16、配电开关设备的未来趋势与发展

配电开关设备的未来趋势与发展

1. 未来预测的挑战

预测未来充满挑战，历史上许多预测都以失败告终，因为总会有意外情况出现，让预测结果完全偏离。不过，基于现有的最佳信息，我们仍可对配电开关设备的未来进行一些推测。

2. 变革驱动因素

变革由技术和经济因素共同推动，主要驱动因素如下：
- 技术
- 规格
- 竞争
- 材料
- 制造
- 尺寸
- 制造基地

下面我们详细探讨每个驱动因素如何推动变革。

3. 技术发展

目前，在高校和行业内部的调查显示，虽然为了降低成本，人们广泛探索新材料和新形状的影响，但短期内没有能与真空和 SF6 竞争的新技术出现。曾经有人希望液态钠设备能在配电开关设备中占据一席之地，但它仅在特殊低压熔断器中得到应用。

固态开关曾被寄予厚望，它有望制造出无运动部件、无接触磨损的新型断路器。然而，背靠背固态设备（如 Triacs）的额定值有限，为了达到可用的配电电压和电流额定值，需要大量设备串联和并联使用。串联设备的电压分配需要短路电容器，正向电压降产生的热量还需要循环泵进行油冷却。成本核算表明，固态断路器的成本约为最低可用额定值的传统配电断路器的十倍。

如果燃料电池发展到能将满足一个家庭用电的功率装在一个手提箱大小的盒子里，并且每年只需更换一次，那么发电站、架空线路、地下电缆、变压器以及一次和二次开关设备都将不再必要。不过，一旦这个盒子爆炸，后果不堪设想。

4. 规格更新

国家和国际规格都有专门的维护团队定期审查其内容，以确保其与时俱进。这些团队由用户、制造商和健康安全人员等领域的专家组成。规格的变更有时是为了防范潜在弱点，有时是为了适应技术变化。变更通常相对较小，但偶尔也会有重大变更。例如，过去曾因实际使用中的灾难性故障，不再接受断路器的直接手动操作，并在测试职责级别 1 - 4 中引入了故障合闸操作。

制造商和用户可通过标准发布机构的年鉴了解标准的修订情况，确保使用的是最新版本。

5. 竞争影响

竞争是变革的重要驱动力。在配电开关设备领域，更小、更轻、更高额定值和功能性的产品总是会促使竞争对手开发出更好的产品。

在电力市场中，嵌入式发电的引入会增加局部地区的短路故障水平，可能导致现有开关设备的额定值不足。开关设备制造商有时可通过更换内部元件来提升现有开关设备的短路和正常电流额定值，例如更换真空灭弧室和机构弹簧。但如果所考虑的开关设备系列没有更高额定值的产品，就可能需要寻找替代类型的开关设备，这还需要解决变电站设计以适应新开关设备的物理尺寸等问题，因为变电站尺寸的变化可能会使内部电弧故障测试结果无效。

6. 材料进步

制造领域的发现和发展，若能在尺寸和成本上带来优势，就会推动变革。在配电开关设备领域，绝缘材料发生了巨大变化，从早期的瓷、石板和橡胶，发展到现代的环氧树脂、玻璃填充环氧树脂和聚氨酯树脂。

7. 制造优化

通过分析产品的时间和劳动力成本，可以降低成本。新的制造工艺通常能同时节省这两方面的成本。以杆上自动重合器为例，早期的油浸式单元使用电弧控制罐来切断电流，其顺序控制组件中的复位缓冲器复位时间为 60 - 90 秒，且只能通过手动抛光缓冲器孔来达到所需精度，调整和测试成本高昂，一个单元的常规调整和测试可能需要一个人一周的时间。而后来从油切换到真空切断电流，从液压顺序控制改为电子控制后，可在自动测试设备中进行常规测试，每个单元的测试时间缩短至不到 30 分钟，且重合器无需维护。

8. 尺寸优势

变电站的土地成本很高，尤其是在大城市中的配电开关设备。因此，较小的整体尺寸能为制造商带来显著的竞争优势。现代开关设备在尺寸紧凑方面已经取得了很大进展。

9. 制造基地变化

过去 20 年，配电开关设备制造商的数量因收购和合并而减少，最终可能只剩下约六家世界级的大型制造商。随着时间推移，这些大型制造商可能会将研发集中化。这既有好处，研发部门可能会更大，能聘请顶尖工程师；但也可能导致产品种类减少，以实现制造单元效率的最大化。这可能会使未来的产品在满足各种需求方面缺乏过去那种创新设计。

下面是变革驱动因素的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[变革] --> B[技术]
    A --> C[规格]
    A --> D[竞争]
    A --> E[材料]
    A --> F[制造]
    A --> G[尺寸]
    A --> H[制造基地]

10. 未来发展趋势

基于上述驱动因素和已发生的变化，我们可以推测未来配电开关设备可能的发展方向：
1. 故障中断将仅使用真空和 SF6 灭弧室，二次开关设备使用高压熔断器，且它们的尺寸将减小。
2. 出于环境和生命周期成本考虑，SF6 气体的市场份额可能会下降。
3. 积累足够的使用经验后，可能会从 SF6 气体转向固体绝缘。
4. 磁致动器的使用将继续增长，逐步取代传统的弹簧操作机构。
5. 未来大多数设备将实现远程控制，以降低操作工时成本和停电时间。
6. 远程监测电路条件（如电压、电流和功率）将成为常态。
7. 由于对设计者和制造商有诸多优势，替代传统电流和电压互感器的产品使用将增加。
8. 微处理器在保护和控制中的应用使这两种功能的界限变得模糊，预计不久后它们将统一。
9. 基于知识的集中保护系统将通过安全通信与现场设备相连，实现对网络的全局保护，并在系统故障时自动进行电路重构。

11. 相关资源

为了更深入地探索开关设备的各个方面，以下是一些有用的信息来源：

书籍

• 《The switchgear handbook, vol. 1 – apparatus》（Sir Isaac Pitman & Sons Ltd., London, 1953）
• 《High voltage circuit breakers》（Constable & Co. Ltd., Prague, 1957）
• 《The J & P switchgear book》（Peter Peregrinus Ltd, London, 1982）
• 《Power circuit breaker theory and design》（Peter Peregrinus Ltd., London, 1982 revised edition）
• 《Distribution switchgear》（Collins, London, 1986）
• 《SF6 switchgear》（IEE Power series book, vol. 10, Peter Peregrinus Ltd, London on behalf of the IEE, 1989）
• 《Electrical transients in power systems》（John Willey and Sons, Inc., Chichester, 1991, 2nd edn.）
• 《Vacuum switchgear》（IEE Power series book, vol. 18, IEE, London, 1994）
• 《Electric fuses》（IEE Power series book, vol. 2, IEE, London, 1994）

论文和发表文章

• 《Extinction of an a.c. arc》（Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 1928, 47）
• 《A new theory of arc interruption and circuit severity》（CIGRE, France, 1939）
• 《Overvoltages due to the interruption of small inductive currents》（CIGRE, France, 1950）
• 《Factors influencing the interruption in electric power supply systems》（Ferguson Palin Ltd. publication 1045/290, 1954）
• 《The vacuum switch – parts 1 and 2》（Proc. IEE, 1963, 110, pp. 793–811）
• 《Electromagnetic tripping devices》（UK Patent 1,236,916, 1964）
• 《High current vacuum arcs》（Proc. IEE, 1970, 117, pp. 2327–2332）
• 《A guide to the application of vacuum circuit breakers》（IEEE Trans., 1971, PAS - 90, pp. 1589–1597）
• 《Interruption ability of vacuum interrupters subjected to an axial magnetic field》（Proc. IEE, 1972, 119(12), pp. 1754–1758）
• 《High current vacuum arcs stabilised by axial magnetic fields》（Trans. IEEE, 1973, PAS - 92, pp. 1723–1732）
• 《The use of vacuum switchgear for the control of motors and transformers in industrial systems》（IEE international conference of Developments in distribution switchgear, 1978）
• 《SF6 circuit breaker design and performance》（IEE Electronics & Power Journal, February 1979, pp. 121–126）
• 《An autorecloser with microprocessor control for overhead line distribution》（IEE Electronics & Power Journal, June 1984, pp. 469–472）
• 《Trends in modern switchgear design》（IEE Symposium, 1984）
• 《Development of SF6 switchgear incorporating rotating arc circuit breakers》（IEE Electronics & Power Journal, August 1986）
• 《Recent advances in vacuum interrupter design》（GEC Review, 1986, 2(3)）
• 《Current chopping performance of distribution circuit breakers》（IEEE winter meeting, London, 1986）
• 《Further developments in distribution switchgear for overhead networks》（IEE colloquium on Improving supply security on 11 kV overhead networks, London, digest 1988/134, December 1988）
• 《Oil - less switchgear》（IEE Hong Kong centre lecture, March 1990）
• 《Meeting the objectives for operator safety》（IEE colloquium on Risk reduction: internal faults in T&D switchgear, Nottingham, April 1997）
• 《Magnets & vacuum – the perfect match》（IEE 5th international conference on ‘Trends in distribution switchgear’, conference publication 459, 1998）
• 《An asymmetrical magnetic actuator for MV circuit breakers》（CIRED, 1999）
• 《Magnetic actuators applied to primary and secondary switchgear》（CIRED, 1999）
• 《Primary switchgear》（IEE Power Engineering Journal, 2000, 14(6), pp. 264–269）
• 《Developments in ring main unit design for improved MV network performance》（IEE Power Engineering Journal, 2000, 14(6), pp. 270–277）

12. 标准规范

与开关设备设计、制造、应用和操作相关的人员应确保查阅相关规范的最新版本，可通过标准组织的年鉴进行核实。以下是一些标准列表，仅供参考，使用时需确保版本为最新：
|标准编号|标准名称|
| ---- | ---- |
|IEC 73|人机界面、标记和识别的基本安全原则。指示设备和执行器的编码原则（第 6 版，2002 年）|
|IEC 417|设备上使用的图形符号（已被 IEC60417 第 1 和第 2 部分取代，取代日期 01/09/98）|
|IEC60417 part 1|设备上使用的图形符号 - 第 1 部分：概述和应用（第 3 版，2002 年）|
|IEC60417 part 2|设备上使用的图形符号 - 第 2 部分：符号原件（第 1 版，1998 年，修订 2 - 2002）|
|IEC 815|污染条件下绝缘子的选择指南（第 1 版，1986 年）|
|IEC 870|远程控制设备和系统|
|IEC 1330|高压/低压预制变电站（第 1 版，1995 年）|
|IEC 60044 PTI|仪表变压器 - 电流互感器（第 1 版，1996 年，修订 1 - 2000）|
|IEC 60056|高压交流断路器（已被 IEC62271 - 100 取代，取代日期 01/05/01）|
|IEC 62271 - 100|高压开关设备和控制设备 - 第 100 部分：高压交流断路器（第 1 版，2001 年，修订 1 - 2002）|
|IEC 60129|交流隔离开关和接地开关（已被 IEC62271 - 102 取代，取代日期 19/12/01）|
|IEC 62271 - 102|高压开关设备和控制设备 - 第 102 部分：高压交流隔离开关和接地开关（第 1 版，2001 年，勘误 1 - 2002）|
|IEC 60186|电压互感器（第 2 版，1987 年，修订 2 - 1995）|
|IEC 60265 - 1|高压开关 - 额定电压高于 1 kV 且低于 52 kV 的开关（第 3 版，1998 年，勘误 1 - 2000）|
|IEC 60298|额定电压高于 1 kV 且不超过 52 kV 的交流金属封闭开关设备和控制设备（第 3 版，1990 年，勘误 2 - 1998）|
|IEC 60420|高压交流开关 - 熔断器组合（已被 IEC62271 - 105 取代，取代日期 22/08/02）|
|IEC62271 - 105|高压开关设备和控制设备 - 第 105 部分：交流开关 - 熔断器组合（第 1 版，2002 年）|
|IEC 60480|从电气设备中取出的 SF6 检查指南（第 1 版，1974 年）|
|IEC 60529|外壳防护等级（IP 代码）（综合版，2001 年）|
|IEC 60617|图表用图形符号|
|IEC 60694|高压开关设备和控制设备标准的通用规范（综合版，2002 年）|
|IEC 61243|带电作业电压探测器|
|IEC 61634|高压开关设备和控制设备 - SF6 在高压开关设备和控制设备中的使用和处理（第 1 版，1995 年）|
|IEC 61958|高压预制开关设备和控制设备组件 - 电压存在指示系统（第 1 版，2000 年）|
|IEV 441|国际电工词汇 - 第 441 章：开关设备、控制设备和熔断器（1990 版）|
|ISO 9000|质量管理体系 - 基础和词汇（第 2 版，2000 年）|
|BS EN 60168|标称电压大于 1 kV 的系统用陶瓷或玻璃室内外支柱绝缘子试验（1995 版，修订 13134 - 2001）|
|BS 148|变压器和开关设备用未使用和回收矿物绝缘油规范（1998 版）|
|BS 3SIC|标识、编码和特殊用途的颜色规范|
|BS 2045|优先数（相关标准 ISO 3、ISO 17 和 ISO 497）（1965 版）|
|BS 2562|变压器和电抗器用电缆盒规范（1979 版）|
|BS 2692|电压超过 1000 V 交流熔断器（相关标准 IEC 60282）|
|BS2874|铜及铜合金棒材和型材规范（非锻造坯料）|
|BS 4608|电气用铜规范（轧制带材、板材和箔材）（已被 BS EN 13599 取代，取代日期 19/09/2002）|
|BS EN 13599|铜及铜合金 - 电气用铜板、板材和带材（2002 版）|
|BS 5207|电气设备用六氟化硫规范（相关标准 IEC 376）（1975 版）|
|BS 5559|设备端子标识规范和使用字母数字标记的统一端子标记系统通用规则（相关标准 EN 60445、IEC 445）（已被 BS EN 60445 取代，取代日期 15/07/2000）|
|BS EN 60445|人机界面、设备端子和某些指定导体终端的标记和识别基本安全原则，包括字母数字系统通用规则（2000 版）|
|BS 5775|量、单位和符号规范（相关标准 ISO 31）|
|BS 6121 - 1|机械电缆密封套 - 金属密封套规范（1989 版，部分被 BS EN 50262 取代）|
|BS EN 50262|电气安装用公制电缆密封套（1999 版，修订 13524 - 2002）|
|BS 6423|电压不超过 650 V 的电气开关设备和控制设备维护规范（1983 版，修订 6812 - 1992）|
|BS 6553|变压器电路用高压熔断器熔丝选择指南（相关标准 IEC 60787）（1984 版，修订 6685 - 1991）|
|BS 6626|电压高于 650 V 且不超过 36 kV 的电气开关设备和控制设备维护规范（1985 版，修订 6813 - 1991）|
|BS 7198|液压动力快速接头（相关标准 ISO 7241）|
|BS 7354|高压露天终端变电站设计规范（1990 版，修订 7160 - 1992）|
|BS 7735|油浸式电力变压器负载指南（1994 版）|
|ANSI/IEEE C37.60|交流系统用架空、垫装、干式地窖和潜水式自动电路重合器和故障断路器的美国国家标准要求，版本 81（修订 1992）|
|ANSI/IEEE C37.63|交流系统用架空、垫装、干式地窖和潜水式自动线路分段器的美国国家标准要求（1997 版）|
|EATS 12 - 8|11 kV/415 V 和 6.6 kV/415 V 地下配电网络熔断器的应用（第 2 期，1986 年）|
|EATS 12 - 11|开关设备用室内外电缆盒（用于标称系统电压 6.6、11 和 33 kV 的服务）（第 2 期，修订 1）|
|EATS 35 - 1|配电变压器（16 kV A 至 1000 kV A）（第 4 期，修订 1 - 1993）|
|EATS 35 - 15|高压配电系统（最高 36 kV）的保护和测量变压器|
|EATS 41 - 16|设备终端、导体尺寸和相关配件（户外和户内变电站户外设备用铜）（第 2 期 - 1981）|
|EATS 41 - 18|额定电压 7.2 kV - 420 kV 的套管、电容器、仪表变压器和开关设备局部放电测试（第 2 期 - 1995）|
|EATS 41 - 36|最高 36 kV 服务用配电开关设备（电缆和架空导体连接）（第 1 期 - 2000）|
|EATS 43 - 92|架空线路用导体配件（第 2 期，修订 1 - 1993）|
|EATS 43 - 95|架空线路用钢结构（第 5 期，修订 1 - 1993）|
|EATS 48 - 2|6.6 kV 和 11 kV 地下和架空配电系统故障通过指示器（第 1 期，修订 1 - 1993）|
|EATS 50 - 18|辅助电气设备的设计和应用（第 2 期）|
|EATS 98 - 1|新设备和装置的表面处理和涂层系统（第 2 期，修订 1 - 1997）|
|BEBS S 12|开关设备和变压器及其相关继电器和控制面板小布线的标准编号规范（修订 1）|
|Engineering Recommendation G 18|空气断路器隔离开关的操作|
|Engineering Recommendation S 15|标准示意图|
|The Construction Design and Management Regulations 1994|建筑设计和管理法规 1994|
|The Electricity at Work Regulations 1989|工作场所用电法规 1989|

配电开关设备的未来趋势与发展

13. 驱动因素对未来趋势的影响分析

为了更清晰地理解各个驱动因素如何影响未来配电开关设备的发展趋势，我们可以通过以下表格进行分析：
|驱动因素|对未来趋势的影响|
| ---- | ---- |
|技术|短期内无新技术能与真空和 SF6 竞争，但长期来看可能推动从 SF6 到固体绝缘的转变；固态开关虽目前成本高，但技术发展可能改变现状；燃料电池的突破将带来巨大变革。|
|规格|规格的更新促使设备符合最新安全和性能要求，推动产品不断改进，如不再接受断路器直接手动操作等重大变更。|
|竞争|促使产品向更小、更轻、更高额定值和功能性发展；嵌入式发电增加短路故障水平，推动开关设备升级或更换。|
|材料|绝缘材料的发展从瓷、橡胶到现代树脂，未来可能继续推动设备尺寸减小和性能提升。|
|制造|新制造工艺降低成本、提高效率，如杆上自动重合器从油浸式到真空式的转变，减少维护和测试时间。|
|尺寸|城市土地成本高，推动开关设备向小型化发展，提升制造商竞争力。|
|制造基地|制造商数量减少和研发集中化，可能使产品质量提高，但也可能降低创新设计的多样性。|

14. 未来趋势的潜在挑战与机遇

未来配电开关设备的发展趋势既带来了挑战，也蕴含着机遇，具体如下：

挑战

• 技术转型成本 ：从 SF6 气体转向固体绝缘、采用磁致动器等新技术，可能需要企业投入大量资金进行研发和设备更新。
• 标准适应难度 ：不断更新的规格标准要求制造商和用户及时了解并适应，否则可能面临合规风险。
• 竞争压力增大 ：市场竞争促使企业不断提升产品性能和降低成本，对于一些小型企业来说，可能难以承受竞争压力。

机遇

• 新兴市场需求 ：随着新能源的发展和智能电网的建设，对配电开关设备的需求将不断增加，为企业提供了新的市场机会。
• 技术创新突破 ：新技术的应用可能带来产品性能的大幅提升，如远程控制和监测技术可提高电网的可靠性和运行效率。
• 环保意识增强 ：减少 SF6 气体的使用符合环保要求，有助于企业树立良好的社会形象，开拓环保型市场。

下面是挑战与机遇的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[未来趋势] --> B[挑战]
    A --> C[机遇]
    B --> B1[技术转型成本]
    B --> B2[标准适应难度]
    B --> B3[竞争压力增大]
    C --> C1[新兴市场需求]
    C --> C2[技术创新突破]
    C --> C3[环保意识增强]

15. 应对未来发展的策略建议

针对未来配电开关设备的发展趋势和潜在挑战，企业和相关从业者可以采取以下策略：

企业层面

• 加强研发投入 ：关注新技术的发展，如固体绝缘、磁致动器等，加大研发力度，提前布局未来市场。
• 优化生产流程 ：采用新的制造工艺，降低生产成本，提高生产效率，增强产品的市场竞争力。
• 建立标准跟踪机制 ：及时了解标准规范的更新情况，确保产品符合最新要求，避免合规风险。
• 拓展市场渠道 ：积极开拓新兴市场，如新能源领域和智能电网市场，寻找新的业务增长点。

从业者层面

• 持续学习提升 ：不断学习新技术、新标准，提高自身专业素养，适应行业发展的需求。
• 关注行业动态 ：及时了解行业的最新发展趋势和市场需求，为企业的决策提供参考。
• 加强合作交流 ：与同行、供应商和客户保持密切合作，共同推动行业的发展。

16. 总结与展望

配电开关设备的未来发展受到技术、规格、竞争、材料、制造、尺寸和制造基地等多种因素的驱动。未来，故障中断将主要采用真空和 SF6 灭弧室，SF6 气体市场份额可能下降，磁致动器和远程控制等技术将得到广泛应用。然而，发展过程中也面临着技术转型成本、标准适应难度等挑战。

企业和从业者应积极应对挑战，抓住机遇，通过加强研发投入、优化生产流程、建立标准跟踪机制等策略，推动配电开关设备行业的持续发展。随着科技的不断进步和市场需求的变化，相信配电开关设备将朝着更加高效、智能、环保的方向发展，为电力系统的安全稳定运行提供有力保障。

以下是应对策略的列表总结：
- 企业 ：
- 加强研发投入
- 优化生产流程
- 建立标准跟踪机制
- 拓展市场渠道
- 从业者 ：
- 持续学习提升
- 关注行业动态
- 加强合作交流

通过以上策略的实施，有望在未来配电开关设备市场中取得竞争优势，实现行业的可持续发展。