我国低压断路器现状与发展动向

2010-06-27上海电器研究所何瑞华

电气技术与经济 2010年1期

■ 上海电器研究所何瑞华

1 引言

低压断路器是低压电器中结构最复杂，技术含量与经济价值最高，在低压配电系统中地位最重要的产品。品种主要有万能式断路器、塑壳式断路器（配电保护、电动机保护）、漏电断路器、小断路器、真空断路器、直流快速断路器。一个制造厂ACB、MCCB 产品技术水平、产量、质量在行业中排名一定程度上代表了企业在低压电器行业中地位，低压断路器产值占低压电器总产值50%以上。我国漏电电器和小型断路器从20 世纪70 年代开始发展，小型断路器在我国大量推广还是在20 世纪90 年代以后。

万能式断路器、塑壳断路器从20 世纪60 年代初开始先后开发了三代产品。低压真空断路器从20 世纪90 年代末开始研制，完成了DK5-630～2500A 系列真空断路器，已开始推广。但产品结构及工艺性尚需进一步完善，产品性能有望进一步提高。直流快速断路器自20 世纪80 年代末完成更新换代以后，由于使用场合不多至今没有进行新一代产品开发。本文重点分析万能式断路器、塑壳断路器与小型断路器现状与发展动向。

2 回顾与现状

2.1 万能式断路器（见表1）

20 世纪80 年代引进德国AEG ME 系列、日本时崎公司AH 系列（船用）、西门子公司3WE 系列，从20 世纪90 年代开始，国外各大公司ACB 产品相继进入中国市场。

按行业发展史正规划分ACB 开发了三代产品，第一代产品DW10，第二代产品DW15（自主开发），引进ME、AH、3WE 、AES。第三代产品DW45（自行开发），是我国低压电器发展历史上推广最成功，可靠性与经济效益最好的产品。同期引进M、F、3WN6、AE-SS、MAGNUM、M-pact 等系列产品。DW16 系列为第一代二次开发产品、DW15HH 为第二代二次开发产品，DW450 为第二代二次开发产品。

目前三代产品并存，第一代DW10 淘汰由DW16 替代。2008 年ACB 总量已超过60 万台。其中第三代产品比例按台数占45%，按产值占80%。国内主要生产企业：上海人民、常熟开关、浙江之江、天津百利、长征九厂、上海精益、江苏凯帆、凯隆、浙江开关厂、正泰、德力西、天正等，生产企业超过100 家。ACB 产品技术分析：目前国内高端产品（第三代及改进型）从技术水平看与国外产品差距不大。从质量水平看：少数优秀企业产品质量与国外先进水平接近，大部分企业产品质量尚有差距。从工艺水平看：少数优秀企业已接近国外一般先进水平，大部分企业仍有较大差距。ACB产品市场状况分析：国内产品高、中、低各个档次规格、品种产品齐全，能满足国内各档次特别是中、低档市场需求。由于ACB 产品在配电系统中的重要性，外资企业利用其品牌、质量、性能及产品个性化、外观与可靠性等因素，几乎霸占了我国重点工程主开关市场。

2.2 塑壳式断路器

在配电系统中作为支路保护开关，MCCB 可靠工作，既保证分支路用电可靠，又保证整个配电系统运行安全。产品量大而广，据统计MCCB 与ACB 产品台数比例约为40：1，其产值与ACB 基本相当。产品结构较复杂，制造工艺相对要求较高。MCCB 大批量生产稳定性与可靠性也能较好反映企业低压电器制造水平。产品发展回顾见表2。

常熟开关厂20 世纪90 年代中期完成CM1 系列，使我国标准型MCCB 分断能力提高到50kA。是我国低压电器行业首次由一个企业独立完成重大系列产品开发并成功获得大批量推广，它极大鼓舞了低压电器行业自主开发新产品积极性。CM1 和随后仿制的其他产品连同S、SA 系列形成我国第三代MCCB。

目前产品三代同堂，DZ10 系列虽已明令淘汰，但许多温州企业仍在变相生产，耗费大量材料资源。2008 年MCCB生产总量约为2400 万台。其中第三代产品比例按台数计为30%，按产值计为70%。生产企业超过500 家，比较混乱。主要生产企业：常熟开关、正泰、德力西、浙江开关、杭州之江、上海人民、长征电器、天津百利、TCL 、江苏凯隆、北京明日、苏州法泰、天正、环宇、华通、人民、长城等。

我国第三代MCCB 以CM1、S 系列为代表，相当于国外20 世纪80 年代中期到90 年代初水平，其二次开发产品和SA 系列相当于国外20 世纪90 年代中、后期水平。少数优秀企业产品制造水平除自动装配线外，其他工艺装备与制造能力接近世界先进水平，大部分企业与国外相比仍有较大差距。

2.3 小断路器

产品量大面广，年产量超过五亿极，其中70% 左右用于国内市场，大部分用于终端配电与民用建筑，其产品质量涉及千家万户用电安全与人民生命财产安全。

20 世纪80 年代初上海华通开关厂试制生产DZ12 系列，年产量约为200 万台。天津低压电器厂试制生产DZ13系列，产量不足百万台。由上海电科所负责设计试制的DZX19系列产品分断能力达10kA，由于工艺不稳定未批量生产。1988 年天津市引进法国梅兰日兰C45 小断路器并获得极大成功，从20 世纪90 年代开始以温州柳市企业为主，大量仿制C45，开始批量生产DZ47 产品。从20 世纪90 年代中后期开始国外著名MCB 制造商大批进入中国市场。

目前国内企业生产的MCB 绝大部分为DZ47，其水平相当于国外20 世纪80 年代初水平。国内由上科所自主开发DZX19、DZ30 等产品由于各种原因没有投产，企业自主开发，投入批量生产的MCB 产品几乎没有。国内生产MCB 企业达数百家，大部分生产能力与工艺水平较低，全部采用手工装配、产品稳定性、一致性较差。部分优秀企业已采用自动检测线（含自动包装），但尚未采用自动装配线。国内主要生产企业以正泰、德力西为代表的温州企业占总量近80%。其他主要企业有上海良信、TCL、苏州法泰等。国外主要制造商施耐德、ABB、西门子、海格、罗格朗等均有国内生产企业。

3 低压断路器发展涉及的关键技术

3.1 大电流电弧分断技术

随着电网容量不断增加，对低压断路器分断能力要求不断提高，对低压断路器分断性能提出了更高的要求。

为了提高系统运行可靠性，新一代万能式断路器一般均达到Icu=Ics=Icw，在提高Icu、Ics同时，重点提高Icw。新一代塑壳断路器要求Icu=Ics，重点提高Ics。为了提高分断性能，主要采取以下措施。

（1）采用双断点触头灭弧系统

双断点触头灭弧系统过去在控制电器中应用较为普遍，其主要目的是缩小产品体积。低压断路器分断能力高，触头灭弧系统较为复杂。如采用双断点系统，产品结构更为复杂，有一系列关键技术需要解决。其中最主要的两个技术难点是设计可靠的卡住机构，又不侵犯专利，以及两个触头闭合与断开时同步性问题，且制造工艺要求高。为此对双断点触头灭弧系统是不是低压断路器发展方向存在明显分歧意见。随着现代设计技术不断发展与应用，上述技术难点已经得到有效解决。作者认为作为高性能MCCB 产品双断点触头系统肯定是发展方向，是单独点结构无法比拟的。它使塑壳断路器具有更好的限流性能，更高的分断能力，较好实现了Icu=Ics。并为实现限流选择性保护，以及产品小型化、高寿命、高可靠、环保等创造了更好条件。但是，作为经济型MCCB 产品，考虑制造成本不宜采用双断点系统。因此，对新一代高性能MCCB 如何合理构成系列产品是值得探讨的问题。传统的系列型式高分断型、较高分断型、标准型、经济型结构型式基本相同，在新一代MCCB 中可能是不适宜的。

作为高性能ACB 产品，双断点触头灭弧系统也是发展方向之一。它为ACB 分断性能进一步提高，提供了更大的空间。为在极短时间内实现全电流选择性保护创造了更好条件。但是，作为普通型（标准型）ACB 产品也不宜采用双断点系统。

（2）运用低压电器现代设计与测试技术对触头灭弧系统进行优化设计，并采用气吹等辅助手段使电弧快速、可靠进入灭弧室。同时，有效控制游离气体扩散途径，避免相间、相对地飞弧，使飞弧距离控制在最小范围。

3.2 过电流保护新技术

低压断路器主要承担低压配电系统过电流保护以及其他各类故障保护，目前性能基本满足了系统故障保护要求。但是，就配电系统过电流保护看，目前保护方式是不完善的。主要存在以下问题：

（1）目前选择性保护一般局限于低压断路器短延时电流以下范围。当故障电流达到上级瞬动电流时，容易造成上、下级断路器同时跳闸，甚至越级跳闸。

（2）由于终端过电流保护用小断路器目前均为限流瞬动型，所以终端配电系统基本没有选择性保护。

（3）目前系统短路时选择性保护通过短延时实现，短延时时间一般为0.2～0.4s。对三级供电系统，主开关短延时时间可达0.6～1s，秒甚至更大。所以，目前低压配电系统实现选择性保护时间较长，对低压电器、成套装置及系统动、热稳定要求高。

（4）配电系统运行可靠性难以保证

新一代低压断路器采用过电流保护新技术达到的目标要求主要包括两方面内容：

（1）实现低压配电系统全范围、全电流选择性保护。

（2）在极短时间内实现选择性保护，整个选择性保护时间从原来1～1.2s 缩短至0.2～0.5s。

为实现上述目标，新一代低压断路器应达到以下要求：

（1）实现全电流范围选择性保护。

（2）新一代MCCB 应具有限流选择性保护功能。

（3）开发具有短延时保护功能MCB。

（4）新一代ACB、MCCB 均应采用区域选择性保护技术。

过电流保护新技术采用后达到的主要效果如下：

（1）从根本上避免低压配电系统越级跳闸和故障级断路器正常分断后，上级断路器同时分闸。使配电系统短路故障限制在最小范围，大大提高配电系统供电可靠性。

（2）大大缩短实现选择性保护时间，降低电器设备动、热稳定要求，有利于节材、节能和产品小型化。

本项技术研究与推广是低压电力系统保护与可靠运行的一次重大飞跃，具有很好经济效益和社会效益，值得引起电器行业和电力行业关注。

3.3 可通信与综合智能化技术

为了提高低压配电与控制系统运行可靠性以及自动化程度，实现系统网络化是发展的必然方向。一旦系统实现网络化，低压电器必须具有双向通信功能，经通信适配器能与各种现场总线系统连接。工业以太网技术发展与应用，使配电系统通信网络变得更简洁、更高效。

配电系统实现网络化，低压断路器实现可通信后，将使断路器智能化功能得以充分发挥，并促进智能化功能进一步完善与扩大。从国内外新一代智能化断路器发展情况看，将保护、测量、故障预警、自诊断、监控、能量管理等功能集中于一体。

3.4 低压断路器小型化与模块化技术

产品小型化既是低压电器技术水平的体现，也是成套设备及系统小型化的需要。对推进电器产品节材、节能具有重要意义。低压断路器小型化主要借助于新技术、新工艺应用以及产品结构上创新，新一代产品与第三代产品相比，体积平均缩小20%～50%。

低压断路器模块化水平也是低压电器设计与制造能力体现，是实现低压电器多功能、提高产品使用与维护性能的需要。低压断路器零部件、附件模块化水平一定程度上反映了一个国家低压电器研究与制造水平。断路器模块化水平包括：功能附件模块种类、标准化程度、制造工艺性、维护方便性以及模块小型化等。

3.5 低压断路器可靠性与环保技术

提高断路器可靠性以及环保技术的应用是新一代低压断路器研发工作的主要任务之一。低压断路器可靠性是低压配电系统运行可靠性的必要条件。主要包括以下内容：

（1）动作可靠性：包括低压断路器操作可靠性和系统发生故障时保护可靠性。通过操作机构运动与受力仿真分析研究、优化零部件设计，能有效提高低压断路器机械寿命与操作可靠性。

通过智能控制器可靠性分析研究，以确保断路器接受故障信号后动作可靠性以及动作特性一致性等。

（2）分断可靠性：运用现代测试技术分析断路器分断过程电弧运动与熄灭过程，通过优化设计使断路器熄弧性能与可靠性达到最佳状态。

（3）承受环境变化可靠性：包括气候环境变化如高、低温下动作可靠性，电磁环境变化即EMC 性能应全面符合标准要求。

（4）内外部附件工作可靠性是目前低压断路器运行可靠性存在的主要问题，也是新一代产品和其他新产品研发时急需解决的问题。

附件可靠性，包括附件自身工作可靠性与整机配合可靠性以及附件之间的协调性等。

低压断路器环保技术，包括产品制造过程，投入系统后运行过程不污染环境，产品寿命终了时便于回取等。

4 低压ACB、MCCB的发展趋向

（1）国外各大公司从2000 年前后陆续推出了新型ACB和MCCB，通过最近几年的不断完善与系统扩展，已形成了较为完善的新一代低压断路器。

万能式断路器，见表3。

（2）从2006 年开始，我国正式研发我国第四代万能式断路器（VW60 系列）和第四代塑壳断路器（VM60 系列）。预计2009 年底至2010 年上半年完成系列产品开发，从2010年开始将逐步推向市场。

第四代低压断路器无论在主要技术性能、产品结构、新技术应用等方面都有重大突破与创新，具有完全的自主知识产权。

（3）为适应紧凑型低压配电柜需要，许多大公司开发小型化ACB 产品，如ABB 公司Emax XIN-1600 为同类产品中最小，施耐德 NT-1600A 、中国DW450-1600 等。

上述产品通过适当降低分断指标，明显缩小了体积。其功能与新一代ACB 产品基本一致，具有较高性价比。特别适合于箱式变电站、风电场等紧凑型配电装置。

（4）通过优化设计、增容使原有壳架电流等级提高、扩大产品使用范围，增强市场竞争力。同时，实现小型化、节材、节能。

如：Emax E1 从1250A 提高到1600A，E3 从3200A 提高到4000A，国内外许多ACB 制造商将3200A 增容至4000A，体积不变。

我国新一代ACB：VW60-2500A 框架体积不大于第三代2000A 框架；VW60-4000A 框架体积不大于第三代3200A 框架

我国新一代MCCB：VM60-320 体积不大于第三代200A 壳架；VM60-630 体积不大于第三代400A 壳架。

（5）新一代低压断路器一般均采用区域联锁、区域选择性联锁。

该技术及相应模块采用后使新一代断路器产品功能与可靠性进一步提高：①提高选择性保护可靠性；②为实现全电流范围选择性保护创造条件；③缩短选择性保护时间；④从根本上消除低压断路器越级跳闸，使低压配电系统过电流故障限制在最小范围。

（6）新一代塑壳断路器应逐步实现限流选择性保护。

断路器分断时限流性能与选择性保护是相互矛盾的。如何使塑壳断路器既有良好的限流性能，又能实现选择性保护是该项技术关键。

ABB 公司T 系列是最早宣布实现限流选择性保护，并宣称T7 是世界上第一个真正实现1250A 及以下选择性保护MCCB。还宣称采用PR223EF 控制器将使断路器选择性与限流完美结合在一起。

PR223EF 控制器特点：①具有区域选择性保护功能；②确保故障快速分断，断开速度可以与限流电器相比；③该控制器可以在300ms 内检测短路电流，采用早期故障检测和阻断（EFDP）运算法则实现快速区域联锁。

施耐德NS 系列MCCB 也宣称能实现选择性保护。关于限流选择性保护有几个问题需要探讨：①限流选择性保护基本概念；②限流选择性保护具体含义；③实现限流选择性保护可以有多个途径；④各类产品实现限流选择性保护水平是不一致的；⑤我国新一代MCCB 将逐步实现限流选择性保护。

（7）低压断路器智能化与可通信将进一步发展与应用。

1）新一代低压断路器将进一步完善与扩展智能化功能。

2）在多总线并存情况下，采用通信适配器是一种既经济又灵活的方式。

3）国外通信适配器与低压断路器之间的通信规约一般由制造商内部制订。我国总多低压断路器制造商自己没有能力开发通信适配器，必须采用统一的低压断路器通信规约。

4）工业以太网具有传送数据大、诊断功能强等诸多优点，其应用将由系统管理层直接延伸至每一个电器设备。最近，国外各大公司纷纷推出带有内置式工业以太网通信接口的低压断路器是发展方向之一。

5）智能控制器额定电流通过交换插头实现，使用十分方便。图像显示器能显示所有信息，记录故障发生前所有事件和数据，供故障后分析十分方便。

（8）国外新一代断路器各类附件发展很快，进一步扩大了断路器功能。

西门子公司3VL 系列MCCB 产品带有大量内部和外部附件，且附件设计标准化。整个系列仅有二种规格附件，以400A壳架分界。外部附件除电动操作机构、插入式安装基座，各种操作手柄外，最新开发了柔性安装的联锁机构，安装灵活，尤其适合双电源系统。ABB 公司Tmax 安装与母线系统联结的灵活性、快捷性（不用电器栓），以及使用的兼容性、操作安全性等方面在MCCB 产品中形成了全新的、革命性的理念。

（9）B 型剩余电流断路器技术取得了较大的发展。

最近几年ABB 公司的Tmax 系列、默勒公司NZM 系列MCCB 均派生了B 型剩余电流断路器，一般采用拼装式模块结构。其特点是：①对交流、脉动、直流剩余电流故障均能可靠动作；②对各种不同频率交流故障电流可设定灵敏度；③可以精确设置自诊断功能进行检验。

（10）发展新一代经济型塑壳断路器是低压断

路器发展方向之一。如施耐德公司EZD 系列、默勒公司NZM-C 系带选择性保护小型断路器专题列。力勒朗在意大利的公司也发展了新一代经济型MCCB，厚度为65mm。特别适合靠墙安装的“超薄型”配电柜使用，国内常熟开关厂制造有限公司也研发成功新一代经济型MCCB，其厚度也为65mm。

（11）发展适应特定环境、新能源配电系统用低压断路器。

随着新能源发展，要求低压断路器能适合特殊使用环境，如耐低温、高温、耐振动、体积紧凑、特定保护特性、690V 系统等。风力发电设备用断路器动作电流要求2～8倍，使系统短路时，将风力涡轮发电机安全地从干线线路脱开。

（12）发展超大容量ACB，壳架等级为7000～8000A。

（13 ）母线与产品安装一体化技术将成为MCCB 主流连接方式。目前主要有两种方式：①专门设计母线适配器（或称为母线连接器），作为MCCB 产品附件一起提供给用户；②由专业化生产厂进行标准化设计和专业化生产。包括：标准化母线、母线固定件、母线绝缘罩壳、母线连接器等。额定电流从几百安培到几千安培，全部制成标准化配件供用户选用。