面向21世紀的低壓電器新技術
摘要：隨著WTO的加入，進入21世紀我國低壓電器面臨更大的挑戰，為了加速我國低壓電器的發展，以適應新的形勢需要，及時分析國內外低壓電器發展動態，了解和掌握當前低壓電器的新技術具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器；仿真技術與虛擬電器；環保電器；電器的高性能、小型化與結構設計的現代化等幾個方面進行了探討。

隨著WTO的加入，進入21世紀我國低壓電器面臨更大的挑戰，為了加速我國低壓電器的發展，以適應新的形勢需要，及時分析國內外低壓電器發展動態，了解和掌握當前低壓電器的新技術具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器；仿真技術與虛擬電器；環保電器；電器的高性能、小型化與結構設計的現代化等幾個方面進行了探討。

一、智能電器、可通訊電器與信息電器

　　微處理機和計算機技術引進低壓電器，一方面使低壓電器具有智能化的功能，另一方面使低壓開關電器，包括智能化斷路器和智能化電動機控制器實現與中央控制計算機雙向通訊。進入20世紀90年代，隨著計算機信息網絡的發展，低壓配電系統和電動機控制中心已統一形成了智能化監控、保護與信息網絡系統。

　　智能化低壓斷路器與電動機控制器是低壓開關柜和電動機控制中心實現智能化的主要電器元件。微處理器引入低壓斷路器，首先使斷路器的保護功能大大增強。諸如：它的三斷保護特性中的短延時可設置成I2t特性，以便與后**保護更好地匹配；接地保護可實現選擇性，對斷續的電弧接地故障可帶記憶功能。
　　
　　目前工業用電的電網絡中使用大量的軟起動器、電力電子調速裝置和不間斷電源等，這些裝置都會使配電系統產生高次諧波，而模擬式電子脫扣器一般反映故障電流的峰值，因而電源的高次諧波會造成斷路器的誤動作。帶微處理的智能化斷路器反映負載電流真實的有效值（RMS值），它的采樣和保持電路能消除輸入信號中的高次諧波，因而能避免高次諧波造成的誤動作，它的中央處理單元能保證斷路器的正確動作。

　　與傳統的雙金屬熱繼電器相比，智能化過載繼電器有一系列的優點。它能保護多種起動條件的電動機，具有很高的動作可靠性。它不但可保護電動機過載與斷相，并可保護接地、三相不平衡、反相或低電流等。由智能化電動機保護繼電器進一步開發的智能電動機控制器，兼有監控、保護和通訊的功能，它的保護功能也較智能化電動機保護繼電器進一步增強。

　　由新型低壓電器元件與中央控制計算機組成的網絡系統與傳統的低壓配電系統與電動機控制中心相比有以下優點：

　　①實現中央計算機集中控制，提高了低壓配電系統自動化程度。低壓開關設備與中央控制計算機的數據信息雙向傳輸是指：一方面智能化斷路器或其它開關設備向中央控制計算機傳送線路和保護對象的運行參數，保護整定值和故障信息；另一方面中央控制計算機向智能化斷路器或其它開關設備發出操作指令，改變和調節保護整定值。
　　
　　 ②使低壓配電、控制系統的調度和維護達到新的水平。通過信息傳輸，中央控制計算機能存儲線路和被保護設備過去的運行參數及前10次甚至前50次故障情況。這些信息加上計算機強大的綜合計算能力，有助于操作者事先預測故障的產生和作出相應的決策，使線路和設備的停機維修時間大大減少；信息傳輸也提高了對配電系統的電能調度能力，能保證在用電高峰階段，對重要用戶**可靠地供電；信息傳輸可實現區域間連鎖保護，使前后級智能化斷路器的選擇性保護獲得合理的匹配。

　　③由于采用數字化的新型監控元件，使開關柜平面上提供信息大幅度增加。通過液晶顯示板可測量并顯示相和線的電流、電壓、功率因數、功率等各種參數，也能顯示被保護對象和線路過去的運行參數和故障情況，它還可以以圖形方式顯示被整定的斷路器保護特性。

　　④監控元件和傳統的指示和指令電器相比較，接線簡單、便于安裝，提高了工作的可靠性。

　　⑤可以實現數據共享，減少信息重復和信息通道

　　網絡通訊的發展，日益要求用戶和設備之間的開放性和兼容性，因而制定一個統一的通訊協議是急待解決的一個關鍵問題。目前由智能化電器與中央計算機通過接口構成的自動化通訊網絡正從集中式控制向分布式控制發展。現場總線技術的出現，不但為構造分布式計算機控制系統提供條件，并且它即插即用，擴充性好，維護方便，因而目前這種技術成為國內外關注的焦點。

　　現場總線是連接智能化現場設備和控制室之間全數字化、開放的雙向的局部通信網絡。現場總線種類很多，比較有影響的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點和優勢，在不同領域有不同的應用價值。但也正是現場總線技術多種多樣和通訊標準的各自為政，給這種技術的發展帶來不利的影響。目前國際電工委員會和現場總線基金會正致力于現場總線標準的統一，我國有些單位也在做這方面工作，我們把基于現場總線技術，具有通信功能的電器稱為可通訊電器。目前現場總線技術正向上下兩端延伸，其上端和企業網絡的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊，其下端延伸到工業控制現場區域。這方面有西門子公司的AS接口和羅克威爾公司的Devicenet兩種總線系統，這兩種總線應用于低層區域，是一種低成本的通信連接，它把工業控制用的傳感器和執行器，包括：限位開關、光電傳感器、電動機起動器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡單的控制元件作為從設備連接到網絡，與作為主設備的控制計算機或可編程邏輯控制器（PLC）進行通信，傳統的繼電接觸控制系統的觸點轉換信息變成二進制數字信息通過串行接口和尋址進行通信，這使傳統的低壓控制元件也有了**性的變革，例如西門子AS總線系統中應用的Logo多功能繼電器實際上是一個小型的PLC，它能起延時、閂鎖、記數器和脈沖繼電器等功能。

　　使智能電器進一步實現信息化，是使智能電器在現場級實現Internet/Intranet功能，其技術核心是實現TCP/IP協議。把TCP/IP協議嵌入到智能電器的ROM中，使得信號的收發都以TCP/IP方式進行，進一步發展智能電器的信息化功能。利用Internet/intranet功能，不但使企業的網絡授權用戶，并且在任何開通了Internet的地區都可以通過瀏覽共享現場信息，并對現場的智能電器進行遠程在線控制、編程、和組態等，這使智能化電器進入了信息電器的新時代。

　　低壓電器的一個重要功能是通斷能力，近年來智能電器發展的另一途徑是通過微處理器的智能控制來提高電器的通斷性能。一個令人關注的新動向是金鐘–默勒公司開發的新一代DIL-M系列接觸器，在它185A以上電流等級中采用了智能控制技術。接觸器閉合時觸頭的磨損主要是由于觸頭彈跳造成的斷續電弧而引起的，在AC-3工作任務下接觸器要在額定電壓下閉合6倍額定電流，因而它是影響觸頭電氣壽命的主要因素。DIL-M系列智能控制接觸器的電磁鐵線圈由一脈沖整流電壓供電，可以按照存儲在微處理器中的一個與反力特性配合*佳的吸力特性曲線來調節線圈電流，在接觸器吸合階段輸入寬脈沖電壓，使主觸頭**可靠地吸合，在保持階段將輸入窄脈沖電壓，在足夠保持觸頭閉合條件下節能。由于采用了智能控制，這種接觸器在節省觸頭材料條件下，電氣壽命可達到1.3X106次，采用了智能控制，不同規格的接觸器，其電磁系統的截面等幾何尺寸一致，給生產上帶來了方便和節約，從而補償了由于電子控制帶來的額外支出。

　　智能化電器的發展，使電磁兼容性EMC變成越來越重要的問題。EMC要求包括兩種含義，一方面要求低壓電器在使用場合工作時，不受外界電磁干擾而引起誤動作，而另一方面要求電器的操作產生的電磁場不干擾附近的電子設備。目前國外對智能化電器和機電一起化產品的EMC問題非常重視，因為電磁干擾會引起這類系統失靈而誤動作，會造成巨大的經濟損失。智能化電器和其保護、監護系統把敏感的數字電器元件處于強電流及高電壓電磁場中，使這些設備的電磁抗干擾能力在設備設計和運行中已成為不可忽視的因素，因而在國外智能化電器和其系統在設計初始階段即制定嚴格的電磁兼容控制與管理計劃，該計劃主要包括產品或系統EMC分析，制定EMC設計技術指標、設計計劃、標準、實施計劃與測試方法等，并把這一計劃作為產品或系統設計的重要一環。EMC分析和設計是為了達到EMC技術要求的關鍵工作，包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統集成的電磁兼容性能，EMC設計包括電磁屏蔽，接地，導線間距的確定，以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等，目前隨著高頻電磁場數值分析和計算機硬年的發展，采用現代仿真技術取代傳統的測試方法和經驗分析方法，已在EMC分析中起越來越大的作用。

二、仿真技術與虛擬電器

　　近年來國內工廠和設計院所紛紛引進如UGH、Pro/E等三維計算機輔助設計軟件，這類軟件能實現在三維空間內零部件和實體造型、裝配和自動生成工程圖紙，并且按照設計的零部件自動進行模具設計和生成數控編碼。這些軟件使國內低壓電器設計工作上了一個新的臺階，但進一步要使產品設計滿足原始技術條件的要求，達到預定的電氣和機械性能，則需要采用仿真技術。

　　進行一個低壓電器產品的設計，當根據給定的技術條件，確定了產品初步設計方案和尺寸后，必須進行工程分析或樣機實驗，來驗證設計方案是否附合原訂技術要求。長期以來人們用傳統的工程計算方法進行特性分析，精度很差，特別是作為低壓開關電器的主要特性，即開斷特性無法計算，因而人們不得不依靠樣機制造和實驗驗證來檢驗設計方案的可行性，這樣做法要花費大量人力和物力，并使得產品開發周期拉長，影響新產品的市場競爭力。

　　為了解決上述問題，近年來計算機摸擬和仿真技術得到快速發展，依靠這種新技術，人們可以在樣機制作以前就能**掌握設計產品的性能，減少了重復樣機制作和實驗費用，加快了產品開發周期，并提高了產品性能，這是當前低壓電器產品開發手段現代化的重要內容。

　　低壓電器的基本特性包括開斷能力、溫升、零部件的強度、電動穩定和熱穩定、絕緣性能及其它電氣性能等。這就需要對設計對象的電磁場、應力場、磁場等物理場域進行仿真和分析。計算機模仿和仿真技術的進展和商品有限元分析軟件性能的不斷提高為這種新技術在低壓電器的應用創造了條件。70-80年代的有限元分析軟件，前后處理工作十分繁鎖，例如進行一臺大型變壓器的電場分析、輸入各零部件的三維尺寸等原始數據，一般是幾天甚至幾個星期的艱苦勞動。進入90年代商品化的有限元分析軟件都和可視化技術結合起來，用特征造型方式輸入三維圖形代替每鎖的數據輸入，使輸入工作十分簡便而直觀，并且后處理部分使輸出的數據或三維圖形，方便地進行觀察和分析。與此同時，隨著解決復雜工程問題的需要，這種仿真和分析軟件更擴展到流體動力學、機械振動和機構動力學等方面。目前，市場上已能提供各種**的計算機仿真與分析軟件，這類軟件分成二種類型，一種是通用軟件，另一種是專用軟件，例如ANSYS（ANSYS公司）和NISA（EMRC公司）有限元通用仿真和分析軟件屬于**類，這種軟件都包括應力，溫度場、電磁場和流場等分析模塊，可以進行單種場域分析，也可進行綜合場分析，例如計算熔斷器的保護特性，首先要計算熔片中電流場的分布，然后是熱特性的計算，這是電流場和瞬態熱場計算的綜合，專用軟件是指用于專門的場合，如ADAMS軟件用于機構動態分析，VACTOR　FIELDS軟件專門用于各種電磁場問題的分析。這兩種軟件都有可視化的前后處理摸塊，并且都有工作站和微機兩種版本。近年來國外有名公司更是把特性的計算機仿真和分析看作是產品開發手段現代化的一個重要措施，如日本的富士公司在開發SC新系列接觸器中，認為計算機仿真和采用新材料，是使新系列接觸器性能達到高水平的關鍵，他們開發了一套對接觸器可動部分動態仿真的軟件系統，對接觸器可動部分，包括鐵心和觸頭系統進行了動態仿真，分析了各種參數對鐵心及觸頭碰撞后的彈跳的影響，從而選擇了*佳的設計參數，日本的三菱公司和德國金鐘–默勒公司都以商品計算機分析軟件為基礎，通過二次開發建立自己的低壓斷路器設計和開發的計算機仿真系統。

　　通過計算機仿真可獲得產品設計的可行性方案，即保證設計方案滿足所制定技術條件的要求，但尚不是經濟技術指標*佳的方案，為了達到經濟技術指標的*佳，這就需要把仿真技術和*優化方法結合起來。一些商品仿真軟件，如上面提到的ANSYS軟件就提供一系列優化工具，能自動調整設計對象的幾何形狀，使規定的目標達到*優。如德國有名的低壓電器專家Lindmayer教授利用ANSYS軟件，把磁場仿真和優化結合起來，改變鐵心尺寸和線圈位置，實現了電磁鐵的優化設計。

　　計算機圖形技術的發展，一種新的三維機交互式圖形技術，即虛擬現實（Virtual　reality）技術的出現，給計算機仿真技術的發展，開辟了新的天地，虛擬現實與傳統的交互式三維圖形技術不同，后者操作者是在計算機外的現實世界操作計算機的圖形，而前者則可讓操作者進入計算機里的虛擬世界親臨其境地進行操作，把這種技術和計算機仿真相結合就可以在計算機內設計產品，這種產品我們稱為虛擬產品，設計者可以在“虛擬”環境中對產品進行仿真和優化，這是計算機仿真技術的發展方向。長期以來，我國低壓電器產品往往是把各研究所和工廠有關技術人員集中在一處，進行聯合設計，這種方式使大多數設計人員脫離本廠的環境而造成諸多不便。90年代以來出現的計算機協同設計CSCD（Computer　Supported　Cooperative　Design）技術，可提供遠程異地協同設計的環境，它是基于Internet而實現的一種群體設計的新概念，*近國外的計算機輔助設計軟件如PRO/E和Internet等已新增了這方面的功能。依靠這種技術，人們可以在不同地點通過Internet共同討論設計方案，繪制和修改設計圖紙。

三、環保電器

　　隨著工農業的發展，環境保護問題日趨嚴重，這對大量使用的低壓電器提出新的要求。低壓電器中幾近80%的材料是塑料，因而對這些材料來說，一方面要保證長的壽命和電器本身的工作可靠性，還應考慮環保要求，即無污染，并且可以回收。目前不含CFC或鹵素的阻燃的塑料已得到推廣和應用。

　　長期以來由于AgCdO有較好的耐電弧侵蝕能力，因而在低壓電器、特別是作為控制電器的觸頭材料得到廣泛應用。但近年來由于AgCdO材料有毒，從環保要求出發，以AgSnO2代替AgCdO材料已經得到推廣。但AgSnO2的觸頭溫升過高，一直是一個關鍵技術問題。目前國際上一些觸頭材料生產廠都在研究如何通過加入添加劑來阻止觸頭表面SnO2膜的生成來降低觸頭溫升。德國Degussa AG公司推出以WO3和BiO3兩種材料復合作為添加劑的AgSnO2SPWIII新牌號材料，不但有與AgCdO相接近的溫升，并且在抗電弧侵蝕及抗熔焊性能上較老的牌號AgSnO2材料有較大的提高。

　　采用真空技術與電力電子技術是解決環保電器的重要途徑。目前真空技術在中壓開關領域已具統治地位，在低壓開關領域近幾年也有很大的發展。真空中不存在氣體，在開斷故障電路時僅能產生能量較少的金屬蒸汽電弧，其強度、燃弧時間和對觸頭的燒蝕都比空氣中少，因而真空開關是不需要維護的。從環保的角度來看，真空開關的觸頭系統是封閉在真空管殼中，觸頭開斷時產生的電弧不會影響環境，因而它可以工作在苛刻的不利的工作環境下。在低壓電器領域中，盡管它的價格比一般空氣中滅弧的開關電器的價格要高，但它的優良性能和環保作用已越來越引起人們的關注。原先真空接觸器一般用于特殊環境下，目前由于真空技術的進展、真空技術的應用已推廣至通用的接觸器。*近，德國金鐘–默勒公司新推出的接觸器系列，其額定電流580A至820A的規格采用了真空接觸器。這種接觸器有非常高的電器壽命，并且由于沒有飛弧，需要的安裝空間少，外殼的視窗便于觀察觸頭的磨損情況。真空技術也應用于低壓斷路器，西門子公司于九十年代中期首先推出了3WS1真空低壓斷路器，其額定電流是630A至2500A，開斷能力達50KA。目前國內研究單位和工廠也正積極開發這種產品，主要目標是提高其額定電流和開斷能力。

　　由于電力電子技術的發展，新型電子器件如GTO，GTR及IGBT等第三代大功率半導體開關器件的出現，固態無觸點開關近年來也得到很大的發展。與機械式開關相比較，它是一種無電弧開關，因而它有很長的壽命，并且不需要維護，從環保角度來看，一方面因為沒有電弧，不會因為電弧引起觸頭材料和塑料氣化而污染環境，另一方面也不會因為環境污染而使觸頭上產生氧化膜而影響接觸可靠性。由于沒有觸頭，機械式開關因電弧的作用使觸頭發熱現象也不存在，這樣無觸點開關的操作頻率可達到很高，固態斷路器由于工作過程中的損耗大，并且缺乏足夠額定電壓和電流的功率電子器件，加上體積大、價格高，因而限制了它的應用。但近十年來的研究工作使它的缺點逐步在克服，Takamu【2】提出了一種混合式固態斷路器，它應用于400V的低壓線路，主回路由可關斷晶閘管GTO與真空開關并聯組成，以保證在正常工作時由真空開關接通電路，以減少GTO的功率損耗。帶靈敏繼電器的固態斷路器線路中應用了一種快速反應的過流保護，去降低短路電流對晶閘管GTO的過熱作用，當線路發生故障時，過流繼電器送出的信號同時打開真空開關和接通GTO裝置，真空開關上出現的電弧電壓把故障電流轉移到GTO回路中。緊接著，GTO快速關斷，使斷路器開斷故障電流，這種線路減輕GTO的負擔取決于靈敏繼電器的快速動作。另一線路由Brice【3】等提出，把混合式固態斷路器與聚合物限流電阻PTC結合起來。PTC是一種具有正溫度特性的熱敏元件，其反應速度非常快，當溫度上升至居里溫度，它的電阻就急劇增大，以限制短路電流。帶PTC的固態斷路器，PTC限流電阻與GTO裝置相串連，當開斷故障電流時，依靠PTC的限流作用，減輕了GTO裝置的負擔。在以上兩種固態斷路器中，金屬氧化物避雷器和吸收電路是用于吸收GTO通斷時的過電壓。

四、高性能、小型化與結構設計現代化

　　由于城市電網的發展，配電變壓器容量增大，對低壓開關電器提出了高性能、小型化要求。為了提高低壓開關電器的開斷能力，國外公司提出了一些新的滅弧系統和限流技術，其中日本三菱公司在該公司發明的VJC技術基礎上又提出了一種ISTAC技術。這種技術一方面通過導電回路的特殊布置來增加作用在動觸桿的電動力，另一方面使用VJC材料形成的窄縫加強對電弧冷卻作用。梅蘭日蘭公司則推出一種旋轉式雙斷點的限流結構，并在前后級保護特性配合方面提出一種“能量匹配”的新概念。近年來，如上面已提到的PTC熱敏限流電阻受到人們的極大興趣，首先把這種限流電阻和塑殼開關串聯使用，可大大增強限流效應，目前PTC電阻還可以單獨作為限流器使用，并且應用范圍已擴大到中壓領域。

　　開關電器小型化有兩種含義，一方面是電器本身的尺寸要小，另一方面是減少噴弧距離或實現“無飛弧”以縮小安裝這種電器的開關柜尺寸。三菱公司提出的新型接觸器，在滅弧室出氣口加裝了用以壓制熱氣流的多孔金屬板，可以使噴出熱氣流的溫度降低到原來的10%，我國新設計的S系列和TM30系列塑殼斷路器及DW40框架斷路器都已作到了零飛弧。

　　對接觸器來說，由于控制系統中電子器件增加，因而與PLC等電子器件的接口日趨重要，富士公司設計的新系列NEO SC系列中輔助觸點設計成5V和3mA以與電子器件接口。接觸器線圈節能技術近年來也有很大的發展，富士公司NEO SC系列接觸器采用改進的超級電磁鐵，不但保持原設計的節能和電源電壓降低至極限值時能可靠工作的特色，并且能在保證50%額定電壓時可靠吸合條件下，而在額定電壓時較原設計的吸力特性有較大幅度下降，使吸反力特性得到良好的配合，從而使新系列接觸器在吸合時，其沖擊較原產品降低80%。改進后的超級電磁鐵仍為一般電子控制，進一步發展為如上介紹的智能控制，用微處理器來控制電磁鐵的動態特性。目前除金鐘–默勒公司外，ABB公司也推出類似產品。

　　當前低壓電器在結構設計上廣泛應用模塊化、組合化、模數化和零部件通用化。模塊化是電器制造過程大為簡便，通過不同模塊積木式的組合，使電器可獲得不同的附加功能。組合化使不同功能的電器組合在一起，有利于電器結構緊湊，減少線路中所需的元件品種，并使保護特性得到良好的配合。模數化使電器外形尺寸規范化，便于安裝和組合。不同額定值或不同類型電器實現零部件通用化，對制造廠商來說，將大大減小產品的開發和生產的費用；對用戶來說，也便于維修和減少零部件的庫存量。目前，低壓電器結構設計的現代化有新的發展，ABB公司推出的新系列接觸器產品提出低壓配電系統一體化設計的新概念，新型的塑殼斷路器面板上都有一個小門，各種功能模塊通過這個小門可安裝于操作機構兩側空余的間隙內，以縮小整個開關柜的體積。日本三菱和富士新系列的塑殼斷路器把各種電流規格的產品設計成同一高度以利于開關柜的布置，施耐德公司的Masterpact從800A到3200A的產品采用同一個框架尺寸，這樣不但便于安裝，并且使零部件的通用性增強。人機工程的引入更使斷路器的外觀造型改變了過去單調的樣式，變得明快和美觀。西屋公司提出面板設計的“透明”觀點，要求低壓電器的面板要做到界面友好，所有在面板上的操作手柄、按鈕和顯示器要做到顯而易見，并且對操作者**可靠。

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