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环保气体绝缘金属封闭开关设备发展简析

日期:2018-07-19点击数:428赞数:0

环保气体绝缘金属封闭开关设备发展简析

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20世纪50年代以来,中压开关设备发展经历了敞开式、箱式、金属封闭式等阶段,在满足设备的功能性使用要求方面不存在问题,而且产品早已系列化和使用范围全覆盖。目前,创新和技术进步主要围绕开关设备在安全性、可靠性、小型化、环保等需求不断展开。

 为了保护地球环境,以联合国为中心发布了许多宣言、条约和议定书,特别是1997年中国加入和签署的《联合国气候变化条款公约》第3次缔约国大会中,SF6被列为六种具有温室效应的气体之一。其中,SF6虽然影响较小,但潜在的危害性很大。而对于替代SF6绝缘介质的研究具有两条路线。一条是采用固体绝缘,即采用环氧树脂、硅橡胶等固体材料作为绝缘介质,对应的产品一般称之为固体绝缘环网封闭开关设备。由于其结构紧凑且不需要气压监测,从而在环网柜及额定电流等级较低的市场有广泛的应用,但由于局放指标不稳定、环氧材料的大量使用也带来了一些环境问题;另外一点是采用环保气体绝缘,受大气的绝缘性能所限,体积较大,占地面积大,并且会受大气的湿度、污染及海拔高度等环境因素的影响、需要维护的工作量较大,不稳定性因素较多。因此,随着开断和绝缘技术的不断进步和完善,研制环保型气体绝缘技术封闭开关设备,在理论和技术上已经成为可能,国内已有设备制造企业的产品通过了型式试验并挂网运行。

 环保气体绝缘技术封闭开关和设备按所充气体的不同主要分为两大类:不适用SF6的气体绝缘金属封闭开关和设备;极少使用SF6的气体绝缘金属封闭开关设备,即在充气压力或SF6充气比例上加以限制。

 环保型气体绝缘技术封闭开关设备按功能主要分为两大类:通用开关柜(C-GIS):额定电流630A以上,开断电流25kA以上;环网开关柜(RMU):额定电流630A及以下,开断电流20kA~25kA及以下。

1  环保型气体绝缘金属封闭开关设备优势

    环保气体绝缘金属封闭开关设备的优势除了绿色环保外还主要体现在以下几个方面:

一是,体积小;采用环保气体绝缘保留了气体绝缘开关设备尺寸上的优势,柜体尺寸小,节约占地。

二是,维护量小;高压绝缘不受外界环境的影响,不易老化,用户在现场无需处理气体,可降低设备的全寿命周期成本。

三是,高模块化;灵活组合,拼接方便。

四是,安全可靠;所有高压元件密封在充气的金属壳体内,金属壳体可靠接地,保证了运行维护人员的安全。

2  环保型气体绝缘金属封闭开关设备技术难点

1)绝缘优化

采用新型环保气体后,为确保绝缘强度,在检漏补气以及焊接工艺等方面应加强研究,如采用自动检漏及充气设备以及机器人焊接设备等。此外,还应进行电场的优化设计,是场强尽量均匀,并采用降低电场的元器件,如金属屏蔽等。同时要考虑采用环保气体作为开关设备的绝缘介质后,如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸和制造成本基本保持不变,用户界面和操作方式基本类同等问题。

2)开断能力的保证

对于环网柜中的负荷开关单元,如采用环保气体,其开断能力会受到影响。采用真空灭弧室来增强开断能力是一个成熟的替代方案。但是用真空灭弧室作为隔离断口目前还很难被接受,因为真空断口在高电压作用下存在NSDD的可能,真空触头的冷焊现场也容易导致冲击水平的下降,直接威胁人身安全。所以,现有的真空负荷开关需要与三工位隔离/接地开关相匹配,但成本高,产品尺寸大。因此,研究新型的开关结构,使环保气体可以做绝缘介质又可以做灭弧介质。

3)温升与散热

气体绝缘金属封闭开关设备的特点 是将高压元件密封于不锈钢气箱内,密封的气箱对于负责电流产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射方式进行散热,因此它的设计电流密度相对于传统(或敞开式)空气绝缘需要适当降低。不同气体相同的设计,其温升裕度有很大的差别,同样条件下SF6或N2或干燥空气相差10K以上。因此,温升控制在紧凑的环保气体绝缘开关柜设计中是一个挑战。

4)混合气体的回收

设计时不同比例的混合气体回收装置的研究,绝缘性能与SF6基本相当,对环境没有污染,其研究成果需要工业化。能够工业化提供这种气体后,开关设备企业可研制使用环保气体的开关设备。

3  国内环保型气体绝缘金属封闭开关设备的研制情况

国内开关设备制造企业从研制环保气体绝缘技术封闭开关设备到目前为止,完成产品型式试验以及挂网运行的企业非常有限。在国内,环保气体绝缘金属封闭开关设备主要分类四大类:充清洁干燥气体;充N2;充SF6混合气体。;充微正压力SF6气体。

SF6气体绝缘技术封闭开关设备俗称:“充气柜”,在行业内应用30余年。其先进的理念和技术早已得到行业的认可。但是,由于其高昂的价格(前期主要为进口货合资产品)不能为市场普遍接受。应用较多的领域主要在高铁、地铁和大城市的楼宇配电站,另一个重要应用的是高海拔地区。随着经济社会的发展、观念的改变,特别是国内设备制造企业的竞争使得其价格大大降低,近年来应用有所增加。

环保气体绝缘金属封闭开关设备从研制到运行的时间不长,由于人们对SF6气体绝缘的根深蒂固认识,加之环保气体与SF6气体在绝缘性能上的差距,到目前为止应用较少。环保气体绝缘金属封闭开关设备与现在大量应用的SF6气体绝缘金属封闭开关设备从主要电器元件的选用到开关柜的结构形式基本相同或相近,采用的加工设备和工艺也基本一致,从制造的角度看不存在任何问题。利用电场优化设计和传热分析,经过大量的研制、试验过程,已有产品通过了全部型式试验。

环保气体绝缘金属封闭开关设备不使用SF6,不需要气体回收及防护装置,充气简单,不存在有毒电弧分解物,是真正的环保产品。环保型气体绝缘金属粉笔开关设备不受大气条件限制,也特别适用于污秽和潮湿环境,是维护产品。经过近十年的发展进程,从产品的设计制造到运行经验的积累,都取得了长足的进步,已得到用户和市场的初步认可。

4  环保气体绝缘金属封闭开关设备的市场分析

   1)输配电设备市场

电网公司2014年 批(农)配网设备协议库存招标采购项目招标中标公告于近日公布。对变压器、开关等细分行业招标情况进行了梳理,本次农配网招标量同比基本持平,环比大幅提升;但参与企业环比有所增加,配电网一次设备竞争环境并没有明显好转。2013年 次10kV农配网设备招标发生在2013年1月初,而2014年 次10kV农配网设备招标发生在2014年3月初,部分省市因为急于投资已先行招标部分配电设备。

 

近年来电工行业正在加速进行转型升级,智能电网、新能源、节能、轨道交通等行业迅猛发展,为电工行业提供 的发展机遇的同时,也为其拓展创新和发展思路,更好地促进行业新产品、新技术应用,提供了极大空间。输配电设备作为国民经济的基础性行业实现了跨越式发展。从招标统计情况来看,开关类设备招标量有较大幅度回升,同时继续推进城镇化,到2015年,我国城镇化率要从47.5%提高到51.5%。产业结构调整,需要电网与之配套,因此,我国在“十二五”期间将继续加快配电网的建设。

据统计,2012年,完成高压开关产值919.65亿元,较上年增加22.18,增长率为2.47%,较上年下降0.58个百分点。高压开关行业从业人员15.49万,较上年减少0.87万人。2012年我国12~40.5kV开关柜的产量在45万面以上,40.5kV开关柜占7万面,其中环保气体绝缘开关柜的产量只占到0.7万面,不到1.5%。空气绝缘开关设备由于其价格优势占到98.5%以上。如果能给环保气体绝缘开关柜一个公平的竞争平台,例如,给予招标量5%~10%用于扶持中压环保气体绝缘开关柜,并逐年递增3%~5%,则到2015年环保气体绝缘开关柜产量可以达到2.4~5万面。

新型城镇化建设将有助于推动国内智能电网配套发展和对配电网的需求加大,其需求能翻倍增长。业内分析,国内配电网建设本身处在薄弱环节,加快智能电网建设涉及变电、配电、用电等各环节,随着今年投资规模的增加将带动电力设备爆发式发展。资料显示,2015年配电自动化的投资将分别达100亿元,150亿元~200亿元,增速分别为86%、75%以上。2015年12kV环网柜产量达到20万面以上。这些产品之前绝大部分是SF6气体绝缘或复合绝缘(即SF6环氧气包)类产品。因此,推广环保气体绝缘环网柜产品的市场前景可观。假设放开15%的市场扶持环保产品,每年3万面的量可以营造一个以环保产品为主的市场环境,引导我国电力设备产品向持续发展的道路前进,形成价格自序的竞争格局。

2)配网行动目标

配电网是国民经济和社会发展的重要公共基础设施。近年来,我国配电网建设投入不断加大,配电网发展取得显著成效,但用电水平相对国际先进水平仍有差距,城乡区域发展不平衡,供电质量有待改善。建设城乡统筹、安全可靠、经济高效、技术先进、环境友好的配电网络设施和服务体系一举多得,既能够保障民生、拉动投资,又能够带动制造业水平提升,为适应能源互联、推动“互联网+”发展提供有力支撑,对于稳增长、促改革、调结构、惠民生具有重要意义。

2020年,中心城市(区)智能化建设和应用水平大幅提高,供电可靠率达到99.99%,用户年均停电时间不超过1h,供电质量达到国际先进水平;城镇地区供电能力及供电安全水平显著提升,供电可靠率达到99.88%以上,用户年均停电时间不超过10h,保障地区经济社会快速发展;乡村及偏远地区全面解决电网薄弱问题,基本消除长期“低电压”,户均配变容量不低于2千伏安,有效保障民生。

加快建设现代配电网,以安全可靠的电力供应和优质高效的供电服务保障经济社会发展,为全面建成小康社会提供有力支撑。提升供电能力,实现城乡用电服务均等化。构建简洁规范的网架结构,保障安全可靠运行。应用节能环保设备,促进资源节约与环境友好。推进配电自动化和智能用电信息采集系统建设,实现配电网可观可控。满足新能源、分布式电源及电动汽车等多元化负荷发展需求,推动智能电网建设与互联网深度融合。

通过实施配电网建设改造行动计划,有效加大配电网资金投入。2015年~2020年,配电网建设改造投资不低于2万亿元,其中2015年投资不低于3000亿元,“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。预计到2020年,高压配电网变电容量达到21亿千伏安、线路长度达到101万公里,分别是2014年的1.5倍、1.4倍,中压公用配变容量达到11.5亿千伏安、线路长度达到404万公里,分别是2014年的1.4倍、1.3倍。


  1.中心城市(区):指市区内人口密集以及行政、经济、商业、交通集中的地区。

2.城镇:包括城市的建成区及规划区,县级及县级以上地区的城区以及工业、人口在本区域内相对集中的乡、镇地区。

3.乡村:除中心城市(区)、城镇以外的地区。

4.2014年数据源于配电网普查中各省级发展改革委(能源局)、电网企业上报数据的加权平均值。

3)电网投资趋势

“十二五”期间两大电网公司农网改造总计投资将超5000亿元:其中, 电网公司预计“十二五”投向农网4000多亿元,南方电网也安排农网建设改造投资1116亿元。再加上中央财政每年 少投入120亿元资本金用于农村电网新建及改造,预计每年两大电网对于农网改造投资资金在1000亿元以上。

2013年, 电网规划电网投资金额为3182亿元,实际完成3379亿元,增长10.46%;110kV及以上交流线路开工5.9万公里,投产4.8万公里。2014年计划完成电网投资3815亿元,增长12.90%;110kV及以上交流线路开工6.1万公里,投产5.1万公里。国网计划投资规模超出市场预期。值得注意的是,在上述2014年的4035亿元投资计划中,有1580亿元将投向配网建设,业内预计,随着后续配电网自动化标准、集中招标陆续启动,配网自动化将迎来建设元年。

南方电网2014年计划完成固定资产投资约846亿元,较2013年同期增长12.8%。2013年南方电网公司完成电网建设投资约632亿元。

根据 电网的智能电网“十二五”规划,“十二五”期间 电网计划投资16万亿元建设智能电网,按照智能变电环节占比约20%份额计算,智能变电环节投资额度将达到3200亿元。

未来几年电网投资中 持久性的是配电网投资,主要原因如下:

1)节能改造的需求:我国 轮农网改造距今15年,大部分设备老化、损耗严重,亟需更新改造。

2)可再生能源入网的需求:分布式大量入网后对电网安全产生影响,需要坚强、智能的配电网络。配电网建设事关电网安全稳定,是未来几年电网投资的 。配电一次设备、二次设备类公司都将受益。

根据国务院在发布的《 中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》,能源领域是我国将优先发展的十一项 领域之一。规划指出“超大规模输配电和电网安全保障”是未来优先发展的重要主题。同时,依据 发改委制定的《节能中长期专项规划》,电力工业也被列为节能 工业领域之首,要求“采用先进的输、变、配电损耗”。另外,依据《 电网公司十二五发展规划纲要》和“坚强智能电网”规划, 将进一步加大电网投入,提升技术装备水平,提高资源配置能力,积极建设具有国际先进水平的电网。

 

                                展望

能源委员会的新规划旨在升级110kV及以下传输线路和变电站,包括35kV、10kV及380V,主要是大都市、省或以下地区的电力传输网络。根据该计划,2015年投资将不低于3000亿元(476亿美元),“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元(2698亿美元)。(即每年平均投资3000亿元(476亿美元)到子电网)。

7月份的中国月报中, 电网计划投资926.5亿元(147亿美元)升级农村电网基础设施。根据 能源委员会的配电网扩张计划,其中200亿元(32亿美元)可能来自 能源局承诺的1.7万亿配电网建设改造投资。此外,在2015年1季度亚太数字能源市场展望中,预测2016年~2020年投资于 智能电网技术的资金累计将达到20亿美元。综上所述,未来5年中国在配电网络方面的投资可能达到近3000亿美元。

根据 能源委员会的数据,“十二五”期间(2011~2015),2011年整个电网基础设施的投资为3682亿元(584亿美元)、2014年的投资为4118亿元(654亿美元),即2011~2014年每年平均投资4000亿元(635亿美元)。

如果中国在“十三五”期间对电网基础设施的投资保持这种速度,那么每年3000亿元(476亿美元)的配电网投资将占中国电网总投资的75%。在 准备大力扶持分布式发电,尤其是可再生能源发电的背景下,这种举措意义重大。

 

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