论经济型CKW60-2000智能型万能式断路器研发

2012-06-25江苏新洛凯机电有限公司倪文元

电器工业 2012年6期

关键词：智能型经济型小型化

文／江苏新洛凯机电有限公司倪文元

0 引言

如何紧贴市场审时度势开发出适销对路产品，是每一个企业梦寐以求的目标。笔者认为应从社会和企业发展的角度出发才能高瞻远瞩，继而研发出受市场青睐的产品。笔者想通过自己多年来的实践抛砖引玉，从以下几个方面与业内行家共同探讨。

1 市场分析及产品的发展趋势

1.1 节约资源利国利民

生产断路器产品的原材料银、铜、钢等都是不可再生资源，并非取之不尽用之不绝。它们在断路器产品的原材料成本中占70%以上，因此，在产品设计中节省银、铜、钢材料是企业节本增效的有效方法。国家倡导建设一个资源节约型和环境友好型社会符合国民利益。一个有社会责任心的技术人员应本着可持续发展的精神，把节省原材料落实到设计工作的每一个细节中去。

1.2 农村需要大量性价比高的经济型产品

中国是一个发展中的农业大国，农村城市化和改变农村落后面貌是国家发展经济的长期战略目标；为保持粮食稳产高产政府将加大对农田水利基础设施建设的投入，这些都离不开电力工业的发展，同时也给电器制造业提供极好的机会。温家宝总理明确指出，要让农民用上电、用好电并在此基础上逐步降低电价。这就涉及到一个农网改造的问题，农村地区经济欠发达，能投入的资金相对有限，因此需要大量性价比高的经济型低压断路器产品来支持农网改造工作。

1.3 开发有自主知识产权具备原创性技术的经济型低压断路器

近年来随着原材料价格的一路飙升以及工人工资的提高，企业生产成本和人工成本大幅提高。由于生产低压断路器的企业众多，供大于求，再加上产品严重同质化、单一化，导致价格竞争成为销售的主要手段，造成企业成本的上升无法通过价格传导机制向下游转移。而国外著名的低压断路器制造商则利用其品牌、技术、产品以及精湛的工艺制造水平和雄厚的实力优势在占领高端市场的同时，采用合资和兼并国内企业的策略，使零部件生产本土化来降低生产成本，把产品向中低端市场渗透。在双重夹击下，除少数国内优秀品牌企业能获得较好利润外，多数整机生产企业经营困难，面临生存危机。如何应对生存与发展的严峻局面，一种是紧盯国外产品，继续走仿制与模仿之路，这不失为是一种解围方法。但并非良方，很难摆脱重蹈同质化的覆辙。另一种是走自主创新之路，走在行业前沿研发具有本土特色符合国情，有自主知识产权并具备原创性技术的经济型低压断路器。

1.4 经济型断路器应具备高性能、小型化、智能化、网络化，可通信特点

目前市场上在20世纪80年代研发的DW15系列和以国外引进的ME系列框架式断路器作为第二代产品，由于其价廉在中低端市场还占有相当份额，与现在的第3、4代产品相比，其技术含量较低、体积庞大、消耗资源多，耗材耗能。过电流脱扣器为传统的电磁式结构，动作值精度低。而ME断路器仅有二段保护功能，使选择性保护受到限制。显而易见，第二代断路器产品缺少进入智能电网用户端的必备条件。而生产这些产品的企业由于生产成本高。销售价格低，基本无利可图。多数企业已将此类产品列入淘汰之列而停止生产。第二代断路器产品逐步退出市场是历史的必然。所腾出的空间，必将让位于能进入智能电网运行，具备第3、4代低压电器产品高性能、小型化、智能化、网络化，可通信特点，而售价又为中低端用户接受的经济实用型断路器产品。

2 经济型断路器产品的研发

2.1 制定合理的技术性能指标

笔者长期从事低压断路器产品的研发工作，熟悉框架式断路器的性能特点，了解下游产品对断路器的使用要求。认为对产品的技术性能指标应作客观分析，刻意追求高指标，易造成资源浪费，增加产品成本。但原则是断路器的技术性能指标应高于使用场合的要求，确保配电网络安全、可靠，正常运行。

2.2 产品应小型化

断路器产品小型化是低压电器技术发展和进步的体现，也是实现低压成套开关设备和控制设备小型化的需要。现代化城市建设使得电网容量不断扩大，土地资源日趋紧张，迫切需要小型化的低压配电装置。体积小又具有特色的断路器产品，既满足了市场需求又能节约宝贵的社会资源，为企业降低原材料成本创造良好的经济效益。怎样实现框架式断路器小型化？笔者认为抑制过剩性能指标，细分壳架等级是行之有效的方法之一。

2.3 产品的机械结构应简单可靠

框架式断路器产品的机械结构在满足性能要求的前提下，应力求简单可靠。复杂的结构不仅增加制造难度和产品成本，而且影响产品的可靠性。

2.4 经济型CKW60系列智能型万能式断路器

遵循上述开发思路，通过多年的不懈努力我们研发成功了经济型CKW60系列智能型万能式断路器。该系列目前共有三个壳架等级电流，分别为:CKW60-2000、CKW60-1250和CKW60-630。该系列产品具有自主知识产权和原创性技术，迄今为止已被国家知识产权局授予发明专利1项、实用性专利9项，授予外观专利2项。特别是最近研发完成的CKW60-630智能型万能式断路器，填补了630A壳架等级电流新一代智能型产品的国际国内空白。它既能作为中小企业及广大农村配电系统的低压开关柜作受电断路器，又能在大容量低压开关柜中替代塑壳断路器作馈电断路器，是智能电网用户端实现全范围全电流保护的理想产品。下面就节约资源型代表产品CKW60-2000智能型万能式断路器的研发与大家共同探讨。

3 CKW60-2000智能型万能式断路器的研发特点

3.1 先进的短路特性指标

CKW60-2000智能型万能式断路器的额定电压为交流400伏最大额定电流为交流2000安，作为配电电器在低压配电系统中能与低压侧额定输出电流小于2000安的变压器配套作主断路器。容量为1250千伏安变压器在交流380伏时的额定电流为1804安，其三相最大短路冲击电流为63千安，只要断路器的短路分断能力大于等于63千安，就能保护变压器安全运行。因此，将CKW60-2000智能型万能式断路器重要技术性能指标额定极限短路分断能力Icu定为65千安。由于短路处存在电阻，即使在最极端情况下三相短路时其短路电流也达不到最大值，所以65千安的额定极限短路分断能力已有足够余地。将额定短路耐受电流Icw定为1秒50千安符合低压开关柜容量等级的要求，便于低压开关柜设计时选用。

表1列出了国内外同类规格低压万能式断路器（抽屉式三极）的短路特性。

从表中数据可以看出与国外同规格断路器相比CKW60-2000断路器的短路特性指标是毫不逊色的。ME系列万能式断路器是我国引进德国技术生产的产品，它的触头系统是以框架等级1中1600安为一个基本单元。ME-2000属框架等级2，触头系统由两个基本单元并联为一相而成，体积庞大不具可比性。ME-1605为ME-1600的增容产品，其过电流脱扣器为电磁式结构，动作精度低，且仅有二段保护，只能用于要求较低的场合。

图1 CKW60-2000抽屉式断路器

图2 CKW60-2000固定式断路器

DW15C-1600及DW15-2500（仅有固定式）框架式断路器虽具备三段保护功能，但其电子式过电流脱扣器为早期分列电子元件制成，可靠性差，分断指标低，早应列入淘汰之列。DW15HH-2000断路器由于自身优势并不明显，目前仅有少数企业在生产。

与目前市场上主流产品DW45-2000万能式断路器相比，CKW60-2000智能型万能式断路器的短路特性指标中，除额定极限短路分断能力稍低外其余指标是并行的。当然，如前所述它完全能满足使用场合的要求。

因此，CKW60-2000智能型万能式断路器的短路特性指标，既考虑了先进性又兼顾了经济实用的原则。

3.2 断路器的小型化设计

框架式断路器属于低压电器元件，它的使用对象主要是低压开关柜,要实现低压开关柜小型化，首先安装在柜内的低压电器元件必须缩小体积。框架式断路器是低压电器中保护功能最完善结构最复杂的产品，它的小型化设计涉及面宽难度大，是一项复杂的综合技术。笔者通过对国内外同类框架式断路器性能及结构综合对比分析，结合前期已研发框架式断路器的成功经验，在确保性能的前提下，从节约资源塑造经济型产品着手。

（1）选择合适的动触头并联回路数。断路器的宽度取决于相间距离，而相间距离与触头并联回路数相关。目前国内主流框架式断路器触头系统的结构，主要采用单档触头多回路并联的型式。与利用回路电动力补偿的结构相比，它具有结构相对简单省材的优点。但是，为了克服电动斥力，只能通过增加触头回路数及加大主触头弹簧压力来解决。由于宽度和结构的限制使得主触头弹簧高径比大，稳定性差，影响电动稳定性。CKW60-2000断路器触头系统的设计，综合考虑动触头并联回路数和主触头弹簧稳定性的关系，通过对短路电流电动斥力计算和分析，适当减少触头并联回路数降低触头弹簧高径比，提高了弹簧压力稳定性，使两者兼顾满足了电动稳定性要求。

（2）优化结构设计缩短导电回路。抽屉式断路器的导电回路由进线母排、桥形触头、本体母排、静触头、动触头、导电板、软联接、出线母排组成。通常小型化设计会增加导电回路单位截面载流量，使回路电阻增加，从而影响断路器的温升。CKW60-2000断路器导电回路的设计抓住两个要点:a.减少导电件间接触源；b.在接触处增加接触面积。通过优化设计的方法，在单位截面载流量不变的情况下，缩短了导电回路的长度，使体积缩小节省了银铜材料，降低成本，温升符合GB14048.2标准要求。

（3）量体裁衣物尽其用。DW45-2000断路器额定电流从630A至2000A为同一壳架，因此，设计时只能就大放小，对于额定电流小的断路器易造成资源过剩，体积大经济性差，在市场上只能以微利或无利销售。CKW60系列智能型万能式断路器，额定电流从200A至2000A细分成三个壳架等级。发挥本公司设计和制造能力强的优势，笔者根据各自的受力特点，在结构作了相应的变化，分别设计了三个不同的操作机构。操作机构规格间的体积比约为80%。由于是量体裁衣针对性强资源得到充分利用，机构的操作可靠性高、体积小、省材，经济性好，为断路器的小型化设计奠定了基础。

表1 国内外同类规格低压万能式断路器短路特性对比

表2列出了国内外同类规格低压万能式断路器外形尺寸及性能对比。

从表中数据可以看出CKW60-2000智能型万能式断路器与国内外同类万能式断路器相比，不仅性能先进体积也占有明显优势，是实现低压开关柜小型化的理想产品。

3.3 产品的可靠性设计

提高断路器产品的可靠性是提高断路器产品质量的重要途径。据统计，产品设计的好坏对工作可靠性程度的影响约占各种影响因素的40%左右。因此，提高断路器产品质量首先应从可靠性设计开始。衡量产品可靠性用可靠度Rs，它等于各零件可靠度Ri的乘积。

式中 n——组成产品的零件数

假设一个断路器产品所有零件的可靠度都等于0.999，则当n为不同数量时，断路器可靠度Rs的数值见表3。

从表中数据可以看出断路器的可靠度Rs与断路器零件数量成反比。因此，用简单的机械结构来达到断路器性能要求是可靠性设计的关键。本人将这种设计理念贯穿在整个断路器设计工作中，并得以证实。以抽屉式断路器抽屉座的设计为例作一探讨。

（1）常见的导轨机构不仅结构复杂零件多，同时耗用有色金属，制造加工困难，成本高。CKW60-2000抽屉座的导轨机构，由本体上一副冷冲件导轨，和抽架上一对方钢导轨，再加上锁扣附件组成。以较少的零件，实现相同的功能。具有结构简单、功能可靠、加工方便，成本低的特点，提高了可靠性。当然，已有专利予以保护。

（2）断路器本体在抽屉座中分离、试验、连接的位置由指针指示。CKW60-2000抽屉座的位置指示由常见的导杆、滑块构成，由于改进了设计提高了指示的准确度，结构简单，操作方便可靠。有的断路器出于市场定位及避免同质化，增加了位置锁扣装置。更有甚者，由于缺乏对断路器功能内涵的理解，在一般断路器也装上此类装置，为规避他人专利搞得零件繁多结构复杂，为了安装不惜影响主体零件强度，造成操作麻烦可靠性差的弊端。

表2 国内外同类规格低压万能式断路器外形尺寸及性能对比

表3 断路器可靠度Rs与断路器零件数量的关系

4 CKW60智能型万能式断路器是DW15和ME框架式断路器更新换代的最佳选择

由于设计方向明确并采取了有效的设计方法，CKW60-2000智能型万能式断路器与目前市场上同类、同规格主流产品DW45-2000/3抽屉式断路器相比，具有以下明显优势:技术性能指标基本一致，主要原材料用铜量节省35%，体积缩小37%，同时节约了大量黑色金属。从表1和表2清楚地表明与DW15C-1600及ME-1605框架式断路器相比, CKW60-2000智能型万能式断路器不仅技术性能优良，而且体积大幅缩小，具备良好的经济性，是不同时代的两代产品。它能进入智能电网运行，具备第3、4代框架式断路器高性能、小型化、智能化、网络化、可通信特点；它突出的经济性是农网改造质优价廉的首选品种。CKW60智能型万能式断路器已形成系列化，壳架等级计划再向上延伸。因此，它具备全面替代DW15系列和ME系列框架式断路器的条件，是更新换代的最佳选择。

CKW60-2000智能型万能式断路器作为一个新概念经济型框架式断路器，它的研发历经坎坷历时近三年时间，从设计试制验证到改进再验证经过多次反复，于2009年顺利通过国家3C认证型式试验并取得证书后面市。作为产品的主创设计人员感到欣慰的是，由于该产品的性价比高，产品定位符合中国国情，有较强的市场竞争力，它已经逐步被市场和同行认可。2010年它的销量同比增长640%，2011年比2010年增长28%，同时与国内多家企业进行技术转让和合作。在发展自己的同时为不具备产品开发能力的中小型企业提供了帮助，推动了行业的发展。