电器发展历史与新技术带页码

1电器发展历史与新技术河北工业大学陆俭国

本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用PowerPoint可以跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择“会议记录”选择“即席反应”选项卡必要时输入即席反应单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。

2一、电器的定义二、电器的分类三、能源发展对电器产品的需求四、低压电器的发展方向五、电器新技术

1.电器智能化技术与可通信技术

2.接触器的智能化技术

3.电器CAD技术

4.电力电子技术与微电子技术在电器中的应用

5.电器可靠性技术

6.电器测试技术

7.电器EMC技术3一、电器的定义能对电力电路实行通断操作的电气设备是电器；对电动机实行起动、停止、正转、反转完成控制任务的是电器；对电路负载、电工设备或电动机的过载、过压、短路、断相等故障进行保护的也是电器；在电路中传递、变换、放大电的或非电的信号达到自动检测和调节的也是电器。简言之，凡是根据外界指定信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备都属电器的范畴。4二、电器的分类

１、按工作职能，电器可分为(１)手动操作电器—如刀开关，隔离开关，按钮等；(２)自动切换电器—如高压断路器，低压断路器等；(３)自动控制电器—如交流接触器，直流接触器，各种控制继电器等；(４)起动调速电器—如电磁起动器，星－三角起动器，自藕补偿起动器，调速装置等；(５)自动保护电器—如保护继电器，熔断器，避雷器等；(６)稳压与调压电器—如自动调压器，自动稳压器；(７)测量、放大与变换元件—如传感器，磁放大器，高低压电流互感器，电压互感器等；(８)传动元件—如各种牵引电磁铁，电磁离合器等。52、按结构工艺和生产部门，电器可分为(１)高压开关电器—如高压断路器，隔离开关，避雷器，电压互感器，电流互感器；(２)低压开关电器—如接触器，起动器，低压断路器；(３)自动电磁元件—如阀用电磁铁，电磁离合器，磁放大器，磁性逻辑元件，微型继电器，传感器等；(４)成套电器和自动化装置—如高压成套开关柜，电力用自动化继电保护屏，低压开关柜，低压传动屏和自动化成套装置等。6３、按元件与使用系统的关系，电器可分为(１)电力系统用电器—如高压断路器，高压熔断器，低压断路器，低压熔断器以及电抗器和避雷器；(２)电力拖动自动控制系统用电器—如接触器，起动器，继电器等；(３)自动化通信用弱电电器—如微型继电器，舌簧管，磁性元件等。7４、按使用场合和工作条件，电器可分为(１)一般工业企业用电器—适用于大部分工业企业环境；(２)特殊工矿企业用电器—适用于矿山、冶金、化工等特殊环境，如矿用防爆电器和化工用电器；(３)农用电器—适用于农村环境；(４)热带用电器和高原用电器—适用于热带、亚热带地区以及高原山区的电器；(５)船舶、航空、陆地交通等电器—如船用电器，航空电器，用于电气铁道的牵引电器，汽车电器等。8５、按执行元件，电器可分为(１)有触点电器—电器通断的执行功能由触点来实现；(２)无触点电器—通断的执行功能不是由触点结构来实现，而是根据开关元件输出信号的高低电平来实现；(３)混合式电器——有触点和无触点结合的电器。9三、能源发展对电器产品的需求

国家经贸委2001年全国发电量预期调控目标规定2001年发电量：14500亿kW·h，比2000年增加7.41％，“十五”期间新增装机容量１亿kW。2000年至2010年发电量及总装机容量及组成情况如表１：10发电量总装机容量水电装机容量火电装机容量核电装机容量可再生发电装机容量２０００年1.4万亿度2.9亿kW0.65亿kW2.2亿kW0.03亿kW0.01亿kW２０１０年2.6万亿度5.7亿kW1.15亿kW4.4亿kW0.1亿kW0.03亿kW表１注：可再生能源（除水力发电外）包括：风力发电、太阳能发电（太阳热发电及太阳光伏发电）、地热发电、海洋能发电（潮汐发电）等。11四、低压电器的发展方向1、提高低压电器的技术性能（1）提高额定电压

50年代我国低压电器标准规定：交直流电压为1000V及以下者属低压电器。由于采矿工业的需要，60年代我国将交流电压等级由380V提高到660V，70年代又提高到1140V。随着硅整流与晶闸管整流装置的容量与使用范围的不断提高与扩大，1985年我国修订的低压电器标准规定：交流电压为1200V、直流电压为1500V及以下者属低压电器。目前，IEC标准规定：交流电压为1000V、直流电压为1500V及以下者属低压电器，但从发展趋势看，低压电器的额定电压有可能进一步提高。12（2）提高额定电流由于用电设备功率日益增大，电器的额定电流也相应增大。我国70年代的低压断路器标准中，最大额定电流为4000A。1985年修订的新标准已将最大额定电流提高到12500A，其他电器元件额定电流等级，也在逐步增加。（3）提高通断能力用电设备的功率增大后，除采用大容量的单台变压器供电外，也采用多台配电变压器并联供电。回路额定电流增大后，相应的短路电流也增大，它对电器的分断能力提出了更高的要求。目前国外的交流420V低压线路中，短路电流的有效值可达200kA。因此，对低压断路器的分断能力提出了更高的要求。13（4）提高寿命为了提高产品的质量，提高产品的寿命有重要意义，对于操作特别频繁的电器，如接触器、控制继电器、主令电器等，要求它们的机械寿命高达1000~3000万次，相应它们的电寿命也要求高达数百万至上千万次。142、提高电器产品的可靠性

提高低压电器产品的工作可靠性是电器的发展方向之一。如开关、接触器、继电器触点转换工作时出现的失误；熔断器由于熔体材料性能随时间老化，使时间—电流特性变化；漏电保护断路器触电保护的失灵等均会造成事故的扩大。可靠性技术问题的研究已扩大到许多领域，越来越被人们重视。153、提高低压电器的经济性能提高产品质量与缩小产品的体积，降低产品的重量与成本是低压电器的发展方向。由于新结构、新工艺及新材料的应用，电器的体积与安装尺寸逐渐减小，因而成套电器设备的尺寸与重量也趋于减小。在产品的结构设计与安装方式的设计中，趋向发展组装方便、便于大量生产、成本低的产品，如积木式结构的电器，同时应尽量降低产品的安装、运行与维修等方面的费用。4、发展与使用新材料和新工艺电器元件性能的优劣在很大程度上决定了使用的材料及其加工工艺。例如开关电器的通断能力与使用的触头材料和工艺密切相关。新的优质触头材料，可提高开关电器的分断能力和电寿命。165、加强基础理论与应用技术的研究

（1）电磁机构的研究如电磁铁磁场分布；衔铁在运动过程中磁场的变化以及电磁铁吸力的计算；电磁铁动特性的计算等。（2）电接触理论的研究如研究电接触的物理化学过程；接触电阻的物理本质及其计算等。（3）电弧理论的研究。（4）电器的发热和电动力理论。17五、电器新技术1、电器智能化技术与可通信技术（1）智能化电器的特征随着微电子和计算机技术的发展，在电器中采用微处理器来增强电器功能成为新的发展趋势，它是微电子技术、计算机技术、网络通讯技术和传感技术等高新技术与传统的电器技术相融合的产物。智能化电器应具有下列特征：181）对电力系统监控能力主要是指能准确反映被监控系统、线路的运行情况，并能及时、准确地切除各种故障，以及按照运行人员的要求进行各种操作。2）对电器本身的监控能力主要是指对电器本身的检测和故障的自我诊断。3）控制技术的智能化将新的智能化控制理论（如模糊理论、神经网络）引入到电器控制中。4）可通信功能智能化电器应当是可以和系统进行通信的产品，这样才能构成整个智能化的控制系统。19（2）现场总线的逐步推广应用促进了智能化电器与可通信电器的发展1）目前现场总线的主要应用场合①现场总线在变电站自动化、配电自动化中的应用目前，现场总线已越来越广泛应用在变电站自动化系统中。此外，我国已经在10kV以下的配电网的配电自动化中广泛应用现场总线，如在电力调度自动化、用户侧负荷管理自动化和办公自动化。20②现场总线在智能建筑中的应用智能建筑是二十世纪８０年代末的新产物，它是将结构、系统、服务、运营相互联系全面综合，达到最优组合，以获得一个节能、高效、便捷、舒适的生活和工作的空间环境。全球第一座智能建筑大厦始于１９８４年，位于美国康涅狄格州的哈特福德市，日本、德国、法国、英国、泰国、新加坡、台湾和香港等国家和地区都积极发展智能大厦。中国智能大厦建筑已达上千幢，北京、上海都超过百幢。有代表性的如上海金茂大厦，由美国主设计，地上共８８层，高度为４２０.５m。金茂大厦的楼宇智能化建设几乎包含了世界上所有最先进的设施，包括综合布线系统，数字程控交换系统，保安监视系统，自动消防系统和通讯系统等。21我国把“住宅智能化集成技术研究与开发”列为重大科技项目。近几年来，由政府发布的相关规范、标准有：上海市政府颁布的“上海智能建筑设计标准”。江苏省政府颁布的“江苏省建筑智能化系统工程设计标准”。建设部颁布的“建筑智能化系统工程设计管理暂行规定”。国家标准：GB/T50311-2000《建筑与建筑群综合布线系统工程规范》。国家标准《智能建筑设计标准》也即将颁布。22智能建筑的定义目前没有权威性的规定。一般可对智能建筑进行如下的描述：“通过对建筑物的四个基本要素，即结构、系统、服务和管理以及他们之间的内在联系，以最优化的设计，采用先进的计算机技术（Computer）、控制技术（Control）、通信技术（Communication）和图形显示技术（CRT）的所谓４Ｃ技术，建立一个由计算机系统管理的一体化集成系统，提供一个投资合理又拥有高效的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。”23智能建筑一般由以下几部分组成：大楼设备自动化系统（ＢＡ）办公自动化系统（ＯＡ）通信自动化系统（ＣＡ）综合集成计算机网络系统（ＣＮ）结构化综合布线（ＰＤＳ）③现场总线在过程控制及工业自动化系统中也逐步得到推广应用24２）现场总线的基本概念现场总线是一种数据总线，它是在自动化领域中计算机通信最底层的控制网络。根据IEC的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场设备与控制室内的自动化装置之间的数字式双向串行传输、多点通讯的数据总线称为现场总线”。现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点，以现场总线为基础的全数字控制系统即现场总线控制系统包含了计算机技术、自动控制技术、通信技术、显示技术和转换技术，将逐步取代传统的控制系统，是21世纪自动控制系统的主流。25现场总线国际标准目前国际上的现场总线不仅种类繁多，而且各有优缺点，因而在今后一段时间内多种总线并存，相互竞争发展的情况不可避免。所以现场总线国际标准IEC61158中采用8种类型：①FoundationFieldBus

(基金会现场总线)的HI 即FF-HI总线②ControlNet(美国Rockwell公司支持)③Profibus(德国Siemens公司支持)④P-Net(丹麦ProcessData公司支持)⑤FFHSE(美国FisherRosemount公司支持)⑥SwiftNet(美国波音公司支持)⑦WorldFIP(法国Alstom公司支持)⑧Interbus(德国Phoenixcontact公司支持)26由于国际标准和我国标准至今尚未制定出统一的现场总线标准，各大公司又争先发展自己的现场总线产品，目前带有总线接口的低压电器产品和智能型低压配电与控制系统中普遍采用多种现场总线技术。因此，如何解决融合多种现场总线技术、充分发挥不同总线的优势是今后迫切需要研究的课题。27（3）可通信低压开关电器现场总线主要应用于过程控制、生产自动化、变电站自动化、配电系统和楼宇自动化等场合，因此对系统中的低压电器产品提出了可通信、能与现场总线相连接的要求。近几年来，可通信低压电器发展很快，这种电器都和一定的现场总线相连接。国外许多大公司（西门子公司、西屋公司、ABB公司、金钟-默勒公司等）均有这方面产品。如西门子公司SIRIUSNET、西屋公司的DigitripRMS、ABB公司的MSG、Rockwell公司的Bulletin、Schneider公司的ATV58等产品。28西门子公司把所有该公司生产的带通信技术的低压开关设备称为SIRIUSNET，它以Profibus作为现场总线，如：3WN6型万能式断路器其额定电流为630-3200A，额定电压至690V，500V时短路分断电流能力达80kA，内嵌有通信接口的电子式过流脱扣器。3WN6断路器与Profibus总线相连需通过DP/3WN6接口单元，由该接口将数据转换成Profibus-DP的规范以便与主站进行通信。通信数据包括：模拟量检测；事故信息；运行状态；远程控制和远距离参数设置等。292、接触器的智能化技术关于智能化接触器目前尚无明确定义，目前国内外一些公司研制出的智能接触器产品或样品也大多是在某些方面优于传统的电磁式接触器，如：德国金钟—默勒（K-M）公司开发了新一代的DIL-M系列智能控制型接触器（额定工作电流为185A以上DILM185至DILM820），它采用电子线路来控制电磁系统的软接通并具有智能化通断功能，它的电子线路可产生宽度可调的脉冲电压，根据储存在CPU中的能满足最佳吸反力特性配合的吸力特性曲线来调节脉冲电压宽度，使接触器在吸合过程中线圈所加电压为脉冲宽度较大的电压，使磁系统与触头迅速闭合，而在接触器吸合后保持过程中线圈所加电压为脉冲宽度较窄的电压，30这样不仅可提高电寿命，又达到节能，同时还具有不同规格接触器的磁系统尺寸相同（仅线圈及电子模块不同）的优点。此外，该接触器还具有自诊断功能，即其监测电路监测到本身电子线路失效时可使接触器自动断开，该接触器除可用控制按钮控制外，还可用PLC直接控制。日本富士电机公司研制的NewSC系列接触器采用专用的电子线路，不仅能在线圈电压降至50%额定电压时保证可靠吸合，而且在线圈电压为额定电压时其吸力特性较老产品有较大下降，使吸反力特性配合更佳，从而减少了磁系统闭合时的冲击，提高了接触器的机械寿命与电寿命。31

美国西屋公司研制的“advantage”新系列智能化电磁接触器，它的电流等级为27A至540A，它的附件包括机械联锁、报警模块、控制模块（测量显示模块、通信接口模块等），它在线圈出线端位置装有一块带有单片机的电子线路板（SURE线路板），该接触器具有下列特点：其触头压力提高至原有产品的2倍以上；使触头弹跳减少，提高了电寿命；具有线圈功率的智能化控制功能；利用能量平衡原理，借助监测线圈电流的变化选取最佳的动态特性曲线，使闭合过程中的线圈消耗功率最小，当触头闭合后使线圈功率迅速下降，使动铁芯与静铁芯闭合瞬间的速度几乎为零，从而大大减少动铁芯闭合时的撞击，从而减少了触头的二次弹跳；32电子线路板上装有三个电流互感器来检测三相主电路电流，可实现过载保护、断相保护，此外该接触器还可实现双向通信功能，一方面可输出工作状态参数、电动机负载参数、信息报警等，另一方面可接受PLC或主计算机发出的接通、断开、再扣等控制指令。上述几种国外的智能化接触器主要是在接触器接通过程中比原有产品进行了改进。国内在接触器接通过程中的智能化控制的研究方面也进行了一些工作。但迄今还未有成熟的产品问世。在接触器智能化分断的研究方面，国内外也做了不少探索工作，主要思路之一是实现定相分断，但由于动铁芯运动时间很难准确控制，另外在同一批产品中的分散性也很难控制，所以在产品大量生产时很难保证所有产品的触头正好在电路电流过零时分断。33

近年来国外在探索用其他的途径来减少触头的电磨损，根据B.Capp提出的理论，认为当触头间距离为0.1mm时两个电极从电弧中接受相等的能量，因而使触头的电磨损最小。根据这一理论，美国西普格兰大学的T.S.Dabvis等研制了一个U=240V、I=10A的接触器模型，其电磁系统由一个电子线路供电。该电子线路在电源通电的第一个半波中以小电流激磁，使动铁芯的运动速度接近10mm/s，这样使在第一个激磁半波（10ms）结束瞬间，触头的开距正好为0.1mm左右，从而使电弧对触头造成的电磨损最小，而在第一个激磁半波之后，电子线路使线圈激磁电流迅速增大，从而使触头快速断开。34

T.S.DDabvis等在240V、10A的条件下，对该接触器进行了2000次的通断后观察其触头表面受电弧侵蚀的程度，并与无电子线路的原有产品进行对比，证实了带有这种电子线路的接触器模型的触头表面平整，电磨损明显减少。3、电器CAD技术一些专用软件已在电器行业逐步得到应用，如UGⅡ

、PROE等CAD软件，能实现电器零部件三维实体造型、装配和自动生成工程图；ANSYS公司的ANSYS软件包括应力场、温度场、电磁场等分析模块，可以进行场分析；ADAMS软件可用于机构动态分析；VACTORFIELDS公司的电磁场软件用于各种电磁场分析。35电力电子技术与微电子技术在电器中的应用已有几十年的历史，较成熟的产品是接近开关、固态继电器、混合式继电器、电子式时间继电器等，并不断更新换代。以电子式时间继电器为例，从晶体管式发展到集成电路式。在二十世纪七十年代也已研制出半导体式接触器（即用可控硅来代替触头作为执行元件），并使用于轧钢行业，但由于当时半导体器件质量与可靠性较差，价格也高，所以一直没有形成批量生产。近些年来，随着计算机技术与微电子技术的迅速发展，特别是电力电子器件（GTO、IGBT）质量与可靠性不断提高，电力电子技术与微电子技术在电器中得到越来越多的应用，如：4、电力电子技术与微电子技术在电器中的应用36（１）固态断路器

G.TaKamu提出了一种用于400V低压电路的固态断路器，它的执行元件由可关断晶闸管GTO与真空开关并联而成，接通、分断电路由GTO完成，长期通电时由真空开关流通电流，以减少GTO的功率损耗，其原理图如图1所示。37

图１当电路发生过载或短路故障时，保护继电器迅速给出信号接通GTO装置并同时打开真空开关，真空开关上出现的电弧电压使故障电流迅速转移到GTO回路中，随后，GTO快速关断故障电流，以实现断路器切断故障电路的功能。38（２）混合式接触器

在国外，混合式接触器已形成产品，所谓混合式接触器就是将电力电子器件与接触器的主触头并联作为执行元件，由电力电子器件承担接通与分断电路的任务，而接触器长期通电时由主触头承担流通电流的任务，从而减少触头的电磨损，大大提高了接触器的电寿命。如德国K—M公司采用并联双向晶闸管的DIL系列混合式交流接触器，额定电压至380V、电流250～400A、操作频率600次/h、电寿命300万次。法国CEM公司的H系列混合式接触器，是将晶闸管等器件并联在主触头上，电流至1000A。39（3）采用PTC（正温度系数）元件实现接触器、继电器、小型断路器等电器产品的无弧分断，以大幅度提高其电寿命材料具有PTC效应是指在工作温度范围内，材料的电阻率随着温度的增加而增加。一般地，类似于金属电导性的材料的电阻率变化与温度变化成正比的线性缓变效应，我们称之为线性PTC效应。有的材料存在一临界温度，在低于这一临界温度的一个范围内，其电阻率基本不受温度的影响，电阻基本保持不变，在高于这一临界温度的一个范围内，其电阻率随温度的升高而急剧上升，这种效应称之为非线性PTC效应。40图2PTC热敏电阻的阻—温特性示意图

41

图2为PTC热敏电阻的电阻温度关系曲线示意图。当温度T小于T1时，温度灵敏度很小。当温度T大于T2时，呈现低灵敏正温度系数。当温度T满足T1<T<T2时，其电阻值随温度迅速变化，且当T=TC可获得最大的温度系数。有机聚合物PTC材料、陶瓷钛酸钡PTC材料等都具有这种非线性PTC效应，这种具有非线性PTC效应的器件现已广泛地应用在过电流保护、过热保护、温度补偿、控温等方面。

42图3为接触器主触头并联PTC元件以实现无弧分断的示意图：图3

图中：JZ——接触器主触头

Jf——辅助触头或固态开关元件电路接通时，触头JZ两端的电阻远远小于PTC元件的电阻，故而PTC元件上无电流通过，当触头断开电路时，触头两端的电阻将大于PTC元件的电阻，电流将流过PTC元件，PTC元件被加热，其电阻迅速增加，最后使电路电流完全被切断。PTC元件吸收了大部分甚至全部的分断能量。可通过实验找出最佳的参数配合，最终实现接触器的无弧分断。PTCJfJz43（4）电子式过载保护继电器1）概述低压电器发展方向是电子化、模块化、小型化和高可靠及高寿命。电子式过载保护继电器的产生体现了当今世界过载保护继电器的一种发展趋势。美国、德国、日本等工业发达国家的许多继电器制造公司投入大量资金和众多科研人员研制出了具有各自特点的电子式过载保护继电器。例如，美国罗克韦尔自动化公司的MCS-E1电子式过载保护继电器，西门子公司的3UB系列电子式过载保护继电器，松下公司的PT-10，OMRON公司的J7T等等。国内一些继电器研制单位也研制出了电子式过载保护继电器。例如，天水213机床电器厂研制的JRD1电子式过载保护继电器。442）国外电子式过载保护继电器产品本文以美国罗克韦尔自动化公司的MCS-E1系列电子式过载保护继电器为例，介绍国外电子式过载保护继电器产品的主要特点、工作原理、主要技术参数。

MCS-E1电子式过载保护继电器的设计原理及性能体现了当今世界过载保护继电器的一种发展趋势。它符合下列国际标准：IEC60947-4、IEC60801和NEMAICS2，并通过了CE、UL、CSA认证。MCS-E1电子式过载保护继电器的外观见图4。45图4MCS-E1电子式过载保护继电器46

MCS-E1的主要特点

MCS-E1主要用于实现电动机的过载保护和断相保护，其主要特点：a.实现断相保护。电动机在满载运行时如果发生断相，MCS-E1将在2s内脱扣，而传统的双金属型过载保护继电器则要经过40s才能脱扣；b.重复精度高达5%。传统的双金属型过载保护继电器的重复精度一般为10%；c.功耗低。MCS-EI功耗只有150mW，远氏于双金属型过载保护继电器（6W），从而去除了配电柜的一个重要热源，减少不必要的冷却设施降低配电柜的总费用；47d.调整电流范围宽。用9个电流范围就可覆盖0.1~85A，传统双金属型过载保护继电器一般要20个电流范围才能覆盖；e.与MCS交流接触器的专门协调化结构及电气设计，可将过载继电器直接插入接触器，无需连接导线及单独固定；f.具有温度补偿性能。48MCS-E1工作原理图5为MCS-E1电子型过载保护继电器的工作原理框图。

电流互感器ASIC/逻辑电源输出触点图5工作原理框图49

MCS-EI通过电流互感器将三相电流转换为三相交流信号，然后再变换为直流信号，送至ASIC（见图5）。ASIC为一专用芯片，它可实现过载保护、断相保护功能（即具有热惯性）。由于ASIC的供电电源由主回路直接提供，所以不需要单独对其供电。另外，采用电子元件亦使得整个过载保护继电器的功耗大大降低。50

主要附件及功能

a.DIN导轨配接底座。当与其他公司、厂家的接触器进行配用时，要通过此附件对MCS-EI进行接线；

b.远程复位电磁线圈。实现MCS-EI的远程复位操作；

c.外部复位按钮。罗克韦尔自动化公司专门为MCS-EI提供一种安装于配电柜面板上的外部复位按钮及相应的操作杆。513）国内电子式过载保护继电器产品

JRD1电子式热过载继电器是天水213机床电器厂研制的新产品。它设计成与双金属片热继电器相似结构形式，方便用户选用。该产品主要适用于交流50Hz（60Hz）额定电压至660V，电流0.1A至15A的电路中，与交流接触器配合使用，做交流电动机的过载与断相保护。JRD1电子式热过载继电器工作原理电动机的两相经电流互感器后进行阻抗变换放大，检波等环节实现I-V变换，然后进入后级RC充放电电路及比较器，取得所需的反时限延时特性，再传送到输出环节（包括LED显示与功率输出）。52JRD1技术参数额定绝缘电压Vi：660V；额定工作电压Ue：660V；电流规格及整定电流范围：电流规格代号整定电流范围

1

0.1~0.3A 2

0.2~0.6A 3

0.5~1.5A 4

1~3A 5

2~6A 6

5~15A534）结论电子式过载保护继电器与传统的双金属型过载保护继电器相比，具有安装方便、脱扣动作快而且准确、误差小，重复性好，参数调节方便、消耗功率小等优点。是一种更为理想的电动机保护装置。工业发达国家80年代末开始研制该产品，现已到实用阶段，美国、德国等一些公司已经将产品系列化。但其缺点是价格较贵。国内一些单位90年代后期开始研究电子式过载保护继电器，其借鉴国外同类产品性能，具有规格广泛，性能齐全，价格较低等特点。但是，要达到国际先进水平，在提高产品质量、产品开发和产品系列化方面，还有许多工作要做。54５、电器可靠性技术（1）前言电器产品的可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力，产品的可靠性是产品质量的一个重要组成部分。产品的质量严格说起来应包括其性能及可靠性两个方面，一个产品尽管其性能指标很高，但若其可靠性不高的话，就不能算是一个质量好的产品。一个自动控制系统的可靠性基本上取决于该系统所用元件的可靠性，同时，系统的可靠性一般随系统中所用元件的数量增加而下降。随着系统向大型化方向的发展，一个自动控制系统所用元件的数量越来越多，只要其中一个元件发生故障，一般就可导致整个自动控制系统发生故障，而可能造成重大经济损失，所以自动控制系统中所用的电气元件的可靠性就显得越来越重要。55

电力系统与高低压配电系统中使用了各种大型电器产品，如果这些大型电器产品发生故障就导致电力系统与高低压配电系统发生故障而造成停电事故，甚至会危及供电线路和用电设备的安全，它所造成的经济损失将更为巨大。因此，开展各种电器产品的可靠性研究与应用工作具有十分重要的意义。可靠性技术是在第二次世界大战后发展起来的一门新技术。可靠性研究始于美国，在20世纪40年代美国发现军用雷达处于故障状态的时间高达84%，这就促使美国深入开展电子元件和电子设备的可靠性研究，并制订了有关可靠性管理、可靠性设计及可靠性鉴定等方面的标准。56

到20世纪60年代，美国在电子产品的可靠性研究方面已逐渐成熟，这对提高美国电子产品的可靠性起了很大作用。美国从20世纪70年代起可靠性工作逐渐扩展到机械、电力、电工及化工等工业部门。美国是世界上从事可靠性研究最早、范围最广、最有成效的国家。原苏联、日本、德、英、法等国在美国之后也积极开展了可靠性工作，并取得了不少进展。57（2）国外电器产品可靠性工作概况1）可靠性标准的制订国外的电气公司与各种国际机构（如IEC、IEEE等）中，可靠性工作都很受重视，一些著名的电气公司都设有可靠性管理部门或设有专职的可靠性工程师。有些电工产品已规定了可靠性指标，有些电工产品虽还未规定可靠性指标，但在公司内部已开展可靠性研究工作，产品可靠性的高低已成为国外各公司间竞争的重要手段。58IEC在1965年成立了技术委员会TC15（可靠性与维修性技术委员会），至今已发布了不少关于可靠性与维修性方面基础性或共性的标准：如IEC300《可靠性与维修性管理》，它为产品在制订可靠性与维修性时提供管理导则，还作为ISO9000系列标准的补充文件提供有关可靠性方面的内容；还有IEC605《设备可靠性试验》与IEC706《维修性导则》。IEC605是关于设备（既可指电子设备，也可指电工设备或机械设备；既可指元件，也可指装置）可靠性试验方面一套较为完整的基础性标准，它规定了设备可靠性验证试验和可靠性测定试验的总原则、具体程序及试验方案。59

在电器产品可靠性标准的制订方面，IEC255电气继电器标准中的IEC255-0-20《电气继电器的触点性能》、IEC255-0-10《电子元件质量评价系统在有或无继电器上的应用》及IEC255-19《机电式有或无继电器的质量评价》等标准都有可靠性的内容；IECSC41A在1988年6月发出46号文件，提出在现有IEC标准的基础上应补充“应用于小电流的有或无继电器的可靠性试验”，IEC今年发布的标准IEC60050-444“电工术语基本继电器”的444-07节中也列入了12条关于可靠性方面的术语。60

美国于1964年发布了军用标准MIL-R-39016《有可靠性指标的电磁继电器总规范》；日本于1980年发布了日本工业标准JISC5440《可靠性要求的控制用小型继电器通则》；前苏联于1983年发布的гOCT12434-83《低压开关电器通用技术条件》中规定产品的可靠性要求和可靠性试验方法；德国的VDE0660《低压开关电器规范》中规定：“产品机械寿命和电寿命的额定值是取占90%的接触器所能达到的极限通断次数”，这意味着用可靠寿命（可靠度等于0.9）的概念来考核接触器的机械寿命和电寿命。61法国在工业用控制设备——接触器标准NFC63-100中规定：“对成批生产的电器，特别是约定发热电流小于或等于40A的电器，机械寿命是在有代表性的样机上以重复方式进行试验的，制造厂在统计了试验结果后给出产品的机械寿命值”，这实际上也是规定了用可靠性的概念来确定接触器的机械寿命。622）可靠性试验研究美国、日本在继电器的可靠性寿命试验中已普遍采用电子计算机进行控制，如日本安川公司在继电器的接触可靠性中采用了Inter8008型电子计算机进行控制的自动试验装置；日本松下电器公司在继电器可靠性寿命试验中采用了微型计算机控制的全自动试验装置；日本富士通公司在舌簧继电器的可靠性试验中采用了计算机控制的试验装置，该装置可同时进行200个舌簧管的寿命试验；美国、日本等国家都在对电器产品加速寿命试验的模式、方法及数据分析方法进行研究。例如，日本以负载电压及负载电流为加速变量进行了开关的加速寿命试验，根据试验结果算出了不同负载电压和负载电流值时的加速系数。633）可靠性物理的研究国外是从60年代才开始研究可靠性物理的，美国空军ROME航空发展中心在60年代初首先开始对现场失效的元器件进行失效分析。J.Vaccro首先提出用“失效物理学”这一概念来研究元器件的可靠性，1962年起美国每年召开一次“失效物理”会议，从1967年起改称“可靠性物理”会议。所谓“可靠性物理学”就是专门研究产品失效机理的科学。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。可以看出，可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措施。美国、日本等国家对可靠性物理的研究都很重视。644）可靠性设计与提高产品可靠性方面的研究美国、日本等国家很重视提高电工产品可靠性的研究工作。如德国的R型继电器在触点附近装设了能吸收有机气体的材料后，能减少触头的污染，从而减少触头的接触电阻并提高了继电器的可靠性。5）可靠性学术会议

国外在可靠性学术交流方面也很活跃，涉及到可靠性的国际学术会议主要有：IEEE霍姆电接触会议（每年召开一次）国际电接触会议（每两年召开一次）国际可靠性物理会议（每年召开一次）国际可靠性与维修性会议（每年召开一次）65（3）国内电器产品可靠性工作概况原机械工业部对电器产品的可靠性工作十分重视，早在1980年原机械工业部电工局委托河北工业大学举办了两期电器新技术学习班，可靠性技术是其中主要内容之一，1983年10月成立了中国电工技术学会电工产品可靠性研究会，在该学会组织下开展了电工产品可靠性研究工作与学术交流活动，并多次举办电工产品可靠性学习班及电工行业领导干部可靠性研讨班，对我国电工行业的可靠性工作起了一定的促进作用。原机械工业部曾多次发文召开可靠性工作会议，部署在机电行业中开展“限期考核机电产品可靠性指标”的工作，从1986~1991年共发布了七批（共1189种规格）限期考核可靠性指标的机电产品清单，其中包括继电器、接触器、变压器、量度继电器、电动机、电力电子器件等不少电器产品，这对推动我国电器产品的可靠性工作有很大作用。661994年原机械工业部又召开机械工业可靠性工作会议，会上提出可靠性必须从产品设计抓起，并规定凡是列入部或省市机械厅局开发计划和重大技术装备攻关的项目，应加强可靠性设计和试验研究工作，要求在立项时提出可靠性设计目标和攻关内容，产品鉴定或项目验收时应对可靠性目标进行审核评定。会上还决定在机电产品中进一步开展可靠性认定工作。原电子工业部、原国防科工委、信息产业部及总装备部等部门对电子元器件（包括继电器）的可靠性也十分重视。67

GB2689.1-81 恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则GB2689.2-81 寿命试验和加速寿命试验的图估计法（用于威布尔分布）GB2689.3-81 寿命试验和加速寿命试验的简单线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB2689.4-81 寿命试验和加速寿命试验的最好线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB3187-82 可靠性基本名词术语及定义GB4888-85 故障树名词术语和符号在可靠性基础标准方面我国已制订了下列国家标准：68GB5080.1-86 设备可靠性试验总要求GB5080.2-86 设备可靠性试验试验周期设计导则GB5080.4-85 设备可靠性试验可靠性测定试验的点估计和区间估计方法（指数分布）GB5080.5-85 设备可靠性试验成功率的验证试验方案GB5080.6-85 设备可靠性试验恒定失效率假设的有效性检验GB5080.7-86 设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案69GB6992-86 可靠性与维修性管理GB6993-86 系统和设备研制生产中的可靠性程序 GB7288.1-87设备可靠性试验推荐的试验条件室内便携设备——粗模拟GB7288.2-87 设备可靠性试验推荐的试验条件固定使用在有气候防护场所设备——精模拟GB7289-87 可靠性、维修性与有效性预计报告编写指南GB7826-87 系统可靠性分析技术失效模式和效应分析（FMEA）程序GB7827-87 可靠性预计程序GB7828-87 可靠性设计评审GB7829-87 故障树分析程序70

从80年代中期至今，我国电器产品可靠性研究在电力电子、电机、变压器、电器与继电保护装置等领域均做了不少工作，其中在电器可靠性研究与应用方面大致做了以下工作：1）电器可靠性研究方面在上海电器科学研究所，成都机床电器研究所、许昌继电器研究所及广州电器科学研究所等单位的组织下，从80年代中期开始，开展了电器可靠性研究工作。电磁式中间继电器、小容量交流接触器、低压断路器、洗衣机、电冰箱的可靠性研究被列为原机械工业部重点项目，以产学研相结合的方式开展了上述产品的可靠性研究，通过理论分析及大量试验数据统计分析了产品的失效机理，研制了一些可靠性试验装置，提出了这些产品的可靠性指标及考核方法。71通过对这些产品的可靠性考核与早期失效机理的分析，对产品设计及制造工艺提出了改进措施，使这些产品的可靠性得到较大幅度的提高，取得了一定成效。722）电器可靠性标准的制订①制订了国家标准GB/T15510“控制用电磁继电器可靠性试验通则”（北京电工综合技术经济研究所和河北工业大学负责起草）；②制订了国家标准GB10962“机床电器可靠性通则”（成都机床电器研究所起草）；③制订了国家军用标准GJB65B-99“有可靠性指标的电磁继电器总规范”（国营792厂和中国电子技术标准化研究所负责起草）；④制订了小容量交流接触器及量度继电器等可靠性方面的行业标准；⑤小型断路器可靠性试验方法标准及剩余电流动作保护器等可靠性试验方法标准正在制订中。733）可靠性试验装置的研制

河北工业大学建立了电器研究所检测中心，该检测中心于2001年5月通过了中国实验室国家认可委员会的认可，具有进行有关电器可靠性认证试验的资格，并研制了微机控制的继电器、接触器可靠性试验装置（见图6）、小型断路器可靠性试验装置（见图7）、剩余电流动作保护器可靠性试验装置（见图8），河北工业大学还与许昌继电器研究所合作研制了量度继电器可靠性试验装置（见图9）。其中，继电器、接触器可靠性试验装置的功能：既能控制直流线圈又能控制交流线圈的可靠性试验装置，既可进行继电器可靠性试验，也可进行接触器可靠性试验。该装置采用抗干扰能力强的工业控制机，能同时控制16台试品进行试验，能同时对64对触点进行监测，能监测触点压降及触点断开时的端电压，具有故障报警功能、计数功能和打印功能。74图6a继电器、接触器可靠性试验装置（带面板）75图6b继电器、接触器可靠性试验装置（不带面板）76图7a小型断路器可靠性试验装置（带面板）77图7b小型断路器可靠性试验装置（不带面板）78图8剩余电流动作保护器可靠性试验装置79图9a量度继电器可靠性试验装置（带面板）80图9b量度继电器可靠性试验装置（不带面板）814）对电器可靠性设计进行了初步探索河北工业大学等单位在电器电磁系统与触头的可靠性设计方面已开展了一些研究，在1988年美国继电器年会与1994年第17届国际电接触会议上发表了其初步研究成果。河北工业大学与清华大学合作完成的科研项目“电工设备现代设计理论与试验研究”中对电器电磁系统的可靠性优化设计方法进一步作了研究。以河北工业大学为主要完成单位的科研成果“低压电器可靠性设计与检测技术的研究”获得了2000年度国家科技进步二等奖。82（4）电器产品可靠性工作的发展前景与展望我国电器产品可靠性研究虽然在上述的几方面做了一些工作，取得了一些进展，但由于我国电器产品可靠性研究工作起步较晚，不少电器产品还未开展可靠性研究与考核工作，在新产品开发时尚未认真开展可靠性设计与可靠性制造，特别是我国电工行业的大多数企业对可靠性工作还重视不够，可靠性工作尚未认真开展，我国电器产品的可靠性水平还普遍低于发达国家产品的可靠性水平。

83

在市场经济竞争中，以优取胜，以质量与可靠性取胜，必将成为共识。不仅要开发高性能的电器产品，而且要开发出高可靠性的电器产品，这将是我国电器产品的发展趋势，特别是我国即将加入WTO，在国际上面临更大的竞争，可靠性工作更显得重要。相信在电器产品可靠性学术机构、电器产品科研机构及电工行业的共同努力下，我国电器产品可靠性研究与应用工作一定会更好地开展。可以预见，在新世纪中，我国电器产品的可靠性水平一定会得到大幅度的提高，以满足我国经济建设的需要。

84

为了进一步开展电器产品的可靠性工作，以提高我国电器产品的可靠性水平，应进一步做好下列工作：1）尽快制订主要电器产品的可靠性指标。如果产品未订出可靠性指标，就无法对产品的可靠性进行考核，也无法定量地去提高产品的可靠性，所以规定产品的可靠性指标是可靠性工作的首要任务。因此，对于有条件并有代表性的电器产品应根据其工作特点尽快制订其可靠性指标。2）制订主要电器产品的失效判据及可靠性验证试验方法。失效判据的宽严程度对产品能否达到规定的可靠性指标密切相关，所以应根据产品实际工作情况及特点制订失效判据，并根据抽样理论制订出其可靠性验证试验方法。853）进一步研制各种主要电器产品的可靠性试验装置。可靠性试验装置是进行可靠性验证试验的必备手段，所以应研制各种主要电器产品的可靠性试验装置。864）开展电器产品的可靠性设计。可靠性设计是指事先考虑产品可靠性的一种设计方法，它是保证产品可靠性的一个重要环节。应该指出，规定产品的可靠性指标、失效判据及可靠性验证试验方法虽然很重要，但仅靠这些还不能提高产品的可靠性，所以有人说产品的可靠性是设计出来的、制造出来的、管理出来的。因此，必须重视产品的可靠性设计工作。对于带电子线路的电器产品，可开展可靠性分配、可靠性预计、冗余设计、耐环境设计以及采用FTA、FMEA、FMECA等可靠性分析方法；对于电器产品中的电磁系统和机械构件可采用应力—强度干涉模型进行可靠性设计。875）开展电器产品失效分析工作。失效分析是指对失效产品进行分析，找出其失效模式和失效机理。针对失效分析中找出的问题，提出改进措施，以提高电器产品的可靠性。886、电器测试技术低压电器测试技术是保证产品质量与可靠性的重要手段，衡量一个试验站（或检测中心、试验室）的水平高低，大致有以下几个方面：（１）试验项目是否齐全；（２）分断能力：目前世界上分断能力最大的试验站是德国的K-M公司试验站，其分断能力达400kA（有效值），其他如著名的荷兰KEMA试验站的分断能力为600V时200kA，美国、日本、意大利的一些电器试验站，其分断能力也可达200kA；我国国家低压电器检测中心的分断能力为200kA，其他如天津市电器研究所、天水长城电器试验研究所、遵义长征电器试验研究所、湖南电器研究所等5个试验站的分断能力可达100kA；89（３）试验站的自动化水平：目前都由继电－接触控制向PLC控制并进一步向计算机控制发展；此外，手动电器的自动操作也是衡量试验站自动化水平的重要标志。（４）各种试验、特别是电寿命试验中，电气参数的采集与处理技术，下面对此作较详细的阐述。90电器试验室对瞬态信号的传统测量设备主要是光线示波器，即以感光纸为记录体的光线示波器，它的优点是：记录时间长，各通道电气完全隔离（有一定耐压水平），通道多（达16个），使用操作简单方便，但其固有的缺点满足不了测试工程愈来愈高的要求；它的X方向靠走纸机械传动速度为基础，其Y方向靠不同信号大小的电动力使振子偏转，导致光点在纸面上移动记录讯号，因而受到频率响应和精度的限制难以提高测量准确度。但其示波图需人工划线读数处理，不仅劳动强度大，速度慢，人工读数误差大，特别是无法进行数据处理。91早在八十年代初，国外有关实验站已在努力探索应用电子技术的最新科技成果－瞬态波形记录仪于电器试验中。瞬态波形记录仪的基本组成是：A／D转换器、存储器加接口。同传统测试设备最大的差别是：从模拟量到数字量的转变。即来自隔离放大器的讯号经A／D转换器转换到数字量，存储及通过接口向计算机传送，通过专门开发的专用软件进行处理，充分发挥计算机的计算及分析功能，总之瞬态波形记录仪的应用使电器实验站的测试水平从五十年代的模拟量测试一跃进入现代的数字化测试，为进一步提高试验水平创造了前所未有的良好测试手段和工具。92

电器试验参数采集与处理系统（也可称为瞬态波形记录仪）在国外已形成产品的有美国NICOLET公司的BE256系列以及荷兰Bakker公司的产品，但其价格都很昂贵（约15~20万美元）。河北工业大学于2000年研制成了“电器试验数据高速采集与处理系统”，其性能与国外产品相近，完全满足电器试验的需要，但性能价格比很高，其价格远低于国外产品，与国内目前生产的该产品相比，其性能优于国内同类产品，且价格低。河北工业大学研制的这套系统于2000年10月通过了由中科院院士任鉴定委员会主任委员的鉴定，并得到很高的评价，认为其技术水平达到国际先进水平。该系统的功能如下：93①能同时采集8个通道的交流的电信号；②能同时采集4个通道的直流的电信号；③8个通道同时采样时采样频率为1~125kHz（可调）；④2个通道同时采样时采样频率高达1MHz，以供电器进行研究性试验时采集触点两端在电流过零时出现的过电压信号；⑤所采集的信号可存贮、打印；⑥可对下列参数进行数据处理并显示：U、I、Cos、T、I2t、t燃弧、t通电、过电压值该系统的外形图、结构框图及采集的波形图分别如图10、图11、图12所示。94图10外形图95图11高速数据采集系统结构框图96图11采集的波形图977、电器EMC（电磁兼容）技术

电磁兼容（ElectromagneticCompatibility，即EMC）是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中任何设备产生无法容忍的电磁骚扰的一种能力。因此EMC包含两个方面要求：一方面是指设备在运行时对环境的电磁骚扰（ElectromagneticDisturbance）不能超过一定的限值；另一方面设备对其所在电磁环境中存在的电磁骚扰具有一定的抗扰度，即电磁敏感性（ElectromagneticSusceptibility，即EMS）。所谓电磁骚扰是指任何能使设备或系统性能降低的电磁现象，而所谓电磁干扰（ElectromagneticInterference，即EMI）是指因电磁骚扰而引起的设备或系统的性能下降，故EMC包含EMI和EMS两个方面。98

目前国外对智能化电器和机电一体化产品的EMC问题非常重视，因为电磁干扰会引起这类系统失灵而误动作，会造成巨大的经济损失。智能化电器和其保护、监护系统把敏感的数字电器元件处于强电流及高电压电磁场中，使这些设备的电磁抗干扰能力在设备设计和运行中成为不可忽视的因素，因而在国外智能化电器和其系统在设计初始阶段即制定严格的电磁兼容控制与管理计划，该计划主要包括产品或系统EMC分析，制定EMC设计技术指标、设计计划、标准、实施计划与测试方法等，并把这一计划作为产品或系统设计的重要一环。EMC分析和设计是为了达到EMC技术要求的关键工作，包括分析电子线路的辐射程度及抗干扰能力以及系统集成的电磁兼容性能，EMC设计包括电磁屏蔽，接地，导线间距的确定，以及考虑印刷电路板布线之间的电磁耦合等。99

国际上对EMC的重视加快了我国电磁兼容的理论研究特别是EMC标准及认证工作，国家技术监督局96年2月在北京召开了“电磁兼容标准与认证研讨会”，3月在广州召开“96电磁兼容标准与认证研讨会”，11月在上海召开了EMC认证专家咨询工作组会议，提出我国EMC认证工作的模式、程序和方案等初步设想。国家进出口检验检疫局和对外贸易经济合作部在1998年12月联合分布“关于对六种进口商品实施电磁兼容强检的通知”，这标志着我国已经开始对电气和电子产品实施电磁兼容检验。100

由于涉及电磁兼容性产品品种繁多，电磁兼容技术要求项目庞杂，我国不同产品技术与生产现状参差不齐，市场要求各异，各部门实验室条件不同，所以在我国开展EMC认证要分期分批逐步开展，考虑先期从以下产品开始：声音与电视广播接收机；信息技术设备电动工具家用电器荧光照明装置低压电器和电机汽车101（１）EMC国际和国内标准组织国际上研究和制定EMC标准有2个技术组织，一个是IEC国际无线电干扰特别委员会（CISPR），成立于1934年，下设A、B、C、D、E、F、G7个分技术委员会，其中F分会从事家用电器、电动工具及荧光灯和照明装置的EMC，主要研究和制定9kHz以上的电磁干扰和抗干扰标准；另一个是IEC所属的技术委员会（TC），根据各自归属产品的贸易发展需要，制定EMC标准，其中IECTC65和TC77，从事研究和制定9kHz以下的电磁兼容标准。102

CISPR已经颁布、出版了28个标准。从1992年起，IECTC77开始引用TC65颁布的IEC801.1~IEC801.6系列标准，制定了IEC100-4标准，目前称为IEC61000-4标准，共计14项标准。将TC77制定的IEC555系列标准修订为IEC61000-2和IEC61000-3标准，形成了比较完整的、比较有影响的IEC61000系列EMC基础标准，对EMC发展产生了重大影响。欧洲标准，代号为EN，由欧洲标准委员会负责制定，为便于国家贸易和国际交流，采用如下编号原则：EN50欧洲自己制定标准；EN55等同于CISPR出版物标准；EN60等同于IEC出版物标准。103我国的电磁兼容标准制定机构是1986年成立的“全国无线电