新形勢下高壓開關行業發展

中國電器工業協會高壓開關分會 趙永濤 倪鋒／

隨著我國經濟發展步入新常態，高壓開關行業從高速增長逐步轉為中速增長。“十三五”期間，高壓開關行業主要經濟指標增長平穩，年均增幅基本保持在5%左右；主要產品產量整體穩中有升。2020年，面對新冠肺炎疫情的巨大沖擊，高壓開關行業堅持戰疫情、保生產、促發展，預測2020年經濟運行總體與2019年度相差不大，產品產量繼續保持上升趨勢。

2021年是“十四五”的開局之年，高壓開關行業面臨重要發展機遇，預計行業的主要經濟指標增速將不低于5%；運行曲線前高后低。國家主干電網建設與改造、配網農網改造、新能源、城鎮化建設、軌道交通等將共同推動高壓開關行業進入新的更新換代周期，未來五年，我國高壓開關行業將進入一個機遇與挑戰并存時期，“轉型升級”成為關鍵。

一、行業經濟情況

（一）主要經濟指標

“十三五”期間，高壓開關行業產值、收入等主要經濟指標增長平穩，年均增幅基本保持在5%左右。但由于成本上升和價格競爭的影響，行業獲利水平前期下降較為明顯，2019年利潤實現大幅增長，初步扭轉了下降趨勢。

（1）工業總產值

2019年，高壓開關行業共實現工業總產值2411.34億元，較上年同比增長5.02%。“十三五”期間（2016～2019年，下同），年均增長率5.5%。

（2）出口交貨值

2019年，高壓開關行業實現出口交貨值71.33億元，較上年同比增長6.97%?！笆濉逼陂g，年均增長率6.7%。

（3）工業增加值

2019年，高壓開關行業實現工業增加值544.9億元，較上年同比增長3.67%?！笆濉逼陂g，年均增長率3.6%。

（4）主營業務收入

2019年，高壓開關行業實現主營業務收入2216.08億元，較上年同比增長4.05%?！笆濉逼陂g，年均增長率4.8%。

（5）利潤總額

“十三五”期間，高壓開關行業利潤總額年均降幅約2%。2019年，高壓開關行業利潤總額137.87億元，較上年同比增長16.77%，初步扭轉下降趨勢。

（6）資產總額

2019年末，高壓開關行業資產總額共計3275億元，較上年同比增長4.73%?！笆濉逼陂g，年均增長率9.97%。

（7）科技投入

2019年，高壓開關行業完成科技投入84.37億元，較上年同比增長23.13%?！笆濉逼陂g，年均增長率10.7%。

（二）主要產品產量

“十三五”期間，高壓開關行業主要產品產量整體穩中有升，前期產量波動較大，后期逐步企穩回升。2019年主要產品產量增長明顯，其中：GIS產量增長顯著，開關柜、真空斷路器產量基本保持平穩，SF6斷路器產量降速趨緩，隔離開關、接地開關產量均有不同程度增幅。

（1）72.5kV及以上電壓等級GIS

2019年，72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備產量18992間隔，較上年同比增長20.65%。“十三五”期間，年均增長率1.9%。

（2）SF6斷路器

2019年，72.5kV及以上電壓等級高壓SF6斷路器產量8330臺，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及以下電壓等級高壓真空斷路器產量89.24萬臺，較上年同比增長5.89%?！笆濉逼陂g，年均增長率5.7%。

（4）金屬封閉開關設備

2019年，40.5kV及以下電壓等級金屬封閉開關設備產量95.36萬面，較上年同比降低1.65%。“十三五”期間，年均增長率5.3%。

（5）隔離開關和接地開關

2019年，隔離開關產量39萬組，較上年同比增長8.33%?！笆濉逼陂g，年均增長率5.9%。接地開關產量29萬組，較上年同比增長16%?！笆濉逼陂g，年均增長率0.9%。

（6）預裝式變電站

2019年，預裝式變電站產量6.3萬臺，較上年同比增長5.7%?！笆濉逼陂g，年均增長率3.6%。

表1 2020年主要經濟指標預測

（三）2020年行業情況

2020年是“十三五”收官之年，在日益復雜嚴峻的國內外大環境下，又遭遇新冠肺炎疫情的巨大沖擊，在中央統籌推進疫情防控和各項政策措施的大力推動下，高壓開關行業堅持戰疫情、保生產、促發展，最大限度保障我國電力安全運行。根據對高壓開關行業重點企業調查，預測高壓開關行業2020年經濟運行總體情況與2019年偏差不大。

（四）2021年行業展望

2021年是“十四五”的開局之年，高壓開關行業面臨重要發展機遇。有利因素：一是構建新發展格局下貫徹新發展理念的頭一年必將激發新的增長積極性；二是新冠疫情在我國已被基本控制，對經濟的負面影響肯定將小于2020年；三是中央明確加大新型基礎設施投資力度、擴大制造業設備更新和技術改造投資，對電工行業帶動作用將在2021年集中體現；四是國家相關刺激措施和扶持政策將在2021年全面展開。不利因素：一是電工行業投資積極性尚未被激發起來；二是國際環境復雜，匯率飆升導致出口難增；三是產業升級仍需時間，遠水解不了近渴。綜上所述，預計2021年高壓開關行業的主要經濟指標將繼續保持平穩增長，增速將不低于5%；運行曲線將因2020年的對比基數前低后高而呈前高后低之勢。

以國家主干電網建設與改造奠定堅實基礎，以配網農網改造、新能源（分布式電源）的接入、充電設施的互聯互通、城鎮化建設、軌道交通等多個增長點共同推進，高壓開關行業將進入更新換代周期，產品升級換代的需求旺盛。隨著行業整體技術水平的不斷提升，未來五年，我國高壓開關行業將進入一個機遇與挑戰并存時期，“轉型升級”成為關鍵。

二、行業技術發展

為了滿足能源電氣化、綠色低碳和智能可靠的要求，高壓開關行業積極推進創新驅動戰略，通過自主創新、完善設計，不斷提高產品性能、質量和生產效率，實現產品的升級和高端化，使產品更加契合市場需求。

（一）一二次融合

2017年國家電網公司推出的《配電設備一二次融合技術方案》，總體思路是通過提高一二次設備融合標準化、集成化水平，提升配電設備運行水平、運維質量與效率，滿足線損管理的技術要求，服務配電網建設改造。

以此為背景，高壓開關行業積極推進相關研究，優先解決電子式互感器集成研發、二次終端設備電子式互感器信號接入、計量功能研發等迫切的問題，分階段推進柱上開關、環網柜等設備一二次融合。

1.關鍵技術

（1）智能控制單元

配置線損采集模塊，計算正反向有功電量和四象限無功電量、功率因數，具備計量數據凍結功能，包括日凍結、功率方向改變時的凍結數據。內設故障錄波裝置，支持上傳主站，數據包括電壓、電流、開關位置等，支持歷史數據遠程調閱，以文件方式上傳至配網主站。調閱日凍結電量、電能、功率、電壓、電流定點數據，電壓、電流日極值數。循環存儲、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，受環境影響小，無二次短路危險。

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，無二次開路危險，工藝簡單，精度高，無飽和，頻響范圍寬，線性度好，在系統故障狀態下可使保護裝置可靠動作。

（2）故障隔離與自愈技術

在遍歷算法的基礎上，實現配電網供電拓撲的圖形化智能識別，能發揮出較高的可視化、更為簡單的配置以及較強的擴展性特征，包括輻射型網絡、鏈式單環網、花瓣型網絡以及鏈式多環網等網絡拓撲形式，還有多聯絡、多電源、多T節的復雜網絡拓撲。區域型終端能夠完成區域內所有故障信息的收集與網絡拓撲活動實現所有單元配電終端GOOSE信息交互，判斷供電恢復策略。

（3）一二次設備接口的匹配及防護

一二次設備接口包括控制接口、通信接口、測量接口和擴展接口。需要保持通信規約、接口功能、擴展接口以及保護參數的標準化設計。進行接口功能的標準化設計時，重點進行接口尺寸定義、接口容量選擇以及接口電平匹配等相關內容的尺寸設計。通過三段電流保護、小電流接地、就地FA保護實現保護電流的標準化設計。

（4）環網一二次融合

一二次融合環網柜多由環進環出單元、饋線單元、母線設備（PT）單元、集中式DTU單元組成。所有環進環出單元、饋線單元的電源、電流、遙信、遙控等回路通過二次電纜匯總于DTU單元，母線設備單元的電源、電壓等回路通過二次電纜匯總于DTU單元。DTU單元整體實現三遙、計算、相間及接地故障處理、通信、二次供電等功能，計量采用獨立模塊，DTU核心單元通信采集計量數據。

2.發展方向

（1）配電一二次設備深度融合

以提升配電裝備智能化水平，減少一二次設備采購、組裝、聯調壓力，實現集約用地與景觀協調為目標，進一步研究和深化一二次設備融合技術?；谡纤枷氲某商组_關一體化設計與融合技術，配送式標準化綜合配電臺區關鍵技術，實現電氣、狀態、動環綜合感知的配電設備智能化技術。

（2）控制單元技術提升和深化應用

研究標準化、規范化、集成化制造工藝，結合工業級芯片實現性能升級優化。研究終端與主站的自識別、自診斷的智能交互及監測技術，實現控制單元的即插即用。

（3）環網設備一二次融合成套

一二次設備深度融合，DTU分布式安裝。環網柜由環進環出單元、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一提供，三遙動作性DTU安裝在各單元間隔內，實現本間隔的三遙、計量、相間與接地故障處理、通信功能，通信方式接入通信單元，由通信單元對上通信，DTU和通信模塊實現裝置級可更換，支持熱插拔。

（4）為配電網精益化管理服務

一二次設備融合是實現配電一二次設備智能化的重要前提，并與配電自動化和信息化等形成完整的科學技術體系，全面提升配電設備精益化管理水平。面向調度業務，實現對配電網運行狀況實時監控，對重要配電設備和控制單元的在線狀態監測，做到可感知、可觀測、可控制。面向運檢業務：實現一二次設備運維流程電子化管理，做到日常巡視、檢測檢修、故障搶修的及時高效，并通過移動作業實現協同互動。面向數據業務：通過一二次設備融合，在及時了解配電網運行的設備健康水平的同時，為配電網大數據應用創造基礎和條件。

（二）直流配電網

1.直流配電的優勢與主要問題

（1）直流配電網的優勢

直流配電網的供電容量大（供電半徑）；直流配電網的電能質量高；直流配電網的線路損耗?。恢绷髋潆娋W能量傳輸效率高；直流配電網的可靠性強；節能降耗及直流配電到戶的可行性強；清潔能源及儲能設備的便捷接入。

（2）直流配電網主要問題

電網結構復雜、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、新能源支持能力差。

2.關鍵設備

（1）DC/DC變換器

DC/DC變換器實現直流配網中不同地電壓等級直流設備間的互聯和控制。關鍵技術包括：合理的拓撲形式（MMC形式、多重化Buck-Boost方式、中頻變壓器耦合方式、三點平方式）；合適的控制策略以提高變換器的連續性和靈活性；采用軟開關技術以減少變換器的開關損耗，提高換流效率，抑制電磁干擾。

（2）控制系統

直流配電網可能涉及多個電壓層級，每個層級功能定位不同，因此，直流配電網的控制通常依據不同的電壓層級設置，不同電壓層級的控制器間通過信息交互實現互動。通常分層設計如下：

上層控制：實現各換流器間的參數設置，配網整體的監控和優化運行。

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

底層控制：觸發脈沖的產生與驅動、檢測與保護。

（3）直流斷路器

直流斷路器是直流系統中一種重要的開關電器設備，它具有通斷直流回路的開關功能和可靠切斷故障電流的保護功能，已廣泛應用于光伏發電、地鐵牽引、船電系統等領域。目前依然是制約中壓直流配電網發展的關鍵因素。直流斷路器主要分成三類：機械直流斷路器，固態直流斷路器和混合直流斷路器。

隨著對直流斷路器的不斷研究，直流斷路器也遇到了很多技術難題，如：機械開關燃弧以及分斷速度問題；固態開關串聯技術、并聯技術；提高斷路器可靠性；降低直流斷路器的投入費用；快速檢測故障技術及快速可靠的控制技術等。

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

機械斷路器雖然開斷能力強，但分斷緩慢，重復操作能力較差，而且基本上沒有可擴展（擴容）能力。固態斷路器分斷速度快，可重復操作使用，可擴展性良好，但是通態損耗巨大，技術難度大，且目前多用于低壓場合，不能滿足直流輸電對其的能耗要求?；旌现绷鲾嗦菲髡９ぷ鲿r，電流流過機械斷路器，所以其通態損耗低，與機械斷路器相當；發生短路故障時，流過機械開關的電流到固態斷路器，固態斷路器分斷速度迅速，整個混合直流斷路器分斷時間小于10ms（有些拓撲結構小于6ms），能夠滿足目前直流輸電的要求，并且可擴充容量，可重復操作，但是技術難度相對較大。近年來混合直流斷路器成為主要研究方向，被認為是在直流輸電領域最有發展潛力的斷路器。

3.直流配電網發展趨勢

直流配電網的發展與功能需求、技術經濟性密切相關。目前低壓直流配電的應用獲得普遍認可，中壓直流的發展與應用模式尚處于探索過程中。近年來，得到快速發展的電力電子技術、信息與控制技術、儲能技術為直流配電網的實施提供了有利保證。換流器效率的提升、故障與維護、多換流器協調控制、系統可靠性的提高等都需要進一步研究和發展。標準化及運行管理模式也是未來重要工作內容。

（三）SF6替代氣體

SF6氣體作為一種限制排放的溫室氣體，在電力系統中減少、限制甚至禁止使用SF6氣體是未來電網裝備發展的必然趨勢。目前SF6氣體替代的主要研究方向有：用環保型氣體絕緣介質；更高電壓等級真空技術；產品小型化，減少SF6氣體的使用量等。

（1）SF6混合氣體

近年來，關于SF6混合氣體的研究取得了一些進展。目前來看，在各種SF6混合氣體中，SF6-N2最具工業應用前景。研究表明，SF6含量為50%的SF6-N2混合氣體在均勻電場中的耐電強度能達到純SF6的 85%左右，由于混合氣體的優異值比純SF6高，因此對電極表面缺陷及導電微粒的敏感度更低。ABB、西門子等公司已相繼開發出了使用SF6-N2混合氣體作為滅弧和絕緣介質的斷路器。但是，在這些混合氣體中，SF6的含量仍然比較高（>30%），不能達到降低SF6排放的目的。

（2）全氟化碳類氣體（PFC）

全氟化碳（PFC）是碳氫化合物中的氫原子被氟原子取代后形成的一類化合物。研究確認八氟環丁烷（c-C4F8）對環境的影響遠遠小于SF6，絕緣強度遠高于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，且其絕緣強度接近于20%SF6-80%N2混合氣體的絕緣強度。然而，c-C4F8和C3F8雖然表現出不俗的絕緣性能，但它們屬于全氟化碳類氣體（PFCs），也是規定的全球限制使用的溫室氣體，并且這一類氣體的沸點通常都較高，在實際應用中存在很大的局限性。

（3）CF3I氣體

三氟碘甲烷（CF3I）氣體是近年來引起國內外廣泛關注的一種環保型絕緣氣體。它無色、無味、無嗅、不燃，化學性質穩定，具有良好的油溶性和材料相容性，很強的電子吸附能力和絕緣強度。目前對CF3I絕緣性能的研究仍處于起步階段，需要全面摸清它在復雜電氣環境下的擊穿特性，明確哪種混合組元以及何種混合比例適用于電氣設備中作為絕緣介質。

（4）g3氣體

2014年，法國阿爾斯通（ASTOM）從美國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GWP又遠低于SF6氣體。但同樣受困于液化溫度較高的問題（沸點為-4.7℃），ALSTOM不得不將NovecTM4710與CO2混合使用?；旌虾髿怏w的絕緣性強度仍能達到同等條件下SF6的87%～96%，可以作為絕緣和滅弧介質應用于72kV以上電壓等級的斷路器中。

（5）常規氣體

空氣在自然界分布最廣最廉價，是應用最廣的一種氣體電介質，具有液化溫度低、擊穿后自愈、物理化學性能穩定等優點。N2化學性質更穩定，呈惰性且不助燃，在電氣設備中是一種常用的氣體電介質。近年來，高壓開關行業企業在積極推進以干燥壓縮空氣或N2為絕緣介質的研究開發，取得一定成績，相繼開發出干燥空氣（或N2）的氣體絕緣環網柜、C-GIS等系列產品，并進入市場成功運行。

（6）高壓真空技術

近年來，我國高壓真空技術取得了長足進步，相繼研制開發出72.5kV、126kV單斷口真空滅弧室和真空斷路器，解決了長真空間隙下擊穿電壓飽和、高電壓大電流開斷與大真空開距關合觸頭熔焊等技術難題，達到國際領先水平。

三、開關設備質量情況

（一）開關設備運行故障情況

近年隨著電網的飛速發展，高壓開關設備的產量逐年遞增，掛網運行的產品種類及數量也不斷加大，事故的頻數出現上升趨勢。據某電網公司統計發現，12kV及以上站內高壓開關柜共發生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、電聯件、保護插件及機構的故障次數較多。

（二）開關設備質量檢測情況

高壓開關型式試驗類別主要包括絕緣試驗、容量試驗、機械試驗、溫升試驗、電磁兼容試驗等。其中，容量試驗較其余類別更加苛刻復雜，試驗項目多種多樣，試驗參數和要求各異。且由于其破壞性及受試驗設備限制，一般廠家無法通過出廠試驗檢測產品相關性能。

（1）高壓開關型式試驗失敗總體情況

根據國家高壓電器質量監督檢驗中心近7年對實施的高壓開關產品的型式試驗進行的失敗次數統計分析，高壓開關類產品試驗故障率從高到低依次為容量試驗，溫升試驗，機械壽命試驗，絕緣試驗。具體見表4。

表2 2020年主要產品產量預測

表3 故障率統計

表4 2014～2020年國家高壓電器質量監督檢驗中心統計的開關設備試驗情況

（2）按產品類別容量試驗結果統計分析

試驗不合格結果統計見表5。從表5中可以看出，40.5kV及以下斷路器及其成套設備試驗失敗項目主要集中于短時耐受電流和峰值耐受電流試驗（動熱穩定），T100s，T100a。對表2中數據進行統計，由于試品原因導致試驗失敗共計580次，各種失敗項目所占比例見圖所示。

圖 40.5kV及以下斷路器及開關設備容量試驗失敗統計

表5 40.5kV及以下斷路器及成套設備容量試驗失敗統計

（三）開關設備容量試驗問題與原因分析

（1）短時耐受電流和峰值耐受電流試驗-金屬封閉開關設備（斷路器）

1）問題描述：試驗后主回路電阻的測量值與試前相比增加超過20%。

原因分析：短時耐受電流試驗的發熱引起試驗回路導電材料、固定連接電阻值的增加；短時耐受電流試驗時使得接觸電阻增加或使接觸部位出現熔焊或燒蝕。

解決方案：設計時應充分考慮導電材料本身的電阻、固定連接電阻和活動連接的接觸電阻的變化，并在試驗前對活動連接部分進行緊固。

2）問題描述：用于金屬封閉開關設備中的斷路器試驗時梅花觸指燒損。

原因分析：峰值耐受電流試驗時的電動力使得斷路器與開關柜的導電連接部位出現分離現象；梅花觸指設計的短路承受能力不足；試驗時斷路器與開關柜的導電接觸部位連接不緊固。

解決方案：設計時應充分考慮梅花觸指的短路承受能力；設計時應考慮電動力對連接部位的影響；試驗時應確保斷路器與開關柜的良好連接。

（2）短路電流關合/開斷試驗-金屬封閉開關設備（斷路器）

問題描述：斷路器及其成套設備：短路試驗、電壽命、異相、失步等方式不能開斷、拒分、開斷后工頻擊穿、對地閃絡、外閃漏氣、爆炸等。

解決方案：取決于真空滅弧室性能，試前核查開關設備機械特性及外絕緣狀態。

（3）容性電流開合試驗-金屬封閉開關設備（斷路器）

問題描述（CC、BC）：主要問題是重擊穿。

解決方案：取決于真空滅弧室性能，應在試驗前正確調整開關設備機械特性。對滅弧室進行老煉試驗。

（4）內部故障試驗（中置柜）

問題描述：試驗后出現指示器被點燃、試品的外殼燒穿或開裂、試品的門或蓋板打開、試品的外殼無法可靠接地等現象均判定為試驗失敗。

原因分析：開關柜的整體強度不足，密封不嚴；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快。

解決方案：提高產品的材質強度，如門及蓋板的厚度，螺釘的數量等；提高門鎖（把手）的強度，可增加適當的鎖扣；泄壓板可采用非緊固式螺釘（如尼龍扣）；采用標準化設計的泄壓頂蓋，可使用 V型網板增加承壓，網板的厚度最好在 1.0mm 以上以確保強度。

（5）內部故障試驗（充氣柜）

問題描述：試驗后出現指示器被點燃、試品的外殼燒穿或開裂、試品的門或蓋板打開、試品的外殼無法可靠接地等現象均判定為試驗失敗。兩相故障發展為三相故障判定為試驗無效（需進行三相試驗）。

原因分析：氣箱的整體強度不足，密封不嚴；泄壓通道不暢或泄壓釋放速度過快；固體絕緣導體安裝不當導致兩相發展為三相故障。

解決方案：提高產品焊接工藝，確保氣箱強度足夠，對于緊固件連接的箱體要安裝合適的密封條；合理設計防爆膜（板）；具有固體絕緣的隔室，應確保其導線連接部分具有完全的絕緣形態；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中的擺動，做好非短接相的絕緣包封。

（6）短路關合能力試驗-負荷開關、接地開關（金屬封閉開關設備、空氣絕緣）

問題描述：試驗時主要出現試品燒損、熔焊、試驗后無法正常分閘及充氣隔室漏氣等現象。

原因分析：開關短路關合能力的設計不足，機械特性調整不好。

解決方案：設置合理的關合速度，三相開關試驗前應保證良好的同期性。應對開關的機械特性（速度、同期性、對中）、觸頭接觸力適當調整，不盲目提高參數。

（7）100%有功負載電流，接地故障條件下電纜充電電流開合試驗-負荷開關（金屬封閉開關設備）

問題描述：開斷失敗，相間閃絡，開斷后工頻擊穿。

解決方案：應對開關的機械特性（速度、同期性等）、觸頭接觸力適當調整。

（8）開合轉移電流試驗-負荷開關-熔斷器組合電器

問題描述：轉移電流不能開斷，相間閃絡。

解決方案：應對負荷開關的機械特性（速度、同期性等）、觸頭接觸力適當調整，不盲目提高參數。

四、結束語

進入21世紀20年代，面對新冠疫情等多種不利因素的綜合影響，以西開、平高、泰開、西高院等為代表的高壓開關行業企業堅持智能、綠色的科技發展理念，堅持自主創新，將持續推進和深化產業結構調整，主動在能源革命的偉大變局中化危為機，為高壓開關行業高質量發展而努力奮斗。