・电器设计与探讨・ 电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．２３） 最新低压电器研究进展与分析 袁学兵’ （１．厦门宏发开关设备有限公司，福建厦门３６１０２１； ２．西安交通大学电气工程学院，陕西西安７１００４９） 摘要：以万能式断路器、塑壳断路器和接触器三类产品为代表，通过类比分析代 表厂家的最新产品的主要参数，阐述了其应用的新技术及性能指标。减少产品壳架及 推进模块化不仅能降低低压电器的生产成本和后期维护成本，还能促进自动化生产和 智能制造。基于智能电子、物联网技术和互联网技术在这些先进产品的应用，结合国 内市场需求及研发现状，探讨了未来几年低压电器的研发趋势。 关键词：低压电器；断路器；物联网；智能电子；研究进展 中图分类号：ＴＭ ５６１文献标志码：Ａ文章编号：２０９５．８１８８（２０１７）２３－００２３－０４ ＤｏＩ：１０．１６６２８／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５－８１８８．２０１７．２３．００５ 袁学兵（１９８６一）， 男，在站博士后，研 究方向为开关电器 设计及仿真技术。 Ｌａｔｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ＹＵＡＮ Ｘｕｅｂｉｎｇ ，。 （１．Ｘｉａｍｅｎ Ｈｏｎｇｆａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓａｆｅｔｙ＆Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａｉｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ，ｍｏｕｌｄｅｄ ｃａｓｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ ａｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇａｖｅ ｓｏｍｅ ａｎａｌｏｇｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｎｄ ｓｔａｔｅｄ ｔｈｅｉｒ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｐｕｒｓｕｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｒｉｔｙ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃａｎ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｌａｔｅｒ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｗｉｌｌ ｐｒｏｍｏｔｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｈｉｎｇｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎｅｔ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｍａｒｋｅｔ ｄｅｍａｎｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｒｅｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｉｎｇ ｙｅａｒｓ ｏｆ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ；ｔｈｉｎｇｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎｅｔ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ０ 引 言 低压电器主要用于交流１ ０００ Ｖ、直流１ ５００ Ｖ 而，以ＡＢＢ、施耐德、西门子、三菱、伊顿等为代表 的国际知名品牌公司拥有更加丰富的技术积累、 及以下的电力系统中，包含万能式断路器、塑壳断 路器、小型断路器和接触器等多种产品。据统计， 约８０％的电能是通过低压电器元件进行分配和执 雄厚的研发经费和人才优势，其最近推出的新产 品依然处于领先水平。 本文以万能式断路器、塑壳断路器、接触器为 行¨Ｊ。作为电力系统中需求量巨大和使用范围广 的低压电器元件已列为“中国制造２０２５”十大发展 低压电器的代表，分别类比分析了国内外代表公 司的优异产品。这对于产品研发和市场战略布局 具有重大意义。 领域中电力装备的重点发展方向 ｊ。 我国低压电器经过多年的发展，研发水平和 创新能力不断提高，拥有完全自主知识产权的产 １ 断路器最新进展 随着用电设备的激增，电网容量也相应不断 扩大，低压配电系统的用电设备和分支回路日益 品也在增多，其指标已接近甚至达到国际先进水 平，正逐步从仿制阶段向自主研发阶段迈进。然 增多，电力系统的可靠运行日益重要。万能式断 一２３— 电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．２３） ・电器设计与探讨・ 路器，作为低压配电系统中的重要电器元件之一， 的Ｍａｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ系列，三菱ＡＥ—ＳＷ系列，其不仅 生能优异，而且智能化程度提高。下面就以这 其作用是防止配电网络和工业设备因过载和短路 分断』等故障而损坏 Ｊ。虽然我国万能式断路器经过了 ３个产品为例来分析。额定电流范围从６３０～ ６００ Ａ和４ ０００ Ａ额定电流相关特 四代的发展，在某些方面已经接近国外新一代产品 ６ ３００ Ａ，选择１ ６００ Ａ壳 的发展，但是国外著名厂家最新一代万能式断路器 征为例进行对比分析，考虑到常熟开关１的推出，使得国内与国外的产品水平距离进一步拉 架的ＣＷＳＲ增强型长寿命特征，故将其纳入表中进 行分析对比，如表１所示。 大＿４】。例如ＡＢＢ的Ｅｍａｘ２系列，施耐德最新推出 表１代表厂家１ ６００ Ａ和４ Ｏｏｏ Ａ万能式断路器特征类比分析 从表１中可以看出，施耐德Ｍａｓｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ 备可选多种智能脱扣器和网络接口模块，以实现 智能化和网络化。施耐德Ｍａｓｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ系列搭 载了最新Ｍｉｃｒｏｌｏｇｉｃ Ｘ控制单元，除包含智能脱扣 系列和三菱ＡＥ．ＳＷ系列的壳架尺寸仅为３种，其 中施耐德的为ＭＴＺ１（６３０—１ ６００ Ａ）、ＭＴＺ２ （１ ６００—４ ０００ Ａ）和ＭＴＺ３（４ ０００～６ ３００ Ａ）。三 菱的为尺寸１（６５０—２ ０００ Ａ）、尺寸２（２ ０００～ ４ ０００ Ａ）、尺寸３（４ ０００—６ ３００ Ａ）。同时３个代 表系列都推行模块化设计和生产，框架尺寸的减 器和多种通信接口外，还匹配Ｍａｓｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ移 动客户端ＡＰＰ，可通过蓝牙、无线和ＮＦＣ等方式 连接手机、平板电脑等移动设备，从ＡＰＰ上连接 万能式断路器以实现监测、通信等功能。施耐德 的Ｍａｓｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ产品已具备物联网的感知单元 能力和“互联网＋”特性，将会成为新一代物联 网～智能型断路器的典型代表。 以上３种代表产品，不仅性能有了大幅提高， 还装备了诸多检测和通信模块。此外，３种产品 都减少了壳架等级，并采用模块化设计，部分零件 及模块可进行更换。这不仅降低了生产成本和后 期的运营成本，还为自动化生产和智能制造的推 进打下基础。 少和模块化的发展可以大幅降低生产成本和后期 运行维护成本。此外，三菱ＡＥ．ＳＷ系列的机械寿 命相对于其他两家产品有了较大程度的提高， 其中１ ６００ Ａ壳架机械寿命已达２５ ０００次。常熟 开关ＣＷ３Ｒ系列的ｌ ６００ Ａ壳架的机械寿命高达 ３０ ０００次，甚至在６９０ Ｖ时的电气寿命高达 １０ ０００次，明显高于其他厂家，处于国际领先水 平。长寿命框架可以降低设备的更新频率，不仅 大幅降低了电力系统成本，还提高了电力系统的 可靠性。 除壳架尺寸和寿命的变化外，新产品最明显 的变化在于智能化和网络化方面。ＡＢＢ Ｅｍａｘ２ 搭载最新一代Ｅｋｉｐ全智能型电子脱扣器，可以进 行远程监控，同时配置Ｍｏｄｂｕｓ ＴＣＰ、Ｐｒｏｆｉｎｅｔ、 ＥｔｈｅｒＮｅｔ ＩＰ等通信单元，还能通过蓝牙与手机、平 板电脑等移动设备进行互联，分析电网的各项指 标，促进其构建成智能化电网。三菱ＡＥ—ＳＷ也具 一２ 塑壳断路器最新进展 塑壳断路器作为低压配电系统的重要元件， 具有市场需求量大、产品研发难度高等特点，一直 是企业研发的重点。目前，由于光伏、风电等新能 源领域的重大需求，直流塑壳断路器得到了快速 的发展。同时基于市场需求，大容量塑壳断路器 和微型塑壳断器因其优势也相应推出。下面分别 ２４一 ・电器设计与探讨・ 电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．２３） 探讨以上３种代表Ｉ生的塑壳断路器产品。 得益于光伏１ ５００ Ｖ系统较低的设备成本和 大力推进清洁能源的发展趋势，部分企业已经进 行了１ ５００ Ｖ直流塑壳断路器研发，并有相应产 品推出。目前代表性产品有北京人民ＧＭ５－２５０ 开关的ＣＭ３ＤＣ－２５０ＨＵ的分断能力略高。对于光 伏ｌ ５００ Ｖ直流塑壳断路器，较高的电压极易引 起弧后击穿及电弧重燃，因此分断能力是该产品 研发的最大难点。各家产品都采用了独特的结构 ＰＶ系列、良信电器的ＮＤＭ３Ｚ－２５０Ｖ系列、常熟开 关的ＣＭ３ＤＣ—ＨＵ系列和ＡＢＢ的Ｔ４Ｎ－ＰＶ／Ｅ系列。 其常用参数类比如表２所示。从表２可知，常熟 和灭弧技术才使得分断能力得到提高。１ ５００ Ｖ 直流塑壳断路器作为１ ５００ Ｖ光伏系统中的重要 保护元件，其成功的研发将有助于１ ５００ Ｖ光伏 新能源的应用及推广。 表２光伏１ ５００ Ｖ直流塑壳断路器常用参数类比分析 备注：ｒ＝５ ｍｓ和１ ｍｓ分别是ＧＢ １４０４８．２和ＩＥＣ ６０９４７．２附录Ｐ的测试规范中的分断电流通断时间。 小型断路器因其结构及原理的局限性，目前 难以分断较大的短路电流。针对此难点，一些公 司基于塑壳断路器的结构和原理推出了微型塑壳 断路器。典型代表产品有常熟开关的ＣＭ５Ｘ一１２５系 列和施耐德的ＮＳＸｍ系列。其特征对比如表３所 示。常熟开关的ＣＭ５Ｘ．１２５具有２、３和４极， ４００ Ｖ。施耐德的ＮＳＸｍ系列具有３极（８１ ｍｍ）和 ４极（１０８ ｍｍ）两种宽度，其分断能力高达７０ ｋＡ／ ＡＣ ４００ Ｖ，但其深度比常熟开关的ＣＭ５Ｘ一１２５系列 大。这两种微型塑壳断路器都和小型断路器一样 可安装在配电箱中的ＤＩＮ导轨上。微型塑壳断路 器不仅可以用于隧道、船舶、通信等体积偏小的空 间，还能用于电动机保护、新能源交流侧配电箱中， 应用前景广阔。 其宽度分别是５４、８１、１０８ ｍｍ，其尺寸与小型 断路器的１２５相同，但是分断能力高达５０ ｋＡ／ＡＣ 表３微型塑壳断路器主要参数对比 塑壳断路器尤其是双断点塑壳断路器具有分 断速度快、分断能力高的显著优点，大容量塑壳 可靠性 ］。大容量塑壳具有比同等万能式断路 器成本低的优势。除该３家产品外，ＧＥ推出的 ＧｕａｒｄＥｏｎ塑壳断路器，该系列产品最高分断 １５０ ｋＡ／ＡＣ ４００ Ｖ，其只有Ｅ、Ｇ、Ｋ ３个壳架覆盖 １５ Ａ～１ ６００ Ａ电流，具备辅件通用、脱扣器可 现场更换等模块化特征，极大降低制造成本和 后续维护成本。ＡＢＢ甚至推出了Ｔｍａｘ Ｔ８系列， 断路器在快速分断需求的领域比相同电流的 万能式断路器优势大。以ＡＢＢ、施耐德和常熟开 关的１ ６００ Ａ塑壳断路器为例进行参数对比分析， 如表４所示。以ＡＢＢ Ｔｍａｘ Ｔ７具有最高分断能力 １５０ ｋＡ／ＡＣ ４００ Ｖ，但是其没有短时耐受能力， 而常熟开关的ＣＭ５Ｚ．１６００和施耐德的ＮＳ１６００ＮＡ 分别有２０ ｋＡ（１ ｓ）和１９．２ ｋＡ（１ ｓ）的短时耐受 最大额定电流达到３ ２００ Ａ。塑壳断路器将会 朝着大容量、微型化和直流新能源应用３个趋势 发展。 一能力，其能实现配电网全选择性保护和供配电的 ２５— 电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．２３】 ３ 智能接触器研究 接触器作为低压电器控制元件的主要组成部 分，在电动机及其他负载（空调、电梯等）调节、控 制与保护过程中具有不可替代的作用。然而电力 系统由于雷击、短路故障、电力故障或者大型设备 起动等原因，可能造成供电电压下降至９０％一 １０％，持续时间１０ ｍｓ～ｌ ｒａｉｎ的“电压跌落”现 象＿６］。电网负载瞬问过大或者过小容易导致电 网电压失稳，会导致接触器及其控制的负载工作 异常。因此，具备宽电压、抗晃电性能的智能型接 触器能保持负载稳定的运行。 以ＡＢＢ的ＡＦ系列的型号ＡＦ１９０－３０．１１—１３ 接触器为例来进行分析，如表５所示。 表５ ＡＢＢ智能接触器主要电磁系统特性 从表４中可知，该款接触器具有比其他品牌 和类型的接触器的显著优势，具体如下： （１）控制回路电压支持交流和直流； （２）对于此种型号的线圈可以支持１００～ ２５０ Ｖ的电压范围； （３）具有很强的抗电压波动能力； （４）可耐短时间（２０ ｍｓ）压降和电压中断； （５）较低的保持功耗。 鉴于智能接触器的诸多优势，在轨道交通、电 梯等负载应用及医院、数据中心等对接触器稳定 性要求苛刻的领域和场所，具有广泛的应用前景。 ４低压电器研究趋势分析 低压电器经过数十年的发展，通过研发技术 一２６一 ・电器设计与探讨・ 的不断革新、试验检测能力的逐渐提高，产品的性 能得到了大幅的提升；同时产品尺寸的逐渐下降， 则使节能效果显著。随着电子智能化、物联网技 术和智能制造的附加，低压电器产品呈现了新的 发展趋势。 ４．１敏捷的产品研发机制 目前低压产品研发周期较上几代产品有了明 显的缩短。这得益于新的研发技术和完备的测试 平台。 （１）数字化仿真技术。国内以正泰电器和常 熟开关为例，都成立了专门的仿真技术平台，对于 低压电器产品进行机构运动、电磁、热分析、电弧 仿真等多方面的仿真分析，在缩短产品研发周期 和降低成本方面成绩显著。 （２）完备的试验测试平台。试验检测能直接 检查出低压产品的多项性能指标，对于产品快速 研发意义重大。但是因低压电器产品的特殊性， 尤其是短路分断能力测试设备投入成本巨大。以 厦门宏发开关为例，依次筹建了短路分断试验站 （ＡＣ ４００ Ｖ／２５ ｋＡ和ＤＣ １ ５００ Ｖ／１５ ｋＡ）、电寿命 批量试验测试、特性试验测试、环境试验测试、材 料分析测试等检测设备。大量的测试设备能够辅 助研发快速的开展，大幅缩短产品开发周期，敏捷 地响应市场需求。 将来低压电器产品市场更新换代周期将逐渐 缩短，敏捷的产品开发响应机制将会更加快速赢 得市场。 ４．２低压电器产品物联网化 从施耐德万能式断路器Ｍａｓｔｅｒｐａｃｔ ＭＴＺ可以 看出，多种传感器和通信技术的融合使得低压电 器可以使用电脑、手机等设备在线监测、。低 压电器作为物联网中电网保护的保护设备和感知 元件，能够监测电网端的各种参数并及时的传输 （下转第５４页） 电器与能效管理技术（２０１７Ｎｏ．２３） ・检测与试验・ （上接第２６页） 给物联网中心。物联网中心可以通过大数据对电 网系统进行监测、调度和维护等相关举措，从而达 到电力可靠供应、环保节能的目的。 ４．３低压电器产品智能化 阐述了其主要参数指标和特征。同时先进的仿真 技术及测试平台在低压电器领域的应用不仅大幅 提升产品性能，还大幅缩短产品开发周期。未来 几年，低压电器产品向着模块化、智能化、物联网 ＡＢＢ的ＡＦ系列接触器是一个典型智能化产 品的代表，电子技术能为工业化产品增添智慧大 脑，优异的控制算法可以通过电子模块来实现多 种参数和多种功能的测量、，从而保证低压电 器及其负载可靠地运行。 ４．４低压电器产品模块化 化、智能制造飞速发展。 ［参考文献］ ［１］何瑞华，尹天文．我国低压电器现状与发展趋势 ［Ｊ］．低压电器，２０１４（１）：１－１０． ［２］ 潘益勇，柴熠，史济炜．低压电器检测装备现状与发展 趋势［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１７（１０）：１－５． ［３］吴光亮，杜战．浅谈万能式断路器在我国的发展与 创新［Ｊ］．电器工业，２００９（１０）：１６．１８． ［４］陈德桂，李兴文．低压断路器的虚拟样机技术 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［５］邓晓峰，屈建宇，候国斌，等．万能式断路器短时耐 受性能研究综述［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１７ （１２）：１－７． 电器产品模块化设计意味着更少的零件种 类，不仅能够降低制造成本和后期运营维护成本， 还能为智能制造的自动化生产打下基础。 通过以上分析可知，低压电器产品将来的创 新不仅是低压电器产品本体，而是与智能制造、电 子制造、物联网、互联网相互融合的综合体。 ５ 结 语 本文以万能式断路器、塑壳断路器和接触器 ［６］ 汤龙飞，许志红．交流接触器新型智能抗电压跌落 控制模块的设计［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２，３２ （２７）：９５—１０３． 收稿日期：２０１７—１Ｏ一２５ 三类产品中的最新典型代表产品进行类比分析， 一５４一
