文/上海电器科学研究所（集团）有限公司

    低压断路器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。品种主要有万能式断路器、塑壳式断路器（配电保护、电动机保护）、漏电断路器、小断路器、真空断路器、直流快速断路器。一个制造厂ACB、MCCB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，低压断路器产值占低压电器总产值50%以上。我国漏电电器和小型断路器从上世纪七十年代开始发展，小型断路器在我国大量推广还是在上世纪九十年代以后。
　　
    万能式断路器、塑壳断路器从上世纪六十年代初开始先后开发了三代产品。低压真空断路器从上世纪九十年代末开始研制，完成了DK5-630～2500A系列真空断路器，已开始推广。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。直流快速断路器自上世纪八十年代末完成更新换代以后，由于使用场合不多至今没有进行新一代产品开发。本文重点分析万能式断路器、塑壳断路器与小型断路器现状与发展动向。
　　
    1回顾与现状
　　
    1.1万能式断路器

    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
    1978年完成我国第一个限流型万能式断路器DWX15-630
    1975年～1979年完成DW15-200、400、600系列
    1975年～1980年完成DW15-1000～4000系列
    1993年～1994年完成DW15C-1600、2500系列
    1986年～1990年完成DW16-630以满足接地保护需要
    1995年～1997年研制DW16-2000～4000，至此完成DW16全系列产品试制
    1998年～2000年完成DW15HH-2000～4000
    1991年～1998年完成DW45-2000、4000、6300系列
    2001年～2004年完成DW450-1600、DW50-1000
 
    上世纪八十年代引进德国AEGME系列、日本时崎公司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。
　　
    按行业发展史正规划分ACB开发了三代产品：
　　
    第一代产品DW10，第二代产品DW15（自主开发），引进ME、AH、3WE、AES。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为第二代二次开发产品。
　　
    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、上海精益、江苏凯帆、凯隆、浙江开关厂、正泰、德力西、天正等，生产企业超过100家。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。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。
　　
    1.2塑壳式断路器
 
    在配电系统中作为支路保护开关，MCCB可靠工作，既保证分支路用电可靠，又保证整个配电系统运行安全。产品量大而广，据统计MCCB与ACB产品台数比例约为40：1，其产值与ACB基本相当。产品结构较复杂，制造工艺相对要求较高。MCCB大批量生产稳定性与可靠性也能较好反映企业低压电器制造水平。
产品发展回顾如下：
    1957年测绘仿制前苏联产品，型号为A3系列。
    1957年～1960年自行设计试制DZ1系列
    1970年完成全国统一设计产品DZ10系列
    1980年全国统一设计完成DZX10系列
    1981年全国统一设计完成DZ15、DZ15L系列
    1990年完成更新换代DZ20、DZ20L系列
    1988年通过联合设计完成DZL25系列
    上世纪八十年代初引进H系列、TO、TG系列，其中TO、TG系列推广十分成功。
    1995年～2001年完成S系列，是我国低压电器行业发展以来研发的最庞大的低压电器系列产品。
    2000年对DZ10产品进行二次开发，完成SE系列（经济型）。
    2004年完成SA系列基本规格产品试制
　　
    常熟开关厂上世纪九十年代中期完成CM1系列，使我国标准型MCCB分断能力提高到50kA。是我国低压电器行业首次由一个企业独立完成重大系列产品开发并成功获得大批量推广，它极大鼓舞了低压电器行业自主开发新产品积极性。CM1和随后仿制的其它产品连同S、SA系列形成我国第三代MCCB。
　　
    目前产品三代同堂，DZ10系列虽已明令淘汰，但许多温州企业仍在变相生产，耗费大量材料资源。2008年MCCB生产总量约为2400万台。其中第三代产品比例按台数计为30%，按产值计为70%。生产企业超过500家，比较混乱。主要生产企业：常熟开关、正泰、德力西、浙江开关、杭州之江、上海人民、长征电器、天津百利、TCL、江苏凯隆、北京明日、苏州法泰、天正、环宇、华通、人民、长城等。
　　
    我国第三代MCCB以CM1、S系列为代表，相当于国外上世纪八十年代中期～九十年代初水平，其二次开发产品和SA系列相当于国外上世纪九十年代中、后期水平。少数优秀企业产品制造水平除自动装配线外，其它工艺装备与制造能力接近世界先进水平，大部分企业与国外相比仍有较大差距。
　　
    1.3小断路器
　　
    产品量大面广，年产量超过五亿极，其中70%左右用于国内市场，大部分用于终端配电与民用建筑，其产品质量涉及千家万户用电安全与人民生命财产安全。
　　
    上世纪八十年代初上海华通开关厂试制生产DZ12系列，年产量约为200万台。天津低压电器厂试制生产DZ13系列，产量不足百万台。由上海电科所负责设计试制的DZX19系列产品分断能力达10千安，由于工艺不稳定未批量生产。1988年天津市引进法国梅兰日兰C45小断路器并获得极大成功，从上世纪九十年代开始以温州柳市企业为主，大量仿制C45，开始批量生产DZ47产品。从上世纪九十年中后期开始国外著名MCB制造商大批进入中国市场。
　　
    目前国内企业生产的MCB绝大部分为DZ47，其水平相当于国外上世纪八十年代初水平。国内由上科所自主开发的DZX19、DZ30等产品由于各种原因没有投产，企业自主开发，投入批量生产的MCB产品几乎没有。国内生产MCB企业达数百家，大部分生产能力与工艺水平较低，全部采用手工装配、产品稳定性、一致性较差。部分优秀企业已采用自动检测线（含自动包装），但尚未采用自动装配线。国内主要生产企业以正泰、德力西为代表的温州企业占总量近80%。其它主要企业有上海良信、TCL、苏州法泰等。国外主要制造商施耐德、ABB、西门子、海格、罗格朗等均有国内生产企业。
　　
    2低压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。
    为了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。新一代塑壳断路器要求Icu=Ics，重点提高Ics。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。其中最主要的二个技术难点是设计可靠的卡住机构，又不侵犯专利，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。作者认为作为高性能MCCB产品双断点触头系统肯定是发展方向，是单独点结构无法比拟的。它使塑壳断路器具有更好的限流性能，更高的分断能力，较好实现了Icu=Ics。并为实现限流选择性保护，以及产品小型化、高寿命、高可靠、环保等创造了更好条件。
但是，作为经济型MCCB产品，考虑制造成本不宜采用双断点系统。因此，对新一代高性能MCCB如何合理构成系列产品是值得探讨的问题。传统的系列型式高分断型、较高分断型、标准型、经济型结构型式基本相同，在新一代MCCB中可能是不适宜的。
　　
    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）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）由于终端过电流保护用小断路器目前均为限流瞬动型，所以终端配电系统基本没有选择性保护。
　　
    （3）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。
　　
    （4）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，新一代低压断路器应达到以下要求：
　　
    ○1新一代ACB实现全电流范围选择性保护。
　　
    ○2新一代MCCB应具有限流选择性保护功能。
　　
    ○3开发具有短延时保护功能MCB。
　　
    ○4新一代ACB、MCCB均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、MCCB的发展趋向
　　
    （1）国外各大公司从2000前后陆续推出了新型ACB和MCCB，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。

 表1万能式断路器　

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）
ABB      Emax（New）	1600（E1）、2000（E2）、3200（E3）、4000（E4）、6300（E6）
寺崎     AR、AH系列	2000、3200、4000、6300、AH为船用
三菱     AE-SW系列	2000、4000、6300
GE       M-PACT系列	2500、4000、6300

    此外，俄罗斯、韩国、土耳其等国家也推出了新一代产品。

 表2塑壳断路器

施耐德   NS系列	80A、250A、630A、1600A、3200A
西门子   VL系列	100A、250A、400 A、630A、800A、1600A
ABB      Tmax系列	160（T1）、160（T2）、250（T3）、320（T4）、630（T5）、1000（T6）、1600（T7）
默勒     NZM系列	125A、250A、630A、1600A、2000A
三菱     WS系列	250A

  

    此外日本富士、俄罗斯、韩国、土耳其等国家也推出了新一代产品。
    （2）从2006年开始我国正式研发我国第四代万能式断路器（VW60系列）和第四代塑壳断路器（VM60系列）。预计2009年底至2010年上半年完成系列产品开发，从2010年开始将逐步推向市场。
　　
    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。
　　
    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
　　
    我国新一代MCCB：VM60-320体积不大于第三代200A壳架
　　
    VM60-630体积不大于第三代400A壳架。
　　
    （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）新一代塑壳断路器应逐步实现限流选择性保护
　　
    断路器分断时限流性能与选择性保护是相互矛盾的。如何使塑壳断路器既有良好的限流性能，又能实现选择性保护是该项技术关键。
　　
    ABB公司T系列是最早宣布实现限流选择性保护，
并宣称T7是世界上第一个真正实现1250A及以下选择性保护MCCB。还宣称采用PR223EF控制器将使断路器选择性与限流完美结合在一起。
　　
    PR223EF控制器特点：
　　
    ○1具有区域选择性保护功能
　　
    ○2确保故障快速分断，断开速度可以与限流电器相比。
　　
    ○3该控制器可以在300ms内检测短路电流，采用早期故障检测和阻断（EFDP）运算法则实现快速区域联锁。
　　
    施耐德NS系列MCCB也宣称能实现选择性保护。
　　
    关于限流选择性保护有以下几个问题需要探讨：
　　
    ○1限流选择性保护基本概念？
　　
    ○2限流选择性保护具体含义？
　　
    ○3实现限流选择性保护可以有多个途径。
　　
    ○4各类产品实现限流选择性保护水平是不一致的。
　　
    ○5我国新一代MCCB将逐步实现限流选择性保护。
　　
    （7）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。
　　
    （8）国外新一代断路器各类附件发展很快，进一步扩大了断路器功能。如西门子公司3VL系列MCCB产品带有大量内部和外部附件，且附件设计标准化。整个系列仅有二种规格附件，以400A壳架分界。外部附件除电动操作机构、插入式安装基座，各种操作手柄外，最新开发了柔性安装的联锁机构，安装灵活，尤其适合双电源系统。ABB公司Tmax安装与母线系统联结的灵活性、快捷性（不用电器栓），以及使用的兼容性、操作安全性等方面在MCCB产品中形成了全新的、革命性的理念。
    （9）B型剩余电流断路器技术取得了较大的发展。
　　
    最近几年ABB公司的Tmax系列、默勒公司NZM系列MCCB均派生了B型剩余电流断路器，一般采用拼装式模块结构。其特点是：
　　
    ○1对交流、脉动、直流剩余电流故障均能可靠动作。
　　
    ○2对各种不同频率交流故障电流可设定灵敏度。
　　
    ○3可以精确设置自诊断功能进行检验。
　　
    （10）发展新一代经济型塑壳断路器是低压断路器发展方向之一。如施耐德公司EZD系列、默勒公司NZM-C系列。力勒朗在意大利的公司也发展了新一代经济型MCCB，厚度为65mm。特别适合靠墙安装的“超薄型”配电柜使用，国内常熟开关厂制造有限公司也研发成功新一代经济型MCCB，其厚度也为65mm。
　　
    （11）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。
　　
    （12）发展超大容量ACB，壳架等级为7000～8000A。
　　
    （13）母线与产品安装一体化技术将成为MCCB主流连接方式。目前主要有二种方式。
　　
    ○1专门设计母线适配器（或称为母线连接器），作为MCCB产品附件一起提供给用户。
　　
    ○2由专业化生产厂进行标准化设计和专业化生产。
　　
    包括：标准化母线、母线固定件、母线绝缘罩壳、母线连接器等。额定电流从几百安培到几千安培，全部制成标准化配件供用户选用。
　　
    4国外小型断路器（MCB）发展趋向
　　
    （1）发展高分断能力MCB，措施主要是提高限流性能。
　　
    （2）发展带短延时分断功能的SMCB。
　　
    （3）MCB可选择的脱扣特性增多。
　　
    如ABB公司S800系列脱扣特性包括：B、C、D、K、KM、VCB、VCR等，以满足不同使用场合要求。
　　
    （4）DPN结构的MCB向大容量和高分断能力发展。
    （5）产品性能同时符合IEC、EN、UL等标准，以适应全球化贸易需要。
　　
    （6）配套附件进一步齐全，具有欠压、分励、报警、辅助触头、电操机构等。附件安装位置灵活多样。如辅助触头可拼装在MCB下方，以减小安装面积。
　　
    （7）产品进一步小型化，部分公司发展了12mm/1P产品。
    （8）安装与母排连接一体化技术也将成为MCB主流连接方式。