控制工程师论坛

随着WTO的加入，进入21世纪我国低压电器面临更大的挑战，为了加速我国低压电器的发展，以适应新的形势需要，及时分析国内外低压电器发展动态，了解和掌握当前低压电器的新技术具有重要意义。本文从智能电器、可通讯电器及信息电器；仿真技术与虚拟电器；环保电器；电器的高性能、小型化与结构设计的现代化等几个方面进行了探讨。
一、智能电器、可通讯电器与信息电器
　　 微处理机和计算机技术引进低压电器，一方面使低压电器具有智能化的功能，另一方面使低压开关电器，包括智能化断路器和智能化电动机控制器实现与中央控制计算机双向通讯。进入20世纪90年代，随着计算机信息网络的发展，低压配电系统和电动机控制中心已统一形成了智能化监控、保护与信息网络系统。
　　 智能化低压断路器与电动机控制器是低压开关柜和电动机控制中心实现智能化的主要电器元件。微处理器引入低压断路器，首先使断路器的保护功能大大增强。诸如：它的三断保护特性中的短延时可设置成I2t特性，以便与后一级保护更好地匹配；接地保护可实现选择性，对断续的电弧接地故障可带记忆功能。

　　 目前工业用电的电网络中使用大量的软起动器、电力电子调速装置和不间断电源等，这些装置都会使配电系统产生高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般反映故障电流的峰值，因而电源的高次谐波会造成断路器的误动作。带微处理的智能化断路器反映负载电流真实的有效值（RMS值），它的采样和保持电路能消除输入信号中的高次谐波，因而能避免高次谐波造成的误动作，它的中央处理单元能保证断路器的正确动作。
　　 与传统的双金属热继电器相比，智能化过载继电器有一系列的优点。它能保护多种起动条件的电动机，具有很高的动作可靠性。它不但可保护电动机过载与断相，并可保护接地、三相不平衡、反相或低电流等。由智能化电动机保护继电器进一步开发的智能电动机控制器，兼有监控、保护和通讯的功能，它的保护功能也较智能化电动机保护继电器进一步增强。
　　 由新型低压电器元件与中央控制计算机组成的网络系统与传统的低压配电系统与电动机控制中心相比有以下优点：
　　 ①实现中央计算机集中控制，提高了低压配电系统自动化程度。低压开关设备与中央控制计算机的数据信息双向传输是指：一方面智能化断路器或其它开关设备向中央控制计算机传送线路和保护对象的运行参数，保护整定值和故障信息；另一方面中央控制计算机向智能化断路器或其它开关设备发出操作指令，改变和调节保护整定值。

　　 ②使低压配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。通过信息传输，中央控制计算机能存储线路和被保护设备过去的运行参数及前10次甚至前50次故障情况。这些信息加上计算机强大的综合计算能力，有助于操作者事先预测故障的产生和作出相应的决策，使线路和设备的停机维修时间大大减少；信息传输也提高了对配电系统的电能调度能力，能保证在用电高峰阶段，对重要用户安全可靠地供电；信息传输可实现区域间连锁保护，使前后级智能化断路器的选择性保护获得合理的匹配。
　　 ③由于采用数字化的新型监控元件，使开关柜平面上提供信息大幅度增加。通过液晶显示板可测量并显示相和线的电流、电压、功率因数、功率等各种参数，也能显示被保护对象和线路过去的运行参数和故障情况，它还可以以图形方式显示被整定的断路器保护特性。
　　 ④监控元件和传统的指示和指令电器相比较，接线简单、便于安装，提高了工作的可靠性。
　　 ⑤可以实现数据共享，减少信息重复和信息通道
　　 网络通讯的发展，日益要求用户和设备之间的开放性和兼容性，因而制定一个统一的通讯协议是急待解决的一个关键问题。目前由智能化电器与中央计算机通过接口构成的自动化通讯网络正从集中式控制向分布式控制发展。现场总线技术的出现，不但为构造分布式计算机控制系统提供条件，并且它即插即用，扩充性好，维护方便，因而目前这种技术成为国内外关注的焦点。
　　 现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间全数字化、开放的双向的局部通信网络。现场总线种类很多，比较有影响的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它们各有特点和优势，在不同领域有不同的应用价值。但也正是现场总线技术多种多样和通讯标准的各自为政，给这种技术的发展带来不利的影响。目前国际电工委员会和现场总线基金会正致力于现场总线标准的统一，我国有些单位也在做这方面工作，我们把基于现场总线技术，具有通信功能的电器称为可通讯电器。目前现场总线技术正向上下两端延伸，其上端和企业网络的主干Ethernet、Intranet和Internet等通讯，其下端延伸到工业控制现场区域。这方面有西门子公司的AS接口和罗克威尔公司的Devicenet两种总线系统，这两种总线应用于低层区域，是一种低成本的通信连接，它把工业控制用的传感器和执行器，包括：限位开关、光电传感器、电动机起动器、按钮指示灯、多功能继电器等简单的控制元件作为从设备连接到网络，与作为主设备的控制计算机或可编程逻辑控制器（PLC）进行通信，传统的继电接触控制系统的触点转换信息变成二进制数字信息通过串行接口和寻址进行通信，这使传统的低压控制元件也有了革命性的变革，例如西门子AS总线系统中应用的Logo多功能继电器实际上是一个小型的PLC，它能起延时、闩锁、记数器和脉冲继电器等功能。
　　 使智能电器进一步实现信息化，是使智能电器在现场级实现Internet/Intranet功能，其技术核心是实现TCP/IP协议。把TCP/IP协议嵌入到智能电器的ROM中，使得信号的收发都以TCP/IP方式进行，进一步发展智能电器的信息化功能。利用Internet/intranet功能，不但使企业的网络授权用户，并且在任何开通了Internet的地区都可以通过浏览共享现场信息，并对现场的智能电器进行远程在线控制、编程、和组态等，这使智能化电器进入了信息电器的新时代。
　　 低压电器的一个重要功能是通断能力，近年来智能电器发展的另一途径是通过微处理器的智能控制来提高电器的通断性能。一个令人关注的新动向是金钟–默勒公司开发的新一代DIL-M系列接触器，在它185A以上电流等级中采用了智能控制技术。接触器闭合时触头的磨损主要是由于触头弹跳造成的断续电弧而引起的，在AC-3工作任务下接触器要在额定电压下闭合6倍额定电流，因而它是影响触头电气寿命的主要因素。DIL-M系列智能控制接触器的电磁铁线圈由一脉冲整流电压供电，可以按照存储在微处理器中的一个与反力特性配合最佳的吸力特性曲线来调节线圈电流，在接触器吸合阶段输入宽脉冲电压，使主触头安全可靠地吸合，在保持阶段将输入窄脉冲电压，在足够保持触头闭合条件下节能。由于采用了智能控制，这种接触器在节省触头材料条件下，电气寿命可达到1.3X106次，采用了智能控制，不同规格的接触器，其电磁系统的截面等几何尺寸一致，给生产上带来了方便和节约，从而补偿了由于电子控制带来的额外支出。
　　 智能化电器的发展，使电磁兼容性EMC变成越来越重要的问题。EMC要求包括两种含义，一方面要求低压电器在使用场合工作时，不受外界电磁干扰而引起误动作，而另一方面要求电器的操作产生的电磁场不干扰附近的电子设备。目前国外对智能化电器和机电一起化产品的EMC问题非常重视，因为电磁干扰会引起这类系统失灵而误动作，会造成巨大的经济损失。智能化电器和其保护、监护系统把敏感的数字电器元件处于强电流及高电压电磁场中，使这些设备的电磁抗干扰能力在设备设计和运行中已成为不可忽视的因素，因而在国外智能化电器和其系统在设计初始阶段即制定严格的电磁兼容控制与管理计划，该计划主要包括产品或系统EMC分析，制定EMC设计技术指标、设计计划、标准、实施计划与测试方法等，并把这一计划作为产品或系统设计的重要一环。EMC分析和设计是为了达到EMC技术要求的关键工作，包括分析电子线路的辐射程度及抗干扰能力以及系统集成的电磁兼容性能，EMC设计包括电磁屏蔽，接地，导线间距的确定，以及考虑印刷电路板布线之间的电磁耦合等，目前随着高频电磁场数值分析和计算机硬年的发展，采用现代仿真技术取代传统的测试方法和经验分析方法，已在EMC分析中起越来越大的作用。
二、仿真技术与虚拟电器
　　 近年来国内工厂和设计院所纷纷引进如UGH、Pro/E等三维计算机辅助设计软件，这类软件能实现在三维空间内零部件和实体造型、装配和自动生成工程图纸，并且按照设计的零部件自动进行模具设计和生成数控编码。这些软件使国内低压电器设计工作上了一个新的台阶，但进一步要使产品设计满足原始技术条件的要求，达到预定的电气和机械性能，则需要采用仿真技术。
　　 进行一个低压电器产品的设计，当根据给定的技术条件，确定了产品初步设计方案和尺寸后，必须进行工程分析或样机实验，来验证设计方案是否附合原订技术要求。长期以来人们用传统的工程计算方法进行特性分析，精度很差，特别是作为低压开关电器的主要特性，即开断特性无法计算，因而人们不得不依靠样机制造和实验验证来检验设计方案的可行性，这样做法要花费大量人力和物力，并使得产品开发周期拉长，影响新产品的市场竞争力。
　　 为了解决上述问题，近年来计算机摸拟和仿真技术得到快速发展，依靠这种新技术，人们可以在样机制作以前就能精确掌握设计产品的性能，减少了重复样机制作和实验费用，加快了产品开发周期，并提高了产品性能，这是当前低压电器产品开发手段现代化的重要内容。
　　 低压电器的基本特性包括开断能力、温升、零部件的强度、电动稳定和热稳定、绝缘性能及其它电气性能等。这就需要对设计对象的电磁场、应力场、磁场等物理场域进行仿真和分析。计算机模仿和仿真技术的进展和商品有限元分析软件性能的不断提高为这种新技术在低压电器的应用创造了条件。70-80年代的有限元分析软件，前后处理工作十分繁锁，例如进行一台大型变压器的电场分析、输入各零部件的三维尺寸等原始数据，一般是几天甚至几个星期的艰苦劳动。进入90年代商品化的有限元分析软件都和可视化技术结合起来，用特征造型方式输入三维图形代替每锁的数据输入，使输入工作十分简便而直观，并且后处理部分使输出的数据或三维图形，方便地进行观察和分析。与此同时，随着解决复杂工程问题的需要，这种仿真和分析软件更扩展到流体动力学、机械振动和机构动力学等方面。目前，市场上已能提供各种精确的计算机仿真与分析软件，这类软件分成二种类型，一种是通用软件，另一种是专用软件，例如ANSYS（ANSYS公司）和NISA（EMRC公司）有限元通用仿真和分析软件属于第一类，这种软件都包括应力，温度场、电磁场和流场等分析模块，可以进行单种场域分析，也可进行综合场分析，例如计算熔断器的保护特性，首先要计算熔片中电流场的分布，然后是热特性的计算，这是电流场和瞬态热场计算的综合，专用软件是指用于专门的场合，如ADAMS软件用于机构动态分析，VACTOR　FIELDS软件专门用于各种电磁场问题的分析。这两种软件都有可视化的前后处理摸块，并且都有工作站和微机两种版本。近年来国外著名公司更是把特性的计算机仿真和分析看作是产品开发手段现代化的一个重要措施，如日本的富士公司在开发SC新系列接触器中，认为计算机仿真和采用新材料，是使新系列接触器性能达到高水平的关键，他们开发了一套对接触器可动部分动态仿真的软件系统，对接触器可动部分，包括铁心和触头系统进行了动态仿真，分析了各种参数对铁心及触头碰撞后的弹跳的影响，从而选择了最佳的设计参数，日本的三菱公司和德国金钟–默勒公司都以商品计算机分析软件为基础，通过二次开发建立自己的低压断路器设计和开发的计算机仿真系统。
　　 通过计算机仿真可获得产品设计的可行性方案，即保证设计方案满足所制定技术条件的要求，但尚不是经济技术指标最佳的方案，为了达到经济技术指标的最佳，这就需要把仿真技术和最优化方法结合起来。一些商品仿真软件，如上面提到的ANSYS软件就提供一系列优化工具，能自动调整设计对象的几何形状，使规定的目标达到最优。如德国著名的低压电器专家Lindmayer教授利用ANSYS软件，把磁场仿真和优化结合起来，改变铁心尺寸和线圈位置，实现了电磁铁的优化设计。
　　 计算机图形技术的发展，一种新的三维机交互式图形技术，即虚拟现实（Virtual　reality）技术的出现，给计算机仿真技术的发展，开辟了新的天地，虚拟现实与传统的交互式三维图形技术不同，后者操作者是在计算机外的现实世界操作计算机的图形，而前者则可让操作者进入计算机里的虚拟世界亲临其境地进行操作，把这种技术和计算机仿真相结合就可以在计算机内设计产品，这种产品我们称为虚拟产品，设计者可以在“虚拟”环境中对产品进行仿真和优化，这是计算机仿真技术的发展方向。长期以来，我国低压电器产品往往是把各研究所和工厂有关技术人员集中在一处，进行联合设计，这种方式使大多数设计人员脱离本厂的环境而造成诸多不便。90年代以来出现的计算机协同设计CSCD（Computer　Supported　Cooperative　Design）技术，可提供远程异地协同设计的环境，它是基于Internet而实现的一种群体设计的新概念，最近国外的计算机辅助设计软件如PRO/E和Internet等已新增了这方面的功能。依靠这种技术，人们可以在不同地点通过Internet共同讨论设计方案，绘制和修改设计图纸。
三、环保电器
　　 随着工农业的发展，环境保护问题日趋严重，这对大量使用的低压电器提出新的要求。低压电器中几近80%的材料是塑料，因而对这些材料来说，一方面要保证长的寿命和电器本身的工作可靠性，还应考虑环保要求，即无污染，并且可以回收。目前不含CFC或卤素的阻燃的塑料已得到推广和应用。
　　 长期以来由于AgCdO有较好的耐电弧侵蚀能力，因而在低压电器、特别是作为控制电器的触头材料得到广泛应用。但近年来由于AgCdO材料有毒，从环保要求出发，以AgSnO2代替AgCdO材料已经得到推广。但AgSnO2的触头温升过高，一直是一个关键技术问题。目前国际上一些触头材料生产厂都在研究如何通过加入添加剂来阻止触头表面SnO2膜的生成来降低触头温升。德国Degussa AG公司推出以WO3和BiO3两种材料复合作为添加剂的AgSnO2SPWIII新牌号材料，不但有与AgCdO相接近的温升，并且在抗电弧侵蚀及抗熔焊性能上较老的牌号AgSnO2材料有较大的提高。
　　 采用真空技术与电力电子技术是解决环保电器的重要途径。目前真空技术在中压开关领域已具统治地位，在低压开关领域近几年也有很大的发展。真空中不存在气体，在开断故障电路时仅能产生能量较少的金属蒸汽电弧，其强度、燃弧时间和对触头的烧蚀都比空气中少，因而真空开关是不需要维护的。从环保的角度来看，真空开关的触头系统是封闭在真空管壳中，触头开断时产生的电弧不会影响环境，因而它可以工作在苛刻的不利的工作环境下。在低压电器领域中，尽管它的价格比一般空气中灭弧的开关电器的价格要高，但它的优良性能和环保作用已越来越引起人们的关注。原先真空接触器一般用于特殊环境下，目前由于真空技术的进展、真空技术的应用已推广至通用的接触器。最近，德国金钟–默勒公司新推出的接触器系列，其额定电流580A至820A的规格采用了真空接触器。这种接触器有非常高的电器寿命，并且由于没有飞弧，需要的安装空间少，外壳的视窗便于观察触头的磨损情况。真空技术也应用于低压断路器，西门子公司于九十年代中期首先推出了3WS1真空低压断路器，其额定电流是630A至2500A，开断能力达50KA。目前国内研究单位和工厂也正积极开发这种产品，主要目标是提高其额定电流和开断能力。
　　 由于电力电子技术的发展，新型电子器件如GTO，GTR及IGBT等第三代大功率半导体开关器件的出现，固态无触点开关近年来也得到很大的发展。与机械式开关相比较，它是一种无电弧开关，因而它有很长的寿命，并且不需要维护，从环保角度来看，一方面因为没有电弧，不会因为电弧引起触头材料和塑料气化而污染环境，另一方面也不会因为环境污染而使触头上产生氧化膜而影响接触可靠性。由于没有触头，机械式开关因电弧的作用使触头发热现象也不存在，这样无触点开关的操作频率可达到很高，固态断路器由于工作过程中的损耗大，并且缺乏足够额定电压和电流的功率电子器件，加上体积大、价格高，因而限制了它的应用。但近十年来的研究工作使它的缺点逐步在克服，Takamu【2】提出了一种混合式固态断路器，它应用于400V的低压线路，主回路由可关断晶闸管GTO与真空开关并联组成，以保证在正常工作时由真空开关接通电路，以减少GTO的功率损耗。带灵敏继电器的固态断路器线路中应用了一种快速反应的过流保护，去降低短路电流对晶闸管GTO的过热作用，当线路发生故障时，过流继电器送出的信号同时打开真空开关和接通GTO装置，真空开关上出现的电弧电压把故障电流转移到GTO回路中。紧接着，GTO快速关断，使断路器开断故障电流，这种线路减轻GTO的负担取决于灵敏继电器的快速动作。另一线路由Brice【3】等提出，把混合式固态断路器与聚合物限流电阻PTC结合起来。PTC是一种具有正温度特性的热敏元件，其反应速度非常快，当温度上升至居里温度，它的电阻就急剧增大，以限制短路电流。带PTC的固态断路器，PTC限流电阻与GTO装置相串连，当开断故障电流时，依靠PTC的限流作用，减轻了GTO装置的负担。在以上两种固态断路器中，金属氧化物避雷器和吸收电路是用于吸收GTO通断时的过电压。
四、高性能、小型化与结构设计现代化
　　 由于城市电网的发展，配电变压器容量增大，对低压开关电器提出了高性能、小型化要求。为了提高低压开关电器的开断能力，国外公司提出了一些新的灭弧系统和限流技术，其中日本三菱公司在该公司发明的VJC技术基础上又提出了一种ISTAC技术。这种技术一方面通过导电回路的特殊布置来增加作用在动触杆的电动力，另一方面使用VJC材料形成的窄缝加强对电弧冷却作用。梅兰日兰公司则推出一种旋转式双断点的限流结构，并在前后级保护特性配合方面提出一种“能量匹配”的新概念。近年来，如上面已提到的PTC热敏限流电阻受到人们的极大兴趣，首先把这种限流电阻和塑壳开关串联使用，可大大增强限流效应，目前PTC电阻还可以单独作为限流器使用，并且应用范围已扩大到中压领域。
　　 开关电器小型化有两种含义，一方面是电器本身的尺寸要小，另一方面是减少喷弧距离或实现“无飞弧”以缩小安装这种电器的开关柜尺寸。三菱公司提出的新型接触器，在灭弧室出气口加装了用以压制热气流的多孔金属板，可以使喷出热气流的温度降低到原来的10%，我国新设计的S系列和TM30系列塑壳断路器及DW40框架断路器都已作到了零飞弧。
　　 对接触器来说，由于控制系统中电子器件增加，因而与PLC等电子器件的接口日趋重要，富士公司设计的新系列NEO SC系列中辅助触点设计成5V和3mA以与电子器件接口。接触器线圈节能技术近年来也有很大的发展，富士公司NEO SC系列接触器采用改进的超级电磁铁，不但保持原设计的节能和电源电压降低至极限值时能可靠工作的特色，并且能在保证50%额定电压时可靠吸合条件下，而在额定电压时较原设计的吸力特性有较大幅度下降，使吸反力特性得到良好的配合，从而使新系列接触器在吸合时，其冲击较原产品降低80%。改进后的超级电磁铁仍为一般电子控制，进一步发展为如上介绍的智能控制，用微处理器来控制电磁铁的动态特性。目前除金钟–默勒公司外，ABB公司也推出类似产品。
　　 当前低压电器在结构设计上广泛应用模块化、组合化、模数化和零部件通用化。模块化是电器制造过程大为简便，通过不同模块积木式的组合，使电器可获得不同的附加功能。组合化使不同功能的电器组合在一起，有利于电器结构紧凑，减少线路中所需的元件品种，并使保护特性得到良好的配合。模数化使电器外形尺寸规范化，便于安装和组合。不同额定值或不同类型电器实现零部件通用化，对制造厂商来说，将大大减小产品的开发和生产的费用；对用户来说，也便于维修和减少零部件的库存量。目前，低压电器结构设计的现代化有新的发展，ABB公司推出的新系列接触器产品提出低压配电系统一体化设计的新概念，新型的塑壳断路器面板上都有一个小门，各种功能模块通过这个小门可安装于操作机构两侧空余的间隙内，以缩小整个开关柜的体积。日本三菱和富士新系列的塑壳断路器把各种电流规格的产品设计成同一高度以利于开关柜的布置，施耐德公司的Masterpact从800A到3200A的产品采用同一个框架尺寸，这样不但便于安装，并且使零部件的通用性增强。人机工程的引入更使断路器的外观造型改变了过去单调的样式，变得明快和美观。西屋公司提出面板设计的“透明”观点，要求低压电器的面板要做到界面友好，所有在面板上的操作手柄、按钮和显示器要做到显而易见，并且对操作者安全可靠。