新形势下高压开关行业发展

中国电器工业协会高压开关分会 赵永涛 倪锋／

随着我国经济发展步入新常态，高压开关行业从高速增长逐步转为中速增长。“十三五”期间，高压开关行业主要经济指标增长平稳，年均增幅基本保持在5%左右；主要产品产量整体稳中有升。2020年，面对新冠肺炎疫情的巨大冲击，高压开关行业坚持战疫情、保生产、促发展，预测2020年经济运行总体与2019年度相差不大，产品产量继续保持上升趋势。

2021年是“十四五”的开局之年，高压开关行业面临重要发展机遇，预计行业的主要经济指标增速将不低于5%；运行曲线前高后低。国家主干电网建设与改造、配网农网改造、新能源、城镇化建设、轨道交通等将共同推动高压开关行业进入新的更新换代周期，未来五年，我国高压开关行业将进入一个机遇与挑战并存时期，“转型升级”成为关键。

一、行业经济情况

（一）主要经济指标

“十三五”期间，高压开关行业产值、收入等主要经济指标增长平稳，年均增幅基本保持在5%左右。但由于成本上升和价格竞争的影响，行业获利水平前期下降较为明显，2019年利润实现大幅增长，初步扭转了下降趋势。

（1）工业总产值

2019年，高压开关行业共实现工业总产值2411.34亿元，较上年同比增长5.02%。“十三五”期间（2016～2019年，下同），年均增长率5.5%。

（2）出口交货值

2019年，高压开关行业实现出口交货值71.33亿元，较上年同比增长6.97%。“十三五”期间，年均增长率6.7%。

（3）工业增加值

2019年，高压开关行业实现工业增加值544.9亿元，较上年同比增长3.67%。“十三五”期间，年均增长率3.6%。

（4）主营业务收入

2019年，高压开关行业实现主营业务收入2216.08亿元，较上年同比增长4.05%。“十三五”期间，年均增长率4.8%。

（5）利润总额

“十三五”期间，高压开关行业利润总额年均降幅约2%。2019年，高压开关行业利润总额137.87亿元，较上年同比增长16.77%，初步扭转下降趋势。

（6）资产总额

2019年末，高压开关行业资产总额共计3275亿元，较上年同比增长4.73%。“十三五”期间，年均增长率9.97%。

（7）科技投入

2019年，高压开关行业完成科技投入84.37亿元，较上年同比增长23.13%。“十三五”期间，年均增长率10.7%。

（二）主要产品产量

“十三五”期间，高压开关行业主要产品产量整体稳中有升，前期产量波动较大，后期逐步企稳回升。2019年主要产品产量增长明显，其中：GIS产量增长显著，开关柜、真空断路器产量基本保持平稳，SF6断路器产量降速趋缓，隔离开关、接地开关产量均有不同程度增幅。

（1）72.5kV及以上电压等级GIS

2019年，72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备产量18992间隔，较上年同比增长20.65%。“十三五”期间，年均增长率1.9%。

（2）SF6断路器

2019年，72.5kV及以上电压等级高压SF6断路器产量8330台，较上年同比下降3.25%。“十三五”期间，年均下降2.5%。

（3）真空断路器

2019年，40.5kV及以下电压等级高压真空断路器产量89.24万台，较上年同比增长5.89%。“十三五”期间，年均增长率5.7%。

（4）金属封闭开关设备

2019年，40.5kV及以下电压等级金属封闭开关设备产量95.36万面，较上年同比降低1.65%。“十三五”期间，年均增长率5.3%。

（5）隔离开关和接地开关

2019年，隔离开关产量39万组，较上年同比增长8.33%。“十三五”期间，年均增长率5.9%。接地开关产量29万组，较上年同比增长16%。“十三五”期间，年均增长率0.9%。

（6）预装式变电站

2019年，预装式变电站产量6.3万台，较上年同比增长5.7%。“十三五”期间，年均增长率3.6%。

表1 2020年主要经济指标预测

（三）2020年行业情况

2020年是“十三五”收官之年，在日益复杂严峻的国内外大环境下，又遭遇新冠肺炎疫情的巨大冲击，在中央统筹推进疫情防控和各项政策措施的大力推动下，高压开关行业坚持战疫情、保生产、促发展，最大限度保障我国电力安全运行。根据对高压开关行业重点企业调查，预测高压开关行业2020年经济运行总体情况与2019年偏差不大。

（四）2021年行业展望

2021年是“十四五”的开局之年，高压开关行业面临重要发展机遇。有利因素：一是构建新发展格局下贯彻新发展理念的头一年必将激发新的增长积极性；二是新冠疫情在我国已被基本控制，对经济的负面影响肯定将小于2020年；三是中央明确加大新型基础设施投资力度、扩大制造业设备更新和技术改造投资，对电工行业带动作用将在2021年集中体现；四是国家相关刺激措施和扶持政策将在2021年全面展开。不利因素：一是电工行业投资积极性尚未被激发起来；二是国际环境复杂，汇率飙升导致出口难增；三是产业升级仍需时间，远水解不了近渴。综上所述，预计2021年高压开关行业的主要经济指标将继续保持平稳增长，增速将不低于5%；运行曲线将因2020年的对比基数前低后高而呈前高后低之势。

以国家主干电网建设与改造奠定坚实基础，以配网农网改造、新能源（分布式电源）的接入、充电设施的互联互通、城镇化建设、轨道交通等多个增长点共同推进，高压开关行业将进入更新换代周期，产品升级换代的需求旺盛。随着行业整体技术水平的不断提升，未来五年，我国高压开关行业将进入一个机遇与挑战并存时期，“转型升级”成为关键。

二、行业技术发展

为了满足能源电气化、绿色低碳和智能可靠的要求，高压开关行业积极推进创新驱动战略，通过自主创新、完善设计，不断提高产品性能、质量和生产效率，实现产品的升级和高端化，使产品更加契合市场需求。

（一）一二次融合

2017年国家电网公司推出的《配电设备一二次融合技术方案》，总体思路是通过提高一二次设备融合标准化、集成化水平，提升配电设备运行水平、运维质量与效率，满足线损管理的技术要求，服务配电网建设改造。

以此为背景，高压开关行业积极推进相关研究，优先解决电子式互感器集成研发、二次终端设备电子式互感器信号接入、计量功能研发等迫切的问题，分阶段推进柱上开关、环网柜等设备一二次融合。

1.关键技术

（1）智能控制单元

配置线损采集模块，计算正反向有功电量和四象限无功电量、功率因数，具备计量数据冻结功能，包括日冻结、功率方向改变时的冻结数据。内设故障录波装置，支持上传主站，数据包括电压、电流、开关位置等，支持历史数据远程调阅，以文件方式上传至配网主站。调阅日冻结电量、电能、功率、电压、电流定点数据，电压、电流日极值数。循环存储、失电不丢失。

（1）电子式电压互感器和电子式电流互感器

电子式电压互感器多采用电阻、阻容分压式传感器，具有成本低、精度高、体积小、重量轻的特点，受环境影响小，无二次短路危险。

电子式电流互感器多采用低功耗线圈，直接输出小电压先后，无二次开路危险，工艺简单，精度高，无饱和，频响范围宽，线性度好，在系统故障状态下可使保护装置可靠动作。

（2）故障隔离与自愈技术

在遍历算法的基础上，实现配电网供电拓扑的图形化智能识别，能发挥出较高的可视化、更为简单的配置以及较强的扩展性特征，包括辐射型网络、链式单环网、花瓣型网络以及链式多环网等网络拓扑形式，还有多联络、多电源、多T节的复杂网络拓扑。区域型终端能够完成区域内所有故障信息的收集与网络拓扑活动实现所有单元配电终端GOOSE信息交互，判断供电恢复策略。

（3）一二次设备接口的匹配及防护

一二次设备接口包括控制接口、通信接口、测量接口和扩展接口。需要保持通信规约、接口功能、扩展接口以及保护参数的标准化设计。进行接口功能的标准化设计时，重点进行接口尺寸定义、接口容量选择以及接口电平匹配等相关内容的尺寸设计。通过三段电流保护、小电流接地、就地FA保护实现保护电流的标准化设计。

（4）环网一二次融合

一二次融合环网柜多由环进环出单元、馈线单元、母线设备（PT）单元、集中式DTU单元组成。所有环进环出单元、馈线单元的电源、电流、遥信、遥控等回路通过二次电缆汇总于DTU单元，母线设备单元的电源、电压等回路通过二次电缆汇总于DTU单元。DTU单元整体实现三遥、计算、相间及接地故障处理、通信、二次供电等功能，计量采用独立模块，DTU核心单元通信采集计量数据。

2.发展方向

（1）配电一二次设备深度融合

以提升配电装备智能化水平，减少一二次设备采购、组装、联调压力，实现集约用地与景观协调为目标，进一步研究和深化一二次设备融合技术。基于整合思想的成套开关一体化设计与融合技术，配送式标准化综合配电台区关键技术，实现电气、状态、动环综合感知的配电设备智能化技术。

（2）控制单元技术提升和深化应用

研究标准化、规范化、集成化制造工艺，结合工业级芯片实现性能升级优化。研究终端与主站的自识别、自诊断的智能交互及监测技术，实现控制单元的即插即用。

（3）环网设备一二次融合成套

一二次设备深度融合，DTU分布式安装。环网柜由环进环出单元、馈线单元、供电与通信单元（含供电PT、后备电源、通信模块）组成。各单元柜电源由供电与通信单元统一提供，三遥动作性DTU安装在各单元间隔内，实现本间隔的三遥、计量、相间与接地故障处理、通信功能，通信方式接入通信单元，由通信单元对上通信，DTU和通信模块实现装置级可更换，支持热插拔。

（4）为配电网精益化管理服务

一二次设备融合是实现配电一二次设备智能化的重要前提，并与配电自动化和信息化等形成完整的科学技术体系，全面提升配电设备精益化管理水平。面向调度业务，实现对配电网运行状况实时监控，对重要配电设备和控制单元的在线状态监测，做到可感知、可观测、可控制。面向运检业务：实现一二次设备运维流程电子化管理，做到日常巡视、检测检修、故障抢修的及时高效，并通过移动作业实现协同互动。面向数据业务：通过一二次设备融合，在及时了解配电网运行的设备健康水平的同时，为配电网大数据应用创造基础和条件。

（二）直流配电网

1.直流配电的优势与主要问题

（1）直流配电网的优势

直流配电网的供电容量大（供电半径）；直流配电网的电能质量高；直流配电网的线路损耗小；直流配电网能量传输效率高；直流配电网的可靠性强；节能降耗及直流配电到户的可行性强；清洁能源及储能设备的便捷接入。

（2）直流配电网主要问题

电网结构复杂、短路容量增大；交直流能量变换损耗高；可控性灵活性差；双向互动、新能源支持能力差。

2.关键设备

（1）DC/DC变换器

DC/DC变换器实现直流配网中不同地电压等级直流设备间的互联和控制。关键技术包括：合理的拓扑形式（MMC形式、多重化Buck-Boost方式、中频变压器耦合方式、三点平方式）；合适的控制策略以提高变换器的连续性和灵活性；采用软开关技术以减少变换器的开关损耗，提高换流效率，抑制电磁干扰。

（2）控制系统

直流配电网可能涉及多个电压层级，每个层级功能定位不同，因此，直流配电网的控制通常依据不同的电压层级设置，不同电压层级的控制器间通过信息交互实现互动。通常分层设计如下：

上层控制：实现各换流器间的参数设置，配网整体的监控和优化运行。

中层控制：直流配电网包含大量AC/DC、DC/DC换流器，中层控制功能通过这些换流器实现，定电压控制、定功率控制（定电流控制）、下垂控制。

底层控制：触发脉冲的产生与驱动、检测与保护。

（3）直流断路器

直流断路器是直流系统中一种重要的开关电器设备，它具有通断直流回路的开关功能和可靠切断故障电流的保护功能，已广泛应用于光伏发电、地铁牵引、船电系统等领域。目前依然是制约中压直流配电网发展的关键因素。直流断路器主要分成三类：机械直流断路器，固态直流断路器和混合直流断路器。

随着对直流断路器的不断研究，直流断路器也遇到了很多技术难题，如：机械开关燃弧以及分断速度问题；固态开关串联技术、并联技术；提高断路器可靠性；降低直流断路器的投入费用；快速检测故障技术及快速可靠的控制技术等。

近几年，随着直流输电的不断发展，特别是基于电压源换流器（VSC）多端口直流输电的发展，传统机械断路器基本上不能满足其要求，因此迫切需要一种能够快速隔离故障电路，而且开断能力强，能够重复使用的直流断路器。

机械断路器虽然开断能力强，但分断缓慢，重复操作能力较差，而且基本上没有可扩展（扩容）能力。固态断路器分断速度快，可重复操作使用，可扩展性良好，但是通态损耗巨大，技术难度大，且目前多用于低压场合，不能满足直流输电对其的能耗要求。混合直流断路器正常工作时，电流流过机械断路器，所以其通态损耗低，与机械断路器相当；发生短路故障时，流过机械开关的电流到固态断路器，固态断路器分断速度迅速，整个混合直流断路器分断时间小于10ms（有些拓扑结构小于6ms），能够满足目前直流输电的要求，并且可扩充容量，可重复操作，但是技术难度相对较大。近年来混合直流断路器成为主要研究方向，被认为是在直流输电领域最有发展潜力的断路器。

3.直流配电网发展趋势

直流配电网的发展与功能需求、技术经济性密切相关。目前低压直流配电的应用获得普遍认可，中压直流的发展与应用模式尚处于探索过程中。近年来，得到快速发展的电力电子技术、信息与控制技术、储能技术为直流配电网的实施提供了有利保证。换流器效率的提升、故障与维护、多换流器协调控制、系统可靠性的提高等都需要进一步研究和发展。标准化及运行管理模式也是未来重要工作内容。

（三）SF6替代气体

SF6气体作为一种限制排放的温室气体，在电力系统中减少、限制甚至禁止使用SF6气体是未来电网装备发展的必然趋势。目前SF6气体替代的主要研究方向有：用环保型气体绝缘介质；更高电压等级真空技术；产品小型化，减少SF6气体的使用量等。

（1）SF6混合气体

近年来，关于SF6混合气体的研究取得了一些进展。目前来看，在各种SF6混合气体中，SF6-N2最具工业应用前景。研究表明，SF6含量为50%的SF6-N2混合气体在均匀电场中的耐电强度能达到纯SF6的 85%左右，由于混合气体的优异值比纯SF6高，因此对电极表面缺陷及导电微粒的敏感度更低。ABB、西门子等公司已相继开发出了使用SF6-N2混合气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。但是，在这些混合气体中，SF6的含量仍然比较高（>30%），不能达到降低SF6排放的目的。

（2）全氟化碳类气体（PFC）

全氟化碳（PFC）是碳氢化合物中的氢原子被氟原子取代后形成的一类化合物。研究确认八氟环丁烷（c-C4F8）对环境的影响远远小于SF6，绝缘强度远高于SF6；全氟丙烷（C3F8）气体也是全氟碳化物的一种，20%的C3F8与80%的N2组成的混合气体能有效降低GWP，且其绝缘强度接近于20%SF6-80%N2混合气体的绝缘强度。然而，c-C4F8和C3F8虽然表现出不俗的绝缘性能，但它们属于全氟化碳类气体（PFCs），也是规定的全球限制使用的温室气体，并且这一类气体的沸点通常都较高，在实际应用中存在很大的局限性。

（3）CF3I气体

三氟碘甲烷（CF3I）气体是近年来引起国内外广泛关注的一种环保型绝缘气体。它无色、无味、无嗅、不燃，化学性质稳定，具有良好的油溶性和材料相容性，很强的电子吸附能力和绝缘强度。目前对CF3I绝缘性能的研究仍处于起步阶段，需要全面摸清它在复杂电气环境下的击穿特性，明确哪种混合组元以及何种混合比例适用于电气设备中作为绝缘介质。

（4）g3气体

2014年，法国阿尔斯通（ASTOM）从美国3M公司制冷剂目录中筛选出了一种名为NovecTM4710的气体。这种气体的绝缘性能是同等条件下SF6的2.2倍以上，同时GWP又远低于SF6气体。但同样受困于液化温度较高的问题（沸点为-4.7℃），ALSTOM不得不将NovecTM4710与CO2混合使用。混合后气体的绝缘性强度仍能达到同等条件下SF6的87%～96%，可以作为绝缘和灭弧介质应用于72kV以上电压等级的断路器中。

（5）常规气体

空气在自然界分布最广最廉价，是应用最广的一种气体电介质，具有液化温度低、击穿后自愈、物理化学性能稳定等优点。N2化学性质更稳定，呈惰性且不助燃，在电气设备中是一种常用的气体电介质。近年来，高压开关行业企业在积极推进以干燥压缩空气或N2为绝缘介质的研究开发，取得一定成绩，相继开发出干燥空气（或N2）的气体绝缘环网柜、C-GIS等系列产品，并进入市场成功运行。

（6）高压真空技术

近年来，我国高压真空技术取得了长足进步，相继研制开发出72.5kV、126kV单断口真空灭弧室和真空断路器，解决了长真空间隙下击穿电压饱和、高电压大电流开断与大真空开距关合触头熔焊等技术难题，达到国际领先水平。

三、开关设备质量情况

（一）开关设备运行故障情况

近年随着电网的飞速发展，高压开关设备的产量逐年递增，挂网运行的产品种类及数量也不断加大，事故的频数出现上升趋势。据某电网公司统计发现，12kV及以上站内高压开关柜共发生22起故障，故障率为0.0160次/百面·年，较上年增加了0.0053次/百面·年。其中绝缘件、电联件、保护插件及机构的故障次数较多。

（二）开关设备质量检测情况

高压开关型式试验类别主要包括绝缘试验、容量试验、机械试验、温升试验、电磁兼容试验等。其中，容量试验较其余类别更加苛刻复杂，试验项目多种多样，试验参数和要求各异。且由于其破坏性及受试验设备限制，一般厂家无法通过出厂试验检测产品相关性能。

（1）高压开关型式试验失败总体情况

根据国家高压电器质量监督检验中心近7年对实施的高压开关产品的型式试验进行的失败次数统计分析，高压开关类产品试验故障率从高到低依次为容量试验，温升试验，机械寿命试验，绝缘试验。具体见表4。

表2 2020年主要产品产量预测

表3 故障率统计

表4 2014～2020年国家高压电器质量监督检验中心统计的开关设备试验情况

（2）按产品类别容量试验结果统计分析

试验不合格结果统计见表5。从表5中可以看出，40.5kV及以下断路器及其成套设备试验失败项目主要集中于短时耐受电流和峰值耐受电流试验（动热稳定），T100s，T100a。对表2中数据进行统计，由于试品原因导致试验失败共计580次，各种失败项目所占比例见图所示。

图 40.5kV及以下断路器及开关设备容量试验失败统计

表5 40.5kV及以下断路器及成套设备容量试验失败统计

（三）开关设备容量试验问题与原因分析

（1）短时耐受电流和峰值耐受电流试验-金属封闭开关设备（断路器）

1）问题描述：试验后主回路电阻的测量值与试前相比增加超过20%。

原因分析：短时耐受电流试验的发热引起试验回路导电材料、固定连接电阻值的增加；短时耐受电流试验时使得接触电阻增加或使接触部位出现熔焊或烧蚀。

解决方案：设计时应充分考虑导电材料本身的电阻、固定连接电阻和活动连接的接触电阻的变化，并在试验前对活动连接部分进行紧固。

2）问题描述：用于金属封闭开关设备中的断路器试验时梅花触指烧损。

原因分析：峰值耐受电流试验时的电动力使得断路器与开关柜的导电连接部位出现分离现象；梅花触指设计的短路承受能力不足；试验时断路器与开关柜的导电接触部位连接不紧固。

解决方案：设计时应充分考虑梅花触指的短路承受能力；设计时应考虑电动力对连接部位的影响；试验时应确保断路器与开关柜的良好连接。

（2）短路电流关合/开断试验-金属封闭开关设备（断路器）

问题描述：断路器及其成套设备：短路试验、电寿命、异相、失步等方式不能开断、拒分、开断后工频击穿、对地闪络、外闪漏气、爆炸等。

解决方案：取决于真空灭弧室性能，试前核查开关设备机械特性及外绝缘状态。

（3）容性电流开合试验-金属封闭开关设备（断路器）

问题描述（CC、BC）：主要问题是重击穿。

解决方案：取决于真空灭弧室性能，应在试验前正确调整开关设备机械特性。对灭弧室进行老炼试验。

（4）内部故障试验（中置柜）

问题描述：试验后出现指示器被点燃、试品的外壳烧穿或开裂、试品的门或盖板打开、试品的外壳无法可靠接地等现象均判定为试验失败。

原因分析：开关柜的整体强度不足，密封不严；被试隔室空间较小（如断路器室）；泄压通道不畅或泄压释放速度过快。

解决方案：提高产品的材质强度，如门及盖板的厚度，螺钉的数量等；提高门锁（把手）的强度，可增加适当的锁扣；泄压板可采用非紧固式螺钉（如尼龙扣）；采用标准化设计的泄压顶盖，可使用 V型网板增加承压，网板的厚度最好在 1.0mm 以上以确保强度。

（5）内部故障试验（充气柜）

问题描述：试验后出现指示器被点燃、试品的外壳烧穿或开裂、试品的门或盖板打开、试品的外壳无法可靠接地等现象均判定为试验失败。两相故障发展为三相故障判定为试验无效（需进行三相试验）。

原因分析：气箱的整体强度不足，密封不严；泄压通道不畅或泄压释放速度过快；固体绝缘导体安装不当导致两相发展为三相故障。

解决方案：提高产品焊接工艺，确保气箱强度足够，对于紧固件连接的箱体要安装合适的密封条；合理设计防爆膜（板）；具有固体绝缘的隔室，应确保其导线连接部分具有完全的绝缘形态；如电缆室，建议安装完整的三相绝缘电缆并安装好电缆支撑架防止电缆在试验中的摆动，做好非短接相的绝缘包封。

（6）短路关合能力试验-负荷开关、接地开关（金属封闭开关设备、空气绝缘）

问题描述：试验时主要出现试品烧损、熔焊、试验后无法正常分闸及充气隔室漏气等现象。

原因分析：开关短路关合能力的设计不足，机械特性调整不好。

解决方案：设置合理的关合速度，三相开关试验前应保证良好的同期性。应对开关的机械特性（速度、同期性、对中）、触头接触力适当调整，不盲目提高参数。

（7）100%有功负载电流，接地故障条件下电缆充电电流开合试验-负荷开关（金属封闭开关设备）

问题描述：开断失败，相间闪络，开断后工频击穿。

解决方案：应对开关的机械特性（速度、同期性等）、触头接触力适当调整。

（8）开合转移电流试验-负荷开关-熔断器组合电器

问题描述：转移电流不能开断，相间闪络。

解决方案：应对负荷开关的机械特性（速度、同期性等）、触头接触力适当调整，不盲目提高参数。

四、结束语

进入21世纪20年代，面对新冠疫情等多种不利因素的综合影响，以西开、平高、泰开、西高院等为代表的高压开关行业企业坚持智能、绿色的科技发展理念，坚持自主创新，将持续推进和深化产业结构调整，主动在能源革命的伟大变局中化危为机，为高压开关行业高质量发展而努力奋斗。