1引言
低壓斷路器是低壓電器中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,技術(shù)含量與經(jīng)濟(jì)價值最高,在低壓配電系統(tǒng)中地位最重要的產(chǎn)品。品種主要有萬能式斷路器、塑殼式斷路器(配電保護(hù)、電動機(jī)保護(hù))、漏電斷路器、小斷路器、真空斷路器、直流快速斷路器。一個制造廠ACB、MCCB產(chǎn)品技術(shù)水平、產(chǎn)量、質(zhì)量在行業(yè)中排名一定程度上代表了企業(yè)在低壓電器行業(yè)中地位,低壓斷路器產(chǎn)值占低壓電器總產(chǎn)值50%以上。我國漏電電器和小型斷路器從20世紀(jì)70年代開始發(fā)展,小型斷路器在我國大量推廣還是在20世紀(jì)90年代以后。
萬能式斷路器、塑殼斷路器從20世紀(jì)60年代初開始先后開發(fā)了三代產(chǎn)品。低壓真空斷路器從20世紀(jì)90年代末開始研制,完成了DK5-630~2500A系列真空斷路器,已開始推廣。但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝性尚需進(jìn)一步完善,產(chǎn)品性能有望進(jìn)一步提高。直流快速斷路器自20世紀(jì)80年代末完成更新?lián)Q代以后,由于使用場合不多至今沒有進(jìn)行新一代產(chǎn)品開發(fā)。本文重點分析萬能式斷路器、塑殼斷路器與小型斷路器現(xiàn)狀與發(fā)展動向。
2回顧與現(xiàn)狀
2.1萬能式斷路器(見表1)
20世紀(jì)80年代引進(jìn)德國AEG ME系列、日本時崎公司AH系列(船用)、西門子公司3WE系列,從20世紀(jì)90年代開始,國外各大公司ACB產(chǎn)品相繼進(jìn)入中國市場。
按行業(yè)發(fā)展史正規(guī)劃分ACB開發(fā)了三代產(chǎn)品,第一代產(chǎn)品DW10,第二代產(chǎn)品DW15(自主開發(fā)),引進(jìn)ME、AH、3WE、AES。第三代產(chǎn)品DW45(自行開發(fā)),是我國低壓電器發(fā)展歷史上推廣最成功,可靠性與經(jīng)濟(jì)效益最好的產(chǎn)品。同期引進(jìn)M、F、3WN6、AE-SS、MAGNUM、M-pact等系列產(chǎn)品。
目前三代產(chǎn)品并存,第一代DW10淘汰由DW16替代。2008年ACB總量已超過60萬臺。其中第三代產(chǎn)品比例按臺數(shù)占45%,按產(chǎn)值占80%。國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè):上海人民、常熟開關(guān)、浙江之江、天津百利、長征九廠、上海精益、江蘇凱帆、凱隆、浙江開關(guān)廠、正泰、德力西、天正等,生產(chǎn)企業(yè)超過100家。ACB產(chǎn)品技術(shù)分析:目前國內(nèi)高端產(chǎn)品(第三代及改進(jìn)型)從技術(shù)水平看與國外產(chǎn)品差距不大。從質(zhì)量水平看:少數(shù)優(yōu)秀企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與國外先進(jìn)水平接近,大部分企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量尚有差距。從工藝水平看:少數(shù)優(yōu)秀企業(yè)已接近國外一般先進(jìn)水平,大部分企業(yè)仍有較大差距。ACB產(chǎn)品市場狀況分析:國內(nèi)產(chǎn)品高、中、低各個檔次規(guī)格、品種產(chǎn)品齊全,能滿足國內(nèi)各檔次特別是中、低檔市場需求。由于ACB產(chǎn)品在配電系統(tǒng)中的重要性,外資企業(yè)利用其品牌、質(zhì)量、性能及產(chǎn)品個性化、外觀與可靠性等因素,幾乎霸占了我國重點工程主開關(guān)市場。
2.2塑殼式斷路器
在配電系統(tǒng)中作為支路保護(hù)開關(guān),MCCB可靠工作,既保證分支路用電可靠,又保證整個配電系統(tǒng)運行安全。產(chǎn)品量大而廣,據(jù)統(tǒng)計MCCB與ACB產(chǎn)品臺數(shù)比例約為40:1,其產(chǎn)值與ACB基本相當(dāng)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,制造工藝相對要求較高。MCCB大批量生產(chǎn)穩(wěn)定性與可靠性也能較好反映企業(yè)低壓電器制造水平。產(chǎn)品發(fā)展回顧見表2。
20世紀(jì)80年代初引進(jìn)H系列、TO、TG系列,其中TO、TG系列推廣十分成功。
常熟開關(guān)廠20世紀(jì)90年代中期完成CM1次列,使我國標(biāo)準(zhǔn)型MCCB分?jǐn)嗄芰μ岣叩?0kA。是我國低壓電器行業(yè)首次由一個企業(yè)獨立完成重大系列產(chǎn)品開發(fā)并成功獲得大批量推廣,它極大鼓舞了低壓電器行業(yè)自主開發(fā)新產(chǎn)品積極性。CM1和隨后仿制的其他產(chǎn)品連同S、SA系列形成我國第三代MCCB。
目前產(chǎn)品三代同堂,DZ10系列雖已明令淘汰,但許多溫州企業(yè)仍在變相生產(chǎn)、耗費大量材料資源。2008年MCCB生產(chǎn)總量約為2400萬臺。其中第三代產(chǎn)品比例按臺數(shù)計為30%,按產(chǎn)值計為70%。生產(chǎn)企業(yè)超過500家,比較混亂。主要生產(chǎn)企業(yè):常熟開關(guān)、正泰、德力西、浙江開關(guān)、杭州之江、上海人民、長征電器、天津百利、TCL、江蘇凱隆、北京明日、蘇州法泰、天正、環(huán)宇、華通、人民、長城等。
我國第三代MCCB以CM1、S系列為代表,相當(dāng)于國外20世紀(jì)80年代中期到90年代初水平,其二次開發(fā)產(chǎn)品和SA系列相當(dāng)于國外20世紀(jì)90年代中、后期水平。少數(shù)優(yōu)秀企業(yè)產(chǎn)品制造水平除自動裝配線外,其他工業(yè)裝備與制造能力接近世界先進(jìn)水平,大部分企業(yè)與國外相比仍有較大差距。
2.3小斷路器
產(chǎn)品量大面廣,年產(chǎn)量超過五億極,其中70%左右用于國內(nèi)市場,大部分用于終端配電與民用建筑,其產(chǎn)品質(zhì)量涉及機(jī)千家萬戶用電安全與人民生命財產(chǎn)安全。
20世紀(jì)80年代初上海華通開關(guān)廠試制生產(chǎn)DZ12系列,年產(chǎn)量約為200萬臺。天津低壓電器廠試制生產(chǎn)DZ13系列,產(chǎn)量不組百萬臺。由上海電科所負(fù)責(zé)設(shè)計試制的DZX19系列產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰_(dá)10kA,由于工藝不穩(wěn)定未批量生產(chǎn)。1988年天津市引進(jìn)法國梅蘭日蘭C45小斷路器并獲得極大成功,從20世紀(jì)90年代開始以溫州柳市企業(yè)為主,大量仿制C45,開始批量生產(chǎn)DZ47產(chǎn)品。從20世紀(jì)90年代中后期開始國外著名MCB制造商大批進(jìn)入中國市場。
目前國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的MCB絕大部分為DZ47,其水平相當(dāng)于國外20世紀(jì)80年代初水平。國內(nèi)由上科所自主開發(fā)的DZX19、DZ30等產(chǎn)品由于各種原因沒有投產(chǎn),企業(yè)自主開發(fā),投入批量生產(chǎn)的MCB產(chǎn)品幾乎沒有。國內(nèi)生產(chǎn)MCB企業(yè)達(dá)數(shù)百家,大部分生產(chǎn)能力與工藝水平較達(dá),全部采用手工裝配、產(chǎn)品穩(wěn)定性、一致性較差。部分優(yōu)秀企業(yè)已采用自動檢測線(含自動包裝),但尚未采用自動裝配線。國內(nèi)主要生產(chǎn)企業(yè)正泰、德力西為代表的溫州企業(yè)占總量近80%。其他主要企業(yè)有上海良信、TCL、蘇州法泰等。國外主要制造商施耐德、ABB、西門子、海格、羅格朗等均有國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)。
3低壓斷路器發(fā)展涉及的關(guān)鍵技術(shù)
3.1大電流電弧分?jǐn)嗉夹g(shù)
隨著電網(wǎng)容量不斷增加,對低壓斷路器分?jǐn)嗄芰σ蟛粩嗵岣?,對低壓斷路器分?jǐn)嘈阅芴岢隽烁叩囊蟆?/FONT>
為了提高系統(tǒng)運行可靠性,新一代萬能式斷路器一般均達(dá)到Icu=Ics=Icw,在提高Icu、Ics同時,重點提高Icw。新一代塑殼斷路器要求Icu=Ics,重點提高Ics。為了提高分?jǐn)嘈阅?,主要采取以下措施?/FONT>
(1) 采用雙斷點觸頭滅弧系統(tǒng)
雙斷點觸頭滅弧系統(tǒng)過去在控制電器中應(yīng)喲奶奶感較為普遍,其主要目的是縮小產(chǎn)品體積。低壓斷路器分?jǐn)嗄芰Ω?,觸頭滅弧系統(tǒng)較為復(fù)雜。如采用雙斷點系統(tǒng),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,有一系列關(guān)鍵技術(shù)需要解決。其中最主要的兩個技術(shù)難點是設(shè)計可靠的卡住機(jī)構(gòu),又不侵犯專利,以及兩個觸頭閉合與斷開時同步性問題,且制造工藝要求高。為此對雙斷點觸頭滅弧系統(tǒng)是不是低壓斷路器發(fā)展方向存在明顯分歧意見。隨著現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展與應(yīng)用,上述技術(shù)難點已經(jīng)得到有效解決。作者認(rèn)為作為高性能MCCB產(chǎn)品雙斷點觸頭系統(tǒng)肯定是發(fā)展方向,是單獨點結(jié)構(gòu)無法比擬的。他使塑殼斷路器具有更好的限流性能,更高的分?jǐn)嗄芰?,較好實現(xiàn)了Icu= Ics。并為實現(xiàn)限流選擇性保護(hù),以及擦黑年品小型化、高壽命、高可靠、環(huán)保等創(chuàng)造了更好條件。但是,作為經(jīng)濟(jì)型MCCB產(chǎn)品,考慮制造成本不宜采用雙斷點系統(tǒng)。因此,對新一代高性能MCCB如何合理構(gòu)成系列產(chǎn)品是值得探討的問題。傳統(tǒng)的系列型式高分?jǐn)嘈?、較高分?jǐn)嘈?、?biāo)準(zhǔn)型、經(jīng)濟(jì)型結(jié)構(gòu)型式基本相同,在新一代MCCB中可能是不適宜的。
作為高性能ACB產(chǎn)品,雙斷點觸頭滅弧系統(tǒng)也四發(fā)展方向之一。它為ACB分?jǐn)嘈阅苓M(jìn)一步提高,提供了更大的空間。為在極短時間內(nèi)實現(xiàn)全電流選擇性保護(hù)創(chuàng)造了更好條件。但是,作為普通型(標(biāo)準(zhǔn)型)ACB產(chǎn)品也不宜采用雙斷點系統(tǒng)。
(2)運用低壓電器現(xiàn)代設(shè)計與測試技術(shù)對觸頭滅弧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并采用氣吹等輔助手段使電弧快速、可靠進(jìn)入滅弧室。同時,有效控制游離氣體擴(kuò)散途徑,避免相間、相對地飛弧,使飛弧距離控制在最小范圍。
3.2過電流保護(hù)新技術(shù)
低壓斷路器主要承擔(dān)低壓配電系統(tǒng)過電流保護(hù)以及其他各類故障保護(hù),目前性能基本滿足了系統(tǒng)故障保護(hù)要求。但是,就配電系統(tǒng)國電流保護(hù)看,目前保護(hù)方式是不完善的。主要存在以下問題:
?。?) 目前選擇性保護(hù)一般局限于低壓斷路器斷延時電流以下范圍。當(dāng)故障電流達(dá)到上級瞬動電流時,容易造成上、下級斷路器同時跳閘,甚至越級跳閘。
?。?) 由于終端過電流保護(hù)用小斷路器目前均為限流順動型,所以終端配電系統(tǒng)基本沒有選擇性保護(hù)。
?。?) 目前系統(tǒng)短路時選擇性保護(hù)通過短延時實現(xiàn),短延時時間一般為0.2~0.4s。對三級供電系統(tǒng),主開關(guān)短延時時間可達(dá)0.6~1s,秒甚至更大。所以,目前低壓配電系統(tǒng)實現(xiàn)選擇性保護(hù)時間較長,對低壓電器、成套裝置及系統(tǒng)動、熱穩(wěn)定要求高。
?。?) 配電系統(tǒng)運行可靠性難以保證
新一帶低壓斷路器采用過電流保護(hù)新技術(shù)達(dá)到的目標(biāo)要求主要包括兩方面內(nèi)容:
?。?) 實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)全范圍、全電流選擇性保護(hù)。
?。?) 在極短時間內(nèi)實現(xiàn)選擇性保護(hù),整個選擇性保護(hù)時間從原來1~1.2s縮短至0.2~0.5s。
為實現(xiàn)上述目標(biāo),新一代低壓斷路器應(yīng)達(dá)到以下要求:
(1) 新一代ACB實現(xiàn)全電流范圍選擇性保護(hù)。
?。?) 新一代MCCB應(yīng)具有限流選擇性保護(hù)功能。
?。?) 開發(fā)具有短延時保護(hù)功能MCB。
(4) 新一代ACB、MCCB均應(yīng)采用區(qū)域選擇性保護(hù)技術(shù)。
過電流保護(hù)新技術(shù)采用后達(dá)到的主要效果如下:
(1) 從根本上避免低壓配電系統(tǒng)越級跳閘和故障斷路器正常分?jǐn)嗪?,上級斷路器同時分閘。使配電系統(tǒng)短路故障限制在最小范圍,大大提高配電系統(tǒng)供電可靠性。
(2) 大大縮短實現(xiàn)選擇性保護(hù)時間,降低電器設(shè)備動、熱穩(wěn)定要求,有利于節(jié)材、節(jié)能和產(chǎn)品小型化。
本項技術(shù)研究與推廣是低壓電力系統(tǒng)保護(hù)與可靠運行的一次重大飛躍,具有很好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,值得引起電器行業(yè)和電力行業(yè)關(guān)注。
3.3可通信與綜合智能化技術(shù)
為了提高低壓配電與控制系統(tǒng)運行可靠性以及自動化程度,實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的必然方向。一旦系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,低壓電器必須具有雙向通信功能,經(jīng)通信適配器能與各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)連接。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用,使配電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)變得更簡潔、更高校。
配電系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,低壓斷路器實現(xiàn)可通信后,將使斷路器智能化功能得以充分發(fā)揮,并促進(jìn)智能化斷路器發(fā)展情況看,將保護(hù)、測量、故障預(yù)警、自診斷、見空、能量管理等功能集中于一體。
3.4低壓斷路器小型化與模塊化技術(shù)
產(chǎn)品小型化既是低壓電器技術(shù)水平的體現(xiàn),也是成套設(shè)備及系統(tǒng)小型化的需要。對推進(jìn)電器產(chǎn)品節(jié)材、節(jié)能具有重要意義。低壓斷路器小型化主要借助于新技術(shù)、新工藝應(yīng)用以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新,新一代產(chǎn)品與第三代產(chǎn)品相比,體積平均縮小20%~50%。
低壓斷路器模塊化水平也是低壓電器設(shè)計與制造能力體現(xiàn),是實現(xiàn)低壓電器多功能、提高產(chǎn)品使用與維護(hù)性能的需要。低壓斷路器零部件、附件模塊化水平一定程度上反映了一個國家低壓電器研究與制造水平。斷路器模塊化水平包括:功能附件模塊種類、標(biāo)準(zhǔn)化程度、制造工藝性、維護(hù)方便性以及模塊小型化等。
3.5低壓斷路器可靠性與環(huán)抱技術(shù)
提高斷路器可靠性以及環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用是新一代低壓斷路器研發(fā)工作的主要任務(wù)之一。低壓斷路器可靠性是低壓配電系統(tǒng)運行可靠性的必要條件。主要包括以下內(nèi)容:
?。?) 動作可靠性:包括低壓斷路器操作可靠性和系統(tǒng)發(fā)生故障時保護(hù)可靠性。通過操作機(jī)構(gòu)運動與受力仿真分析研究、優(yōu)化零部件設(shè)計,能有效提高低壓斷路器機(jī)械壽命與操作可靠性。
通過智能控制器可靠性分析研究,以確保斷路器接受故障信號后動作可靠性以及動作特性一致性等。
(2) 分?jǐn)嗫煽啃裕哼\用現(xiàn)代測試技術(shù)分析斷路器分?jǐn)噙^程電弧運動與熄滅過程,通過優(yōu)化設(shè)計使斷路器熄弧性能與可靠性:包括氣候環(huán)境變化如高、低溫下動作可靠性,電磁環(huán)境變化即EMC性能全面符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
?。?) 承受環(huán)境變化可靠性:包括氣候環(huán)境變化如高、低溫下動作可靠性,電磁環(huán)境變化即EMC性能應(yīng)全面符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
?。?) 內(nèi)外部附件工作可靠性是目前低壓斷路器運行可靠性存在的主要問題,也是新一代產(chǎn)品和其他新產(chǎn)品研發(fā)時急需解決的問題。
附件可靠性,包括附件自身工作可靠性與整機(jī)配合可靠性以及附件之間的協(xié)調(diào)性等。
低壓斷路器環(huán)保技術(shù),包括產(chǎn)品制造過程,投入系統(tǒng)后運行過程不污染環(huán)境,產(chǎn)品壽命終了時便于回取等。
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