基础和保证，必将进一步促进高压开关设备和行业市场的发展。 1.3.2 市场产品需求将更多样化

由于考虑投资、效益等一系列问题，目前用户在产品选型和使用方面也在发生变化，要求产品多样化，这种趋势今后将进一步加强，断路器和传统金属封闭开关设备（开关柜）一统天下的局面将不会存在了，如负荷开关、接触器、重合器、分段器、环网柜、预装式变电站、充气柜（C-GIS）等产品将得到充分使用，小型化、复合化（集成化、紧凑型）的产品（如COMPASS、PASS开关等）、直流开关成套设备使用量将继续增加，智能化、信息化开关设备将进一步得到推广和应用，其它与国际接轨的电压等级（如24、800kV）的开关设备市场也将有需求，高压开关市场将更加“绚丽多彩”，这是供、配电系统和产品综合性能考虑、市场发展日趋成熟和用户个性化的必然结果。 1.3.3 无油化趋势是市场的主流

无油化开关设备以其诸多优点“纵横天下”，这些年来其使用量和市场占有率一直在迅速增加，今后将依然如此。主要表现为高压、超高压断路器主要是向SF6断路器方向调整和发展，而随着SF6产品价格下降，油断路器产量越来越少，126kV真空断路器也将有所需求；40.5kV SF6开关和真空开关将并驾齐驱向前发展，真空开关占优，12kV产品将主要是向真空方向发展，比重仍将继续增加。这种市场发展趋势也是今后市场发展的主流。

1.3.4 高可靠性、少（免）维护型产品市场需求将急剧增加

不管是供电部门还是用电部门，追求供、配电系统及产品的可靠性，乃至系统和产品的少免维护性能，最大限度提高系统和产品的运行质量和供电质量，以满足用户的要求，并达到节省成本，提高经济效益的目的，这是用户和企业共同的目标，特别是在市场经济发展日趋完善、大陆市场国际化、经济全球化和市场意识、用户意识、质量意识、服务意识不断提高的今天，已尤为重要，因此高可靠性、少免维护型产品市场需求必将快速增长。

1.3.5 产品市场向信息化、智能化发展的进程将加快

二十一世纪是信息化时代，供、配电自动化（包括信息化和智能化）建设将是发展的重要内容，用户为了供、配电自动化、状态检修和适时维护（少维护），实现经济、可靠运行，对产品功能要求将越来越高，要求产品具备自动保护、自动调控、在线检测、监测、运行状态监视、自动传递、处理信息和受控操作或智能操作等功能，即将高新技术同传统技术相结合的信息化、智能化产品的市场需求将进一步扩大，今后产品市场向信息化、智能化方向发展的进程必将加快。更具体讲，在信息化、智能化高压开关设备中，数字化智能控制保护单元方面，应集保护、计量、控制、通讯、监测、记录(信息储存)于一体，如三菱公司的MA-EC设备配用的MCD-3A型集中控制显示装置和NSR-3型复合保护继电器等， ABB公司ZS1设备二次部分配用REF542（SCU）保护和控制单元，满足对设备的保护、控制、计算和显示等，可灵活编程、自动记录故障、开断电流值，计算断路器剩余寿命等；法国Schneider公司的MC set设备的智能系统中的Sepam保护监视装置等。智能化检测控制系统方面，应具有自诊断、监视、适时维护和趋势分析等功能，如ABB公司的Smart、Schneider公司MC set设备用智能系统（由传感器和Sepam保护监视装置组成的）等。作为具体产品，应发展类似ABB公司配有由三个独立的分相模块组成的CAT模块式电子装置的HPA型高压SF6断路器、在VD4基础上发展的VM1型中压真空断路器及H型中压SF6断路器等产品。 1.3.6 直流成套设备市场需求量将增长

13

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

“西电东送”和直流输电、直流联网等直流输电工程将相继启动，除在建项目外，“十一五”又有4条直流工程立项开工，考虑到远期可预见的工程，共有16个工程以上，必将带动直流成套设备市场的需求，将需要500kV及以上电压等级的直流换流阀、直流开关（MRTB、GRTS、NBS等）、直流电流和电压传感器（包括OCT、OVT）、直流滤波器及滤波电阻等直流开关成套设备，直流成套设备市场将增长。

1.3.7 低价位竞争依然是近几年市场竞争的法宝

国内高压开关市场这些年来，基本采取的都是低价位竞争策略，目前状况依然如此；国际市场一直成疲软态势，对国内产品出口有一定影响，国内市场竞争将更加激烈，将直接影响市场需求和价格；加入WTO后，境外企业将不断充分参与境内市场的竞争，市场竞争将更加激烈和残酷，价格战是必然结果；国内虽然正在开发附加值、技术含量高的产品，但近几年之内不会对价格提升有太大的作用。鉴于以上一些情况，市场产品价格近几年普遍意义上仍将保持低价位的局面。通过创新是改变低价竞争的关键。

2.行业开关产品、技术发展状况及趋势

近几年国内外公司为了提高其产品竞争力，从技术方面出发，主要围绕着产品的受控操作和智能化、小型化、高可靠、免维护、人机关系、环境适应性和提高经济性等方面做了卓有成效工作，同时产品参数、水平也得到了很大提高。

2.1 产品技术发展状况

2.1.1 高压产品

目前国外生产高压产品的主要公司有西门子、ABB、Alstom、三菱、东芝、日立等，国内主要是西开等20几个单位。

国际上，高压SF6断路器目前最高电压到800kV，额定电流最大到4000A，短路开断电流到63kA，其中日本东芝公司550kV产品额定电流已达8000A，ABB公司252kV产品短路开断电流达80kA；单断口耐压达550kV；自能灭弧产品达550kV、63kA，双断口，245kV为单断口、50kA；可智能控制。国内产品最高电压到550kV，双断口，额定电流最大到4000A，短路开断电流到63kA；单断口罐式363kV，4000A、50kA，单断口瓷柱252kV，4000A、50kA；自能灭弧产品达252kV、3150A、40kA，单断口。

国际上，GIS目前最高电压到1100kV，额定电流最大到8000A，短路开断电流到80kA，其中日本的东芝、三菱、日立公司产品已达1100kV、8000A、50kA；单断口耐压550kV；全共箱产品达到300kV，三相母线共筒550kV；自能灭弧产品达245kV； 126kV产品间宽最小800 mm，252kV产品间宽最小1200mm；可配智能化监控系统等。国内产品最高电压到550kV双断口，额定电流最大到8000A，短路开断电流到63kA；全共箱产品达到126kV，三相母线共筒363kV；自能灭弧产品达252kV、40kA；单断口耐压252kV；126kV产品间宽最小1200 mm（800 mm产品西高所正在研制中）；个别可配智能化监控系统等。

近些年行业技术方面的突出表现说明如下： ① 单断口耐压水平提高

单断口耐压提高，GCB和GIS灭弧室结构简单，零件数减少，体积减小，可取消断路器上的并联电容器等，可靠性相应提高，维护量减小，也更有利于开发更高电压等级的产品。目前国际上单断口耐压已达到550kV，压气式GCB短路开断电流达63kA，自能式GBC短路开断电流为50kA。如三菱550kV、63kA和ABB的LTB E型550kV、50kA单断口GBC产品。 14

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

国内目前单断口耐压最大是西开罐式断路器550kV， 自能灭弧断口最大是252kV，如西开LW25-252/4000-40、泰开LW30-252/3150-50、平开LW35-252/3150-40和西高所开发的LW-252/3150-40断路器。

②自能灭弧技术得到了提升和应用 自能技术可以达到减少压气反力、减轻运动部件质量和降低分闸速度的作用，达到降低操作功（双室结构可减50%）和提高可靠性的目的。

一代自能灭弧技术原理自1985年ABB率先开发成功以后，原理发展也是多种多样，有以三菱等为代表的压气+电弧堵塞增压原理、东芝等为代表的压气+弧区热气体导入压气室增压原理、西门子等为代表的热膨胀+辅助压气原理等，均配用轻型弹操机构，应用后使产品操作功减少、机械可靠性等得到了很大的提高，已应用到550kV50kA的GCB中，如ABB的LTB E型产品。

随着产品深入开发，国际公司在其第一代技术的基础上，附加其它灭弧技术形成了大家称之的二代自能灭弧技术，进一步减少操作功，提高开断性能和，并使其更加适用于更高电压等级，包括ALSTHOM公司的热膨胀+压气+助推原理、热膨胀+减少压气行程原理、旋弧+热膨胀+助吹原理、热膨胀+辅助压气+双动等结构，这些技术都在相应的GCB和GIS中得到了应用，并在电力系统中得到了使用，如西门子公司的3AP1-F1型、252kV、4000A、50kA，Alstom公司的GL311F/312F型126/145kV、3150A、40kA，GL316型420kV、4000A、50kA GCB和西高所开发的LW-252/3150-40GCB等。

③研制出更适合改进电网质量的断路器用新型操作机构

增加电网设备功能以适应改进电网质量和更好适应系统管理的要求，普通机械机构(气动、液压和弹簧式)在功能灵活性方面受到固有的限制。因此ABB以电网设计为基础，开发研制出了新的操动机构技术，即电子控制电机驱动（Motor Drive）机构。

机构原理是用一台电子控制的电机直接驱动断路器的操作轴，而电机的驱动由一些单元组成，由能量缓冲器通过逆变器供电；能量缓冲器由一组电解电容组成，通过充电单元充电；以微处理器为核心的控制单元负责速度的监控等；电机操作通过I/O接口来实现。电机为带永磁转子的三相无刷同步电机，带有求解器，可将转子角信息送入控制单元。

从2000年开始，该机构已经在145kV的瓷柱GCB（LTB）、PASS（M0）、GIS等产品上使用，并在意大利、瑞典和澳大利亚等国家电网中应用。

④ 智能、小型、紧凑型GIS研制成功

为了达到智能、小型、紧凑的目的，一般GIS中采用了以下技术：

z 从生产、安装、维护和管理角度出发，日本和欧洲公司对GCB、主母线、DS/ES、避雷器和电缆头进行了模块化设计，大大减少了组件数量，作到了GIS元件的标准化、模块化。

z 为了GIS紧凑布置和小型化，在126~252kV采用了全三相共箱结构，在363~550kV采用三相母线共箱结构；通常通过三工位开关，实现了隔离、接地开关复合和功能的集成。

z 为了减少所需操作功，提高可靠性，126~252kV采用了自能灭弧技术，在较高电压等级采用了自能与压气混合灭弧技术。

z 同步操作、状态监测诊断、操作故障的自动识别和新兴传感器应用，都使GIS智能化取得了很大进步。

主要产品有西门子的145kV、2500A、40kA 8DN8和245kV 8DN9型GIS，控制、监测由智能模块DBC实现，其中8DN8型GIS间宽800mm；ABB公司的145kV，2500A、40kA EXK-01型GIS，控制监测由SMART实现，间宽800mm和西高所正在开发的126kV智能化GIS等。

⑤ 在适应环境方面，真空技术得到进一步应用

SF6气体具有高的全球温暖化系数，可导致温室效应，因此从环境保护出发，需要减少其消耗和排放量，除了研究新的替代气体外，大家认为真空灭弧技术可能是最好的。

1979年日本研制出168kV双断口瓷柱式VCB并投入运行，开断能力40kA，但因造价高、尺寸

15

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

大，无法同单断口的GCB竞争。

但近几年世界各国都在力争向高电压等级的VCB迈进，并力争提高其经济性和实用化。主要要解决因尺寸变大带来的各种问题，如绝缘问题（绝缘技术、面积效应、真空沿面绝缘、老练、材料表面清洁处理）、灭弧室结构问题（屏蔽罩结构、纵磁场线圈布置）等。日本公司通过对灭弧室优化设计和采用纵磁场电极、温度分析、磁场分析和电场分析等设计技术，成功研制了145kV40kA真空灭弧室，并在此基础上开发成功尺寸小和价格同GCB相当、结构简单的145kV、2000A、40kA单断口VCB；据有关报道，世界上生产单断口230kV的VCB也已经接近成熟阶段。商品化的产品有日本明电舍170kV、2000A、31.5kA的VBK型产品。

国内北开开发成功ZW36-126/1600-40户外真空断路器，真空灭弧室为单断口，采用日本进口元件。

⑥ 高压组合电器取得进展

高压组合电器是将两种或以上的开关设备（断路器、隔离开关、互感器等），按电力系统接线要求组成一个有机的整体（模块单元）而各电器设备仍保持原有规定功能的一种组合装置，其是介于AIS和GIS之间的一种户外组合电器，新进展主要表现在将罐式断路器和GIS新技术同新兴传感、现代电子和通讯技术相结合，使其具有技术先进、运行可靠、智能、节省占地面积（节省占地50%左右）、运输方便、安装快捷、节能、环保等特点。

国外吸收AIS和GIS技术和多年来成功运行、维护经验，解决了GIS集成度过高的影响和AIS占地面积过大等问题，开发应用的新产品技术，额定电压达550kV，额定电流到4000A，短路开断电流到63kA。

主要代表性的产品有：ABB公司的意大利ADDA工厂生产的基于瓷柱断路器的紧凑型预制式145kV2500A40kACompass、基于瓷柱断路器LTB和HPL瑞典工厂产的紧凑型145~550 kV 3150~4000A40~63kACompact和基于罐式断路器瑞士工厂产的PASSSF6绝缘插接式开关系统，其中PASS M2额定电压到550kV，电流4000A，短路开断电流到63kA，采用三工位隔离开关和光电传感器等；西门子公司的145kV3150A40kAHIS高度集成组合电器；日本东芝公司145~252kV3150A40~50kA的TSMAIS复合型开关设备；日本三菱362~550kV4000A63kA的MITS信息化开关等。

国内西开、平高和北开有相应产品，最大参数为550kV、4000A、63kA，126kV产品水平较高。 2.1.2 中压产品

国际上生产中压开关设备公司较多，主要有西门子、ABB、Alstom、三菱、东芝、日立等，国内生产单位有几百家。

通过近些年发展，传统的中压开关设备，国内外技术、参数水平比较接近，但个别产品如真空断路器、灭弧室技术与国外基本同步；而在产品的可靠性、技术创新、智能化和前瞻性技术和产品研究方面差距较大，产品系统设计较欠缺，革命性的升级换代产品研究开发投入不足，面临风险较大。

近些年行业技术方面的突出表现说明如下： ① 成套设备技术有了新进展

近几年中压开关设备技术从整体讲，更强调整体解决方案，更强调系统开发。主要表现在： 考虑到小型化、轻量化、简单化，进行了合理的功能复合与集成；

考虑到设计、生产、维护成本的经济性，实行了合理的技术平台（含二次平台及接口）统一化和结构的模块化；

考虑应用的灵活性和适应性，实现了产品的系列化、模块化、组装化和快速安装；

考虑到环境适应性，在减少SF6气体使用量和气体替代方面做了很多工作，在选材上更趋向于可回收的材料。

考虑到发展和电网自动化和运行监控等，实施了更进一步的智能化。 16

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

z 空气绝缘开关设备中的技术创新

西门子公司新开发的空气绝缘的NXAIR系列开关柜配用专门开发的极柱移动式NXACT真空断路器手车组件，全部采用模块化结构；NXACT模块式真空断路器集开断、隔离、接地及连锁于一体；最大电压24kV，最大额定电流4000A，最大短路电流50kA，配有智能人机接口，控制保护选用SIPROTEC4综合测控保护单元。

ABB公司新开发的空气绝缘的AX1智能型小型化开关设备，额定电压到24kV，额定电流到3150A，短路开断电流到40kA， 24kV、1250A，产品外形650X2040X1050 mm。除了具有智能化的优点外，还具有结构紧凑、易于安装、运行可靠等特点。它摆脱了传统开关柜的局限性，由主回路单元、操动机构和控制单元、电缆室3部分组成，所有主回路部件设置于单独的主回路单元，形成一个封闭的功能单元，包括母线、断路器、三工位开关及电流电压传感器等，配有内部电弧快速灭弧装置，通过光传感器感知内部电弧。配有数字控制保护单元。

法国AREVA公司的空气绝缘的VISAX型铠装柜（Alstom公司），额定电压到24kV，额定电流到2500A，短路开断电流到40kA，24kV、1250A，产品宽度650mm。 三相纵向排列，最大的创新是断路器与旋转式隔离开关合二为一，形成一个断路器和隔离开关的双功能模块，母线和电缆之间的隔离功能通过双功能模块的旋转90度来实现，即通过断路器相柱的旋转实现隔离。

z C-GIS产品方面，重点研究集中在环境的适应性方面

自1997年12月在日本京都召开的地球变暖国际会议（COP3）上将SF6气体定为削减对象气体后，世界各国公司针对环保方面开发了许多不同产品。主要表现为在真空断路器应用的基础上减少SF6气体使用量和其它替代气体。

如三菱公司研制了世界首台HS-X型24kV干燥空气绝缘C-GIS；富士公司研制出了减少SF6用量的24kV C-GIS2000，使用干燥空气的24kV C-GIS2100；日立公司开发了减少SF6气体用量和干燥空气的产品。一般产品有ABB的ZX0-2系列、西门子的NXPLUS、8DC11系列、Alstom的WS、GMB系列产品等。

z 小型、轻量、环境协调型固体绝缘开关柜开发成功

解决SF6气体对环境影响，最好的是固体绝缘开关柜。东芝通过对绝缘浇注技术、绝缘技术和操动机构技术研究，开发成功24kV、1250A、25kA固体绝缘开关柜（SIS），其中断路器为固封极柱式真空断路器，隔离开关首次采用了真空绝缘的固封极柱式真空隔离开关（VDS），操动机构为对称永磁机构，包括VCB、VDS在内的主回路导体通过采用高性能环氧树脂浇注成型，这样省去了SF6气体，简化了主回路结构，并通过采用分相式及外层屏蔽，体积较C-GIS减少了40%，重量减小了55%，零部件数减少了52%，实现了小型、轻量，提高了抑制短路故障和防止触电等安全性。

z SF6环网柜从紧凑型环网配电单元转向可扩展的环网柜或多回路配电柜

由于不断开发出技术先进、性能优良的负荷开关、限流熔断器、电缆终端及附件，从而使环网柜或多回路配电柜结构更紧凑、更小型、功能更齐全、性能更完善、适应范围更广，加之计算机、传感、光纤通讯技术的迅速发展，使环网柜更小型化和智能化。主要表现为：

模块化设计，各单元模块可任意组合和扩展，适应范围广； 采用快速动作的灭弧器，可抑制内部电弧，防止爆炸； 同真空断路器组合，实现大容量控制保护要求。

如ABB公司SafePlus系列多回路柜，额定电压到24kV，额定电流630A，断路器短路开断电流16kA，间宽325mm，2~4个间隔组成1个密封单元，可扩展，配灭弧删片的三工位负荷开关，可配真空断路器及综合保护装置；西门子公司的SIMOSEC型、Alstom公司的FBX型多回路柜等都是这种产品。国内西高所正在组织开发此类产品。

② 真空断路器技术有了新的进展 z 固封极柱技术的研究应用

17

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

将真空灭弧室和断路器的相关导电元件同时嵌入到如环氧树脂这类很容易定型的固体绝缘介质中，形成断路器极柱的技术，这也是一种复合化的技术。一般真空灭弧室的外绝缘表面暴露在空气中，存在被污染的问题，结果要求陶瓷外壳长度足够，这不仅影响VCB的小型化，也影响产品的性能和可靠性。采用上述固体绝缘极柱技术避免了这些问题的发生，这样灭弧室可设计的相当短小，同时环氧树脂外壳可以保护真空灭弧室不受外界的灰尘、潮湿等因素的影响，且极柱结构简单，零件数减少，装配、安装简洁，时间和难度减少，有利于批量生产和降低成本，整体性能得到很大提高。1997年ABB利用此技术开发成功VM1免维护型VCB，近几年又成功的将此技术应用在VD4P型VCB上，额定电流4000A，短路开断电流达50kA。国内西高所联合兄弟单位开发成功此类产品，如ZN96系列产品（最大12kV、4000A、50kA），以及森源公司的VSm型产品等。

z 永磁机构技术应用

永磁机构是突破了传统意义上机构动作原理的新型断路器操动机构，它是电磁机构与永久磁铁（钕铁硼永磁材料）有机地结合体,通过永久磁铁产生的保持力使开关保持在合、分位置，无需任何传统的机械脱扣、锁扣装置，其输出特性可以设计得非常接近开关的负载特性。与弹簧机构相比零部件减少了60%以上,结构简单，成本低，而零部件的大幅减少则使开关的机械系统的可靠性大大提高,从而实现免维护运行。目前在结构原理分为单稳态和双稳态，双稳态又分为对称式（双线圈式）和非对称式（单线圈）两种结构形式。自1997年ABB在VM1中推出对称式技术以来，其12kV断路器开断电流已到40kA,50kA的产品不久将投放市场；ALSTOM公司使用非对称式结构，在其HVX型真空断路器中参数达17.5kV 25kA,24kV、20kA；德国TAVRIDA、日本三菱等公司也都开发了自己配永磁机构的VCB，额定电压到24kV，短路开断电流达40kA。国内配永磁机构的VCB，额定电压到12kV，短路开断电流达40kA，如森源公司的VSm型12kV真空断路器、西高所开发的ZW33-12/630-20柱上真空断路器等。触头材料工艺（CuCr25-30）

真空触头材料制备技术已从过去的浸绩法和混粉法发展到电弧熔炼和真空熔铸工艺。自耗电极电弧熔炼法是西门子公司倡导的一种工艺，原理是在薄壁铜管中装填适当比例的Cu粉和Cr粉，然后在真空炉中烧结成具有一定强度的棒，将棒作为直流电源的“-”极，同时将结晶器作为直流电源“+”极，在低压（约60V）、大电流（约2500A）的作用下产生电弧，高温融化（5000℃左右）并快速冷却的一种方法。真空熔铸法是依照自耗电极电弧熔炼法的原理发展的一种简单方法，原理是将Cu、Cr预烧结，原料在中频感应炉中高温融化（2000℃左右），高温熔炼同时辅以电磁搅拌，通过高温、高真空排气，然后完成真空浇铸，并通过快速冷却得到CuCr合金触头材料。这些工艺实现Cr颗粒的细微化、弥散化、均匀化和合金化，同时由于触头密度大幅度提高，含气量降低，C u量增加，导电率得到提高，截流值得到降低。对提高真空断路器的开断性能和小型化有利。

z 断路器和灭弧室功能复合化 就象集成电路和CPU一样，多元件及功能集成将是开关设备的小型化和提高经济性的必然结果。为了提供完整、简单化、小型化的解决方案，断路器开断功能同应用上其它功能复合集成，不仅表现在柱上开关上，在非柱上产品的研发中成为一种趋势，如法国AREVA公司、英国公司将真空断路器同隔离开关集成的产品；ABB公司开发的将测量、保护和开断功能于一体的新型真空断路器解决方案IN-CB，其在VM1断路器电极上安装Rogowski传感器，断路器上同时配有通讯断口、传统I/O接口和控制保护等。另一种开发成功的是日立公司基于多功能真空灭弧室的24kV、25kA、630A组合开关，显著特点是将断路器、隔离开关、接地开关功能集成到一个真空单元中，它利用一个有四工位的“合”、“分”、“隔离”、“接地”的运动电极实现了四个功能：关合、开断、隔离和接地，功能集成减少了零件数与尺寸，波纹管为新设计的适应于旋转运动的鼓形波纹管。 2.1.3 诞生了世界上开断容量最大的发电机保护断路器

ABB公司于2001年秋天完成了世界上开断容量最大的发电机保护断路器的开发工作，即HEC7/8型SF6断路器的研制工作，其额定短路开断电流在25.5kV下达到200kA。HEC7/8型SF6断路器开断18

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

电流在压力室内进行，熄灭电弧靠自能吹弧（热膨胀）+辅助压气原理。压气室结由两套触头系统组成，一套用于承载工作电流，一套为燃弧触头系统；而活塞同触头反方向运动，小电流靠活塞压气起作用；减压阀防止内部压力过大造成机械损坏。

国内，西高所研制成功的15kV/120kA发电机操作开关投入运行，北开研制成功了12kV、6300A、80kA发电机保护用真空断路器。

2.1.4 开发成功更高电压等级的高压真空接触器

接触器是一种高压控制电器，具有寿命长操作频繁等特点，自从1965年第一台真空接触器在英国诞生以来，高压真空接触器额定参数到上世纪发展到7.2kV800A，12kV，450A；2002年，国内西高所研制成功12kV630A产品。

最近几年由于磁悬高速浮列车上的需要，西门子公司开发成功了3TL71型24kV的高压真空接触器，电磁电保持操动机构，上下布置方式，并已得到应用。其额定参数为：12kV，800A，机械寿命100万次，额定关合能力4500A，额定开断电流3600A，最大允许短路开断电流7kA，短时耐受电流8kA，容性开断电流200A。灭弧室用触头材料CuCr。

国内无锡蓝虹研制成功40.5kV/630A单相真空接触器。 据说国际上有公司正在研制三相40.5kV高压真空接触器。 2.1.5真空负荷开关有了新的发展

这几年负荷开关最大的进步主要表现在真空负荷开关，特别是发展真空负荷隔离开关，且电压已发展到40.5kV，实现了同隔离，甚至接地功能复合，经济实用性更强。

真空负荷隔离开关一般有串联固定、串联移动、并联固定和并联移动等形式。

串联固定式指真空灭弧室固定不动且同隔离可动部分串联形成主回路的结构，如西高所开发的FZN21-12。

串联移动式指真空灭弧室同隔离串联整体可动并形成主回路的结构，如德国AEG公司12kV、630A的XX型具有三工位的真空负荷开关，西高所开发的FZN20-12型真空负荷开关。

并联固定式指真空灭弧室固定不动且同隔离可动部分并联形成主回路的辅助回路的结构，如美国Joslyn公司VBM型，德国Driescher公司Fla15型真空负荷隔离开关，其额定电压12~40.5kV，最大额定电流630A，和西高所开发的ZFW-40.5/630户外真空负荷隔离开关。

并联移动式指真空灭弧室同隔离并联整体可动并形成主回路的的辅助回路的结构，如德国P&T公司12~24kV、630A LTV型产品。

2.1.6 具有前瞻性的高温超导限流器技术进一步发展

自1986年发现高温超导体（有铋系和铱系）以来，世界范围内开展了其在电力工业中应用研究。1988年美国开始进行故障电流限制器，1995年研制成功第一台2.4kV/2.2kA/80A的超导限流器并通过了36个星期试运行，限流效果不错，限流器技术有了新的发展。超导限流器（SFCL）主要是利用超导态向电阻态(常态)的转变特性来限制短路电流的，即在系统正常运行状态下，其超导材料处于超导态，呈现无阻态，当系统故障等原因出现过流，其值大于临界电流时，超导体从超导态转为电阻态，从而限制了短路电流，如在目前6类超导限流器中的电阻式、电感式、磁屏蔽式和混合式中的一些超导限流器；当然也有限流过程超导器件不出现失超的形式的限流器，如饱和电抗器式、整流式和混合式中的一些超导限流器等。

超导限流器可解决断路器开断容量不足的问题，可降低相关电器设备的机械、热等技术指标，降低成本，改善提高电力系统静态和动态稳定性，使电网安全稳定运行。

在超导限流器应用研究方面，目前美国、日本、德国等公司在研究开发和应用等方面进行了卓有成效的工作，处于领先地位。目前进展情况如下：

电阻型：日本开发出使用YBCO薄膜的限流器，参数达到5.4kV/1kA；德国西门子公司完成了8kV/800A、7.2kV/100A试验（三相）；ABB完成了8kV/16kA/800A试验；Schneider完成了1kV/11kA

19

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

的试验。

磁屏蔽式：日本使用Bi2212薄膜完成了6.6kV/12.5kA/400A；ABB研制出10.5kV/60kA/70A产品（三相）。

电感式：日本使用Bi2223薄膜开发了6.6kV/12.5kA产品；美国开发了12.47kV/10kA的产品（三相）；ABB使用Bi2212薄膜开发1MVA产品已投入运行。

国内中科院电工所自1998年以来做了大量工作，提出了一种新型高温超导限流器工作原理，能克服桥路型、磁屏蔽型和电抗器型的缺点，同时又具备桥路型的优点，并于2002年3月研制成功一台400V/25A产品样机，同时完成了10.5kV/1.5kA有源型高温超导限流器的原理设计等。

2.2 产品技术发展趋势分析

综观近几年高压开关行业国内外产品技术发展和市场需求的变化特征，今后高压开关产品的发展趋势仍将表现在以下几个方面。

2.2.1 统一技术平台和整体解决方案

随着各种高压开关及相关技术发展到一定程度和用户需求多样化及追求投资经济性方面要求的提高，同时企业为了降低产品设计、生产和售后服务等成本，提高应对反应速度和服务质量，企业通过整合产品技术类型，采用模块化、组装化和系统设计开发，形成几类统一的技术平台，形成产品的系列化，提高产品的成套性等，为用户提供整体的解决方案必然是今后发展趋势。这是一种双赢的结果。

2.2.2 小型化、紧凑型

随着对经济性能的追求及资源稀缺因素影响，产品必将向小型化和紧凑型方向发展。企业可通过优化设计、选择小型化元件、提高断口耐压、元件和功能复合集成、新技术如光电传感器等应用，使产品结构紧凑，实现小型化，并从而达到减少体积、占地面积、低能耗、低材耗和提高可靠性等目的。 2.2.3 环境适应、协调和保护

环境污染依旧，保护环境长远。环境问题已成为广泛关注的问题。

我们的产品不仅要在这种环境中可靠运行，还要同四周环境配合，协调一致，同时要尽量减少或不对环境产生影响，包括空气污染、电磁污染和噪音污染和其它环境影响等。因此高压开关设备要尽量减少SF6气体、不可回收材料的用量和电磁辐射强度，开发洁净、环保材料和电器设备，如使用混合或干燥气体的C-GIS、固体绝缘开关柜和高压真空断路器等。 2.2.4 高可靠，少免维护

这是保证电力系统安全、设备安全、人身安全和供电质量，提高综合经济、质量和效率水平的重要保证。因此要加大对15—20年使用周期免维护产品的研究与开发，要在机械可靠性（30000以上次机械寿命、高的机械稳定性）、增长的电寿命、环境适应性能的提高(污秽,湿热,高海拔,盐雾,大气污染)、户外有机绝缘材料应用研究、金属防腐技术研究(导体 非导体)、电场和绝缘结构的精确设计（降低局放量）、限制开关动作产生的过电压（低重燃概率断路器研发）、提高开关设备用电子装置的抗扰能力和稳定性等方面开展工作。 2.2.5 智能化

不管中压产品，还是高压产品，其智能化就是进行高压开关二次技术现代化,是将计算机技术同机械系统结合，使得系统有了“大脑”，再通过传感器采集信息，利用光纤或其它方式传导信息，使系统有了“知觉”，“大脑”根据“知觉”作出判断与决定，系统从而有了“知能”，达到设备的智能化，这样不仅可对高压开关设备进行在线检测、运行状态监视、分析和判断、控制和保护，也可实现设备的智能（受控）操作等。不仅要开发智能化单元，还要要开发适合智能测控的开关设备，其要有更高的操作可靠性和特性精度。在这方面，欧洲几大公司卓有成效，都有自己的现代二次控制装置，如ABB20

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

公司、西门子公司、A&D公司及Alsthom公司等，如ABB公司Smart产品就具有自诊断、监视、适时维护和趋势分析等功能。 2.2.6 经济型

经济型指一次性成本和长期使用成本较低的开关设备，如H-GIS、简化GIS等设备，这是用户多样性选择和经济考虑的结果。 2.2.7 最佳人机关系

最佳的人机关系就是设备从视觉上有美感，知觉上感觉操作、维护、管理简便、安全可靠，减轻人员工作量，能很好地实现人机对话与操作等。如产品能现场快速安装、插入联接，能确保环境和人身安全，具有免维护，能通过自动状态检测等功能帮助人们处理问题等，此趋势同智能化、高可靠和少免维护、环保等趋势相关联。

根据目前市场趋势和技术发展的水平，今后产品重点研究焦点将体现在以下几个方面： z 智能化开关设备：受控开关、有状态监测、智能判断功能的开关设备等

z 二次及控保技术：在线检测技术、传感技术、统一通讯协议及平台创建、控保设备等

z 环保、节能、降耗、经济型开关装置：固体开关柜、72.5kV ~252kV真空断路器；小型化、紧凑型、复合化开关设备等

z 无功功率补偿装置：SVC、TCSC

z 超高压和自能灭弧开关设备：550-800kVSF6断路器和GIS

z

超导开关：超导限流器

3 国内外产品技术的差距及思考

国内行业产品技术同国外的直接差距主要表现在以下几个方面： z 技术含量高的高压开关设备（高压、中压） z 系统设计、开发 z 智能化

z 二次及控制技术 z 功率补偿技术 z 前瞻性技术等。

实际上造成国内同国外产品技术差距的原因是多方面的，最根本的问题是创新能力问题，主要受到以下几个方面的制约：

① 未建成良好的创新体制 ② 缺乏创新人员 ③ 研究开发经费不足

根据行业统计，近几年行业投入研发经费如图16所示，研发经费占销售收入情况如图17所示。

图16 研发费用投入

21

中国电机工程学会高电压专业委员会2004年学术会议论文

图17 研发费用占销售收入比重

从上面统计情况可看出，整个行业的研发经费一直在上升，也一直在销售收入的3%左右变动，但行业总费用不高，整个行业投入经费同国际上大公司比仍显不足；就各个单位而言，由于销售收入总量较小，投入经费就更显不足，无法同国外公司相提并论，这是技术创新能力不强的一个最根本性问题。

依个人之见，要解决经费不足问题，单靠企业自己将很难，可考虑集中行业力量解决此类问题，过去那种行业集中资金、优势人员联合攻关可能是具有中国特色的最好方式。同时现在创新跨行业的合作将会更多，这种方式更应发挥作用。当然，这些工作需要政府支持、行业协会组织、归口所牵头来共同努力才行。

针对存在的差距，今后行业重点开发的产品主要可考虑如下： ① 高压产品 z 550kV单断口SF6断路器和252kV以上自能式SF6断路器 z 800kV双断口和550kV单断口GIS z 252kV及以上小型化、紧凑型共箱GIS z 72.5kV ~252kV真空断路器 z H-GIS或简化GIS ② 中压产品

z 多功能、复合型中压真空断路器

z 高精度和稳定性的智能化设备和受控开关 z 小型化固体绝缘开关设备

z 可扩展的充气开关系统（C-GIS、环网柜或多回路配电柜） z 超导限流器 ③ 二次及控保技术

在线检测技术、传感技术、统一通讯协议及平台创建、控保设备等。

22