电力开关设备研究现状及前景展望

一、开关概述：

开关如今在许多生产流程和技术设备中扮演重要角色，如果它们集体失灵或消失，社会认为理所当然的必要服务，如：洁净用水和常规能源供应，将会立即停止。它们的基本功能是接通或切断电路中的电流，或照字面理解“开关”导体间的电流通道，为无数机器和技术设备所使用。举一个复杂的例子，一款名为KVM开关（键盘、视频、鼠标）的硬件，其允许人们使用一个或多个键盘、视频监控器或鼠标操作多台电脑（在数据中心，或将全尺寸键盘和电脑加至小型移动设备如笔记本电脑、平板电脑和掌上电脑时十分有用）。从电脑键盘响应人类敲击到向电脑发送电子信号，到控制车库大门（当门全开时自动感应），到冰箱中控制温度的恒温器。所有这些甚至更多发明都是由既有想象力、又灵巧的大量不同开关的部署控制的。

二、开关的历史：

随着电力的出现，十九世纪的科学家和发明家能够发明各种技术，来阻断与接通电路中的电流。而这种技术当今已经广泛应用于工业开关和家庭开关的生产和使用。高维多利亚进步时期的一个说法，称第一个电灯开关是由英国发明家John Jeffrey Holmes于1884年发明的（6年后由Granville Woods发明了调光开关，但直到1905年电灯电路的触发开关才被发明出来）。Holmes的“速断技术”（其实际上立即切断或关闭电路并保护开关触点，免受电弧损坏）至今仍在使用。虽然在大部分现代建筑中，触发开关已大部分被摇臂开关所取代。

三、常用高压开关电器设备：

工业电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压电器和低压电器两大类。举例，常见的高压电器有高压断路器、高压隔离开关、高压负荷开关和高压断路器等。高压熔断器属于高压保护电器，高压隔离开关主要用来隔离高压电源第二部分证其它电气设备的安全检修，由于高压隔离开关没有灭弧装置，所以不能带负荷操作。高压负荷开关具有灭弧装置，但是负荷开关不能切断短路电流，必须与高压熔断器串联进行保护。高压断路器用在高压装置中通断负荷电流，并具有短路和过载保护因此，高压断路器具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，常见的高压断路器有油断路器（油开关）和真空断路器等。

1.高压断路器：

（1）作用及结构

断路器在电力系统中起着两方面的作用：一是控制作用，即根据电力系统运行需要，将一部分电力设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电力设备或线路发生故障时，通过继电保护装置作用于断路器，将故障部分从电力系统中迅速切除，保证电力系统无故障部分的正常运行。  高压断路器的类型很多，但就其结构来讲，都是由开断元件、支撑绝缘件、传动元件、基座及操动机构五个基本部分组成。开断元件是断路器的核心元件，控制、保护等方面的任务都需由它来完成。其他组成部分都是配合开断元件，为完成上述任务而设置的。

（2）类型及使用场合

断路器按其所采用的灭弧介质，可分为下列几种类型：

1）油断路器：采用变压器油作灭弧介质的断路器，称为油断路器，如断路器的油还兼作开断后的绝缘和带电部分与接地外壳之间的绝缘介质，称为多油断路器；油仅作为灭弧介质和触头开断后的绝缘介质，而带电部分对地之间的绝缘介质采用瓷或其他介质的，称为少油断路器。主要用在不需频繁操作及不要求高速开断的各级电压电网中。

2）六氟化硫（SF6）断路器：采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器，称为SF6断路器，在电力系统中广泛应用。适用于频繁操作及要求高速开断的场合，特别是126KV以上几乎全部选用SF6断路器。但不适用于高海拔地区。

3）真空断路器：利用真空的高介质强度来灭弧的断路器，称为真空断路器，现已大量应用在7.2—40.5KV电压等级的供（配）电网络上也主要用于频繁操作及要求高速开断的场合，但在海边地区使用时，应注意防凝露，因为会使断路器灭弧室灭弧能力下降。

目前，在电力系统中主要使用以上三种形式的断路器，而一些旧式断路器，如空气断路器等，已逐步被淘汰。

2、高压隔离开关

作用和结构：

高压隔离开关主要是用来隔离高压电源、以保证安全检修，因此其结构特点是断开后具有明显可见的断开间隙。它的另一结构特点是没有专门的灭弧装置，因此它不能带负荷操作。但它允许通断一定的小电流，如励磁电流不大于2A 的空载变压器，充电电容电流不大于5A 的空载线路以及电压互感器回路等。开关柜用的户内隔离开关主要有GN19系列、GN6、GN9系列。  隔离开关主要由导电部分、绝缘部分、传动部分和底座部分组成。

3、高压负荷开关

作用和结构：

负荷开关的用途与它的结构特点是相对应的，从结构上看，负荷开关主要有两种类型，一种是安装在墙上、架构上的，其结构类似于隔离开关；另一种是安装在高压开关柜中，特别是采用真空或SF6气体的，则更接近于断路器。负荷开关的用途是包含了这两种类型的负荷开关的综合用途。

1）负荷开关在断开位置时，像隔离开关一样有明显的断开点，因此可起电气隔离作用。对于停电的设备或线路提供可靠停电的必要条件。

2）负荷开关具有简易的灭弧装置，因而可分、合负荷开关本身额定电流之内的负荷电流。它可用来分、合一定容量的变压器、电容器组，一定容量的配电线路。有的车间变压器距高压配电室的断路器较远，停电时在车间变压器室中看不到明显的断开点，往往在变压器室的墙上加装一台高压负荷开关，既可以就近操作变压器的空载电流，又可以提供明显的断开点，确保停电的安全可靠。

3）配有高压熔断器的负荷开关，可作为断流能力有限的断路器使用。这时负荷开关本身用于分、合正常情况下的负荷电流，高压熔断器则用来切断短路故障电流。但这里的负荷开关多为真空式或六氟化硫式，整个环网柜体积不大，最大可带容量为1250KVA的变压器。

4、高压熔断器

（1）用途和型号：

高压熔断器是一种保护电器，当系统或电气设备发生短路故障或过负荷时，故障电流或过负荷电流使熔体发热熔断、切断电源起到保护作用。高压熔断器分为限流和不限流两类。户内高压熔断器为限流式熔断器。  高压熔断器的型号由六部分组成，从左起第一位表示设备名称，R代表熔断器；第二位，使用环境，N代表户内型；第三位，设计序号，以数字表示；第四位（横线后面），额定电压，用数字表示，单位KV，第五位（空格后，斜线前），熔断器的额定电流。以数字表示，单位A；第六位（斜线后），熔体的额定电流，用数字表示，单位以A 表示.例如：RN1—10 20/10代表：熔断器户内型；设计序号为1，额定电压10KV，熔断器额定电流20A，熔体额定电流10A。

（2）工作原理：

熔断器主要元件是一种易于熔断的熔断体，简称熔体，熔体或熔丝由熔点较低的金属制成，具有较小截面或其他结构的形式，当通过的电流达到或超过一定值时，由于熔体本身产生的热量，使其温度升高，达到金属的熔点时，熔断切断电源，因而完成过载电流或短路电流的保护。为了得到大的切断能力和各种需要的保护特性，熔体的设计是一个重要问题。

熔断器工作包括以下四个物理过程：

1）流过过载或短路电流时，熔体发热以至熔化；

2）熔断体气化，电路开断； 

3）电路开后的间隙又被击穿，产生电弧；

4）电弧熄灭，熔断器的切断能力决定于最后一个过程。

熔断器的动作时间为上述四个过程的时间总和。

四、常用低压开关电器设备：

低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。按种类划分，常见的有刀开关、熔断器、低压断路器、接触器、继电器及主令电器等等。

1.刀开关：又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器。

2.熔断器：也被称为保险丝，IEC127标准将它定义为“熔断体（fuse-link）”。它是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统，以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。

3.低压断路器：（曾称自动开关）是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。

4.接触器： 是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

5.继电器：继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

6.主令电器：是用来接通和分断控制电路以发布命令、或对生产过程作程序控制的开关电器。

五、行业发展展望

随着电子技术的飞速发展，控制电器的发展也越来越快，其中尤以控制与保护开关电器、电子式电动机保护器、软启动器和变频器的发展最为迅速，在近十年里一些大都研发了两代产品，可见技术发展之快。

1.控制与保护开关电器（CPS）

近年来各大将整体解决方案的概念引入到电动机控制与保护装置中，将电动机保护断路器、接触器、保护继电器直接组装成紧凑型的电动机启动器（即组合式如MOELLER的Xstart系列等），并在元器件设计时就从外观、尺寸、端子连接及性能配合等方面考虑了相互的接组合要求。随着技术的发展和需求的增加，整体式的CPS也已出现（如施耐德的TesysU系列），其结构更为紧凑、合理，功能更为强大。整体式的CPS以施耐德的TesysU系列产品为代表，高度集成不仅使其体积比组合式大大减小，而且保护性能完善、功能强大，因此整体式CPS极有可能成为今后CPS发展的主流。

2.控制与保护开关电器（CPS）

电子式电动机保护器是随着电子技术的发展而诞生的专业用于电动机等保护的电器，根据电动机保护要求的高低分成高、中、低端产品系列。高端电动机保护器功能非常强大，如MM2和GEMultlin下的电动机保护器产品系列中的一个主要产品，主要应用于低压电机控制中心。

3.软启动器 

    软启动器技术发展较快，已基本上取代了原来的降压启动器、自耦减压启动器等产品，成为一种重要的电动机启动器，一般均有经济型和高级型二个系列软启动器。经济型软启动器一般功能简单，仅具有软启动功能，没有其他保护功能，但成本较低，结构紧凑、体积小巧，有的经济型软启动器还可兼作半导体接触器。高级型软启动器，除了具有软启动功能外。还具有其他多种保护功能。