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    低压电器发展趋势简介

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    日期:2014-06-12

    低压电器发展趋势简介
    北京青青草超碰免费视频电气有限公司技术部—杨焕平
    中国入世后,国内低压电器企业无论规模大小都不可避免的面对经济全球化,从全球总体经济发展趋势上讲是一个有利于全球经济增进的过程。通过经济全球化 促使世界市场规模的扩大,更加促进了国际分工和国际竞争,从而使所有参与经济全球化的国家和行业可以在更大范围的国际分工和贸易中获利。在相应利益驱使 下,国外著名电气行业巨头纷纷登陆中国,抢占国内电器市场。除了瓜分国内的高端市场外,它们又实施“本土化”战略,以独资或合资方式在中国本土设厂,致使 在国内的中端电器市场也占有越来越大的市场份额,甚至还在觊觎国内电器的低端市场。这无疑对国内低压电器“低价位优势”是一个致命的冲击。
    从国内宏观经济角度或区域经济而言,价格竞争促进了市场活力,通过竞争优化产业结构,激励企业技术创新,加快企业产品向技术优势转化的速度及效率,从 而实现产业结构的优化,这也是我国在资源约束下快速推动经济发展的重大战略选择。企业必须从成本优势转向技术优势,这也是中国经济发展的必然选择。
    企业为了生存,必须提高其竞争力。企业竞争力包含核心竞争力和非核心竞争力。具体讲核心竞争力是人才与技术优势形成的,非核心竞争力则是成本优势形成 的。从某种意义上讲,企业竞争实际就是企业创造价格差别和产品差别(技术含量高和品质好的产品)的能力,做到“人无我有,人有我优,人优我齐”。
    上述简要谈了中国低压电器行业在区域经济中所处的境况,下面简要介绍与低压电器相关新技术的发展与应用及低压电器产品的发展趋势,与各位专家共同探讨。
    低压电器在运行时存在着光、机、电、声、热、磁等多种能量转换,这些转换过程的规律大多是非线性的,许多现象又是一种瞬态过程,它使低压电器的理论分析变得极为复杂。
    低压电器传统理论基础包括电接触、电弧、电磁、热效应与电动力效应等,除了必要的理论推导、分析运算外,还必须依赖成熟可靠的经验数据。即使这样,设 计计算数据与产品实际性能,有时仍会有很大差距,必须通过试验予以验证。因此,低压电器产品开发周期较长、投入也比较大。
    一、相关新技术的发展与应用
    影响低压电器发展的新技术很多,如现代设计与仿真技术、微电子技术、计算机技术、计算机网络技术、通信技术、智能化技术、可靠性技术、测试技术等。上述新技术的应用给低压电器产品的发展注入了新的活力,这必将带来低压电器产品新的“革命”。
    1.现代设计与仿真技术
    前面已经指出,传统低压电器设计是不成熟的。随着计算机硬件、软件的迅猛发展,低压电器 CAD、CAM、CAE日益普及,它使低压电器设计与研究跨入了一个新的阶段。
    (1)三维计算机辅助设计系统的应用与发展
    三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体(CAD、CAM、CAE),计算机辅助设计包括零件设计与装配直至产品总装,设计者可在计算机屏幕 上直接观察零件装配中的干涉与碰撞以及开关电器闭合,分断过程中运动部件动作情况及相关参数,如触头开距、超程等。从而保证了设计正确性与高效性,为低压 电器产品设计跨越式发展创造了条件。
    设计人员在产品开发任何阶段,对产品任一处所作的修改能自动反映到相关零件的修改。同时,三维软件系统根据完成的零件设计自动进行零件的模具设计,从而大大缩短了产品试制时间。
    计算机辅助分析(CAE)软件包括运动分析、受力分析、有限元分析、塑料压注成型分析等等, CAD、CAM、CAE的综合运用能有效提高设计正确性。加上研究、设计人员的智慧,低压电器产品开发完全有可能一次成功,大大缩短产品开发周期。从而能 不断以合适的价格向市场推出具有出色功能的产品,提高企业的竞争能力,充分显示了这一新技术的强大生命力。
    (2)低压电器专用计算机应用软件开发
    上面介绍的CAD、CAM、CAE系统,一般指通用软件。为了提高设计效率,除建立必须的数据、符号、标准件库以外,重点开发一批低压电器专用分析、计算软件。如磁系统三维分析、计算软件包、各类低压电器合闸、分断过程动态仿真软件等。
    长期以来,科研人员一直在探索,低压电器产品设计好以后,能否通过理论分析计算获得新产品动作性能和分断性能,计算机技术的发展与应用有可能实现这一 目标。从目前技术来看,完成机构和触头运动过程动态仿真有可能实现。西安交通大学已在这方面开展了卓有成效的研究工作,一旦开发成功,对限流式断路器就有 可能在产品设计完成以后就获得限流系数,并进行优化设计。这对预测新产品分断性能有极大好处,使低压电器设计水平上一个新台阶。低压电器电弧产生过程与熄 灭过程相比,控制熄灭过程的难度要大得多,主要原因是电弧数学模型建立十分困难,随着电弧研究的不断深入,以及计算机技术的进步,低压电器这一难题必将逐 步得到解决。
    2.微处理机技术和计算机技术的引入及计算机网络技术和信息通信技术的应用
    它一方面使低压电器具有智能化功能,如带有智能化脱扣器的万能式断路器、塑壳断路器、真空断路器、智能化交流接触器、起动器等,又如带有智能控制器的 ATSE,带有集成控制附件的小型断路器。另一方面使智能化电器与中央控制计算机实现双向通信。进入90年代以来,随着计算机信息网络的发展,低压配电与 控制系统已统一形成智能化监控、保护与信息网络,它由三部分组成:智能化电器、监控器、中央计算机。
    监控器在网络中起参数测量与显示,某些保护功能、通信接口并代替传统的指令电器、信号电器与测量仪表。
    计算机网络系统的应用提高了低压配电、控制系统的自动化程度,并且实现了信息化,使低压配电、控制系统的调度和维护达到四遥:遥控、摇测、遥讯、遥调;提 高配电系统供电可靠性,实现区域联锁,使前后级断路器选择性保护合理匹配;采用新型监控元件,使提供的信息量大幅度增加,实现信息共享,减少信息重复和信 息通道,简化二次控制线路,接线简单,安装方便,提高工作可靠性。
    随着计算机网络的应用,对低压电器产品提出了许多新的要求:首先是如何实现低压电器元件与网络的连接;其次是标准化的通信规约(协议)以及工作可靠性问题,尤其是EMC要求等等。
    3.可靠性技术
    随着低压配电和控制系统大型化、复杂化,一个系统中使用的低压电器元件越来越多,只要一个电器元件出现故障,就会导致整个系统发生故障。因此,低压电 器可靠性研究与应用已成为国内外电器工厂及研究部门的一项重要工作。当前,国内外可靠性研究工作的重点主要为以下几个方面:
    (1)可靠性物理研究,即产品失效机理研究
    它对产品怎样失效及为什么失效的具体物理、化学过程进行研究,从而找出失效的真正原因,它是提高产品可靠性的基础性措施。美国、日本等国家对触头可靠 性的研究尤为重视,他们研究了各种使用环境条件对接触可靠性的影响,对触头的材料、形状、接触方式和接触压力进行了全面分析,并对产品的设计和使用提出了 要求。
    (2)低压电器可靠性指标及考核方法研究
    影响低压电器可靠性因素很多,根据不同产品使用场合及常见故障、早期故障,科学地确定可靠性指标及考核方法是低压电器可靠性研究的核心问题。
    (3)低压电器可靠性试验装置研制
    根据低压电器可靠性指标及考核方法,研制相应的试验装置是提高低压电器可靠性的必备条件。
    (4)提高可靠性的研究
    根据可靠性考核中暴露的问题,通过失效机理分析,提出了改进措施,从而提高产品可靠性。
    4.绿色环保与节能技术
    (1)节省、有效地使用自然资源,降低能量损耗,使设备受外界影响和影响外界小。
    (2)尽量减少危险材料使用,减少材料的体积和重量,选择极少毒性及符合ROSH指令的材料,使用可回收材料。
    (3)采用新技术降低能耗,进行环境评估(EIME)。
    二、产品总体发展方向
    低压电器发展方向主要取决于系统发展的需要以及新技术(包括新工艺、新材料)研究与应用。70~80年代除了传统低压电器外,新型电器的发展主要包括 限流电器、真空电器、漏电电器、电子电器等等。从80年代后期开始,对传统新一代低压电器产品普遍提出了高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块 化、电子化、智能化的要求。随着计算机网络的发展与应用,采用计算机网络控制的低压电器均要求能与中央控制计算机进行通信,为此,各种可通信低压电器应运 而生,它可能成为今后一段时间低压电器重要发展方向之一。
    1.可通信低压电器
    为了实现低压电器元件与计算机网络的连接,一般采用三种方案。第一种是开发新型接口电器,连接于网络和传统低压电器元件之间;第二种是在传统的产品上 派生或增加计算机联网接口功能;第三种是直接开发带有计算机接口和通信功能的新型电器。可通信电器根据其自身的特点及其在网络中的作用,大致可分为以下几 类:
    (1)接口电器。如ASI接口模块、分布式I/O接口、网络之间接口。
    (2)具有接口和通信功能电器。如智能化万能式断路器、智能化塑壳断路器、智能化交流接触器、智能化电动机保护器和起动器等。
    (3)为计算机网络服务的单元。如总线、地址编码器、寻址单元、负载反馈模块等。
    随着网络技术的发展和普及,将需要许许多多新的可通信电器,并要求有各种新的功能,这对我国低压电器行业摆脱低水平重复与竞争,无疑是一次新的机遇。
    2.传统低压电器的发展方向
    (1)高性能、高可靠、小型化
    新型低压电器的高性能除了提高其主要技术性能外,重点追求综合技术经济指标,如低压万能式断路器、塑壳断路器除了提高短路分断能力外,特别关注飞弧距 离的减小,同时要求小型化。 这对发展新一代紧凑型低压成套设备十分重要。交流接触器已经不片面追求机电寿命的提高,而是把研究的重点放在产品功能组合与派生、分断可靠性(包括缩小飞 弧距离,防止相间飞弧)、动作可靠性、接触可靠性以及节银、节能等方面。
    (2)模块化和组合化
    低压电器组合化是实现电器产品多功能化的重要途径。电器组合化有两种方式,一种是功能组合,它是由各种功能单元组合而成。功能单元中除基本单元能独立 使用外,其他单元一般不能独立使用,但是要求系列通用性。这类产品如控制与保护开关电器(自配合电器),其基本单元中的动作系统与接触器相似,具有很高的 机械寿命。触头灭弧系统具有限流特性,能可靠分断50kA预期短路电流。另外还有保护功能单元、隔离单元、辅助触头单元,使该产品兼有隔离器、断路器、交 流接触器、热继电器等功能。另一种方式是组合功能,它是把两种以上电器有机地组合在一起,如KB0组合电器等。80年代中后其发展起来的模数化终端电器, 由于这类产品宽度模数化、安装轨导化、外形尺寸一致、性能协调,它为发展新型组合电器或成套装置创造了条件。
    为了实现低压电器组合化,以满足不同用户的需要,采用模块化结构是新一代低压电器主要发展方向之一。它把一个复杂的产品分解成若干模块,每一种模 块相对独立,使复杂的问题简化,同时便于功能分割与组合,实现新的功能及功能扩展。新一代万能式断路器、塑壳式断路器、交流接触器等产品各种附件一般均采 用模块结构。
    (3)电子化和智能化
    多年来电子式低压电器由于受到容量、价格、可靠性等方面原因,发展一直不快,随着电子元件质量提高、价格下降,EMC技术逐步成熟,尤其是计算机网络 的发展与应用,为了实现低压电器与中央控制计算机双向通信,低压电器必须向电子化、机电一体化发展,同时要求部分电器具有智能化功能。目前,智能化电器的 发展主要在万能式断路器、塑壳式断路器、ATSE以及电动机控制、保护器等产品上进行。
    智能化断路器的主要特征是装有智能化脱扣器,并具有以下功能:保护功能齐全,有外部电路各种故障保护;具有内部故障自诊断及自动报警功能;故障动作记忆及显示;电路参数测定;具有双向通信功能等,它能在极短时间内实现选择性保护。
    智能化交流接触器、起动器的主要特征是装有智能型电磁系统,其控制回路应包括电压检测电路、吸合信号发生电路和保持信号发生电路。它能判别门槛吸合电 压,当控制电源电压低于接触器门槛吸合电压时,不发出吸合信号,接触器不能合闸,并有相应显示。接触器吸合后降低了激磁电流,达到节能的目的。有的智能型 电磁系统还带有最佳合闸相角选择功能,使接触器吸-反特性达到最佳配合。如果进一步配置过电流检测电路和断开信号发生电路,就可发展成为智能化起动器。它 可以实现软起动,并带有过流、欠压、断相、短路闭锁等保护功能,同时,可以与中央控制计算机双向通信,实现自动化控制与保护。
    三、主要产品发展趋势
    1.万能式断路器
    国外80~90年代开发的一批新型万能式断路器,这些产品的主要特点:分断能力高、飞弧区域小,有的产品达到零飞弧,大部分产品进出线互换不降低分断 能力;具有智能型功能,包括各种保护功能、外部故障记忆、内部故障自诊断、通信对话等;内部附件结构模块化、安装积木化,且全系列通用,如分励脱扣器、欠 压脱扣器、报警装置等;派生规格及外部附件齐全,包括板前、板后接线座,固定式抽出式安装、直柄式手动储能,电动储能、机械联锁(水平、垂直)、门联锁、 挂锁、辅助开关、接线端子等。
    从发展与应用方面看,万能式断路器并不需要所有产品追求高性能,而是根据电网容量、负载性质(重要性)选择不同性能的产品,可以预料相当长时间内,将同时存在一般型、较高型、高性能型三个档次产品。
    一般型万能式断路器:不具有选择性保护功能,结构简单,维修方便,分断能力相对较低,价格便宜。
    较高型万能式断路器:带有三段保护特性,具有选择性保护功能,正面手柄操作,可固定式、抽出式安装,分断能力较高,价格适中。
    高性能万能式断路器:带有各种保护功能脱扣器,包括智能化脱扣器,可实现计算机网络通信,分断能力高,零飞弧、小型化,附件齐全,结构模块化,采用整体框塑结构,外形美观。
    2.塑壳断路器
    以配电保护功能为主的塑壳断路器的发展大致分为两种“风格”:第一种主要突出分断能力高、体积小;第二种不过分追求小型化,而是强调综合性能。所以第 一种产品体积更小一些,但690V电压下,由于受灭弧空间的限制,分断能力相对较低。上述产品总体上都具有小型化、高分断、多功能、模块化、附件齐全等特 点。
    早期产品缩小体积主要从改进产品结构着手,简化导电回路、紧缩操作机构和脱扣器尺寸,改变主要部件排列方式,有的产品取消软连接,动触头通过轴销导 电;提高分断能力主要从提高限流能力着手,设计具有高限流效应的电动斥力机构,同时,在外形缩小以后,保留尽可能大的灭弧空间,有效控制电弧反向转移和游 离气体外逸;采用转动式双断点灭弧系统,体积更小,分断能力进一步提高;以较少的壳架尺寸覆盖全系列产品,是当前国际上较先进的产品。
    塑壳断路器由于受结构上限制,短时耐受电流及短延时分断能力较低,为此一般不宜作为主开关使用。随着智能化脱扣器和计算机网络技术的应用,人们正在研 究限流选择器。一旦成功,塑壳断路器完全有可能作为主开关使用。届时,塑壳断路器与万能式断路器的“界线”将逐渐模糊。所以塑壳断路器发展趋向除了前面介 绍的特点外,正在向大容量智能化发展。
    限流选择型断路器是低压断路器重要发展方向之一,它的意义不仅在于断路器本身,而且能大幅度降低低压成套配电装置动、热稳定性要求。对发展新一代紧紧凑型低压配电装置十分有利。
    3.交流接触器
    为了适应工业自动控制系统发展和国际市场竞争的需要,80年代末至90年代初,国外一些主要交流接触器生产厂家相继推出新一代交流接触器,这些产品主 要指标,如最高额定工作电压690V,机械寿命1000-1500万次,电寿命100-120万次(AC-3),最高操作频率1200次/h等,基本上维 持在原有水平。因为这些指标已能满足各种行业传动控制系统的要求,盲目提高技术指标,将增加成本,降低产品的市场竞争能力。新一代产流接触器的主特点:
    (1)多功能组合化模块结构是新一代交流接触器发展的一个重要趋势。根据系统的不同需要可在接触器上方或侧面加装下列模块:机械锁扣、机械联锁、延时模块、瞬态过电压抑制模块、辅助触头等等,实现一机多用。
    (2)全系列采用塑料灭弧罩,提高分断性能,减小飞弧区域。
    (3)电流规格增加。从6. 3-800A,电流等级一般在15个规格以上。
    (4)小型化。新一代交流接触器有用灭弧性能良好的触头灭弧系统,选取用耐电弧、抗熔焊触头材料,降低触头压力,缩小磁系统,从而使整机尺寸进一步缩小。
    (5)提高使用安全改性。交流接触器主、辅、控制电路的所有接线端子均有塑料防罩,人手不会直接触到带电部分。
    (6)提高环境适应性。不少产品环境温度上限为55°C,可以垂直向上安装,适用于抽屉式开关柜配套的需要,安装面与垂直面可倾斜±22.5°C,可用于船用控制设备。
    (7)大容量交流接触器一般采用节能型磁系统,有的公司大容量产品发展真空接触器,以提高分断性能和电寿命。
    (8)发展四极接触器,以满足不同控制系统需要。
    除了上述优点以外,交流接触器新的发展趋向是加装电子式保护与控制模块和计算机通信接口,进而发展成为智能型交流接触器和智能型起动器,它将成为新型可通信电器中主要品种之一。
    4.剩余电流保护器
    不带过电流保护的剩余电流断路器近几年发展趋势是把二极和四级分为两个壳体,二极宽度为2个模数(36mm),四极为四个模数(72mm-);带过电 流保护的剩余电流断路器,是由MCB和剩余电流保护单元组装而成,这样组装方便、尺寸模数化、安装轨道化;动作时间特性在原有的一般型和S型(选择性)在 基础上,又增加了延时10ms的短延时型剩余电流断路器,可以防止在闭合电源时,相线与保护导体之间的电容冲击电流引起的误动作,这类产品的另一个发展方 向是在一个模数宽(18mm)的断路器上集成剩余电流动作单元,尤其适合作为住宅配电箱开关使用。
    对交直流故障电流脉动直流故障电流都能可靠动作的全电流敏感型剩余电流断路器,可以使用在含有三相桥式整流电路负载的设备中,进行有效的接地故障保护。
    四、主要低压电器产品应用发展趋势
    随着新能源的发展及要求,主要低压电器正在朝交直流通用方向发展,进一步满足直流、光伏、核电、风电等供电系统需求。
    五、结束语
    未来的低压电器智能化将使电器的功能更加完善、性能更加优良、可靠性更高,用途更广泛。电器智能化网络将使供电系统和工业自动化系统的管理更加完善,极大提高供电系统的可靠性和用电设备的安全性。人工智能的应用将提高电器在设计、生产和使用中的效率以及可靠性。