我国低压电器产品与技术发展课件

我国低压电器产品与技术发展

（培训教材之一）上海电器科学研究院何瑞华2013年3月第一页，共六十二页。目录第一部分低压电器现状与趋向一、行业面临的形势二、产品发展现状三、新技术发展现状四、低压电器发展趋向第二页，共六十二页。第二部分新产品开发与设计总体思路一、新产品立项二、新产品定位与总体目标三、产品方案设计

第三页，共六十二页。

第三部分配电系统过电流保护现状与发展一、过电流保护技术发展回顾二、过电流保护技术现状三、过电流保护发展趋向四、实现过电流保护新技术主要技术关键第四页，共六十二页。一、低压电器行业面临的形势1、2012年电工行业经济情况

根据1-9月统计，电工行业同期增长仅10%左右与以往10平均增长30%以上，回落达20%。低压电器行业1-9月份许多企业出现负增长，全行业整体持平，四季度有所回升，预计全年增幅在5%左右。可见电工行业快速发展期已经过去。第五页，共六十二页。2、2013年低压电器行业机遇与危机依然并存◆机遇

（1）2013年世界经济将逐步回升，我国经济将继续平稳发展，有利于低压电器行业发展。（2）电力工业发展速度虽处回落，但从长远看，我国电力工业还有巨大发展空间。我国人均用电水平2010年度相当于美国上世纪50年代水平相当于英国上世纪60年代水平相当于日本上世纪70年代水平预计十二·五用电量平均增长8.5%,按十二·五规划配电设备投资近1万亿。第六页，共六十二页。（3）低压电器老产品更换的需求量将每年递增15～20%（4）国家十二·五提出的创新驱动、转型升级有利于低压电器产业转型升级。低压电器行业大量生产的中、低档产品消耗大量原材料、消耗大量能源并带来高排放，不符合低碳经济要求。不转型将面临资源和环境的双重约束。（5）智能电网建设和新能源系统发展将给低压电器发展带来新的机遇。2011年～2020年将是我国智能电网建设主要时期，总投资约4万亿元.

第七页，共六十二页。（6）智能电器将迎来黄金发展时期，它将加速我国低压电器产品升级换代，随着我国第四代低压电器逐步推向市场，低压电器市场将重新分割。（7）2011年国家提出新一轮农村电网改造工程，五年内将投资5000亿。（8）近年来，轨道交通在全国大、中城市快速发展，将引发直流电器要求量快速递增。（9）新能源系统必将成为我国电力系统重要组成部份，它对电器设备与系统提出了很多新的要求，这一块市场有很大发展空间。第八页，共六十二页。（10）国外著名低压电器制造商不断提出的新产品以及新产品在中国市场推广一定程度激励国内优秀企业不断关注、紧跟、超越国外新技术、新产品发展。（11）我国低压新一代产品和相关新技术推广与应用必将引领低压电器行业新一代产品开发高潮。我国将逐步摆脱以仿为主的研发模式，逐步形成自主创新的新时代。第九页，共六十二页。◆挑战（1）我国低压电器科研与新产品投入明显不足，这里有企业家理念上的问题，也有低压电器利润率不断下降的因素。它将阻碍我国低压电器行业可持续发展。据统计国外著名低压电器新产品投入约占总销售额7%左右我国低压电器行业平均投入大约占总销售额1～2%这样投入要自主创新是难以实现的，只能采用跟随型发展。在当今时代跟随型发展模式是没有出路的。第十页，共六十二页。(2)我国低压电器制造成本上升势头不可逆转，它将带来一系列问题。a.我国企业制造成本不断上升，而外资企业随着产品的不断改进和零部件生产属地化，产品成本不断下降。二者差距不断缩小，给我国低压电器生产企业带来更大压力。b.随着制造成本上升，许多产品和企业已处于微利和亏损状态。企业加大新产品投入和技改投入十分困难，使国内企业发展后劲进一步削弱。c.为了维持一定利润、粗制滥造、产品质量不断下降，造成恶性循环。第十一页，共六十二页。（3）国外优秀企业利用其技术、产品、制造装备、资金、品牌优势给国内优秀企业带来冲击。在智能电网、轨道交通建设中很多设计院盲目选用国外品牌，使国内优秀企业新产品发展缺乏动力，即使有了好的新产品也难以推向市场。（4）国内垄断行业加入低压电器制造，使市场竞争雪上加霜，产品质量不断下降。第十二页，共六十二页。（5）低压电器行业生产企业众多，仿冒依然存在，价格竞争愈演愈烈。优秀企业遭遇外资企业和民营企业二头夹击。民营企业发展理念没有得到应有的提升，仍在中、低端产品上苦苦挣扎。企业转型难以实现。（6）随着市场经济发展的需要，我国低压电器研发模式发生了根本的变化。它既有好的一面，也带来一些问题。特别是零部件供应商和内、外部附件制造商新产品投入增加，造成生产成本增加并给生产带来极大不便。（7）随着低压电器增长速度放缓，企业发展思路、发展理念没有及时跟上，许多企业的困境难以解脱。第十三页，共六十二页。

二、我国低压电器新产品发展现状◆发展现状1.我国第三代低压电器主要是在上世纪九十年代开发总体水平达到国外上世纪八十年代至九十年代初水平2.国外优秀企业从上世纪九十年代中期开始相继推出新一代产品。产品性能、功能上又有很大提升，产品结构又有新的突破，体积更加小型化。而且新一代产品均带有通信功能，智能化功能更加强大，系统向网络化发展。

第十四页，共六十二页。3、进入新世纪我国低压电器行业取得了新的发展（1）从2000年开始以上海电器科学研究所、常熟开关制造有限公司、江苏万龙集团为代表开展低压电器可通信、网络化研究、实现第三代主要低压电器可通信，以及配电系统网络化。（2）从2004年～2009年上海电器科学研究所联合低压电器行业8家优秀企业完成我国第四代第一批四大系列产品开发工作。行业资深专家和领导一致认为产品总体水平达到当代国际先进水平，部份技术与产品指标达到国际领先水平。开创了我国低压电器自主创新的新时代，是我国低压电器发展史上新的里程碑。第十五页，共六十二页。（3）从2008年开始紧跟国内外智能电网发展思路与要求，以上海电器科学研究所为首提出了智能电网用户端发展思路与设想并开展了一系列基础技术研究。

通过上项工作，我国低压电器可通信、网络化技术、智能电网用户端技术基本跟上国外发展潮流。目前，低压电器产品及相关技术发展能跟上我国智能电网发展要求。我国低压电器优秀企业正在考虑并开展适合自己企业特点和发展要求的新一代低压电器产品。一般企业在现有第三代产品基础上改进、完善成为企业新一代产品第十六页，共六十二页。4、国外著名低压电器制造商根据自身发展需要以及中国新产品发展情况，不断改换产品，在产品上作局部改进和性能上局部提高并推出新的型号。国内企业根据新产品情况，也不断作出改进，试图跟上外企发展。实际上是相互跟随，相互促进。

◆国内外产品比较及差距(以万能式断路器和塑壳断路器为例)1）目前国内外产品性能与功能上相比没有明显差异。从满足配电系统要求角度，国内优秀企业产品完全能满足需求。从产品结构上看各有特色。2）国内产品外观与国外产品有一定差距，但是目前国内优秀企业在开发新一代产品时已十分注意产品外观设计与制造，相信这一差距将逐步缩小。第十七页，共六十二页。

（3）国内大部分企业低压电器制造装备、装造工艺相对落后，产品价格较为便宜。所以产品性能一致性、可靠性与国外产品存在较大差距。（4）国内优秀企业在制造装备与制造工艺已获得长足的进步，但与国外优秀企业相比，按照先进制造业要求存在一定差距，特别是在自动装备技术、自动检测技术及相关装备尚有较大差距。优秀企业产品质量与国外企业差距不大，完全能满足我国国民经济发展需要。第十八页，共六十二页。三、我国低压电器新技术发展状况1.低压电器产品发展与新技术及相关理论研究息息相关（1）我国低压电器经过五十多年发展，在基础理论研究方面基本跟上产品发展需求。多年以来，国内外在基础理论研究方面虽有不少成就，但没有突破性进展。（2）随着低压电器相关新技术、新材料、新工艺、新结构不断发展与应用，低压电器产品在不断进步中，平均每15年形成新一代产品，低压电器发展从来没有停止过。（3）上世纪七、八十年代低压电器相关技术获得一系列进展从而诞生了一批新型电器，如限流电器、真空电器、剩余电流保护电器、终端电器、CPS、双电源自动转换开关等，这些新型电器发展基本上跟上国外发展潮流。（4）近年来电子技术、微处理机技术、通信技术、智能化、网络化技术发展与应用给低压电器发展注入了新的活力，低压电器功能已发生了质的变化。第十九页，共六十二页。2.最近十多年低压电器相关新技术发展与应用情况（1）智能化、可通信、网络化技术a.国外智能化电器诞生于上世纪八十年代，我国1995年完成了我国第一个系列智能化断路器，三年以后投放市场并取得极大成功。b.国外低压电器可通信、网络化应用从上世纪90年代中期开始。我国从上世纪末开始跟踪研究，并在本世纪初开始获得应用。c.目前智能化、可通信、网络化技术已跟上世界发展潮流。第二十页，共六十二页。（2）大电流分断技术目前我国万能式断路器极限分断能力已达到80～150KA

塑壳断式断路器极限分断能力已达到150KA

万能式断路器短时耐受电流也达到80～135KA均达到国际先进水平，并掌握了相关核心技术。（3）低压配电系统过电流保护新技术（全选择性保护技术）●全电流选择性保护●区域联锁技术●限流选择性保护技术●小型断路器选择性保护技术本项技术已全面掌握，研究深度不低于外国公司，但尚未在我国低压配电系统中推广。第二十一页，共六十二页。

4.低压电器现代设计技术●低压电器设计三维造型●虚拟样机技术●低压电器仿真设计断路器操作机构仿真断路器电动斥力与气动斥力仿真低压电器发热、温度场仿真电磁系统仿真等第二十二页，共六十二页。5.低压电器现代测试技术●模拟大电流试验技术●电弧运动快速测试技术●灭弧室压力测试技术●电动力测试技术●区域联锁试验技术●通信功能测试技术●可靠性测试技术●模拟雷电过电压测试技术这两项技术取得的成果，为我国低压电器自主创新研发、设计提供了必要的手段。为我国低压电器从中国制造到中国创造过渡提供了必备的条件。第二十三页，共六十二页。6.智能电网用户端关键技术研究与应用除可通信、智能化技术外●故障预警技术●过电流保护新技术●新能源投切技术●直流保护技术●新能源系统过压保护第二十四页，共六十二页。7.低压电器系统集成整体解决方案技术研究①低压配电系统、智能配电系统典型方案研究②配电系统低压断路器选用及过电流保护整体解决方案③双电源系统整体解决方案④配电系统包括新能源系统过电压保护方案⑤电动机控制与保护整体解决方案上述低压电器诸多新技术发展将不断完善、提高低压电器产品性能及综合技术水平并引发各种新型电器诞生。第二十五页，共六十二页。我国低压电器相关新技术的研究与应用从总体来说基本跟上了国际上发展潮流，特别是低压电器本体相关技术没有明显的差距。在电子技术研究与应用上以及系统整体解决方案上尚有一定差距。如：智能控制保护器专用芯片研究与应用；小型化、高精度互感器；新型传感器；检测技术及相关仪器；高精度测量技术等等。国外大公司在系统整体解决方案上走在前面。第二十六页，共六十二页。四、我国低压电器发展趋向1、低压电器概念发生变化

智能电网用户端电器设备是低压电器的扩展与延伸。

它是指从变压器到用电设备之间对电能进行传输、分配(配电)、保护、控制、质量监控、电能管理等所有设备和系统。包括分布式能源（光伏、风电等）系统中保护与控制以及投切电器设备，它是低压电器概念的扩展与延伸。第二十七页，共六十二页。

2、低压电器新产品发展思路将发生重大变化，从单一产品设计转变为从系统应用和发展角度去考虑低压电器如何发展。例：新一代小容量交流接触器设计时必须与电动机保护断路器、热继电器、电子式过载继电器设计一并考虑，便于形成各种组合电器。第二十八页，共六十二页。3、全选择性过电流保护与系统智能化、网络化是低压配电与控制系统发展必然方向，它使低压电器业务模式，包括销售模式将发生根本改变。从单一产品为主的业务模式逐步转变为系统整体解决方案，根据系统整体解决方案，选用相应参数、功能、性能要求的低压电器使系统更简洁、更协调、更安全、更可靠。第二十九页，共六十二页。4.智能电网用户端低压电器产品将采用统一的平台和标准。随着各类智能化电器不断诞生，功能不断强大，当配电系统中各类智能电器集中使用时会出现功能重叠，不仅造成功能上浪费，还会由于性能上不协调造成保护不可靠，甚至形成故障。第三十页，共六十二页。5.低压电器继续向高性能、小型化、智能化、多功能、高可靠、绿色环保、系列简洁方向发展，以更好满足系统发展需要。（1）满足超大容量配电系统配套要求（2）满足智能电网发展要求（3）满足全选择性过电流保护要求（4）满足双电源系统配套要求（5）满足电动机保护与控制一体化要求第三十一页，共六十二页。6、低压电器高端制造技术与装备将成为优秀企业下一步发展重点在低压电器产品新技术不断得到应用、产品结构不断优化，产品功能不断增加，产品性能不断提高的同时，如何保证新产品性能一致性与可靠性。同时，在劳动力成本不断上升的今天，如何采用自动生产线包括自动化零部件制造、自动化部件装配线、自动化整机装配线、自动化性能检测线，直至采用数字生产车间。第三十二页，共六十二页。7、开发新一代大众化产品已引起大家关注（1）产品性能满足70%左右使用场合（2）产品基本功能齐全（3）产品实现小型化节材（4）不降低产品可靠性（5）追求高性价比、低成本第三十三页，共六十二页。8、每个企业根据自身定位，梳理现有产品，调整产品结构，确定2-3个层次产品。除专有用途产品外，每个层次产品一般以1-2个系列产品加必要的派生产品为好，产品系列不宜过多。第三十四页，共六十二页。第二部分新产品开发与设计总体思路一、新产品立项1、发展回顾我国第一代产品（1960年~1975年）立项思路：根据当时国民经济发展对低压配电与控制系统要求确定。我国第二代产品（1975年~1990年）立项思路：①更新换代产品主要技术性能达到国外上世纪七末八初水平②满足国民经济发展，特别是低压配电系统发展需要③产品全面符合IEC标准第三十五页，共六十二页。我国第三代低压电器立项思路：①跟踪国外低压电器新技术、新产品发展动向。②要求第三代产品性能达到国外上世纪八末九初水平。③低压配电系统发展对低压电器新要求为此提出开发高性能、小型化；电子化、智能化；模块化、组合化新一代低压电器的设想。第三十六页，共六十二页。我国第四代低压电器立项思路：①从产品发展和不同层次市场需要考虑②跟踪国外新产品发展和市场竞争需要③为了适应低压配电系统向智能化、网络化发展需要④使低压电器符合环保要求⑤适应低压电器新工艺发展要求第三十七页，共六十二页。2.企业新产品立项建议遵循以下原则：①根据企业发展战略要求②市场需求与市场竞争角度③国内外低压电器新技术、新产品发展动向④从系统发展角度考虑第三十八页，共六十二页。二、新产品定位与总体目标

◆产品定位1.技术水平定位，一般可分为高端、中高端、中低端三个层次2.市场定位，一般可分为高端、中高端、大众化三个市场3.成本定位，也可分为高、中、低三个档次产品技术水平定位与市场定位一般是统一的，有时可以不统一；高端市场不一定都采用高技术指标、高技术水平产品；高端市场对产品可靠性、一致性及外观质量要求必须是高的，产品价格也可以高一些；产品成本定位与产品技术水平定位和市场定位密切相关第三十九页，共六十二页。◆新产品目标，指新产品总体设想1.确定新产品规格、品种，包括派生系列、附件等2.确定新产品主要参数，主要技术性能指标、产品功能3.提出新产品可靠性要求4.建议新产品成本目标5.与国内外同类产品的差异与亮点第四十页，共六十二页。◆新产品亮点1.规格、参数与系列完整性主要考虑能更好满足市场需求，以ACB为例2.技术性能、功能上亮点以第四代ACB为例，短路性能、寿命、保护特性等，3.结构上亮点结构创新是新产品主要亮点之一，也是新产品主要特点之一。低压电器性能与功能上提升主要借助新技术的应用与结构创新。它是低压电器技术进步和水平提高的重要体现。结构创新不是为创新而创新（以MCCB附件为例）它是为产品性能与功能的提升服务，或为制造工艺水平提高服务（如何满足自动生产需要）第四十一页，共六十二页。新技术应用与结构创新几个典型例子：（1）智能控制器应用诞生了我国第一代智能电器（2）真空灭弧室的应用诞生了低压真空电器（3）剩余电流检测与保护技术的应用诞生了剩余电流保护电器（4）部件、附件模块化结构使产品多功能组合更为方便（5）MCCB双断点触头灭弧系统应用使新一代MCCB分断能力与限流性能大幅度提升第四十二页，共六十二页。（6）新型独到的辅助回路设计使小型断路器首次具有选择性保护功能（7）电动力补偿和多个触头并联提高了断路器短耐能力（8）基于电子技术的控制保护器使CPS产品进一步小型化（9）区域联锁技术的应用为配电系统实现全选择性保护创造了条件（10）通信技术与现场总线技术应用为低压电器实现可通信与低压配电系统实现网络化奠定了基础第四十三页，共六十二页。4.产品使用与维护方面的亮点低压电器产品使用与维护方便是低压电器重要亮点之一，使用和维护方便。通常借助于结构上改变与创新。如产品结构模块化不仅为低压电器多功能组合带来方便，并使产品附件的更换和维修十分方便。断路器结构上应考虑触头参数调整、保护特性可调，产品易损件更换方便等等。第四十四页，共六十二页。5.产品造型与外观设计上亮点我国第一代到第三代产品在造型与外观上很少下功夫，近年来国内优秀企业已十分重视这项工作如：有的企业按不同档次产品线设计不同风格的外形有的企业设计具有自己特色的产品外形有的企业按不同产品设计各具特色的外形低压电器产品造型与外观设计已引起行业普遍关注，成为亮点之一。第四十五页，共六十二页。产品总体目标及实施方案，以第四代塑壳断路器为例。（1）少规格、便于生产管理、降低研发、制造成本（2）产品性能有明显提升，大幅度提高Ics，达到当代国际水平（3）为提高市场竞争力，机电寿命在IEC标准基础上有明显提高（4）具有一定限流选择性保护功能第四十六页，共六十二页。（5）产品进一步小型化，新一代160A壳架外形尺寸≤第三代100A，320A壳架外形尺寸≤第三代200A,630A壳架外形≤第三代400A（6）产品部件、附件模块化水平较第三代产品相比有明显提高（7）产品可靠性水平有量化要求（8）主要材料应符合环保要求（9）产品智能化功能较第三代产品有明显扩展，能满足智能电网要求第四十七页，共六十二页。

三、产品方案设计1.总体结构方案（1）产品主要部件布局方式、平面布置、立体布置（2）大容量产品采用中容量产品拼装还是整体式结构以大容量ACB、真空接触器产品为例（3）从系统角度与其它产品配套要求考虑产品结构，以小容交流接触器为例……第四十八页，共六十二页。2.产品主要部件结构方案（1）触头灭弧系统a.采用空气式还是真空式b.采用栅片灭弧室还是纵缝灭弧室c.触头系统采用单断点还是双断点d.双断点触头是转动式还是直动式e.触头是否需要多回路并联f.是否需要电动力补偿第四十九页，共六十二页。（2）电磁系统方案设计

a.电磁系统类型选择空气接触器一般选用交流磁系统真空接触器一般选用直流磁系统

b.对于高限流性能电器如CPS采用快速动作电磁系统

c.对于中、大容量交流接触器可采用节能型电磁系统

d.节能型磁系统可以采用交流启动、直流保持；双线圈磁系统采用电子线路转换；永磁系统等等。第五十页，共六十二页。（3）操作机构方案操作机构是低压电器关键部件之一，对ACB、MCCB、MCB、ATES、CPS等产品操作机构设计水平，很大程度上决定了产品水平、性能及可靠性。操作机构方案创新是低压电器结构创新重要组成部分。借助仿真技术对机构运动及各部件受力分析设计具有自主产权，有特色、有创新的新机构。如双断点MCCB触头卡住机构，以及双断点触头自动平衡机构等。第五十一页，共六十二页。（4）控制器方案控制器按其功能一般可分为三档：基本型、多功能型、高级型。以万能式断路器为例：基本型只带有三段过流保护、接地保护。多功能型除基本功能外，还有附加保护功能、扩展功能、电参数测量与显示功能、维护与自诊断功能、故障记录功能、通信功能。对高级型除上过功能外，还可带有故障预警、寿命指示及智能电网其它要求，显示屏一般采用彩屏。产品选用哪一类控制器由市场需要、产品定位及产品成本等因素决定。第五十二页，共六十二页。第三部分配电系统过电流保护现状与发展一、过电流保护技术发展回顾

第一阶段1980年以前基本不具备选择性保护特征：1、变压器容量较小、一般不大于1000KVA2、变压器保护主开关、额定电流≤2500A

最大工作电流1600A短路分断能力30KA3、ACB没有短延时功能，基本不具备选择性保护

4、MCCB分断能力较低，不能满足支路短路电流时需配用熔断器第五十三页，共六十二页。第二阶段1980年~1997年实现局部选择性保护特征：1.变压器容量增大到2000KVA2.变压器保护主开关额定电流达到4000A

最大额定工作电流3200A分断能力50-65KA3.ACB具有三段保护特性，开始具有选择性保护

4.MCCB分断能力提高，基本满足配电系统分支路短路保护要求。第五十四页，共六十二页。第三阶段1998年~至今保护功能进一步完善特征：1.变压器容量进一步增大，出现2500、3200、4000KVA2.变压器保护主开关向超大容量发展6300A、7500A

分断能力80KA~120KA（135KA）

3.具有智能化保护功能

4.MCCB分断能力进一步提高50~80KA（100KA）第五十五页，共六十二页。二、过电流保护技术现状基本满足低压配电系统过电流保护要求，但是从配电系统安全、可靠角度看，目前过电流保护是不完善的。主要问题1.终端配电系统基本没有选择性保护2.配电系统选择性保护仅在短延时范围内3.实现选择保护时间较长（1s）4.对系统成套设备、断路器动、热稳定要求较高5.不利于成