低压开关未来十年发展方向

1、低压断路器 是低压电器中结构最复杂， 技术含量与经济价值最高， 在低压配电系统中地位最 重要的产品。品种主要有万能式断路器、塑壳式断路器（配电保护、电动机保护）、漏电断 路器、小断路器、真空断路器、直流快速断路器。一个制造厂ACB 、MCCB 产品技术水平、产量、质量在行业中排名一定程度上代表了企业在低压电器行业中地位， 低压断路器产值占 低压电器总产值 50% 以上。我国漏电电器和小型断路器从 20 世纪 70 年代开始发展，小 型断路器在我国大量推广还是在 20 世纪 90 年代以后。万能式断路器、塑壳断路器从 20 世纪 60 年代初开始先后开发了三代产品。低压真空断路器从20世纪90年

2、代末开始研制，完成了 DK5-6302500A 系列真空断路器，已开 始推广。 但产品结构及工艺性尚需进一步完善， 产品性能有望进一步提高。 直流快速断路器 自 20 世纪 80 年代末完成更新换代以后， 由于使用场合不多至今没有进行新一代产品开发。 本文重点分析万能式断路器、塑壳断路器与 小型断路器 现状与发展动向。2 、回顾与现状2.1 万能式断路器（见表 1 ）20 世纪 80 年代引进德国 AEG ME 系列、日本时崎公司 AH 系列（船用）、西门子公司 3WE 系列，从 20 世纪 90 年代开始，国外各大公司 ACB 产品相继进入中国市场。 按行业发展史正规划分 ACB 开发了三代

3、产品，第一代产品 DW10 ，第二代产品 DW15 （自主开发），引进 ME、AH、3WE 、AES 。第三代产品 DW45 （自行开发），是我国 低 压电器 发展历史上推广最成功，可靠性与经济效益最好的产品。同期引进M、F、 3WN6 、AE-SS 、 MAGNUM 、M-pact 等系列产品。目前三代产品并存，第一代 DW10 淘汰由 DW16 替代。 2008 年 ACB 总量已超过 60 万台。其中第三代产品比例按台数占 45% ，按产值占 80% 。国内主要生产企业：上海人 民、常熟开关、 浙江之江、 天津百利、长征九厂、上海精益、 江苏凯帆、 凯隆、 浙江开关厂、 正泰、 德力西、

4、 天正等， 生产企业超过 100 家。 ACB 产品技术分析： 目前国内高端产品 （第 三代及改进型） 从技术水平看与国外产品差距不大。 从质量水平看： 少数优秀企业产品质量 与国外先进水平接近， 大部分企业产品质量尚有差距。 从工艺水平看： 少数优秀企业已接近 国外一般先进水平，大部分企业仍有较大差距。 ACB 产品市场状况分析：国内产品高、中、 低各个档次规格、品种产品齐全，能满足国内各档次特别是中、低档市场需求。由于 ACB 产品在配电系统中的重要性，外资企业利用其品牌、质量、性能及产品个性化、外观与可靠 性等因素，几乎霸占了我国重点工程主开关市场。2.2 塑壳式断路器在配电系统中作为支

5、路保护开关， MCCB 可靠工作，既保证分支路用电可靠，又保证整 个配电系统运行安全。产品量大而广，据统计 MCCB 与 ACB 产品台数比例约为 40 ：1 ， 其产值与 ACB 基本相当。产品结构较复杂，制造工艺相对要求较高。 MCCB 大批量生产稳 定性与可靠性也能较好反映企业低压电器制造水平。产品发展回顾见表2 。20 世纪 80 年代初引进 H 系列、 TO、TG 系列，其中 TO 、TG 系列推广十分成功。 常熟开关厂 20 世纪 90 年代中期完成 CM1 次列，使我国标准型 MCCB 分断能力提高 到 50kA 。是我国低压电器行业首次由一个企业独立完成重大系列产品开发并成功获

6、得大批 量推广，它极大鼓舞了低压电器行业自主开发新产品积极性。 CM1 和随后仿制的其他产品 连同 S 、 SA 系列形成我国第三代 MCCB 。目前产品三代同堂， DZ10 系列虽已明令淘汰，但许多温州企业仍在变相生产、耗费大 量材料资源。 2008 年 MCCB 生产总量约为 2400 万台。其中第三代产品比例按台数计为 3 0% ，按产值计为 70% 。生产企业超过 500 家，比较混乱。主要生产企业：常熟开关、正 泰、德力西、浙江开关、杭州之江、上海人民、长征电器、天津百利、TCL 、江苏凯隆、北 京明日、苏州法泰、天正、环宇、华通、人民、长城等。我国第三代 MCCB 以 CM1 、S

7、 系列为代表，相当于国外 20 世纪 80 年代中期到 90 年 代初水平，其二次开发产品和 SA 系列相当于国外 20 世纪 90 年代中、后期水平。少数优 秀企业产品制造水平除自动装配线外， 其他工业装备与制造能力接近世界先进水平， 大部分 企业与国外相比仍有较大差距。2.3 小断路器产品量大面广，年产量超过五亿极，其中 70% 左右用于国内市场，大部分用于终端配 电与民用建筑，其产品质量涉及机千家万户用电安全与人民生命财产安全。20 世纪 80 年代初上海华通开关厂试制生产 DZ12 系列，年产量约为 200 万台。天津 低压电器厂试制生产 DZ13 系列，产量不组百万台。由上海电科所负

8、责设计试制的 DZX1 9 系列产品分断能力达 10kA ，由于工艺不稳定未批量生产。 1988 年天津市引进法国梅兰 日兰 C45 小断路器并获得极大成功， 从 20 世纪 90 年代开始以温州柳市企业为主， 大量仿 制 C45 ，开始批量生产 DZ47 产品。从 20 世纪 90 年代中后期开始国外著名 MCB 制造商 大批进入中国市场。目前国内企业生产的 MCB 绝大部分为 DZ47 ，其水平相当于国外 20 世纪 80 年代初水 平。国内由上科所自主开发的 DZX19 、DZ30 等产品由于各种原因没有投产，企业自主开 发，投入批量生产的 MCB 产品几乎没有。国内生产 MCB 企业达

9、数百家，大部分生产能力 与工艺水平较达，全部采用手工装配、产品稳定性、一致性较差。 部分优秀企业已采用自动 检测线（含自动包装），但尚未采用自动装配线。国内主要生产企业正泰、德力西为代表的 温州企业占总量近 80% 。其他主要企业有上海良信、 TCL 、苏州法泰等。国外主要制造商 施耐德、 ABB 、西门子、海格、罗格朗等均有国内生产企业。3 、低压断路器发展涉及的关键技术3.1 大电流电弧分断技术随着电网容量不断增加，对 低压断路器 分断能力要求不断提高，对低压断路器分断性能 提出了更高的要求。为了提高系统运行可靠性，新一代万能式断路器一般均达到 Icu=Ics=Icw ，在提高 I cu

10、、 Ics 同时，重点提高 Icw 。新一代塑壳断路器要求 Icu=Ics ，重点提高 Ics 。为了提高 分断性能，主要采取以下措施。(1) 采用双断点触头灭弧系统双断点触头灭弧系统过去在控制电器中应哟奶奶感较为普遍，其主要目的是缩小产品体 积。低压断路器分断能力高，触头灭弧系统较为复杂。如采用双断点系统， 产品结构更为复 杂，有一系列关键技术需要解决。 其中最主要的两个技术难点是设计可靠的卡住机构， 又不 侵犯专利， 以及两个触头闭合与断开时同步性问题， 且制造工艺要求高。 为此对双断点触头 灭弧系统是不是低压断路器发展方向存在明显分歧意见。随着现代设计技术不断发展与应 用，上述技术难点已

11、经得到有效解决。作者认为作为高性能 MCCB 产品双断点触头系统肯 定是发展方向， 是单独点结构无法比拟的。 他使塑壳断路器具有更好的限流性能， 更高的分 断能力， 较好实现了 Icu= Ics 。并为实现限流选择性保护， 以及擦黑年品小型化、 高寿命、 高可靠、环保等创造了更好条件。但是，作为经济型 MCCB 产品，考虑制造成本不宜采用 双断点系统。因此，对新一代高性能 MCCB 如何合理构成系列产品是值得探讨的问题。传 统的系列型式高分断型、较高分断型、标准型、经济型结构型式基本相同，在新一代 MCC B 中可能是不适宜的。作为高性能 ACB 产品，双断点触头灭弧系统也四发展方向之一。它为

12、 ACB 分断性能进 一步提高， 提供了更大的空间。 为在极短时间内实现全电流选择性保护创造了更好条件。 但 是，作为普通型(标准型) ACB 产品也不宜采用双断点系统。( 2 )运用低压电器现代设计与测试技术对触头灭弧系统进行优化设计，并采用气吹等 辅助手段使电弧快速、可靠进入灭弧室。同时，有效控制游离气体扩散途径，避免相间、相 对地飞弧，使飞弧距离控制在最小范围。3.2 过电流保护新技术 低压断路器主要承担低压配电系统过电流保护以及其他各类故障保护，目前性能基本满 足了系统故障保护要求。 但是， 就配电系统国电流保护看，目前保护方式是不完善的。 主要 存在以下问题：(1 ) 目前选择性保护

13、一般局限于低压断路器断延时电流以下范围。当故障电流达到上 级瞬动电流时，容易造成上、下级断路器同时跳闸，甚至越级跳闸。(2 ) 由于终端过电流保护用小断路器目前均为限流顺动型，所以终端配电系统基本没 有选择性保护。(3 )目前系统短路时选择性保护通过短延时实现，短延时时间一般为0.20.4s。对三级供电系统，主开关短延时时间可达 0.61s，秒甚至更大。所以，目前低压配电系统实 现选择性保护时间较长，对低压电器、成套装置及系统动、热稳定要求高。( 4 ) 配电系统运行可靠性难以保证 新一带低压断路器采用过电流保护新技术达到的目标要求主要包括两方面内容：( 1 ) 实现低压配电系统全范围、全电流

14、选择性保护。(2) 在极短时间内实现选择性保护，整个选择性保护时间从原来11.2s 缩短至 0.20.5s 。为实现上述目标，新一代低压断路器应达到以下要求：( 1 ) 新一代 ACB 实现全电流范围选择性保护。2 ) 新一代 MCCB 应具有限流选择性保护功能。（3）开发具有短延时保护功能 MCB 。（4）新一代 ACB 、MCCB 均应采用区域选择性保护技术。过电流保护新技术采用后达到的主要效果如下：（1 ） 从根本上避免低压配电系统越级跳闸和故障断路器正常分断后，上级断路器同时 分闸。使配电系统短路故障限制在最小范围，大大提高配电系统供电可靠性。（2 ） 大大缩短实现选择性保护时间，降低

15、电器设备动、热稳定要求，有利于节材、节 能和产品小型化。本项技术研究与推广是低压电力系统保护与可靠运行的一次重大飞跃，具有很好经济效 益和社会效益，值得引起电器行业和电力行业关注。3.3 可通信与综合智能化技术为了提高低压配电与控制系统运行可靠性以及自动化程度，实现系统网络化是发展的必 然方向。 一旦系统实现网络化， 低压电器必须具有双向通信功能， 经通信适配器能与各种现 场总线系统连接。工业以太网技术发展与应用，使配电系统通信网络变得更简洁、更高校。配电系统实现网络化， 低压断路器实现可通信后， 将使断路器智能化功能得以充分发挥， 并促进智能化断路器发展情况看，将保护、测量、故障预警、自诊断

16、、见空、能量管理等功 能集中于一体。3.4 低压断路器小型化与模块化技术产品小型化既是低压电器技术水平的体现，也是成套设备及系统小型化的需要。对推进 电器产品节材、 节能具有重要意义。 低压断路器小型化主要借助于新技术、 新工艺应用以及 产品结构上创新，新一代产品与第三代产品相比，体积平均缩小20%50%。低压断路器模块化水平也是低压电器设计与制造能力体现，是实现低压电器多功能、提 高产品使用与维护性能的需要。 低压断路器零部件、 附件模块化水平一定程度上反映了一个 国家低压电器研究与制造水平。断路器模块化水平包括：功能附件模块种类、标准化程度、 制造工艺性、维护方便性以及模块小型化等。3.5

17、 低压断路器可靠性与环抱技术 提高断路器可靠性以及环保技术的应用是新一代低压断路器研发工作的主要任务之一。低压断路器可靠性是低压配电系统运行可靠性的必要条件。主要包括以下内容：（1 ） 动作可靠性：包括低压断路器操作可靠性和系统发生故障时保护可靠性。通过操 作机构运动与受力仿真分析研究、 优化零部件设计， 能有效提高低压断路器机械寿命与操作 可靠性。通过智能控制器可靠性分析研究， 以确保断路器接受故障信号后动作可靠性以及动作特性一 致性等。（2 ） 分断可靠性：运用现代测试技术分析断路器分断过程电弧运动与熄灭过程，通过 优化设计使断路器熄弧性能与可靠性： 包括气候环境变化如高、 低温下动作可靠

18、性， 电磁环 境变化即 EMC 性能全面符合标准要求。（3 ） 承受环境变化可靠性：包括气候环境变化如高、低温下动作可靠性，电磁环境变 化即 EMC 性能应全面符合标准要求。（4 ） 内外部附件工作可靠性是目前低压断路器运行可靠性存在的主要问题，也是新一 代产品和其他新产品研发时急需解决的问题。附件可靠性，包括附件自身工作可靠性与整机配合可靠性以及附件之间的协调性等。 低压断路器环保技术，包括产品制造过程，投入系统后运行过程不污染环境，产品寿命 终了时便于回取等。4 、低压 ACB 、 MCCB 的发展趋向（1） 国外各大公司从 2000 年前后陆续推出了新兴 AC 和 MCCB ，通过最近几

19、年的不 断完善与系统扩展，已形成了较为完善的新一代低压断路器。万能式断路器，见表 3 。 此外，俄罗斯、韩国、土耳其等国家也推出了新一代产品塑壳断路器（见表2 ）。（2 ） 从 2006 年开始，我国正式研发我国第四代万能式断路器？（ VW60 系列）和第 四代塑壳断路器（ VW60 系列）。预计 2009 年底至 2010 年上半年完成系列产品开发， 从 2010 年开始将逐步推向市场。第四代低压断路器无论在主要技术性能、产品结构、新技术应用等方面都有重大突破与 创新，具有完全的自主知识产权。（3 ） 为适应紧凑型低压配电柜需要，许多大公司开发小型化ACB 产品，如 ABB 公司EmaxXI

20、N-1600 为同类产品中最小，施耐德 NT-1600A 、中国 DW450-1600 等。 上述产品通过适当降低分断指标，明显缩小了体积。其功能与新一代 ACB 产品基本一致， 具有较高性价比。特别是适合于箱式变电站、风电场等紧凑型配电装置。（4 ） 通过优化设计、增容使原由壳架电流等级提高、扩大产品使用范围，增加市场竞 争里。同时，实现小型化、节材、节能。如： Emax E1 从 1250A 提高 1600A ， E3 从 3200A 提高到 4000A ，国内外许多 A CB 制造商将 3200A 增容至 4000A ，体积不变。我国新一代 ACB ： VW60-2500A 框架体积不大

21、于第三代 2000A 框架； VW60-4000 框架体积不大于第三代 3200A 框架我国新一代 MCCB ： VM60-320 体积不大于第三代 200A 壳架； VM60-630 体积不大 于第三代 400A 壳架。5 ） 新一代低压断路器一般均采用区域联琐、区域选择性联琐。该技术及相应模块采用后使新一代断路器产品功能与可靠性进一步提高；提高选择性 保护可靠性； 为实现全电流范围选择性保护创造性条件； 缩短选择性保护时间； 从根 本上消除低压断路器越级跳闸，使低压配电系统过电流故障限制在最小范围。（6 ） 新一代塑壳断路器应逐步实现限流选择性保护。 断路器分断时限流性能与选择性保护是相互

22、矛盾的。如何使塑壳断路器既有良好的限流 性能，又能实现选择性保护是该项技术关键。ABB 公司 T 系列是最早宣布实现限流选择性保护， 并宣称 T7 是世界上第一个真正实现 1250A 及以下选择性保护 MCCB 。还宣称采用 PR223 控制器将使断路器选择性与限流完 美结合在一起。PR223EF控制器特点：具有区域选择性保护功能；确保故障快速分断，断开速度可以与限流电器相比； 该控制器可以在 300ms 内检测短路电流， 采用早期故障检测和阻 断（EFDP ）运算法则实现快速区域联锁。施耐德 NS 系列 MCCB 也宣称能实现选择性保护。关于限流选择性保护有几个问题需要探讨：限流选择性保护基

23、本概念；限流选择性 保护具体含义； 实现限流选择性保护可以有多个途径； 各类产品实现限流选择性保护水 平是不一致。我国新一代 MCCB将逐步实现限流选择性保护。（ 7 ） 低压断路器智能化与可通信将进一步发展与应用。1）新一代低压断路器将进一步完善与扩展智能化功能。2）在多总线并存情况下，采用通信适配器是一种既经济又灵活的方式。3）国外通信适配器与低压断路器之间的通信规约一般由制造商内部制订。我国总多低 压断路器制造商自己没有能力开发通信适配器，必须采用同意的低压断路器通信规约。4）工业以太网具有传送数据大、诊断功能强等诸多优点，其应用将由系统管理层直接 延伸至每一个电器设备。 最近， 国外各

24、大公司纷纷推出带有内置式工业以太网通信借口的低 压低压断路器是发展方向之一。5）智能控制器额定电流通过交换插头实现，使用十分方便。图象显示器能显示所有信 息，记录故障发生前所有事件和数据，供故障后分析十分方便。（8 ） 国外新一代断路器各类附件发展很快，进一步扩大了断路器功能。西门子公司 3VL 系列 MCCB 产品带有大量内部和外部附件，且附件设计标准化。整个 系列仅有二种规格附件，以 400A 壳架分界。外部附件除电动操作机构、插入式安装基座， 各种操作手柄外，最新开发了肉刑安装的联琐机构，安装灵活，尤其适合双电源系统。 AB B 公司 Tmax 安装与母线系统联结的灵活性、快捷性（不用电器栓），以及使用的兼容性、 操作安全性等方面在 MCCB 产品中形成了全新的、革命性的理念。（9） B 型剩余电流断路器技术取得了较大的发展。最近几年 ABB 公司的 Tmax 系列、 墨勒公司 NZM 系列 MCCB 均派生了 B 型剩余电流断路器，一般采用拼装式模块结构。其特点是：对交流、脉动、直流剩余电流故障均能可 靠动作； 对各种不同频率交流故障电流可设定灵敏度； 可以精确设置自诊断功能进行检 验。（ 10 ） 发展新一代经济型塑壳断路器是低压断路器发展方向之一。如施耐德公司 EZD 系列、