低压电器发展面临的问题

一、我国低压电器新产品发展思路、主要特征与关键技术
经过50多年的发展，我国低压电器行业已经形成比较完整的体系。可生产低压电器产品近1000个系列，产值约200亿元。2001年～2005年期间基本完成了以DW45为代表的第三代低压电器的研发任务。新型产品已经全面推广，全行业制造水平明显提高，包括模具制造能力、零部件加工设备、自动检测线、关键部件自动装配线及生产设备等。现在已经起动第四代低压电器产品的研发工作，第一批项目主要是四个产品：新一代的智能型万能断路器、小型化塑料外壳断路器、小型化控制与保护开关电器、带选择性保护小断路器。第二批项目预计2010年启动，初步定为新一代交流接触器、电动机起动器、双电源转换开关、专用系列低压浪涌保护器。这些产品的定位：是我国未来十年的低压电器高端产品，总体水平达到国外二十一世纪初水平。
同时进一步拓展低压电器领域，重点放在新能源（如风力发电、太阳能发电）配套用电器设备以及配电与控制系统；节能、环保产品等。还要积极探讨并大力发展经济型产品，应对原材料涨价和节能的需要，满足中低端市场的需求。这些产品都是在新一代产品的基础上派生出来。
新一代低压电器的主要特征：
1、高性能
新一代产品将在某些主要技术性能上有新的重大突破。如万能式断路器要求大幅度提高短时耐受电流Icw，并达到Icu＝Ics＝Icw；对于塑壳断路器要求大幅度提高额定运行短路分断能力Ics，并达到Icu＝Ics；明显提高690V下的分断能力。机械、电气寿命成倍增加。
2、小型化
这不仅是低压电器自身发展的必然结果，也是低压成套开关设备与控制设备向小型化发展的需要。对于节省原材料、减少占地面积具有重要意义。如新一代塑壳断路器产品的单位体积的容量（额定电流）将提高50％以上。
主要是在以下方面体现：
提高灭弧能力，缩小触头灭弧系统体积；提高短时耐受电流性能，减少回路电阻，改善散热性能等。
3、智能化、网络化、可通信
从智能化角度，新一代产品智能化功能将进一步扩展与完善，并向综合智能化方向发展。如智能交流接触器，通过闭环控制达到智能合闸操作，使得电磁铁吸合冲击最小，减少触头振动、大幅度提高机械合电气寿命，同时接触器还能实现多种电动机保护功能。
从网络化、可通信角度，新一代产品不但可以实现多总线通信，还可以直接与以太网连接，甚至在某些场合下可以采用无线通信。
随着信息技术和计算机网络的发展,使智能化电器与中央控制设备,包括中央控制计算机与可编程逻辑控制器实现双向数据通信,并在低压配电系统和电动机控制中心统一形成了智能化监控、保护与信息网络系统。这种系统使操作人员在控制室中能够方便地控制各种现场设备，并且能够及时了解现场设备运行情况，处理各种故障。近年来，现场总线的出现给工业自动化带来了革命性的变革。
现场总线是一种造价低、可靠性强并适合工业环境使用的通信系统。传统的通信系统需用多芯电缆让数据并行传送，而现场总线仅需要一根双芯电缆，使布线非常简单，减少了安装维护费用。现场总线按国际标准采用统一的通信规范，因而它具有很好的互换性和互操作性，它是与生产厂商无关的系统，各种现场设备只要按这种规范和协议生产都可以在网络上使用。现场总线生产工厂能提供现场总线各种标准部件，包括接口、各种中间继电器、电缆、模块化I/O站等等，大大方便了安装和维护，即特即用，适合于现场设备分散布置的特点。国外许多大公司近几年都发展了可通信低压电器产品。必须尽快发展我国低压电器产品的现场总线系统与通信技术，才能使系统具有故障诊断能力。当系统中电器设备发生故障时，通信电器与现场总线联接器能够显示故障信号，便于排除故障，保护系统正常运行；系统传输的信号量增加，提高了系统自动化程度；信号传输的精度提高，保证了系统运行的可靠性。
4、新一代产品结构应有新的突破与创新，模块化程度进一步提高；在结构上也有新的突破和创新，如双断点触头系统不仅在塑壳断路器中应用，还可以在万能式断路器上应用。施耐德公司1995年推出了NS系列塑壳断路器，其后ABB、默勒、GE等公司也推出相应产品，日本富士2007年10月推出的G-Ting塑壳断路器也采用了双断点触头系统。日本寺崎新一代万能式断路器也采用双断点结构。
大容量接触器将普遍采用真空接触器，永磁系统将在新一代接触器上得到应用。智能化永磁系统理论已经成熟，对于吸－反特性正确配合、提高交流接触器寿命、简化磁系统结构、节省能耗、减小噪音、节省材料、缩小产品体积有很大意义。
5、可靠性
在提高技术性能的同时，特别强调可靠性。主要从分断可靠性、动作可靠性、环境可靠性三个方面展开工作。对于动作可靠性我国已经已经开展了多年的研究，现在也已经有了推荐性的标准，但对于配电电器如断路器的分断可靠性还没有定量考核指标与方法。
6、安装方式多样化
终端电器采用轨道安装后给产品使用与维护带来很大方便，新一代电器的安装与出线方式应考虑母排连接与安装一体化结构形式，使得低压电器在成套装置中使用更为灵活，为用户配电方案变化提供方便。也能更为减少空间要求。
7、材料选用
采用不含有害物质的材料，在电器寿命终结时，大部分材料能回收。
8、新一代产品在零部件设计时在工艺上应充分考虑自动生产线的需要。目前我国低压电器部分企业在塑壳断路器、小型断路器等量大面广的产品已经开始自动检测线，塑壳断路器主要部件灭弧室已经开始采用自动装配线生产。大大提高了生产率和确保产品质量。
新一代产品中涉及的关键技术：
1、全面采用低压电器虚拟样机技术
低压电器产品的设计过程十分复杂。要设计一台性能优良、工作可靠、价格合理的低压电器开关产品，必须经过电气特性与机械特性的反复计算与研究。即使这样，设计计算参数与产品实际性能，仍然会有很大差距，必须通过反复的试验验证。因此低压电器产品开发周期长、资金投入大。
首先，必须从传统的静态分析、近似计算、经验分析转化到基础电磁机构动态数学模型的优化设计阶段。早期电器产品的研制开发，由于条件限制，大都是以静态特性为研究对象，往往忽略许多不定因素或难以计算的参数。显然，静态特性无法准确反映电器在工作过程中的实际特性，因此，设计出来的电器产品性能指标达不到预期目标。
动态特性可以描述电器实际的工作过程与状态变化，揭示在不同时刻各参量间的关系，表明各参量随时间的变化规律。在开关电器中，作为电器感测部件的电磁机构，其工作过程是一个电能→磁能→力的转换过程，同时还要克服机械力做功。因此，惯性大、灵敏度低、动作时间慢、操作频率低。为了缩短动作时间，就必须加快动作速度，从而使电磁机构的碰撞能量增加，降低了机械寿命。所以，必须建立电磁机构动态过程的优化数学模型。对其进行动态设计。而作为传统低压电器产品执行部件的触头系统，闭合过程中的弹跳、火花、二次振动熔焊与磨损、闭合状态的动静触头接触特性、打开过程的电弧、打开状态的绝缘问题等等都涉及到动态过程的分析与计算。
低压电器的基本特性包括通断能力、温升、零部件的强度、热稳定、绝缘性能及其他电气性能等。这就需要对设计对象的电磁场、应力场、热场等物理场进行仿真和分析。计算机模拟仿真技术的发展、有限元分析软件性能的不断提高，为这种新技术在低压电器中的应用创造了条件。随着计算机图形技术的迅速发展，虚拟技术将引入低压电器的设计领域。现在可以利用交互式图形技术，在计算机屏幕上建立可视三维样机，并通过精确的仿真技术使样机具有和实际样机同样的性能。研发人员可以通过改变样机的结构和参数，不断改变其性能使其满足预定的设计要求，实现优化，达到最佳状态。
目前主要应用的方面：
1、操作机构；
2、电器的热场与电流耦合仿真及温升计算；
3、断路器开断电弧的仿真；
4、交流接触器电磁系统与触头闭合过程及弹跳仿真。
二、我国低压电器行业及其产品面临一系列问题
1、由于企业数量众多，尤其是温州一大批民营企业的崛起，形成绝对的买方市场，致使生产能力严重过剩达50%以上。很多生产厂都是到柳市订购配件，回来组装。
2、外资企业利用技术、产品、质量、品牌、资金等多方面综合优势，发展迅猛，国内相当一部分企业萎缩，行业整体技术水平提升缓慢，开发投入与国外著名公司相比差距甚远，竟达到近100倍。据专利局统计，在近几年低压电器产品申请的发明专利中，外国公司占80%以上。我国低压电器拥有自主知识产权的产品不多。
3、低压电器原材料价格居高不下，而大部分企业仍在生产性能低、体积大、耗材的中低档产品，处于微利和亏损状态。只有开发新一代经济型产品才能摆脱困境。