電力系統高壓開關電器技術的應用

【關鍵詞】電力系統；高壓開關電器技術；絕緣要求

引言

如今的世界日新月異，隨著時代的發(fā)展，國家改革創(chuàng)新持續(xù)推進的力度不斷加強。在當前的大環(huán)境下，如何讓電力產業(yè)緊跟時代的步伐是每個電力人當前面臨的一個重要問題。如今，各種高科技產物、新概念、新技術層出不窮，電力系統目前的應用卻相對局限，在智能化方面也僅限于無人機的巡檢和破冰。那么，在高壓開關電器上能否引入新技術呢？文章將從過去、現在和未來三個層面，全方位剖析電力系統高壓開關電器技術[1]。

一、傳統電力系統高壓開關電器技術

（一）傳統高壓開關電器的定義與分類

過去在傳統工業(yè)的支持下，電力起步還是比較早的。國家派遣技術人員前往蘇聯學習電力系統知識，回來就建設了中國自己的發(fā)電廠和變電站。發(fā)電廠和變電站用到的高壓開關電器功能都比較單一，屬于傳統電力系統設備。常見的高壓開關電器設備包括斷路器、隔離開關、高壓負荷開關、高壓熔斷器、重合器和分段器，其主要性能和主要功能總結如表1所示。單一功能自動化存在明顯缺點：繼電保護、遠動、自動化三者自成體系，各自獨立完成功能，針對單個電力設備和單一過程需通過分立的自動裝置實現自動化控制，功能較為單一。電力系統中各發(fā)電廠和變電站之間的自動裝置沒有什么聯系，電力系統的統一運行主要靠電力系統調度中心的調度員根據遙信、遙測傳來的信息，加上調度員的知識和經驗通過電話或遙控和遙調來指揮[2]。

（二）傳統高壓開關電器的特性分析

在傳統電力系統中，發(fā)電廠和變電站的各類高壓開關電器之間缺乏聯動，難以實現全局管控，因此遠程調度功能無從談起。后來隨著電話系統的建立，才形成了遠程調度。那時遠程調度有很多的局限性，因為電話系統剛剛建立，還只是座機，彼此通信也只是聲音，并不能像現在的視頻能夠清楚地看清狀況，因此缺點就比較明顯。如此境地下，還是靠電話遠程調度發(fā)展了半個世紀。隨著科技的進步，計算機出現了，互聯網出現了，所以電力系統也就隨著科技的進步而發(fā)生了改變，成為現代電力系統的雛形。現代電力系統通過各種新型高壓開關實現了自動化、數字化的運程調度功能。例如，V型隔離開關，該隔離開關可根據實際需求配裝接地閘刀，使其在35～110 kV的電壓等級范圍內得到廣泛應用[3]。

二、現代電力系統高壓開關電器技術

（一）基于遠程通信的高壓開關電器

現代電力系統已經處于綜合自動化階段，對于電力系統的管理技術已經非常成熟，綜合自動化階段的特點是用一套自動化系統或裝置來完成以往兩套或多套分離的自動化系統或裝置所完成的工作，其核心就是計算機網絡。現代電力系統的管理目的是保證電力系統的正常運行，確保電力系統的穩(wěn)定運行就需要遠動與調度技術，遠程調度的過程中特別是遙控命令的執(zhí)行，都需要通過高壓開關電器來完成。這里先了解一下每一種高壓開關電器的單一功能，在單一功能的基礎上，再從全局進行剖析[4]。

高壓斷路器是電力系統中最為常見的電氣設備之一。它通過自身設備的通斷功能，實現對線路的開合操作。額定電壓達到3 kV及以上的斷路器，能夠關合、承載并開斷正常運行狀態(tài)下的電流，同時也能在規(guī)定時間內關合、承載并開斷規(guī)定的異常電流。此類開關電器被稱作高壓斷路器，俗稱“開關”。

高壓隔離開關常配合斷路器使用，能實現電路的控制及短路故障的切除，是電力系統廣泛使用的開關電器。但它沒有滅弧裝置，不能切斷負荷及短路電流，這也是它與斷路器的最大區(qū)別。兩者相輔相成，協同合作，配合使用。

高壓負荷開關是配電網中使用最多的一種電器，其結構簡單、制造容易、價格便宜，得到廣泛的應用，主要用于較為頻繁操作和非重要的場所的操作，尤其是小容量的變壓器保護[5]。高壓負荷開關是一種功能介于高壓斷路器和高壓隔離開關之間的電器，高壓負荷開關實際上也是開關，只不過也是處于高壓環(huán)境，絕緣強度高一些。

高壓熔斷器保險絲，是一種開斷電器，屬于最早使用且結構最簡單的保護電器之一。高壓熔斷器能夠有效開斷短路電流，然而，它不具備通斷特定負荷電流和過負荷電流的能力。其核心功能在于，當電路發(fā)生短路故障時，能夠及時起到短路保護的作用。

重合器和分段器是配電網自動化中的一種智能化開關設備，可以自動檢測通過其主回路的電流，只有在專業(yè)的場所才會用到。當確認是故障電流后，持續(xù)一定的時間，按定時限或反時限保護特性自動斷開故障電流，并根據要求多次自動地重合，向線路恢復供電。如果故障是永久性的，在重合幾次數后，故障仍然沒有消失，則不再進行重合，如果想繼續(xù)供電，就需要手動去合閘了[6]。

除了監(jiān)測，也可以對設備進行遙控，也就是遠動調度里的遙控與遙調。對設備的遙控，也可以通過計算機來對廠站端的高壓開關電器設備進行遙控，比如高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓斷路器的開合等。對設備的遙調，也可以通過計算機來對廠站端的高壓開關電器設備進行遙調，比如重合閘、分段器、漏電保護器數值的設定等，都屬于遙調的范圍。現代電力系統的綜合自動化階段目前已經發(fā)展得非常成熟，有利于發(fā)電廠和變電站的管理和協調，既可以做到對全局的監(jiān)控，也可以做到對具體設備的監(jiān)控，對電力系統高壓開關電器設備的安全穩(wěn)定的運行，提供了技術保障[7]。

（二）基于組合電器技術的高壓開關電器

對于電力系統高壓開關電器，應用最多的場所就是發(fā)電廠和變電站，而且在很多場所都是高壓組合電器，也就是氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）電器設備。GIS是一種氣體絕緣全封閉組合電器，它主要采用SF6氣體作為絕緣介質，并集成了斷路器、隔離開關、接地開關、母線、電流互感器、電壓互感器以及避雷器等眾多高電壓組件。如今，GIS設備已廣泛應用于5千伏至1 200千伏的電壓等級范圍內。六氟化硫，是一種無機化合物，化學式為SF6，常溫常壓下為無色無臭無毒不燃的穩(wěn)定氣體，分子量為146.055，在20℃和0.1 MPa時密度為6.088 6 kg/m3，約為空氣密度的5倍，六氟化硫分子結構呈八面體排布，鍵合距離小、鍵合能高，因此其穩(wěn)定性很高，在溫度不超過180℃時，它與電氣結構材料的相容性和氮氣相似[8]。

那么，這些高壓開關電器應該怎么組合呢，組合的目的是更好地協同工作，因此組合的宗旨就是“安全第一、穩(wěn)定運行”。組合電器安裝工藝流程，如圖1所示。

通常情況下，電流從外界輸送進變電站以后，首先需要經過斷路器。有了斷路器，就必須配備隔離開關，以便進行倒閘操作。經過斷路器與隔離開關后，電流會到達母線。雖然母線不屬于高壓開關電器，但它是一個過渡設備。電流運行到其他線路時，需要通過線路進行分配。每一條線路首先會經過高壓熔斷器，以確保該條線路的安全，一旦發(fā)生短路故障，可以第一時間斷路。接下來是分段器，它在配電線路上應用時，可以將線路分成若干段，從而避免整條線路發(fā)生故障的可能性，進一步提升安全性。與分段器配合使用的是重合器，重合器可以在故障消除以后將線路恢復供電。所謂高壓組合電器，即將高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓負荷開關、高壓熔斷器、重合器和分段器等設備全部集成在一個殼體中，這樣只需設有進線端和出線端即可。所有設備在出廠時已組合好，避免了現場組裝的繁瑣，確保了高壓開關電器的統一性——統一的產品和規(guī)格，以便更好地協調工作。當然，高壓組合電器的后期維修，可能會帶來一些挑戰(zhàn)，特別是六氟化硫氣體高壓組合電器，需要整體拆卸停運，才能對故障設備進行維修。

三、新型智能電力系統高壓開關電器技術

（一）人工智能技術在高壓開關電器中的應用

在當前電力系統綜合自動化管理領域，面對新技術的發(fā)展浪潮，對電力系統電氣設備的未來發(fā)展趨勢提出了新的挑戰(zhàn)。例如，人工智能技術的廣泛應用、智能設備的全面建設以及數字化建設的深入推進，都為電力系統高壓開關電器設備的未來發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)與機遇。因此，這一領域的發(fā)展前景不僅充滿挑戰(zhàn)，而且潛力巨大，大有可為。目前國家對能源與科技發(fā)展提出了數智化的新目標，電力系統高壓開關電器設備領域的建設也需遵循這一方向。比如，發(fā)電廠和變電站要有自己的數據庫，來存儲高壓開關電器設備的運行狀態(tài)還有數據，在建設和改擴建中，都會首選智能化的高壓開關電器設備。未來的高壓開關電器設備的功能也都是綜合性的，比如帶有熔斷器的隔離開關或者帶有斷路器功能的漏電保護器，這種綜合性的高壓開關電器設備的應用會更普遍，雖然單一設備價格比較貴，但功能多，更安全。

未來科技的進步速度將愈發(fā)迅猛，這也電力系統高壓開關電器技術的發(fā)展提出了更高要求。目前，人工智能技術在高壓開關電器領域的應用尚顯不足。例如，雖然利用人工智能技術進行高壓開關電器設備的放電檢查已較為成熟，可以進一步借助工業(yè)人工智能，對線路設備進行放電觀察，精準識別放電點和放電程度，從而全面分析整條線路的運行狀況。工業(yè)機器人隨著科技的進步，逐步應用于電力系統的高壓開關電器領域。例如，利用工業(yè)機器人替代人工操作危險的高壓開關電器設備，有效保障了工作人員的安全。在越危險、電壓越高的環(huán)境中，工業(yè)機器人的適用性越強，顯著降低了操作風險，確保了安全。此外，工業(yè)機器人的程序均為預先編制，能夠嚴格遵守相關規(guī)定，避免違規(guī)操作，從而杜絕人為因素，進一步保障操作安全。

（二）大數據技術在高壓開關電器的應用

大數據模型在電力系統高壓開關電器的應用中，建立了相應的設備數據庫，將高壓開關電器設備上的數據全面存儲，形成了歷史庫和實時庫。通過歷史庫，能夠便捷地存儲和調閱數據，以便后期進行深入分析；而實時庫則能實時展示高壓開關電器設備的運行狀態(tài)，從而更有效地監(jiān)測設備狀況。

歷史庫與實時庫中的數據相互共享，彼此互補，能夠綜合地對高壓開關電器進行遠程分析。借助大數據的精準分析，我們甚至可以提前預判高壓開關電器可能出現故障的部位，識別潛在的故障點，進而實現早期干預，確保電力系統安全穩(wěn)定地運行。

結語

隨著科技的進步和社會對電力供應穩(wěn)定性和安全性要求的提升，高壓開關電器技術正經歷著從傳統到現代再到智能化的轉變。通過引入遠程通信、組合電器技術以及人工智能和大數據分析，不僅提升了設備的安全性和穩(wěn)定性，還推動了電力系統的智能化進程。未來，繼續(xù)深化這些技術的應用，將有助于進一步提高電力系統的自動化和智能化水平，確保電力行業(yè)的高效、穩(wěn)定發(fā)展，更好地服務于社會經濟的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 王興芳，李耀坤，陳經文.電力系統電氣設備[M]重慶：重慶大學出版社，2023.

[2] 張光明.電力系統遠動及調度自動化[M]北京：中國電力出版社，2017.

[3] 李耀坤.電力系統遠動及調度自動化技術的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，4（34）：211.

[4] 李玉清，夏勇.高電壓技術[M]鄭州：黃河水利出版社，2012.

[5] 陳小飛，殷曉安.可編程控制器[M]鄭州：黃河水利出版社，2013.

[6] 韓緒鵬，李含霜.電力系統自動裝置[M]武漢：華中科技大學出版社，2021.

[7] 王嘉曦，金立軍.基于時序數據深度挖掘的高壓開關柜在線監(jiān)測方法[J].無線互聯科技，2025，22（12）：8689.

[8] 朱國慶，范振超.智能高壓開關柜電氣監(jiān)測控制系統設計研究[J].電氣技術與經濟，2025（06）：177179.