論經濟型CKW60-2000智能型萬能式斷路器研發

文／江蘇新洛凱機電有限公司 倪文元

0 引言

如何緊貼市場審時度勢開發出適銷對路產品，是每一個企業夢寐以求的目標。筆者認為應從社會和企業發展的角度出發才能高瞻遠矚，繼而研發出受市場青睞的產品。筆者想通過自己多年來的實踐拋磚引玉，從以下幾個方面與業內行家共同探討。

1 市場分析及產品的發展趨勢

1.1 節約資源利國利民

生產斷路器產品的原材料銀、銅、鋼等都是不可再生資源，并非取之不盡用之不絕。它們在斷路器產品的原材料成本中占70%以上，因此，在產品設計中節省銀、銅、鋼材料是企業節本增效的有效方法。國家倡導建設一個資源節約型和環境友好型社會符合國民利益。一個有社會責任心的技術人員應本著可持續發展的精神，把節省原材料落實到設計工作的每一個細節中去。

1.2 農村需要大量性價比高的經濟型產品

中國是一個發展中的農業大國，農村城市化和改變農村落后面貌是國家發展經濟的長期戰略目標；為保持糧食穩產高產政府將加大對農田水利基礎設施建設的投入，這些都離不開電力工業的發展，同時也給電器制造業提供極好的機會。溫家寶總理明確指出，要讓農民用上電、用好電并在此基礎上逐步降低電價。這就涉及到一個農網改造的問題，農村地區經濟欠發達，能投入的資金相對有限，因此需要大量性價比高的經濟型低壓斷路器產品來支持農網改造工作。

1.3 開發有自主知識產權具備原創性技術的經濟型低壓斷路器

近年來隨著原材料價格的一路飆升以及工人工資的提高，企業生產成本和人工成本大幅提高。由于生產低壓斷路器的企業眾多，供大于求，再加上產品嚴重同質化、單一化，導致價格競爭成為銷售的主要手段，造成企業成本的上升無法通過價格傳導機制向下游轉移。而國外著名的低壓斷路器制造商則利用其品牌、技術、產品以及精湛的工藝制造水平和雄厚的實力優勢在占領高端市場的同時，采用合資和兼并國內企業的策略，使零部件生產本土化來降低生產成本，把產品向中低端市場滲透。在雙重夾擊下，除少數國內優秀品牌企業能獲得較好利潤外，多數整機生產企業經營困難，面臨生存危機。如何應對生存與發展的嚴峻局面，一種是緊盯國外產品，繼續走仿制與模仿之路，這不失為是一種解圍方法。但并非良方，很難擺脫重蹈同質化的覆轍。另一種是走自主創新之路，走在行業前沿研發具有本土特色符合國情，有自主知識產權并具備原創性技術的經濟型低壓斷路器。

1.4 經濟型斷路器應具備高性能、小型化、智能化、網絡化，可通信特點

目前市場上在20世紀80年代研發的DW15系列和以國外引進的ME系列框架式斷路器作為第二代產品，由于其價廉在中低端市場還占有相當份額，與現在的第3、4代產品相比，其技術含量較低、體積龐大、消耗資源多，耗材耗能。過電流脫扣器為傳統的電磁式結構，動作值精度低。而ME斷路器僅有二段保護功能，使選擇性保護受到限制。顯而易見，第二代斷路器產品缺少進入智能電網用戶端的必備條件。而生產這些產品的企業由于生產成本高。銷售價格低，基本無利可圖。多數企業已將此類產品列入淘汰之列而停止生產。第二代斷路器產品逐步退出市場是歷史的必然。所騰出的空間，必將讓位于能進入智能電網運行，具備第3、4代低壓電器產品高性能、小型化、智能化、網絡化，可通信特點，而售價又為中低端用戶接受的經濟實用型斷路器產品。

2 經濟型斷路器產品的研發

2.1 制定合理的技術性能指標

筆者長期從事低壓斷路器產品的研發工作，熟悉框架式斷路器的性能特點，了解下游產品對斷路器的使用要求。認為對產品的技術性能指標應作客觀分析，刻意追求高指標，易造成資源浪費，增加產品成本。但原則是斷路器的技術性能指標應高于使用場合的要求，確保配電網絡安全、可靠，正常運行。

2.2 產品應小型化

斷路器產品小型化是低壓電器技術發展和進步的體現，也是實現低壓成套開關設備和控制設備小型化的需要。現代化城市建設使得電網容量不斷擴大，土地資源日趨緊張，迫切需要小型化的低壓配電裝置。體積小又具有特色的斷路器產品，既滿足了市場需求又能節約寶貴的社會資源，為企業降低原材料成本創造良好的經濟效益。怎樣實現框架式斷路器小型化？筆者認為抑制過剩性能指標，細分殼架等級是行之有效的方法之一。

2.3 產品的機械結構應簡單可靠

框架式斷路器產品的機械結構在滿足性能要求的前提下，應力求簡單可靠。復雜的結構不僅增加制造難度和產品成本，而且影響產品的可靠性。

2.4 經濟型CKW60系列智能型萬能式斷路器

遵循上述開發思路，通過多年的不懈努力我們研發成功了經濟型CKW60系列智能型萬能式斷路器。該系列目前共有三個殼架等級電流，分別為:CKW60-2000、CKW60-1250和CKW60-630。該系列產品具有自主知識產權和原創性技術，迄今為止已被國家知識產權局授予發明專利1項、實用性專利9項，授予外觀專利2項。特別是最近研發完成的CKW60-630智能型萬能式斷路器，填補了630A殼架等級電流新一代智能型產品的國際國內空白。它既能作為中小企業及廣大農村配電系統的低壓開關柜作受電斷路器，又能在大容量低壓開關柜中替代塑殼斷路器作饋電斷路器，是智能電網用戶端實現全范圍全電流保護的理想產品。下面就節約資源型代表產品CKW60-2000智能型萬能式斷路器的研發與大家共同探討。

3 CKW60-2000智能型萬能式斷路器的研發特點

3.1 先進的短路特性指標

CKW60-2000智能型萬能式斷路器的額定電壓為交流400伏最大額定電流為交流2000安，作為配電電器在低壓配電系統中能與低壓側額定輸出電流小于2000安的變壓器配套作主斷路器。容量為1250千伏安變壓器在交流380伏時的額定電流為1804安，其三相最大短路沖擊電流為63千安，只要斷路器的短路分斷能力大于等于63千安，就能保護變壓器安全運行。因此，將CKW60-2000智能型萬能式斷路器重要技術性能指標額定極限短路分斷能力Icu定為65千安。由于短路處存在電阻，即使在最極端情況下三相短路時其短路電流也達不到最大值，所以65千安的額定極限短路分斷能力已有足夠余地。將額定短路耐受電流Icw定為1秒50千安符合低壓開關柜容量等級的要求，便于低壓開關柜設計時選用。

表1列出了國內外同類規格低壓萬能式斷路器（抽屜式三極）的短路特性。

從表中數據可以看出與國外同規格斷路器相比CKW60-2000斷路器的短路特性指標是毫不遜色的。ME系列萬能式斷路器是我國引進德國技術生產的產品，它的觸頭系統是以框架等級1中1600安為一個基本單元。ME-2000屬框架等級2，觸頭系統由兩個基本單元并聯為一相而成，體積龐大不具可比性。ME-1605為ME-1600的增容產品，其過電流脫扣器為電磁式結構，動作精度低，且僅有二段保護，只能用于要求較低的場合。

圖1 CKW60-2000抽屜式斷路器

圖2 CKW60-2000固定式斷路器

DW15C-1600及DW15-2500（僅有固定式）框架式斷路器雖具備三段保護功能，但其電子式過電流脫扣器為早期分列電子元件制成，可靠性差，分斷指標低，早應列入淘汰之列。DW15HH-2000斷路器由于自身優勢并不明顯，目前僅有少數企業在生產。

與目前市場上主流產品DW45-2000萬能式斷路器相比，CKW60-2000智能型萬能式斷路器的短路特性指標中，除額定極限短路分斷能力稍低外其余指標是并行的。當然，如前所述它完全能滿足使用場合的要求。

因此，CKW60-2000智能型萬能式斷路器的短路特性指標，既考慮了先進性又兼顧了經濟實用的原則。

3.2 斷路器的小型化設計

框架式斷路器屬于低壓電器元件，它的使用對象主要是低壓開關柜,要實現低壓開關柜小型化，首先安裝在柜內的低壓電器元件必須縮小體積。框架式斷路器是低壓電器中保護功能最完善結構最復雜的產品，它的小型化設計涉及面寬難度大，是一項復雜的綜合技術。筆者通過對國內外同類框架式斷路器性能及結構綜合對比分析，結合前期已研發框架式斷路器的成功經驗，在確保性能的前提下，從節約資源塑造經濟型產品著手。

（1）選擇合適的動觸頭并聯回路數。斷路器的寬度取決于相間距離，而相間距離與觸頭并聯回路數相關。目前國內主流框架式斷路器觸頭系統的結構，主要采用單檔觸頭多回路并聯的型式。與利用回路電動力補償的結構相比，它具有結構相對簡單省材的優點。但是，為了克服電動斥力，只能通過增加觸頭回路數及加大主觸頭彈簧壓力來解決。由于寬度和結構的限制使得主觸頭彈簧高徑比大，穩定性差，影響電動穩定性。CKW60-2000斷路器觸頭系統的設計，綜合考慮動觸頭并聯回路數和主觸頭彈簧穩定性的關系，通過對短路電流電動斥力計算和分析，適當減少觸頭并聯回路數降低觸頭彈簧高徑比，提高了彈簧壓力穩定性，使兩者兼顧滿足了電動穩定性要求。

（2）優化結構設計縮短導電回路。抽屜式斷路器的導電回路由進線母排、橋形觸頭、本體母排、靜觸頭、動觸頭、導電板、軟聯接、出線母排組成。通常小型化設計會增加導電回路單位截面載流量，使回路電阻增加，從而影響斷路器的溫升。CKW60-2000斷路器導電回路的設計抓住兩個要點:a.減少導電件間接觸源；b.在接觸處增加接觸面積。通過優化設計的方法，在單位截面載流量不變的情況下，縮短了導電回路的長度，使體積縮小節省了銀銅材料，降低成本，溫升符合GB14048.2標準要求。

（3）量體裁衣物盡其用。DW45-2000斷路器額定電流從630A至2000A為同一殼架，因此，設計時只能就大放小，對于額定電流小的斷路器易造成資源過剩，體積大經濟性差，在市場上只能以微利或無利銷售。CKW60系列智能型萬能式斷路器，額定電流從200A至2000A細分成三個殼架等級。發揮本公司設計和制造能力強的優勢，筆者根據各自的受力特點，在結構作了相應的變化，分別設計了三個不同的操作機構。操作機構規格間的體積比約為80%。由于是量體裁衣針對性強資源得到充分利用，機構的操作可靠性高、體積小、省材，經濟性好，為斷路器的小型化設計奠定了基礎。

表1 國內外同類規格低壓萬能式斷路器短路特性對比

表2列出了國內外同類規格低壓萬能式斷路器外形尺寸及性能對比。

從表中數據可以看出CKW60-2000智能型萬能式斷路器與國內外同類萬能式斷路器相比，不僅性能先進體積也占有明顯優勢，是實現低壓開關柜小型化的理想產品。

3.3 產品的可靠性設計

提高斷路器產品的可靠性是提高斷路器產品質量的重要途徑。據統計，產品設計的好壞對工作可靠性程度的影響約占各種影響因素的40%左右。因此，提高斷路器產品質量首先應從可靠性設計開始。衡量產品可靠性用可靠度Rs，它等于各零件可靠度Ri的乘積。

式中 n——組成產品的零件數

假設一個斷路器產品所有零件的可靠度都等于0.999，則當n為不同數量時，斷路器可靠度Rs的數值見表3。

從表中數據可以看出斷路器的可靠度Rs與斷路器零件數量成反比。因此，用簡單的機械結構來達到斷路器性能要求是可靠性設計的關鍵。本人將這種設計理念貫穿在整個斷路器設計工作中，并得以證實。以抽屜式斷路器抽屜座的設計為例作一探討。

（1）常見的導軌機構不僅結構復雜零件多，同時耗用有色金屬，制造加工困難，成本高。CKW60-2000抽屜座的導軌機構，由本體上一副冷沖件導軌，和抽架上一對方鋼導軌，再加上鎖扣附件組成。以較少的零件，實現相同的功能。具有結構簡單、功能可靠、加工方便，成本低的特點，提高了可靠性。當然，已有專利予以保護。

（2）斷路器本體在抽屜座中分離、試驗、連接的位置由指針指示。CKW60-2000抽屜座的位置指示由常見的導桿、滑塊構成，由于改進了設計提高了指示的準確度，結構簡單，操作方便可靠。有的斷路器出于市場定位及避免同質化，增加了位置鎖扣裝置。更有甚者，由于缺乏對斷路器功能內涵的理解，在一般斷路器也裝上此類裝置，為規避他人專利搞得零件繁多結構復雜，為了安裝不惜影響主體零件強度，造成操作麻煩可靠性差的弊端。

表2 國內外同類規格低壓萬能式斷路器外形尺寸及性能對比

表3 斷路器可靠度Rs與斷路器零件數量的關系

4 CKW60智能型萬能式斷路器是DW15和ME框架式斷路器更新換代的最佳選擇

由于設計方向明確并采取了有效的設計方法，CKW60-2000智能型萬能式斷路器與目前市場上同類、同規格主流產品DW45-2000/3抽屜式斷路器相比，具有以下明顯優勢:技術性能指標基本一致，主要原材料用銅量節省35%，體積縮小37%，同時節約了大量黑色金屬。從表1和表2清楚地表明與DW15C-1600及ME-1605框架式斷路器相比, CKW60-2000智能型萬能式斷路器不僅技術性能優良，而且體積大幅縮小，具備良好的經濟性，是不同時代的兩代產品。它能進入智能電網運行，具備第3、4代框架式斷路器高性能、小型化、智能化、網絡化、可通信特點；它突出的經濟性是農網改造質優價廉的首選品種。CKW60智能型萬能式斷路器已形成系列化，殼架等級計劃再向上延伸。因此，它具備全面替代DW15系列和ME系列框架式斷路器的條件，是更新換代的最佳選擇。

CKW60-2000智能型萬能式斷路器作為一個新概念經濟型框架式斷路器，它的研發歷經坎坷歷時近三年時間，從設計試制驗證到改進再驗證經過多次反復，于2009年順利通過國家3C認證型式試驗并取得證書后面市。作為產品的主創設計人員感到欣慰的是，由于該產品的性價比高，產品定位符合中國國情，有較強的市場競爭力，它已經逐步被市場和同行認可。2010年它的銷量同比增長640%，2011年比2010年增長28%，同時與國內多家企業進行技術轉讓和合作。在發展自己的同時為不具備產品開發能力的中小型企業提供了幫助，推動了行業的發展。

5 結語

雖然，CKW60-2000智能型萬能式斷路器得到了市場和同行的肯定，但對它持續完善和改進工作始終沒有停止過，它配置了框架式斷路器必備的全部輔助功能，供用戶選擇。最近，又對1600A及以下額定電流的母排系統作了改進，使經濟性更趨合理。

[1]曾義.低壓電器成套裝置技術手冊.中國水利水電出版社，2001.

[2]王子午,徐澤植.常用配電設備選型手冊,煤炭工業出版社,2005.

[3]周茂祥.低壓電器設計手冊.機械工業出版社,1992.