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| 面向21世紀(jì)的低壓電器新技術(shù) |
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隨著WTO的加入，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn)，為了加速我國(guó)低壓電器的發(fā)展，以適應(yīng)新的形勢(shì)需要，及時(shí)分析國(guó)內(nèi)外低壓電器發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)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(shù)與虛擬電器；環(huán)保電器；電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。
隨著WTO的加入，進(jìn)入21世紀(jì)我國(guó)低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn)，為了加速我國(guó)低壓電器的發(fā)展，以適應(yīng)新的形勢(shì)需要，及時(shí)分析國(guó)內(nèi)外低壓電器發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)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(shù)與虛擬電器；環(huán)保電器；電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。
一、智能電器、可通訊電器與信息電器
微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引進(jìn)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(kāi)關(guān)電器，包括智能化斷路器和智能化電動(dòng)機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制中心已統(tǒng)一形成了智能化監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
智能化低壓斷路器與電動(dòng)機(jī)控制器是低壓開(kāi)關(guān)柜和電動(dòng)機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)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(hù)功能大大增強(qiáng)。諸如：它的三斷保護(hù)特性中的短延時(shí)可設(shè)置成I2t特性，以便與后一級(jí)保護(hù)更好地匹配；接地保護(hù)可實(shí)現(xiàn)選擇性，對(duì)斷續(xù)的電弧接地故障可帶記憶功能。
目前工業(yè)用電的電網(wǎng)絡(luò)中使用大量的軟起動(dòng)器、電力電子調(diào)速裝置和不間斷電源等，這些裝置都會(huì)使配電系統(tǒng)產(chǎn)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(huì)造成斷路器的誤動(dòng)作。帶微處理的智能化斷路器反映負(fù)載電流真實(shí)的有效值（RMS值），它的采樣和保持電路能消除輸入信號(hào)中的高次諧波，因而能避免高次諧波造成的誤動(dòng)作，它的中央處理單元能保證斷路器的正確動(dòng)作。
與傳統(tǒng)的雙金屬熱繼電器相比，智能化過(guò)載繼電器有一系列的優(yōu)點(diǎn)。它能保護(hù)多種起動(dòng)條件的電動(dòng)機(jī)，具有很高的動(dòng)作可靠性。它不但可保護(hù)電動(dòng)機(jī)過(guò)載與斷相，并可保護(hù)接地、三相不平衡、反相或低電流等。由智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的智能電動(dòng)機(jī)控制器，兼有監(jiān)控、保護(hù)和通訊的功能，它的保護(hù)功能也較智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步增強(qiáng)。
由新型低壓電器元件與中央控制計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)控制中心相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
①實(shí)現(xiàn)中央計(jì)算機(jī)集中控制，提高了低壓配電系統(tǒng)自動(dòng)化程度。低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備與中央控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信息雙向傳輸是指：一方面智能化斷路器或其它開(kāi)關(guān)設(shè)備向中央控制計(jì)算機(jī)傳送線路和保護(hù)對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)，保護(hù)整定值和故障信息；另一方面中央控制計(jì)算機(jī)向智能化斷路器或其它開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)出操作指令，改變和調(diào)節(jié)保護(hù)整定值。
②使低壓配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護(hù)達(dá)到新的水平。通過(guò)信息傳輸，中央控制計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)線路和被保護(hù)設(shè)備過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)及前10次甚至前50次故障情況。這些信息加上計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的綜合計(jì)算能力，有助于操作者事先預(yù)測(cè)故障的產(chǎn)生和作出相應(yīng)的決策，使線路和設(shè)備的停機(jī)維修時(shí)間大大減少；信息傳輸也提高了對(duì)配電系統(tǒng)的電能調(diào)度能力，能保證在用電高峰階段，對(duì)重要用戶安全可靠地供電；信息傳輸可實(shí)現(xiàn)區(qū)域間連鎖保護(hù)，使前后級(jí)智能化斷路器的選擇性保護(hù)獲得合理的匹配。
、塾捎诓捎脭(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使開(kāi)關(guān)柜平面上提供信息大幅度增加。通過(guò)液晶顯示板可測(cè)量并顯示相和線的電流、電壓、功率因數(shù)、功率等各種參數(shù)，也能顯示被保護(hù)對(duì)象和線路過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)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(hù)特性。
、鼙O(jiān)控元件和傳統(tǒng)的指示和指令電器相比較，接線簡(jiǎn)單、便于安裝，提高了工作的可靠性。
、菘梢詫(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少信息重復(fù)和信息通道
網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展，日益要求用戶和設(shè)備之間的開(kāi)放性和兼容性，因而制定一個(gè)統(tǒng)一的通訊協(xié)議是急待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前由智能化電器與中央計(jì)算機(jī)通過(guò)接口構(gòu)成的自動(dòng)化通訊網(wǎng)絡(luò)正從集中式控制向分布式控制發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，不但為構(gòu)造分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供條件，并且它即插即用，擴(kuò)充性好，維護(hù)方便，因而目前這種技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開(kāi)放的雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)場(chǎng)總線種類很多，比較有影響的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價(jià)值。但也正是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)多種多樣和通訊標(biāo)準(zhǔn)的各自為政，給這種技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)不利的影響。目前國(guó)際電工委員會(huì)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)正致力于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，我國(guó)有些單位也在做這方面工作，我們把基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有通信功能的電器稱為可通訊電器。目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正向上下兩端延伸，其上端和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊，其下端延伸到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)區(qū)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(tǒng)，這兩種總線應(yīng)用于低層區(qū)域，是一種低成本的通信連接，它把工業(yè)控制用的傳感器和執(zhí)行器，包括：限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡(jiǎn)單的控制元件作為從設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，與作為主設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行通信，傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換信息變成二進(jìn)制數(shù)字信息通過(guò)串行接口和尋址進(jìn)行通信，這使傳統(tǒng)的低壓控制元件也有了革命性的變革，例如西門子AS總線系統(tǒng)中應(yīng)用的Logo多功能繼電器實(shí)際上是一個(gè)小型的PLC，它能起延時(shí)、閂鎖、記數(shù)器和脈沖繼電器等功能。
使智能電器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息化，是使智能電器在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)Internet/Intranet功能，其技術(shù)核心是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。把TCP/IP協(xié)議嵌入到智能電器的ROM中，使得信號(hào)的收發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，進(jìn)一步發(fā)展智能電器的信息化功能。利用Internet/intranet功能，不但使企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶，并且在任何開(kāi)通了Internet的地區(qū)都可以通過(guò)瀏覽共享現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能電器進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制、編程、和組態(tài)等，這使智能化電器進(jìn)入了信息電器的新時(shí)代。
低壓電器的一個(gè)重要功能是通斷能力，近年來(lái)智能電器發(fā)展的另一途徑是通過(guò)微處理器的智能控制來(lái)提高電器的通斷性能。一個(gè)令人關(guān)注的新動(dòng)向是金鐘–默勒公司開(kāi)發(fā)的新一代DIL-M系列接觸器，在它185A以上電流等級(jí)中采用了智能控制技術(shù)。接觸器閉合時(shí)觸頭的磨損主要是由于觸頭彈跳造成的斷續(xù)電弧而引起的，在AC-3工作任務(wù)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(chǔ)在微處理器中的一個(gè)與反力特性配合最佳的吸力特性曲線來(lái)調(diào)節(jié)線圈電流，在接觸器吸合階段輸入寬脈沖電壓，使主觸頭安全可靠地吸合，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(jié)能。由于采用了智能控制，這種接觸器在節(jié)省觸頭材料條件下，電氣壽命可達(dá)到1.3X106次，采用了智能控制，不同規(guī)格的接觸器，其電磁系統(tǒng)的截面等幾何尺寸一致，給生產(chǎn)上帶來(lái)了方便和節(jié)約，從而補(bǔ)償了由于電子控制帶來(lái)的額外支出。
智能化電器的發(fā)展，使電磁兼容性EMC變成越來(lái)越重要的問(wèn)題。EMC要求包括兩種含義，一方面要求低壓電器在使用場(chǎng)合工作時(shí)，不受外界電磁干擾而引起誤動(dòng)作，而另一方面要求電器的操作產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不干擾附近的電子設(shè)備。目前國(guó)外對(duì)智能化電器和機(jī)電一起化產(chǎn)品的EMC問(wèn)題非常重視，因?yàn)殡姶鸥蓴_會(huì)引起這類系統(tǒng)失靈而誤動(dòng)作，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能化電器和其保護(hù)、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強(qiáng)電流及高電壓電磁場(chǎng)中，使這些設(shè)備的電磁抗干擾能力在設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行中已成為不可忽視的因素，因而在國(guó)外智能化電器和其系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初始階段即制定嚴(yán)格的電磁兼容控制與管理計(jì)劃，該計(jì)劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施計(jì)劃與測(cè)試方法等，并把這一計(jì)劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。EMC分析和設(shè)計(jì)是為了達(dá)到EMC技術(shù)要求的關(guān)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(tǒng)集成的電磁兼容性能，EMC設(shè)計(jì)包括電磁屏蔽，接地，導(dǎo)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(chǎng)數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)硬年的發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)的測(cè)試方法和經(jīng)驗(yàn)分析方法，已在EMC分析中起越來(lái)越大的作用。
二、仿真技術(shù)與虛擬電器
近年來(lái)國(guó)內(nèi)工廠和設(shè)計(jì)院所紛紛引進(jìn)如UGH、Pro/E等三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，這類軟件能實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)零部件和實(shí)體造型、裝配和自動(dòng)生成工程圖紙，并且按照設(shè)計(jì)的零部件自動(dòng)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和生成數(shù)控編碼。這些軟件使國(guó)內(nèi)低壓電器設(shè)計(jì)工作上了一個(gè)新的臺(tái)階，但進(jìn)一步要使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足原始技術(shù)條件的要求，達(dá)到預(yù)定的電氣和機(jī)械性能，則需要采用仿真技術(shù)。
進(jìn)行一個(gè)低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，當(dāng)根據(jù)給定的技術(shù)條件，確定了產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)方案和尺寸后，必須進(jìn)行工程分析或樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否附合原訂技術(shù)要求。長(zhǎng)期以來(lái)人們用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法進(jìn)行特性分析，精度很差，特別是作為低壓開(kāi)關(guān)電器的主要特性，即開(kāi)斷特性無(wú)法計(jì)算，因而人們不得不依靠樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的可行性，這樣做法要花費(fèi)大量人力和物力，并使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期拉長(zhǎng)，影響新產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)計(jì)算機(jī)摸擬和仿真技術(shù)得到快速發(fā)展，依靠這種新技術(shù)，人們可以在樣機(jī)制作以前就能精確掌握設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，減少了重復(fù)樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并提高了產(chǎn)品性能，這是當(dāng)前低壓電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)手段現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。
低壓電器的基本特性包括開(kāi)斷能力、溫升、零部件的強(qiáng)度、電動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定、絕緣性能及其它電氣性能等。這就需要對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理場(chǎng)域進(jìn)行仿真和分析。計(jì)算機(jī)模仿和仿真技術(shù)的進(jìn)展和商品有限元分析軟件性能的不斷提高為這種新技術(shù)在低壓電器的應(yīng)用創(chuàng)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(jìn)行一臺(tái)大型變壓器的電場(chǎng)分析、輸入各零部件的三維尺寸等原始數(shù)據(jù)，一般是幾天甚至幾個(gè)星期的艱苦勞動(dòng)。進(jìn)入90年代商品化的有限元分析軟件都和可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用特征造型方式輸入三維圖形代替每鎖的數(shù)據(jù)輸入，使輸入工作十分簡(jiǎn)便而直觀，并且后處理部分使輸出的數(shù)據(jù)或三維圖形，方便地進(jìn)行觀察和分析。與此同時(shí)，隨著解決復(fù)雜工程問(wèn)題的需要，這種仿真和分析軟件更擴(kuò)展到流體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等方面。目前，市場(chǎng)上已能提供各種精確的計(jì)算機(jī)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第一類，這種軟件都包括應(yīng)力，溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)等分析模塊，可以進(jìn)行單種場(chǎng)域分析，也可進(jìn)行綜合場(chǎng)分析，例如計(jì)算熔斷器的保護(hù)特性，首先要計(jì)算熔片中電流場(chǎng)的分布，然后是熱特性的計(jì)算，這是電流場(chǎng)和瞬態(tài)熱場(chǎng)計(jì)算的綜合，專用軟件是指用于專門的場(chǎng)合，如ADAMS軟件用于機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析，VACTOR FIELDS軟件專門用于各種電磁場(chǎng)問(wèn)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(jī)兩種版本。近年來(lái)國(guó)外著名公司更是把特性的計(jì)算機(jī)仿真和分析看作是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)手段現(xiàn)代化的一個(gè)重要措施，如日本的富士公司在開(kāi)發(fā)SC新系列接觸器中，認(rèn)為計(jì)算機(jī)仿真和采用新材料，是使新系列接觸器性能達(dá)到高水平的關(guān)鍵，他們開(kāi)發(fā)了一套對(duì)接觸器可動(dòng)部分動(dòng)態(tài)仿真的軟件系統(tǒng)，對(duì)接觸器可動(dòng)部分，包括鐵心和觸頭系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，分析了各種參數(shù)對(duì)鐵心及觸頭碰撞后的彈跳的影響，從而選擇了最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，日本的三菱公司和德國(guó)金鐘–默勒公司都以商品計(jì)算機(jī)分析軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)建立自己的低壓斷路器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。
通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可獲得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性方案，即保證設(shè)計(jì)方案滿足所制定技術(shù)條件的要求，但尚不是經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最佳的方案，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的最佳，這就需要把仿真技術(shù)和最優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)。一些商品仿真軟件，如上面提到的ANSYS軟件就提供一系列優(yōu)化工具，能自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀，使規(guī)定的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。如德國(guó)著名的低壓電器專家Lindmayer教授利用ANSYS軟件，把磁場(chǎng)仿真和優(yōu)化結(jié)合起來(lái)，改變鐵心尺寸和線圈位置，實(shí)現(xiàn)了電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，一種新的三維機(jī)交互式圖形技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality）技術(shù)的出現(xiàn)，給計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)辟了新的天地，虛擬現(xiàn)實(shí)與傳統(tǒng)的交互式三維圖形技術(shù)不同，后者操作者是在計(jì)算機(jī)外的現(xiàn)實(shí)世界操作計(jì)算機(jī)的圖形，而前者則可讓操作者進(jìn)入計(jì)算機(jī)里的虛擬世界親臨其境地進(jìn)行操作，把這種技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合就可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種產(chǎn)品我們稱為虛擬產(chǎn)品，設(shè)計(jì)者可以在“虛擬”環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真和優(yōu)化，這是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展方向。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)低壓電器產(chǎn)品往往是把各研究所和工廠有關(guān)技術(shù)人員集中在一處，進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，這種方式使大多數(shù)設(shè)計(jì)人員脫離本廠的環(huán)境而造成諸多不便。90年代以來(lái)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)CSCD（Computer Supported Cooperative Design）技術(shù)，可提供遠(yuǎn)程異地協(xié)同設(shè)計(jì)的環(huán)境，它是基于Internet而實(shí)現(xiàn)的一種群體設(shè)計(jì)的新概念，最近國(guó)外的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如PRO/E和Internet等已新增了這方面的功能。依靠這種技術(shù)，人們可以在不同地點(diǎn)通過(guò)Internet共同討論設(shè)計(jì)方案，繪制和修改設(shè)計(jì)圖紙。
三、環(huán)保電器
隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，這對(duì)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(duì)這些材料來(lái)說(shuō)，一方面要保證長(zhǎng)的壽命和電器本身的工作可靠性，還應(yīng)考慮環(huán)保要求，即無(wú)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(yīng)用。
長(zhǎng)期以來(lái)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(yīng)用。但近年來(lái)由于AgCdO材料有毒，從環(huán)保要求出發(fā)，以AgSnO2代替AgCdO材料已經(jīng)得到推廣。但AgSnO2的觸頭溫升過(guò)高，一直是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前國(guó)際上一些觸頭材料生產(chǎn)廠都在研究如何通過(guò)加入添加劑來(lái)阻止觸頭表面SnO2膜的生成來(lái)降低觸頭溫升。德國(guó)Degussa AG公司推出以WO3和BiO3兩種材料復(fù)合作為添加劑的AgSnO2SPWIII新牌號(hào)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(hào)AgSnO2材料有較大的提高。
采用真空技術(shù)與電力電子技術(shù)是解決環(huán)保電器的重要途徑。目前真空技術(shù)在中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域已具統(tǒng)治地位，在低壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域近幾年也有很大的發(fā)展。真空中不存在氣體，在開(kāi)斷故障電路時(shí)僅能產(chǎn)生能量較少的金屬蒸汽電弧，其強(qiáng)度、燃弧時(shí)間和對(duì)觸頭的燒蝕都比空氣中少，因而真空開(kāi)關(guān)是不需要維護(hù)的。從環(huán)保的角度來(lái)看，真空開(kāi)關(guān)的觸頭系統(tǒng)是封閉在真空管殼中，觸頭開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧不會(huì)影響環(huán)境，因而它可以工作在苛刻的不利的工作環(huán)境下。在低壓電器領(lǐng)域中，盡管它的價(jià)格比一般空氣中滅弧的開(kāi)關(guān)電器的價(jià)格要高，但它的優(yōu)良性能和環(huán)保作用已越來(lái)越引起人們的關(guān)注。原先真空接觸器一般用于特殊環(huán)境下，目前由于真空技術(shù)的進(jìn)展、真空技術(shù)的應(yīng)用已推廣至通用的接觸器。最近，德國(guó)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(guī)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(méi)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(shù)也應(yīng)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(kāi)斷能力達(dá)50KA。目前國(guó)內(nèi)研究單位和工廠也正積極開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品，主要目標(biāo)是提高其額定電流和開(kāi)斷能力。
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型電子器件如GTO，GTR及IGBT等第三代大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)近年來(lái)也得到很大的發(fā)展。與機(jī)械式開(kāi)關(guān)相比較，它是一種無(wú)電弧開(kāi)關(guān)，因而它有很長(zhǎng)的壽命，并且不需要維護(hù)，從環(huán)保角度來(lái)看，一方面因?yàn)闆](méi)有電弧，不會(huì)因?yàn)殡娀∫鹩|頭材料和塑料氣化而污染環(huán)境，另一方面也不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境污染而使觸頭上產(chǎn)生氧化膜而影響接觸可靠性。由于沒(méi)有觸頭，機(jī)械式開(kāi)關(guān)因電弧的作用使觸頭發(fā)熱現(xiàn)象也不存在，這樣無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的操作頻率可達(dá)到很高，固態(tài)斷路器由于工作過(guò)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(jià)格高，因而限制了它的應(yīng)用。但近十年來(lái)的研究工作使它的缺點(diǎn)逐步在克服，Takamu【2】提出了一種混合式固態(tài)斷路器，它應(yīng)用于400V的低壓線路，主回路由可關(guān)斷晶閘管GTO與真空開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成，以保證在正常工作時(shí)由真空開(kāi)關(guān)接通電路，以減少GTO的功率損耗。帶靈敏繼電器的固態(tài)斷路器線路中應(yīng)用了一種快速反應(yīng)的過(guò)流保護(hù)，去降低短路電流對(duì)晶閘管GTO的過(guò)熱作用，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，過(guò)流繼電器送出的信號(hào)同時(shí)打開(kāi)真空開(kāi)關(guān)和接通GTO裝置，真空開(kāi)關(guān)上出現(xiàn)的電弧電壓把故障電流轉(zhuǎn)移到GTO回路中。緊接著，GTO快速關(guān)斷，使斷路器開(kāi)斷故障電流，這種線路減輕GTO的負(fù)擔(dān)取決于靈敏繼電器的快速動(dòng)作。另一線路由Brice【3】等提出，把混合式固態(tài)斷路器與聚合物限流電阻PTC結(jié)合起來(lái)。PTC是一種具有正溫度特性的熱敏元件，其反應(yīng)速度非？，當(dāng)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(tài)斷路器，PTC限流電阻與GTO裝置相串連，當(dāng)開(kāi)斷故障電流時(shí)，依靠PTC的限流作用，減輕了GTO裝置的負(fù)擔(dān)。在以上兩種固態(tài)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(shí)的過(guò)電壓。
四、高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)代化
由于城市電網(wǎng)的發(fā)展，配電變壓器容量增大，對(duì)低壓開(kāi)關(guān)電器提出了高性能、小型化要求。為了提高低壓開(kāi)關(guān)電器的開(kāi)斷能力，國(guó)外公司提出了一些新的滅弧系統(tǒng)和限流技術(shù)，其中日本三菱公司在該公司發(fā)明的VJC技術(shù)基礎(chǔ)上又提出了一種ISTAC技術(shù)。這種技術(shù)一方面通過(guò)導(dǎo)電回路的特殊布置來(lái)增加作用在動(dòng)觸桿的電動(dòng)力，另一方面使用VJC材料形成的窄縫加強(qiáng)對(duì)電弧冷卻作用。梅蘭日蘭公司則推出一種旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)的限流結(jié)構(gòu)，并在前后級(jí)保護(hù)特性配合方面提出一種“能量匹配”的新概念。近年來(lái)，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(kāi)關(guān)串聯(lián)使用，可大大增強(qiáng)限流效應(yīng)，目前PTC電阻還可以單獨(dú)作為限流器使用，并且應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到中壓領(lǐng)域。
開(kāi)關(guān)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?qū)崿F(xiàn)“無(wú)飛弧”以縮小安裝這種電器的開(kāi)關(guān)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(lái)的10%，我國(guó)新設(shè)計(jì)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(duì)接觸器來(lái)說(shuō)，由于控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)的新系列NEO SC系列中輔助觸點(diǎn)設(shè)計(jì)成5V和3mA以與電子器件接口。接觸器線圈節(jié)能技術(shù)近年來(lái)也有很大的發(fā)展，富士公司NEO SC系列接觸器采用改進(jìn)的超級(jí)電磁鐵，不但保持原設(shè)計(jì)的節(jié)能和電源電壓降低至極限值時(shí)能可靠工作的特色，并且能在保證50%額定電壓時(shí)可靠吸合條件下，而在額定電壓時(shí)較原設(shè)計(jì)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(shí)，其沖擊較原產(chǎn)品降低80%。改進(jìn)后的超級(jí)電磁鐵仍為一般電子控制，進(jìn)一步發(fā)展為如上介紹的智能控制，用微處理器來(lái)控制電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性。目前除金鐘–默勒公司外，ABB公司也推出類似產(chǎn)品。
當(dāng)前低壓電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上廣泛應(yīng)用模塊化、組合化、模數(shù)化和零部件通用化。模塊化是電器制造過(guò)程大為簡(jiǎn)便，通過(guò)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(jié)構(gòu)緊湊，減少線路中所需的元件品種，并使保護(hù)特性得到良好的配合。模數(shù)化使電器外形尺寸規(guī)范化，便于安裝和組合。不同額定值或不同類型電器實(shí)現(xiàn)零部件通用化，對(duì)制造廠商來(lái)說(shuō)，將大大減小產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的費(fèi)用；對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，也便于維修和減少零部件的庫(kù)存量。目前，低壓電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化有新的發(fā)展，ABB公司推出的新系列接觸器產(chǎn)品提出低壓配電系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的新概念，新型的塑殼斷路器面板上都有一個(gè)小門，各種功能模塊通過(guò)這個(gè)小門可安裝于操作機(jī)構(gòu)兩側(cè)空余的間隙內(nèi)，以縮小整個(gè)開(kāi)關(guān)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(guī)格的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成同一高度以利于開(kāi)關(guān)柜的布置，施耐德公司的Masterpact從800A到3200A的產(chǎn)品采用同一個(gè)框架尺寸，這樣不但便于安裝，并且使零部件的通用性增強(qiáng)。人機(jī)工程的引入更使斷路器的外觀造型改變了過(guò)去單調(diào)的樣式，變得明快和美觀。西屋公司提出面板設(shè)計(jì)的“透明”觀點(diǎn)，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(jiàn)，并且對(duì)操作者安全可靠。 |
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