低压万能式断路器技术现状与发展趋势20100328

低压万能式断路器技术现状与发展趋势宏美研发中心编制内部参考低压万能式断路器（ACB）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。低压万能式断路器产品技术水平、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。万能式断路器从上世纪六十年代初开始先后开发了三代产品。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。本文重点分析万能式断路器现状与发展动向。1我国低压万能式断路器回顾与现状（1）ACB的发展历程1953年～1957年测绘仿制前苏联产品，试制成功A15系列；1957年～1960年自行设计、试制DW0系列；1961年～1966年统一设计、试制DW10系列；1975年～1979年完成DW15-200、400、600系列；1975年～1980年完成DW15-1000～4000系列；1978年完成我国第一个限流型万能式断路器DWX15-630；1986年～1990年完成DW16-630以满足接地保护需要；1993年～1994年完成DW15C-1600、2500系列；1995年～1997年研制DW16-2000～4000，至此完成DW16全系列产品试制；1991年～1998年完成DW45-2000、4000、6300系列；1998年～2000年完成DW15HH-2000～4000；2001年～2004年完成DW450-1600、DW50-1000；上世纪八十年代引进德国AEG公司ME系列、日本寺崎公司AH系列（船用）、西门子公司3WE系列，从上世纪九十年代开始，国外各大公司ACB产品相继进入中国市场。（2）ACB发展划分按行业发展史划分，ACB开发了三代产品：①第一代产品DW10；②第二代产品DW15（自主开发），引进ME、AH、3WE、AES。③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为第三代二次开发产品。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%。国内目前主要生产企业：上海人民、常熟开关、浙江之江、天津百利、长征九厂、上海华通、江苏凯帆、常州凯隆、正泰、德力西、天正等，生产企业超过100家。（3）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。（4）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低压万能式断路器发展涉及的关键技术2.1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。如果采用双断点系统，产品结构更为复杂，有一系列技术关键需要解决。其中最主要的两个技术难点是：①设计可靠的卡住机构，又不侵犯专利；②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）低压电器现代设计与测试技术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。2.2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它各类故障保护，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）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秒～0.4秒。对三级供电系统，主开关短延时时间可达0.6～1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。（3）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二方面内容：（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秒～1.2秒缩短至0.2～0.5秒。为实现上述目标，新一代低压ACB应达到以下要求：①实现全电流范围选择性保护。②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。2.3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。2.4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。2.5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它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。3低压ACB的发展趋势（1）国外各大公司从2000前后陆续推出了新型ACB，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。主流ACB见下表：厂家ACB系列壳架电流施耐德NT(NW)系列1600（NT）、4000（NW）、6300（NW）西门子WL系列1600（WL1）、3200（WL2）、6300（WL3）ABBEmax（New）1600（E1）、2000（E2）、3200（E3）、4000（E4）、6300（E6）三菱AE-SW系列2000、4000、6300寺崎AR、AH系列2000、3200、4000、6300、AH为船用EATONMAGNUM系列2000、3200、6300GEM-PACT系列2500、4000、6300（2）从2006年开始正式研发我国第四代万能式断路器（VW60系列）。2010年完成系列产品开发并逐步推向市场。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EmaxXIN-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。例如，EmaxE1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。（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）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。（7）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。（8）发展超大容量ACB，壳架等级为7000～8000A。低压万能式断路器的产品主要技术数据见下页附录附录：低压万能式断路器主要技术数据对比1DW45系产品横向对比表宏美UEW5常熟CW1上海人民RMW1施耐德Comp