摘要：户外中压开关电器主要用于农网及城乡结合部。由于我国农网电力约占总电力1/3左右，因而户外中压开关电器用得很多，市场很大。我国户外中压开关电器年用量约4万台。该文介绍了农网特点及各类开关的特点，并介绍了柱上开关的发展。
关键词：农网；柱上开关；真空；SF6
中图分类号：TM56 文献标志码：B 文章编号:1003-0867(2006)05-0049-02
1 柱上开关
根据农网特点，原电力部于1986年制定了农村变电所模式方案：坚持“小容量、密布点、短半径、造价低、安全可靠、技术先进”的发展方向。
具体有两种模式方案：第一方案（即近期方案），10 kV侧采用柱上SF6或真空断路器和综合集控装置，35 kV侧采用油或无油断路器；第二方案（即远期方案），10 kV侧采用重合器和分段器；35 kV侧采用熔断器和负荷隔离开关。
目前我国90％以上农村变电所处于第一方案，而第二方案有明显增长的趋势。
农网电压等级为110 kV、35 kV、10 kV、220/380 V。其中110 kV用的断路器或GIS，同城网没有差别。35 kV和10 kV级产品独具特色，如10 kV级产品为柱上式，35 kV级断路器为落地布置。第二方案中35 kV级用负荷隔离开关+熔断器，也可布置在柱上。
对于标称电压为10 kV和35 kV的电网，使用的高压开关的额定电压（电网最高工作电压）应为12 kV和40.5 kV。在这两个等级中，SF6开关和真空开关作为两大支柱，取代了原来了多油开关。其中产品包括断路器、重合器、分段器和负荷隔离开关。
农网用的开关不同于城网的，它属于小容量、小型化、户外式及柱上安装。由于农网用开关多装在柱上，故不需建房，可节约面积和造价30%～40%。但由于农网用开关多装在户外，因此必须解决好户外开关的外绝缘问题。
目前市场上的柱上开关形式多样，性能也各不相同。具体可分以下几类：
·按出产国可分为国产和进口两种；
·按触头灭弧能力可分为断路器、负荷开关；
·按灭弧介质可分为真空、SF6；
·按绝缘介质可分为油绝缘、空气绝缘、SF6绝缘及固体绝缘；
·按操动机构可分为电磁操动机构、弹簧操动机构、永磁操动机构；
·按产品使用功能可分为断路器、重合器、分段器、负荷隔离开关；
·按出线套管的材质可分为瓷套管和硅橡胶套管。
2 各类开关的特点
2.1 国产开关
按国内电力系统的使用特点进行设计制造。一般采用弹簧操动机构，可进行电动和手动分合闸操作。电流互感器二次电流按5A设计；可设多组、多变化，有利于满足继电保护、遥测、计量的不同要求。一般开关本身配置刀闸，并且开关与刀闸之间设有操作闭锁。
2.2 进口开关
所有进口开关的共同点是：①电流互感器二次电流按1A设计。一般为600/1和1000/1两种选择。②所有开关均不配刀闸。③配有专用的操作控制器。控制器的控制、保护功能齐全，可选择性强，有利于上下级的保护配合。④采用零表压下的SF6气体绝缘，不受外部环境的影响。操动机构制造工艺精细且大多密封在SF6气体腔内，现场免维护。
2.3 断路器、重合器、负荷开关、分段器
断路器：具有很强的灭弧能力。可关合、切断故障电流。配备含微机保护的控制器，可实现对分支线路的保护。
重合器：开关本体与断路器完全相同，区别在于控制器的功能上，断路器的控制器功能简单，仅具备控制线路电流，保护现场，其他功能是靠FTU实现。而重合器的控制器除了具备断路器控制器的所有功能外，还具有自具功能，它具有3次以上的重合闸功能、多种特性曲线、相位判断功能、与自动化系统的连接功能等，价格较高。
负荷开关：可以关合故障电流，开断额定负荷电流，有真空和SF6灭弧两种型式。其主要作为线路分段开关。配备智能控制器就成为分段器，造价较低。
3 户外柱上开关的发展
3.1 增大容量
农网原来用多油断路器（如DW10型），其容量（短路开断电流）仅为3.15 kA，难以满足农网日益增长的容量要求。自从无油化后，采用真空和SF6断路器，其容量大增，形成8 kA、12.5 kA、16 kA、20 kA系列，完全能满足农网发展对断路器的要求。多油断路器已被淘汰。
3.2 减少用气量和排气量
SF6等6种气体，在1997年《京都议定书》中被列为温室效应气体，其中CO2影响最大，占60％； SF6虽仅占0.1%，但具有潜在危险，因一个SF6分子对温室效应的影响为CO2分子的23900倍，且排入大气的SF6气体寿命特长（约3200年）。
鉴于以上情况，农网用SF6开关制造厂都在结构设计和密封上下功夫，以减少用气量和排气量。如40.5 kV SF6断路器，由原设计的罐式结构改为支柱式结构，只用SF6灭弧而用瓷柱对地绝缘，大大减少了用气量。IEC标准规定SF6气体年漏气量为1％，而目前许多厂改进密封结构、密封材料和减少密封长度，做到年漏气量小于0.5%。
在12 kV，户外真空断路器有了很大发展，它用真空灭弧室灭弧，仅用少量SF6气体作绝缘，或完全不用SF6而用固体绝缘或用干燥空气绝缘。
3.3 操动机构多元化
电磁操动机构。结构简单，使用简便，工作可靠，制造成本低。螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器反力特性的要求，还可手动分闸。其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，要求配用昂贵的蓄电池，加上结构笨重，动作时间较长。常用的机构有CD10、CD17和CD19型。
永磁操动机构。永磁操动机构是一种新概念的操动机构。它有单稳定和双稳态之分，特点是结构简单，开关状态靠永久磁铁的磁力保持，机械传动部件非常少。机构密封程度较高。它由电磁操动，永磁保持和电子控制三部分组成。
对于户外断路器和重合器来说，由于产品安装在柱上，不易检修，而且户外环境条件恶劣，弹簧机构在长期运行中因润滑脂失效、零部件生锈、动作不灵活，而永磁机构体积小，可密封在箱体内，免受恶劣环境的影响，同时重合器要求频繁操作，永磁机构以其储能快且寿命长，正好适应重合器的操作要求。因此对柱上开关，国外大多采用永磁机构，例如，Whipp & Bourne、ABB以及Siemens等公司的柱上产品都配用了永磁机构。目前永磁机构价格贵。永磁机构将弹簧机构的机械问题变成电问题，如电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力问题及电子器件的可靠性等问题，对制造提出了高要求，且需要经受运行考验，取得运行经验。
弹簧操动机构。在我国，户外柱上开关配弹簧机构居多。弹簧操动机构的制造和运行经验丰富，可修可调，且价格比永磁机构便宜。其优点是不需要大功率直流电源，电动机功率小，交直流两用。其缺点是结构比较复杂，零件数多，且要求加工精度高，制造工艺复杂。
目前用得多的弹簧机构为CT17型和CT19型两种机构基本相同，前者为直推式输出，后者为转动式输出。
进口弹簧操动机构目前以三角板式操动机构为代表。结构简单零部件少，整个机构密封在SF6腔体内，故障概率极低。其功能不但能满足电动操作，还可以手动分、合闸操作，即使是控制器故障也能尽快手动恢复送电。
3.4 灭弧原理精彩纷呈
农网用SF6开关的灭弧不仅有压气式，还有旋弧式及旋弧+热膨胀混合式。总的趋势是向后两种自能式发展。自能式最大优势是不用操动机构提供灭弧压力，相比压气式大大减少了操作功，从而简化了操动机构。
例如，在户外用量大的LW3-12型SF6断路器就采用先进的旋弧式灭弧原理，该产品问世已20多年，但使用一直经久不衰。又如LW8-40.5型SF6断路器，在原先压气的基础上改进喷口结构，利用电弧堵塞效应提高灭弧能力，使之开断电流从31.5 kA提高到40 kA。再如国内又开发出LW8-40.5A型SF6断路器，采用压气+自能灭弧原理，而LW8-40.5B型产品采用旋弧灭弧原理。ABB公司的OHB型户外SF6断路器也采用自能+压气灭弧原理，其中自能占70％，压气占30％。
3.5 安全保护更加完善
SF6开关安全运行受两个因素影响最大：一是SF6气体泄漏。一旦泄漏到不许可的程度，则开关就会失灵，为此制造厂家给开关安装了密度继电器，对SF6气体压力进行监控。其上设置三个压力值：设计压力（额定压力）、报警压力和最低功能压力。当到达最低功能压力时，开关即闭锁；二是爆炸。一旦开关出现故障（如内部故障电弧），强大的电弧能量会使SF6气体压力急剧上升，当壳体承受不了时，就会发生爆炸，危及周围设备和人身安全。为此制造厂家在开关壳体上设置防爆膜盒。防爆膜盒耐受的压力低于壳体的耐受压力，当发生内部故障电弧时，防爆膜盒先爆破，将高压力从安全方向释放出去。
3.6 农网开关智能化
配网自动化以故障自动诊断、故障区域自动隔离、非故障区自动恢复送电为目的。开关的选型也要以此为依据，重合器和分段器可使馈线自动化。
农网自动化中，必须具有故障识别和恢复供电功能，要做到这点，必须采用智能化开关电器。重合器具有多次重合功能，能有效地排除临时故障，且自带控制和操作电源（如高效锂电池），操作不受外界继电器控制而由微处理器控制。分段器由切负荷灭弧室和隔离闸刀组成，具有记忆和识别功能，能隔离永久性故障线段，恢复供电。
重合器和分段器一般装在柱上，简化了传统变电所的接线方式，取消了控制室、高压配电室、继保盘、电源柜、高压开关柜等设备，省去了大量建设投资，节省占地面积1/3，大大缩短了施工周期。
重合器和分段器配合，实现识别故障与恢复供电功能有多种方案。其中主要有电流—时间方案（简称电流法）和电压—时间方案（简称电压法）。这两种方案不依赖信道建设，除适合中小城网外，尤其适合农网现状。它不仅能够最大限度地避免瞬时性故障停电，提高农网供电可靠性，而且最大限度地缩小了永久性故障的停电范围。
参考文献
[1] 李建基. 高压开关设备实用技术. 北京:中国电力出版社,2005
[2] 沙声强. 县级配网自动化系统柱上开关的特性与选型. 今日电气,2004,(4),22～23.
本文关键字：开关 电工入门，电工技术 - 电工入门
