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低压电 器的发展及其新技术

来源:永继电气 发布时间:09-01
自1995年以来,我国电 力工业保持了较快发展速度。到2004年底,我国装机容量达到4.4亿kW,2004年发电量为2. 1万亿kW·h。据预计,到2010年我国 装机容量将达到7亿kW,2020年将达到10kW。
    按年新 增发电机装机容量为2000万kW计算(保守),每年需 要配套高压断路器20万台,高压隔离开关约40万台,低压电 器元件需要量更多(约2亿件),其中万能式断路器(ACB)年需约46万台,塑壳断路器(MCCB)约440万台,交流接触器(ACC)约3200 万台。可见,经济发 展导致对电能的需求和依赖不断增大,作为承 担电能输送与分配、用电设 备保护与控制的低压电器的作用显得尤为重要。目前,世界各 国每年都投入大量资金对低压电器进行研究、开发。
    一、低压电 器行业的发展及展望
    (一)我国低 压电器产品的发展历程
    近年来,我国低 压电器行业出现了巨大的变化,低压电 器产品发展到了一个崭新的阶段. 我国低 压电器产品的发展大致可分为以下几个阶段:20世纪50年代的全面仿苏,20世纪60~70年代在 模仿基础上的第一代统一设计产品,70~80年代在 更新换代和引进国外先进技术制造的第二代产品,90年代跟 踪国外新技术自行开发的第三代智能化电器和最近研发的第四代智能化可通讯电器。其中第 四代产品具有性能优良、工作可靠、体积小、组合化、模块化、模块化的特点,总体技 术性能达到或接近国外20 世纪80年代末、90 年代初水平。 我国截至2003年底,低压电器元件获3C认证13000 多个单位,低压成套装置获3C 认证6000 多个单位,生产的 低压电器产品近1000 个系列、产值约200 亿人民币。
    (二)低压电器设计的特点
    由于低 压电器在运行时存在着电、磁、光、热、机械等多种能量转换,这些转 换过程的规律大多是非线性的,许多现 象又是一种瞬态过程,它使低 压电器的理论分析变得极为复杂. 低压电 器传统理论基础中的“电接触、电弧、电磁、热效应与电动力效应”等除了 要依靠必要的理论推导和分析运算外,还必须 依赖成熟可靠的经验数据. 即使这样,设计计 算的数据与产品的实际性能间有时仍会有很大差距,必须通 过试验予以验证. 因此,低压电 器产品开发周期较长、投入也比较大.
    为了适 应电网容量的不断增大,低压配 电与控制系统日益复杂化,对低压 电器产品的性能与结构提出了更高的要求. 同时,随着科学技术的进步,新技术、新工艺、新材料不断出现,为低压 电器产品开发提供了良好的条件.
    (三)低压电器发展展望
    低压电 器发展方向主要取决于电力系统的发展需要和新工艺、新材料、新技术的研究与应用。20世纪70、80年代研 发的新型电器主要是限流电器、真空电器、漏电电器和电子电器。
    从80年代后期开始,对传统 新一代低压电器产品普遍提出了高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化的要求. 其后,随着计 算机网络的发展与应用,采用计 算机网络控制的低压电器均要求能与中央控制计算机进行通信,为此,各种可 通信低压电器应运而生,它可能 成为今后一段时间低压电器重要发展方向之一。
    1.为了实 现低压电器元件与计算机网络的连接,可通信 电器根据其自身的特点及其在网络中的作用,一般采用三种方案:第一是 开发新型接口电器,连接于 网络和传统低压电器元件之间,如ASI接口模块、分布式I/ O 接口、网络之间接口;第二是 在传统的产品上派生或增加计算机联网接口功能,它们具 有接口和通信功能,如智能 化万能式断路器、智能化塑壳断路器、智能化交流接触器、智能化 电动机保护器和起动器等. 第三是 直接开发带有计算机接口和通信功能的新型电器,内部包 含了为计算机网络服务的单元,如总线、地址编码器、寻址单元、负载反馈模块等。
    2.传统低 压电器的发展方向
    (1)在提高 主要技术性能的同时,重点提 高综合技术经济指标. 如低压 断路器在提高短路分断能力的同时,应特别 关注飞弧距离的减小,并力求产品小型化,这对发 展新一代紧凑型低压成套设备十分重要,而交流 接触器的研究重点放在了产品功能组合与派生、分断可靠性(包括缩小飞弧距离,防止相间飞弧)、动作可靠性、接触可靠性以及节银、节能等方面。
    (2)模块化和组合化
    低压电 器组合化是实现电器产品多功能化的重要途径,电器组 合化有功能组合和组合功能两种方式. 前者由 各种功能单元组合而成,除基本 单元能独立使用外,其他单 元一般不能独立使用,但要求系列通用性。这类产品(如控制 与保护开关电器)的基本 单元的动作与接触器一样具有很高的机械寿命;触头灭 弧系统具有限流特性,能可靠分断50kA预期短路电流;保护功能单元、隔离单 元和辅助触头单元使该产品兼有隔离器、断路器、接触器 和热继电器等产品的功能。后者把 两种以上电器有机地组合在一起,如刀开关—熔断器组合电器、熔断器- 接触器组合电器、熔断器—断路器组合电器等. 随着塑 壳断路器分断能力的提高,在低压 领域熔断器组合电器的应用正在减少,但在6 kV~10kV中压领域,熔断器—真空接触器组合电器(即F-C 装置)由于其 独特的优越性而正在不断发展. 由于20世纪80年代中 后期发展起来的模数化终端电器具有宽度模数化、安装导轨化、外形尺寸一致、性能协调的特点,从而为 发展新型组合电器或成套装置创造了条件。
    (3)电子化和智能化。过去多年,电子式 低压电器因受容量、价格、可靠性等影响,发展一直不快。随着电 子元件质量提高和价格下降、EMC 技术逐步成熟,尤其是 计算机网络的发展与应用、低压电 器与中央控制计算机双向通信的实现,使得低 压电器必须朝着电子化、机电一体化方向发展,同时要 求部分电器具有智能化功能。目前,智能化 电器的发展主要集中在万能式断路器、塑壳式断路器、交流接 触器以及电动机控制器等产品。其中,智能型 断路器主要特征是装有智能脱扣器,具有外 部电路各种故障保护、内部故 障自诊断及自动报警功能、故障动作记忆及显示、电路参数测定、可双向通信等功能,能在极短时间内实现选择性保护。而智能 型交流接触器和智能马达控制器的主要特征是装有智能型电磁系统,其控制 回路包括电压检测电路、吸合信 号发生电路和保持信号发生电路。它能判 别门槛吸合电压,当控制 电源电压低于接触器门槛吸合电压时,不发出吸合信号,接触器 不能合闸并有相应显示. 接触器 吸合后能降低激磁电流,达到节能的目的。
    (四)现代设计技术应用
    影响低 压电器发展的新技术包括“现代设计技术、微电子技术、计算机技术、计算机网络技术、通信技术、智能化技术、可靠性 技术和测试技术”等。上述新 技术的应用给低压电器产品的发展注入了新的活力,引起一 场低压电器产品的“新革命”。
    特别值得一提的是,随着计算机软、硬件的迅猛发展,低压电器CAD/CAM/CAE日益普及,它使低 压电器设计与研究跨入了一个新的阶段.
    1.电器动 态运动过程建模。长期以来,科研人 员一直在对低压电器动态运动过程的描述、建模与仿真进行探索,包括操 作机构的仿真和触头运动过程的动态仿真。西安交 通大学电器教研室能在“限流式断路器”产品设 计完成后马上获得限流系数并进行优化设计。湖南工 程学院在电磁铁优化设计上作了一些工作,可利用软件对交、直流电 磁系统进行优化设计,可减少设计时间、提高设计质量。河北工业大学研制的“电磁式 接触器专家系统可根据用户设计要求在输入接触器设计参数后,从知识 库中提取相应的知识设计出接触器各种结构参数,并对其动、静特性进行分析计算,具有重要的实用价值。
    2.三维计 算机辅助设计系统的应用与发展。三维计 算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一身,从零件设计、装配直至产品总装,设计者 都可在计算机屏幕上直接观察零件装配中的干涉与碰撞以及开关电器闭合、分断过 程中运动部件的动作情况及相关参数(如触头开距、超程等),从而保 证了设计正确性,为低压 电器产品试制跨越模型阶段创造了条件。
    设计人 员在产品开发的任何阶段对产品任一处所作的修改都能自动反映到相关零件的修改。同时,三维软 件系统根据完成的零件设计自动转去进行零件模具设计,从而大 大缩短了产品的试制时间,大大缩 短产品开发周期,从而以 合适的价格不断向市场推出具有出色功能的产品,并提高 企业的竞争能力。
    3.低压电 器专用计算机应用软件开发。在建立必须的数据、符号、标准件库的基础上,重点开 发一批低压电器的专用分析计算软件,如电磁 系统三维分析计算软件包、各类低 压电器合闸与分断过程动态仿真软件等。
    二、电器制 造工艺及新发展
    电器是 一种具有电载荷的机械产品,它的主 要零部件是金属材料,它的主 要加工工艺是金属加工工艺,因此,电器制 造工业是属于机械制造工业的范畴,是机械 工业的重要组成部分。
    (一)新材料的发展
    电器制 造技术的发展以“磁性材料、绝缘材 料和电接触材料”三种特种材料为基础。
    为提高 我国发电机单机容量,开发高效节能的电机、电磁开 关等电工产品的需要,先后研制成功的“高磁感 应低铁损冷轧取向硅钢片、特种硅钢片、电工纯铁、高磁能稀土永磁”等磁性材料和“聚酰亚 胺玻璃纤维塑料、氨基玻璃纤维塑料、酚醛注射塑料、三聚氰 胺改性酚醛塑料”等高分子绝缘材料,促进了 高低压电器与仪表更新换代产品的开发研制。由于电 接触材料已成为现代科学技术和工业发展不可缺少的重要材料,国外特 别重视电接触复合材料,其发展方向主要是“合金多元化、复合多元化、超小型 化和性能综合化”,如“粒状强化(粉末冶金) 、弥散强化、纤维增 强和层状复合材料”,其中的“层状复合材料”应用广泛。
    目前,我国从 事电触头材料生产的企业有60多家,职工总数约12000人,资产规模约12亿元。经过多年的发展,国内低 压电触头材料整体发展水平与国外相差不大,某些品 种的低压电触头材料性能已接近或达到国际先进水平,但是在 生产工艺研究和产品可靠性方面与国外先进水平相比存在明显差距,特别是 不含有害物质的银金属氧化物电触头材料的差距更大。我国对 银氧化镉替代品的研究较少,基础研究近乎空白,技术储备严重不足. 欧盟二号指令出台后,行业反应强烈,企业感 受到了前所未有的压力。近年来,山东大 学研究者提出的开发银基导电陶瓷触点材料为研究触点材料体系开辟了新思路,替代品 已部分替代了银氧化镉材料,但从性能看,与发达 国家仍有较大差距。
    (二)模具工业发展
    20 世纪80 年代以来,中国模 具工业发展十分迅速,一直以年约15 %的增速快速发展,国内目 前已能生产精度达2μm的精密多工位级进模,工位数最多已达160个,寿命1亿~2亿次,但中国 模具在许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距. 例如,精密加 工设备在模具加工设备中的比重还比较低,CAD/CAE/CAM技术的普及率不高,许多先 进的模具技术应用还不够广泛等等,特别在大型、精密、复杂和 长寿命模具技术上存在明显差距[7 ] .
    1.冷冲模技术。多工位 级进模和多功能模具是我国重点发展的精密模具品种. 目前,国内已 可制造具有自动冲切、叠压、铆合、计数、分组、转子铁 芯扭斜和安全保护等功能的铁芯精密自动叠片多功能模具. 生产的 电机定转子双回转叠片硬质合金级进模的步距精度可达20μm,寿命达到1亿次以上.
    2.塑料模具技术。近年来,塑料模具发展很快,在国内 模具工业产值中塑料模具所占比例不断扩大. 在精度方面,塑料尺寸精度可达IT6-7级,型面的粗糙度达到Ra0.05-0.025μm,塑料模使用寿命达100万次以上。
    3.CAD/CAE/CAM技术,目前国 内模具企业中已有相当多的厂家普及了计算机绘图,并陆续引进了高档CAD/CAE/CAM、U G、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等著名 软件在中国模具工业应用已相当广泛.
    4.快速成形/快速制模技术。快速成形/快速制 模技术在我国得到重视和发展,许多研 究机构致力于这方面的研究开发,并不断取得新成果。清华大学、华中理工大学、西安交 通大学和隆源自动成形系统公司等单位都自主研究开发了快速成形技术与设备,生产出分层物体(LOM)、立体光固化(SLA)、熔融沉积(FDM)和选择性烧结(SLS)等类型 的快速成形设备。这些设 备已在国内应用于新产品开发、精密铸 造和快速制模等方面。
    (三)其他电器工艺的发展
    国内外 的电器生产企业一直致力于提高铁芯的自动化水平,广泛采 用高速自动压机多工位连续冲压,冲次可达每分钟200~1200次,送料精度为0101~0. 03mm,采用砂 带磨床加工极面,超声气相清洗,采用自 动装铆机铆装铁芯和装配短路环等,生产率可达每分钟10~20件。开关柜(屏)的生产,引进了 各种数控冲压中心,能自动更换模具,并配有 自动装卸料装置和工件传送机构,可以采用计算机控制,并能自动编程,实现柜体CAD/CAM 集成生产系统。
    线圈和 绕组的制造工艺发展趋势是提高线圈和绕组的制造质量,提高装 备的自动化程度,广泛应用微电子技术. 国外的 全自动绕线机有12 头~24 头等多种规格,绕线速度达5000~1800 r/min,可绕线径为0. 05~0. 4mm,装有自动垫层间绝缘、焊引线头、数显匝数、调整张力、包装、传送等功能. 采用自 粘性高强度漆包线,不需浸漆处理,或用自 粘带做层间绝缘代替浸漆处理,简化工艺过程. 用环氧 包封胶包封线圈,可提高机械强度,增强导热性和防潮性。
    绝缘处 理工艺至关重要,它对包 装产品的电气绝缘性能有直接关系,其发展 趋势是广泛采用新型绝缘材料和新工艺,提高绝 缘件的电气性能,机械强 度和制品的尺寸精度,提高处 理设备的自动化水平和生产率。环氧树脂绝缘件在SF6高压电 器中应用越来越广泛。为了保证质量,对环氧 树脂的粘度特性、耐裂特性、机械特 性和电器绝缘特性都很重视。对一些大型零件,如盆式绝缘子、大套管 等均采用真空浇注,对形状 复杂的小型零件,均采用真空加压浇注,即在环 氧注射机上进行. 随着真 空浇注工艺和设备的日臻完善,目前仍 致力于套管浇注件的质量,采用薄膜脱气搅拌,两级真空系统等措施. 工艺过 程控制采用数控技术。
    电器金 属零件防腐处理十分重要,传统的 电镀工艺大量使用酸碱和重金属,从而造成酸、碱、重金属 废水和废气对环境的严重污染。为解决 电镀的污染问题,1972年国外 研制成一项表面处理的高新技术,即达克罗(DACROMET)金属防腐处理技术,它是一 种热固性锌基铬酸盐转化涂层(TCCF),它采用 了前处理到涂覆烧结固化的闭路循环工艺,改进了 大量使用酸碱和重金属的传统电镀工艺,从而了 电镀的严重污染问题,它被称为“绿色电镀”。我国机械工业于1996 年引进此项新技术,以替代 污染严重的电镀锌、镉、锌基合金、磷化、热浸锌、粉末机械镀锌等工艺。
    自20 世纪80 年代开始,我国低 压电器行业从国外因引进了大量的先进制造技术,包括铁心自动生产线,线圈自动生产线,触头自动生产线等,同时引 进了大量的先进制造设备,大大提 高了我国的低压电器的制造水平。同时,这些年 来低压电器行业重新洗牌,一批大 型骨干企业已产生,企业的 技术投入大大增加,也使得 我国的低压电器制造工艺水平有了较大的发展。但总体来看,我国的 制造工艺水平与国外先进水平还有较大差距,特别是 在新材料的开发和应用,精密加工设备的应用,现代技 术制造技术的应用等方面。

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