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面向21世紀(jì)的低壓電器新技術(shù)

摘要: 隨著WTO的加入,進(jìn)入21世紀(jì)我國低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn),為了加速我國低壓電器的發(fā)展,以適應(yīng)新的形勢需要,及時分析國內(nèi)外低壓電器發(fā)展動態(tài),了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器;仿真技術(shù)與虛擬電器;環(huán)保電器;電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)代化等幾個方面進(jìn)行了探討。

隨著WTO的加入,進(jìn)入21世紀(jì)我國低壓電器面臨更大的挑戰(zhàn),為了加速我國低壓電器的發(fā)展,以適應(yīng)新的形勢需要,及時分析國內(nèi)外低壓電器發(fā)展動態(tài),了解和掌握當(dāng)前低壓電器的新技術(shù)具有重要意義。本文從智能電器、可通訊電器及信息電器;仿真技術(shù)與虛擬電器;環(huán)保電器;電器的高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)代化等幾個方面進(jìn)行了探討。

一、智能電器、可通訊電器與信息電器

微處理機(jī)和計算機(jī)技術(shù)引進(jìn)低壓電器,一方面使低壓電器具有智能化的功能,另一方面使低壓開關(guān)電器,包括智能化斷路器和智能化電動機(jī)控制器實現(xiàn)與中央控制計算機(jī)雙向通訊。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,隨著計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,低壓配電系統(tǒng)和電動機(jī)控制中心已統(tǒng)一形成了智能化監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

智能化低壓斷路器與電動機(jī)控制器是低壓開關(guān)柜和電動機(jī)控制中心實現(xiàn)智能化的主要電器元件。微處理器引入低壓斷路器,首先使斷路器的保護(hù)功能大大增強(qiáng)。諸如:它的三斷保護(hù)特性中的短延時可設(shè)置成I2t特性,以便與后一級保護(hù)更好地匹配;接地保護(hù)可實現(xiàn)選擇性,對斷續(xù)的電弧接地故障可帶記憶功能。

目前工業(yè)用電的電網(wǎng)絡(luò)中使用大量的軟起動器、電力電子調(diào)速裝置和不間斷電源等,這些裝置都會使配電系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波,而模擬式電子脫扣器一般反映故障電流的峰值,因而電源的高次諧波會造成斷路器的誤動作。帶微處理的智能化斷路器反映負(fù)載電流真實的有效值(RMS值),它的采樣和保持電路能消除輸入信號中的高次諧波,因而能避免高次諧波造成的誤動作,它的中央處理單元能保證斷路器的正確動作。

與傳統(tǒng)的雙金屬熱繼電器相比,智能化過載繼電器有一系列的優(yōu)點。它能保護(hù)多種起動條件的電動機(jī),具有很高的動作可靠性。它不但可保護(hù)電動機(jī)過載與斷相,并可保護(hù)接地、三相不平衡、反相或低電流等。由智能化電動機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步開發(fā)的智能電動機(jī)控制器,兼有監(jiān)控、保護(hù)和通訊的功能,它的保護(hù)功能也較智能化電動機(jī)保護(hù)繼電器進(jìn)一步增強(qiáng)。

由新型低壓電器元件與中央控制計算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)與電動機(jī)控制中心相比有以下優(yōu)點:

①實現(xiàn)中央計算機(jī)集中控制,提高了低壓配電系統(tǒng)自動化程度。低壓開關(guān)設(shè)備與中央控制計算機(jī)的數(shù)據(jù)信息雙向傳輸是指:一方面智能化斷路器或其它開關(guān)設(shè)備向中央控制計算機(jī)傳送線路和保護(hù)對象的運(yùn)行參數(shù),保護(hù)整定值和故障信息;另一方面中央控制計算機(jī)向智能化斷路器或其它開關(guān)設(shè)備發(fā)出操作指令,改變和調(diào)節(jié)保護(hù)整定值。

②使低壓配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護(hù)達(dá)到新的水平。通過信息傳輸,中央控制計算機(jī)能存儲線路和被保護(hù)設(shè)備過去的運(yùn)行參數(shù)及前10次甚至前50次故障情況。這些信息加上計算機(jī)強(qiáng)大的綜合計算能力,有助于操作者事先預(yù)測故障的產(chǎn)生和作出相應(yīng)的決策,使線路和設(shè)備的停機(jī)維修時間大大減少;信息傳輸也提高了對配電系統(tǒng)的電能調(diào)度能力,能保證在用電高峰階段,對重要用戶安全可靠地供電;信息傳輸可實現(xiàn)區(qū)域間連鎖保護(hù),使前后級智能化斷路器的選擇性保護(hù)獲得合理的匹配。

③由于采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件,使開關(guān)柜平面上提供信息大幅度增加。通過液晶顯示板可測量并顯示相和線的電流、電壓、功率因數(shù)、功率等各種參數(shù),也能顯示被保護(hù)對象和線路過去的運(yùn)行參數(shù)和故障情況,它還可以以圖形方式顯示被整定的斷路器保護(hù)特性。

④監(jiān)控元件和傳統(tǒng)的指示和指令電器相比較,接線簡單、便于安裝,提高了工作的可靠性。

⑤可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,減少信息重復(fù)和信息通道

網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展,日益要求用戶和設(shè)備之間的開放性和兼容性,因而制定一個統(tǒng)一的通訊協(xié)議是急待解決的一個關(guān)鍵問題。目前由智能化電器與中央計算機(jī)通過接口構(gòu)成的自動化通訊網(wǎng)絡(luò)正從集中式控制向分布式控制發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn),不但為構(gòu)造分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)提供條件,并且它即插即用,擴(kuò)充性好,維護(hù)方便,因而目前這種技術(shù)成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。

現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開放的雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)?,F(xiàn)場總線種類很多,比較有影響的有:CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點和優(yōu)勢,在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價值。但也正是現(xiàn)場總線技術(shù)多種多樣和通訊標(biāo)準(zhǔn)的各自為政,給這種技術(shù)的發(fā)展帶來不利的影響。目前國際電工委員會和現(xiàn)場總線基金會正致力于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,我國有些單位也在做這方面工作,我們把基于現(xiàn)場總線技術(shù),具有通信功能的電器稱為可通訊電器。目前現(xiàn)場總線技術(shù)正向上下兩端延伸,其上端和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊,其下端延伸到工業(yè)控制現(xiàn)場區(qū)域。這方面有西門子公司的AS接口和羅克威爾公司的Devicenet兩種總線系統(tǒng),這兩種總線應(yīng)用于低層區(qū)域,是一種低成本的通信連接,它把工業(yè)控制用的傳感器和執(zhí)行器,包括:限位開關(guān)、光電傳感器、電動機(jī)起動器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡單的控制元件作為從設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò),與作為主設(shè)備的控制計算機(jī)或可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行通信,傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)的觸點轉(zhuǎn)換信息變成二進(jìn)制數(shù)字信息通過串行接口和尋址進(jìn)行通信,這使傳統(tǒng)的低壓控制元件也有了革命性的變革,例如西門子AS總線系統(tǒng)中應(yīng)用的Logo多功能繼電器實際上是一個小型的PLC,它能起延時、閂鎖、記數(shù)器和脈沖繼電器等功能。

使智能電器進(jìn)一步實現(xiàn)信息化,是使智能電器在現(xiàn)場級實現(xiàn)Internet/Intranet功能,其技術(shù)核心是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。把TCP/IP協(xié)議嵌入到智能電器的ROM中,使得信號的收發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行,進(jìn)一步發(fā)展智能電器的信息化功能。利用Internet/intranet功能,不但使企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)用戶,并且在任何開通了Internet的地區(qū)都可以通過瀏覽共享現(xiàn)場信息,并對現(xiàn)場的智能電器進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制、編程、和組態(tài)等,這使智能化電器進(jìn)入了信息電器的新時代。

低壓電器的一個重要功能是通斷能力,近年來智能電器發(fā)展的另一途徑是通過微處理器的智能控制來提高電器的通斷性能。一個令人關(guān)注的新動向是金鐘–默勒公司開發(fā)的新一代DIL-M系列接觸器,在它185A以上電流等級中采用了智能控制技術(shù)。接觸器閉合時觸頭的磨損主要是由于觸頭彈跳造成的斷續(xù)電弧而引起的,在AC-3工作任務(wù)下接觸器要在額定電壓下閉合6倍額定電流,因而它是影響觸頭電氣壽命的主要因素。DIL-M系列智能控制接觸器的電磁鐵線圈由一脈沖整流電壓供電,可以按照存儲在微處理器中的一個與反力特性配合******的吸力特性曲線來調(diào)節(jié)線圈電流,在接觸器吸合階段輸入寬脈沖電壓,使主觸頭安全可靠地吸合,在保持階段將輸入窄脈沖電壓,在足夠保持觸頭閉合條件下節(jié)能。由于采用了智能控制,這種接觸器在節(jié)省觸頭材料條件下,電氣壽命可達(dá)到1.3X106次,采用了智能控制,不同規(guī)格的接觸器,其電磁系統(tǒng)的截面等幾何尺寸一致,給生產(chǎn)上帶來了方便和節(jié)約,從而補(bǔ)償了由于電子控制帶來的額外支出。

智能化電器的發(fā)展,使電磁兼容性EMC變成越來越重要的問題。EMC要求包括兩種含義,一方面要求低壓電器在使用場合工作時,不受外界電磁干擾而引起誤動作,而另一方面要求電器的操作產(chǎn)生的電磁場不干擾附近的電子設(shè)備。目前國外對智能化電器和機(jī)電一起化產(chǎn)品的EMC問題非常重視,因為電磁干擾會引起這類系統(tǒng)失靈而誤動作,會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能化電器和其保護(hù)、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強(qiáng)電流及高電壓電磁場中,使這些設(shè)備的電磁抗干擾能力在設(shè)備設(shè)計和運(yùn)行中已成為不可忽視的因素,因而在國外智能化電器和其系統(tǒng)在設(shè)計初始階段即制定嚴(yán)格的電磁兼容控制與管理計劃,該計劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析,制定EMC設(shè)計技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計計劃、標(biāo)準(zhǔn)、實施計劃與測試方法等,并把這一計劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計的重要一環(huán)。EMC分析和設(shè)計是為了達(dá)到EMC技術(shù)要求的關(guān)鍵工作,包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統(tǒng)集成的電磁兼容性能,EMC設(shè)計包括電磁屏蔽,接地,導(dǎo)線間距的確定,以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等,目前隨著高頻電磁場數(shù)值分析和計算機(jī)硬年的發(fā)展,采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)的測試方法和經(jīng)驗分析方法,已在EMC分析中起越來越大的作用。

二、仿真技術(shù)與虛擬電器

近年來國內(nèi)工廠和設(shè)計院所紛紛引進(jìn)如UGH、Pro/E等三維計算機(jī)輔助設(shè)計軟件,這類軟件能實現(xiàn)在三維空間內(nèi)零部件和實體造型、裝配和自動生成工程圖紙,并且按照設(shè)計的零部件自動進(jìn)行模具設(shè)計和生成數(shù)控編碼。這些軟件使國內(nèi)低壓電器設(shè)計工作上了一個新的臺階,但進(jìn)一步要使產(chǎn)品設(shè)計滿足原始技術(shù)條件的要求,達(dá)到預(yù)定的電氣和機(jī)械性能,則需要采用仿真技術(shù)。

進(jìn)行一個低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計,當(dāng)根據(jù)給定的技術(shù)條件,確定了產(chǎn)品初步設(shè)計方案和尺寸后,必須進(jìn)行工程分析或樣機(jī)實驗,來驗證設(shè)計方案是否附合原訂技術(shù)要求。長期以來人們用傳統(tǒng)的工程計算方法進(jìn)行特性分析,精度很差,特別是作為低壓開關(guān)電器的主要特性,即開斷特性無法計算,因而人們不得不依靠樣機(jī)制造和實驗驗證來檢驗設(shè)計方案的可行性,這樣做法要花費(fèi)大量人力和物力,并使得產(chǎn)品開發(fā)周期拉長,影響新產(chǎn)品的市場競爭力。

為了解決上述問題,近年來計算機(jī)摸擬和仿真技術(shù)得到快速發(fā)展,依靠這種新技術(shù),人們可以在樣機(jī)制作以前就能精確掌握設(shè)計產(chǎn)品的性能,減少了重復(fù)樣機(jī)制作和實驗費(fèi)用,加快了產(chǎn)品開發(fā)周期,并提高了產(chǎn)品性能,這是當(dāng)前低壓電器產(chǎn)品開發(fā)手段現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。

低壓電器的基本特性包括開斷能力、溫升、零部件的強(qiáng)度、電動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定、絕緣性能及其它電氣性能等。這就需要對設(shè)計對象的電磁場、應(yīng)力場、磁場等物理場域進(jìn)行仿真和分析。計算機(jī)模仿和仿真技術(shù)的進(jìn)展和商品有限元分析軟件性能的不斷提高為這種新技術(shù)在低壓電器的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。70-80年代的有限元分析軟件,前后處理工作十分繁鎖,例如進(jìn)行一臺大型變壓器的電場分析、輸入各零部件的三維尺寸等原始數(shù)據(jù),一般是幾天甚至幾個星期的艱苦勞動。進(jìn)入90年代商品化的有限元分析軟件都和可視化技術(shù)結(jié)合起來,用特征造型方式輸入三維圖形代替每鎖的數(shù)據(jù)輸入,使輸入工作十分簡便而直觀,并且后處理部分使輸出的數(shù)據(jù)或三維圖形,方便地進(jìn)行觀察和分析。與此同時,隨著解決復(fù)雜工程問題的需要,這種仿真和分析軟件更擴(kuò)展到流體動力學(xué)、機(jī)械振動和機(jī)構(gòu)動力學(xué)等方面。目前,市場上已能提供各種精確的計算機(jī)仿真與分析軟件,這類軟件分成二種類型,一種是通用軟件,另一種是專用軟件,例如ANSYS(ANSYS公司)和NISA(EMRC公司)有限元通用仿真和分析軟件屬于第一類,這種軟件都包括應(yīng)力,溫度場、電磁場和流場等分析模塊,可以進(jìn)行單種場域分析,也可進(jìn)行綜合場分析,例如計算熔斷器的保護(hù)特性,首先要計算熔片中電流場的分布,然后是熱特性的計算,這是電流場和瞬態(tài)熱場計算的綜合,專用軟件是指用于專門的場合,如ADAMS軟件用于機(jī)構(gòu)動態(tài)分析,VACTOR FIELDS軟件專門用于各種電磁場問題的分析。這兩種軟件都有可視化的前后處理摸塊,并且都有工作站和微機(jī)兩種版本。近年來國外著名公司更是把特性的計算機(jī)仿真和分析看作是產(chǎn)品開發(fā)手段現(xiàn)代化的一個重要措施,如日本的富士公司在開發(fā)SC新系列接觸器中,認(rèn)為計算機(jī)仿真和采用新材料,是使新系列接觸器性能達(dá)到高水平的關(guān)鍵,他們開發(fā)了一套對接觸器可動部分動態(tài)仿真的軟件系統(tǒng),對接觸器可動部分,包括鐵心和觸頭系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真,分析了各種參數(shù)對鐵心及觸頭碰撞后的彈跳的影響,從而選擇了******的設(shè)計參數(shù),日本的三菱公司和德國金鐘–默勒公司都以商品計算機(jī)分析軟件為基礎(chǔ),通過二次開發(fā)建立自己的低壓斷路器設(shè)計和開發(fā)的計算機(jī)仿真系統(tǒng)。

通過計算機(jī)仿真可獲得產(chǎn)品設(shè)計的可行性方案,即保證設(shè)計方案滿足所制定技術(shù)條件的要求,但尚不是經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)******的方案,為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的******,這就需要把仿真技術(shù)和最優(yōu)化方法結(jié)合起來。一些商品仿真軟件,如上面提到的ANSYS軟件就提供一系列優(yōu)化工具,能自動調(diào)整設(shè)計對象的幾何形狀,使規(guī)定的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。如德國著名的低壓電器專家Lindmayer教授利用ANSYS軟件,把磁場仿真和優(yōu)化結(jié)合起來,改變鐵心尺寸和線圈位置,實現(xiàn)了電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計。

計算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展,一種新的三維機(jī)交互式圖形技術(shù),即虛擬現(xiàn)實(Virtual reality)技術(shù)的出現(xiàn),給計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,開辟了新的天地,虛擬現(xiàn)實與傳統(tǒng)的交互式三維圖形技術(shù)不同,后者操作者是在計算機(jī)外的現(xiàn)實世界操作計算機(jī)的圖形,而前者則可讓操作者進(jìn)入計算機(jī)里的虛擬世界親臨其境地進(jìn)行操作,把這種技術(shù)和計算機(jī)仿真相結(jié)合就可以在計算機(jī)內(nèi)設(shè)計產(chǎn)品,這種產(chǎn)品我們稱為虛擬產(chǎn)品,設(shè)計者可以在“虛擬”環(huán)境中對產(chǎn)品進(jìn)行仿真和優(yōu)化,這是計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展方向。長期以來,我國低壓電器產(chǎn)品往往是把各研究所和工廠有關(guān)技術(shù)人員集中在一處,進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計,這種方式使大多數(shù)設(shè)計人員脫離本廠的環(huán)境而造成諸多不便。90年代以來出現(xiàn)的計算機(jī)協(xié)同設(shè)計CSCD(Computer Supported Cooperative Design)技術(shù),可提供遠(yuǎn)程異地協(xié)同設(shè)計的環(huán)境,它是基于Internet而實現(xiàn)的一種群體設(shè)計的新概念,最近國外的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件如PRO/E和Internet等已新增了這方面的功能。依靠這種技術(shù),人們可以在不同地點通過Internet共同討論設(shè)計方案,繪制和修改設(shè)計圖紙。

三、環(huán)保電器

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,環(huán)境保護(hù)問題日趨嚴(yán)重,這對大量使用的低壓電器提出新的要求。低壓電器中幾近80%的材料是塑料,因而對這些材料來說,一方面要保證長的壽命和電器本身的工作可靠性,還應(yīng)考慮環(huán)保要求,即無污染,并且可以回收。目前不含CFC或鹵素的阻燃的塑料已得到推廣和應(yīng)用。

長期以來由于AgCdO有較好的耐電弧侵蝕能力,因而在低壓電器、特別是作為控制電器的觸頭材料得到廣泛應(yīng)用。但近年來由于AgCdO材料有毒,從環(huán)保要求出發(fā),以AgSnO2代替AgCdO材料已經(jīng)得到推廣。但AgSnO2的觸頭溫升過高,一直是一個關(guān)鍵技術(shù)問題。目前國際上一些觸頭材料生產(chǎn)廠都在研究如何通過加入添加劑來阻止觸頭表面SnO2膜的生成來降低觸頭溫升。德國Degussa AG公司推出以WO3和BiO3兩種材料復(fù)合作為添加劑的AgSnO2SPWIII新牌號材料,不但有與AgCdO相接近的溫升,并且在抗電弧侵蝕及抗熔焊性能上較老的牌號AgSnO2材料有較大的提高。

采用真空技術(shù)與電力電子技術(shù)是解決環(huán)保電器的重要途徑。目前真空技術(shù)在中壓開關(guān)領(lǐng)域已具統(tǒng)治地位,在低壓開關(guān)領(lǐng)域近幾年也有很大的發(fā)展。真空中不存在氣體,在開斷故障電路時僅能產(chǎn)生能量較少的金屬蒸汽電弧,其強(qiáng)度、燃弧時間和對觸頭的燒蝕都比空氣中少,因而真空開關(guān)是不需要維護(hù)的。從環(huán)保的角度來看,真空開關(guān)的觸頭系統(tǒng)是封閉在真空管殼中,觸頭開斷時產(chǎn)生的電弧不會影響環(huán)境,因而它可以工作在苛刻的不利的工作環(huán)境下。在低壓電器領(lǐng)域中,盡管它的價格比一般空氣中滅弧的開關(guān)電器的價格要高,但它的優(yōu)良性能和環(huán)保作用已越來越引起人們的關(guān)注。原先真空接觸器一般用于特殊環(huán)境下,目前由于真空技術(shù)的進(jìn)展、真空技術(shù)的應(yīng)用已推廣至通用的接觸器。最近,德國金鐘–默勒公司新推出的接觸器系列,其額定電流580A820A的規(guī)格采用了真空接觸器。這種接觸器有非常高的電器壽命,并且由于沒有飛弧,需要的安裝空間少,外殼的視窗便于觀察觸頭的磨損情況。真空技術(shù)也應(yīng)用于低壓斷路器,西門子公司于九十年代中期首先推出了3WS1真空低壓斷路器,其額定電流是630A2500A,開斷能力達(dá)50KA。目前國內(nèi)研究單位和工廠也正積極開發(fā)這種產(chǎn)品,主要目標(biāo)是提高其額定電流和開斷能力。

由于電力電子技術(shù)的發(fā)展,新型電子器件如GTO,GTR及IGBT等第三代大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn),固態(tài)無觸點開關(guān)近年來也得到很大的發(fā)展。與機(jī)械式開關(guān)相比較,它是一種無電弧開關(guān),因而它有很長的壽命,并且不需要維護(hù),從環(huán)保角度來看,一方面因為沒有電弧,不會因為電弧引起觸頭材料和塑料氣化而污染環(huán)境,另一方面也不會因為環(huán)境污染而使觸頭上產(chǎn)生氧化膜而影響接觸可靠性。由于沒有觸頭,機(jī)械式開關(guān)因電弧的作用使觸頭發(fā)熱現(xiàn)象也不存在,這樣無觸點開關(guān)的操作頻率可達(dá)到很高,固態(tài)斷路器由于工作過程中的損耗大,并且缺乏足夠額定電壓和電流的功率電子器件,加上體積大、價格高,因而限制了它的應(yīng)用。但近十年來的研究工作使它的缺點逐步在克服,Takamu【2】提出了一種混合式固態(tài)斷路器,它應(yīng)用于400V的低壓線路,主回路由可關(guān)斷晶閘管GTO與真空開關(guān)并聯(lián)組成,以保證在正常工作時由真空開關(guān)接通電路,以減少GTO的功率損耗。帶靈敏繼電器的固態(tài)斷路器線路中應(yīng)用了一種快速反應(yīng)的過流保護(hù),去降低短路電流對晶閘管GTO的過熱作用,當(dāng)線路發(fā)生故障時,過流繼電器送出的信號同時打開真空開關(guān)和接通GTO裝置,真空開關(guān)上出現(xiàn)的電弧電壓把故障電流轉(zhuǎn)移到GTO回路中。緊接著,GTO快速關(guān)斷,使斷路器開斷故障電流,這種線路減輕GTO的負(fù)擔(dān)取決于靈敏繼電器的快速動作。另一線路由Brice【3】等提出,把混合式固態(tài)斷路器與聚合物限流電阻PTC結(jié)合起來。PTC是一種具有正溫度特性的熱敏元件,其反應(yīng)速度非???,當(dāng)溫度上升至居里溫度,它的電阻就急劇增大,以限制短路電流。帶PTC的固態(tài)斷路器,PTC限流電阻與GTO裝置相串連,當(dāng)開斷故障電流時,依靠PTC的限流作用,減輕了GTO裝置的負(fù)擔(dān)。在以上兩種固態(tài)斷路器中,金屬氧化物避雷器和吸收電路是用于吸收GTO通斷時的過電壓。

四、高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代化

由于城市電網(wǎng)的發(fā)展,配電變壓器容量增大,對低壓開關(guān)電器提出了高性能、小型化要求。為了提高低壓開關(guān)電器的開斷能力,國外公司提出了一些新的滅弧系統(tǒng)和限流技術(shù),其中日本三菱公司在該公司發(fā)明的VJC技術(shù)基礎(chǔ)上又提出了一種ISTAC技術(shù)。這種技術(shù)一方面通過導(dǎo)電回路的特殊布置來增加作用在動觸桿的電動力,另一方面使用VJC材料形成的窄縫加強(qiáng)對電弧冷卻作用。梅蘭日蘭公司則推出一種旋轉(zhuǎn)式雙斷點的限流結(jié)構(gòu),并在前后級保護(hù)特性配合方面提出一種“能量匹配”的新概念。近年來,如上面已提到的PTC熱敏限流電阻受到人們的極大興趣,首先把這種限流電阻和塑殼開關(guān)串聯(lián)使用,可大大增強(qiáng)限流效應(yīng),目前PTC電阻還可以單獨(dú)作為限流器使用,并且應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到中壓領(lǐng)域。

開關(guān)電器小型化有兩種含義,一方面是電器本身的尺寸要小,另一方面是減少噴弧距離或?qū)崿F(xiàn)“無飛弧”以縮小安裝這種電器的開關(guān)柜尺寸。三菱公司提出的新型接觸器,在滅弧室出氣口加裝了用以壓制熱氣流的多孔金屬板,可以使噴出熱氣流的溫度降低到原來的10%,我國新設(shè)計的S系列和TM30系列塑殼斷路器及DW40框架斷路器都已作到了零飛弧。

對接觸器來說,由于控制系統(tǒng)中電子器件增加,因而與PLC等電子器件的接口日趨重要,富士公司設(shè)計的新系列NEO SC系列中輔助觸點設(shè)計成5V和3mA以與電子器件接口。接觸器線圈節(jié)能技術(shù)近年來也有很大的發(fā)展,富士公司NEO SC系列接觸器采用改進(jìn)的超級電磁鐵,不但保持原設(shè)計的節(jié)能和電源電壓降低至極限值時能可靠工作的特色,并且能在保證50%額定電壓時可靠吸合條件下,而在額定電壓時較原設(shè)計的吸力特性有較大幅度下降,使吸反力特性得到良好的配合,從而使新系列接觸器在吸合時,其沖擊較原產(chǎn)品降低80%。改進(jìn)后的超級電磁鐵仍為一般電子控制,進(jìn)一步發(fā)展為如上介紹的智能控制,用微處理器來控制電磁鐵的動態(tài)特性。目前除金鐘–默勒公司外,ABB公司也推出類似產(chǎn)品。

當(dāng)前低壓電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上廣泛應(yīng)用模塊化、組合化、模數(shù)化和零部件通用化。模塊化是電器制造過程大為簡便,通過不同模塊積木式的組合,使電器可獲得不同的附加功能。組合化使不同功能的電器組合在一起,有利于電器結(jié)構(gòu)緊湊,減少線路中所需的元件品種,并使保護(hù)特性得到良好的配合。模數(shù)化使電器外形尺寸規(guī)范化,便于安裝和組合。不同額定值或不同類型電器實現(xiàn)零部件通用化,對制造廠商來說,將大大減小產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)的費(fèi)用;對用戶來說,也便于維修和減少零部件的庫存量。目前,低壓電器結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)代化有新的發(fā)展,ABB公司推出的新系列接觸器產(chǎn)品提出低壓配電系統(tǒng)一體化設(shè)計的新概念,新型的塑殼斷路器面板上都有一個小門,各種功能模塊通過這個小門可安裝于操作機(jī)構(gòu)兩側(cè)空余的間隙內(nèi),以縮小整個開關(guān)柜的體積。日本三菱和富士新系列的塑殼斷路器把各種電流規(guī)格的產(chǎn)品設(shè)計成同一高度以利于開關(guān)柜的布置,施耐德公司的Masterpact從800A到3200A的產(chǎn)品采用同一個框架尺寸,這樣不但便于安裝,并且使零部件的通用性增強(qiáng)。人機(jī)工程的引入更使斷路器的外觀造型改變了過去單調(diào)的樣式,變得明快和美觀。西屋公司提出面板設(shè)計的“透明”觀點,要求低壓電器的面板要做到界面友好,所有在面板上的操作手柄、按鈕和顯示器要做到顯而易見,并且對操作者安全可靠。

回路中。緊接著,GTO快速關(guān)斷,使斷路器開斷故障電流,這種線路減輕GTO的負(fù)擔(dān)取決于靈敏繼電器的快速動作。另一線路由Brice【3】等提出,把混合式固態(tài)斷路器與聚合物限流電阻PTC結(jié)合起來。PTC是一種具有正溫度特性的熱敏元件,其反應(yīng)速度非???,當(dāng)溫度上升至居里溫度,它的電阻就急劇增大,以限制短路電流。帶PTC的固態(tài)斷路器,PTC限流電阻與GTO裝置相串連,當(dāng)開斷故障電流時,依靠PTC的限流作用,減輕了GTO裝置的負(fù)擔(dān)。在以上兩種固態(tài)斷路器中,金屬氧化物避雷器和吸收電路是用于吸收GTO通斷時的過電壓。

四、高性能、小型化與結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代化

由于城市電網(wǎng)的發(fā)展,配電變壓器容量增大,對低壓開關(guān)電器提出了高性能、小型化要求。為了提高低壓開關(guān)電器的開斷能力,國外公司提出了一些新的滅弧系統(tǒng)和限流技術(shù),其中日本三菱公司在該公司發(fā)明的VJC技術(shù)基礎(chǔ)上又提出了一種ISTAC技術(shù)。這種技術(shù)一方面通過導(dǎo)電回路的特殊布置來增加作用在動觸桿的電動力,另一方面使用VJC材料形成的窄縫加強(qiáng)對電弧冷卻作用。梅蘭日蘭公司則推出一種旋轉(zhuǎn)式雙斷點的限流結(jié)構(gòu),并在前后級保護(hù)特性配合方面提出一種“能量匹配”的新概念。近年來,如上面已提到的PTC熱敏限流電阻受到人們的極大興趣,首先把這種限流電阻和塑殼開關(guān)串聯(lián)使用,可大大增強(qiáng)限流效應(yīng),目前PTC電阻還可以單獨(dú)作為限流器使用,并且應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到中壓領(lǐng)域。

開關(guān)電器小型化有兩種含義,一方面是電器本身的尺寸要小,另一方面是減少噴弧距離或?qū)崿F(xiàn)“無飛弧”以縮小安裝這種電器的開關(guān)柜尺寸。三菱公司提出的新型接觸器,在滅弧室出氣口加裝了用以壓制熱氣流的多孔金屬板,可以使噴出熱氣流的溫度降低到原來的10%,我國新設(shè)計的S系列和TM30系列塑殼斷路器及DW40框架斷路器都已作到了零飛弧。

對接觸器來說,由于控制系統(tǒng)中電子器件增加,因而與PLC等電子器件的接口日趨重要,富士公司設(shè)計的新系列NEO SC系列中輔助觸點設(shè)計成5V和3mA以與電子器件接口。接觸器線圈節(jié)能技術(shù)近年來也有很大的發(fā)展,富士公司NEO SC系列接觸器采用改進(jìn)的超級電磁鐵,不但保持原設(shè)計的節(jié)能和電源電壓降低至極限值時能可靠工作的特色,并且能在保證50%額定電壓時可靠吸合條件下,而在額定電壓時較原設(shè)計的吸力特性有較大幅度下降,使吸反力特性得到良好的配合,從而使新系列接觸器在吸合時,其沖擊較原產(chǎn)品降低80%。改進(jìn)后的超級電磁鐵仍為一般電子控制,進(jìn)一步發(fā)展為如上介紹的智能控制,用微處理器來控制電磁鐵的動態(tài)特性。目前除金鐘–默勒公司外,ABB公司也推出類似產(chǎn)品。

當(dāng)前低壓電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上廣泛應(yīng)用模塊化、組合化、模數(shù)化和零部件通用化。模塊化是電器制造過程大為簡便,通過不同模塊積木式的組合,使電器可獲得不同的附加功能。組合化使不同功能的電器組合在一起,有利于電器結(jié)構(gòu)緊湊,減少線路中所需的元件品種,并使保護(hù)特性得到良好的配合。模數(shù)化使電器外形尺寸規(guī)范化,便于安裝和組合。不同額定值或不同類型電器實現(xiàn)零部件通用化,對制造廠商來說,將大大減小產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)的費(fèi)用;對用戶來說,也便于維修和減少零部件的庫存量。目前,低壓電器結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)代化有新的發(fā)展,ABB公司推出的新系列接觸器產(chǎn)品提出低壓配電系統(tǒng)一體化設(shè)計的新概念,新型的塑殼斷路器面板上都有一個小門,各種功能模塊通過這個小門可安裝于操作機(jī)構(gòu)兩側(cè)空余的間隙內(nèi),以縮小整個開關(guān)柜的體積。日本三菱和富士新系列的塑殼斷路器把各種電流規(guī)格的產(chǎn)品設(shè)計成同一高度以利于開關(guān)柜的布置,施耐德公司的Masterpact從800A到3200A的產(chǎn)品采用同一個框架尺寸,這樣不但便于安裝,并且使零部件的通用性增強(qiáng)。人機(jī)工程的引入更使斷路器的外觀造型改變了過去單調(diào)的樣式,變得明快和美觀。西屋公司提出面板設(shè)計的“透明”觀點,要求低壓電器的面板要做到界面友好,所有在面板上的操作手柄、按鈕和顯示器要做到顯而易見,并且對操作者安全可靠。

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