低壓電器技術發展及市場研究

1.概述

電器在工作過程中涉及到電、磁、光、熱、力、機械、材料、電接觸、可靠性等方面的原理與技術。電、磁、光、熱、力、機械等能量的轉換規律大多是非線性的，許多現象是一種瞬態過程，使得低壓電器的理論分析、產品設計、性能檢驗變得極為復雜。在分析與設計低壓電器產品時，除采用低壓電器傳統理論基礎：電接觸理論、電弧理論、發熱與電力理論、電磁機構理論等進行必要的理論推導、分析計算之外，還使用了大量的經驗數據。因此要設計出性能優良、價格合理的低壓電器產品十分困難。
低壓電器是用于交流電壓至1200V，直流電壓至1500V的電路中起通斷、控制或保護等作用的電器。低壓電器按其控制對象可分為：低壓控制電器和低壓配電電器;根據其工作條件或使用環境條件可分為：一般工業企業通用低壓電器和特殊用低壓電器(包括：牽引低壓電器、船用低壓電器、礦用低壓電器、航用低壓電器、熱帶型低壓電器、高原低壓電器)。
低壓電器基本上包括12類產品：即刀開關和轉換開關、熔斷器、斷路器、控制器、接觸器、起動器、控制繼電器、主令電器、變阻器、調整器、電磁鐵。低壓電器是電器工業的重要組成部分，在機械行業中是基礎配套件，在配電系統中低壓成套開關設備主要由各種低壓電器元件構成，低壓電器元件的功能及性能對低壓成套開關設備起著至關重要的作用。發電設備所發出電能的80％以上是通過低壓電器分配使用的。每增加1萬kW發電設備，約需4萬件左右的各類低壓電器元件與之配套。在工業自動化系統中，也需要由低壓電器構成的各種控制屏、控制臺、控制器等。
2.低壓電器的發展
低壓電器技術的發展決定了低壓電器產品的發展。
（1）我國低壓電器產品的發展歷程
近年來，我國低壓電器行業出現了巨大的變化，低壓電器產品發展到了一個嶄新的階段。我國低壓電器產品的發展大致可分為以下三個階段：20世紀60～70年代初，在模仿基礎上設計開發的第一代統一設計產品。以CJ10、DW10、DZ10、JR16B等產品為代表，產品結構尺寸大、材料消耗多、性能指標不理想、品種規格不齊全。20世紀70～80年代，是在更新換代和引進國外先進技術制造的第二代產品。以CJ20、DW15、DZ20、ME、AE、EWE、AH、B、3TB等產品為代表，技術指標明顯提高，保護特性較完善，體積縮小，結構上適應成套裝置要求，是我國低壓電器的支柱產品。20世紀90年代，跟蹤國外新技術新產品自行開發試制新產品，以DW40、DW45、DZ40、S、CJ40、M、F、3TF等產品為代表，產品性能優良、工作可靠、體積小、電子化、智能化、組合化、模塊化、組合化、模塊化、多功能化，總體技術性能達到或接近國外20世紀80年代末～90年代初水平。雖然已有技術含量較高的第三代電器產品出現，但其市場占有率僅在10%以內。為了盡快提高我國的電力系統、自動控制系統、自動監測系統的自動化水平，必須大力發展第三代電器產品，淘汰和改善老產品，使電器產品在研制、開發、生產、檢測各階段實現全面飛躍。
（2）低壓電器行業發展現狀
我國低壓電器工業自1949年后，在一些修理、裝配簡單電器工廠的基礎上逐步發展成能獨立設計、生產的行業，到1979年共有生產企業600多家，總產量3053萬臺，產值12.1億元。經過1985～1986年、1990～1991年兩個發展高峰，1995年低壓電器行業已有生產企業約2000家，年產值80億元（其中機床電器約15～20億元）,年產5億臺件各類低壓電器產品。資料顯示：低壓電器行業工業總產值為53.2億元，工業增加值為9.1億元，產品銷售收入為48.6億元，利潤為2.5億元，出口交貨值3.4億元。目前我國低壓電器制造企業主要集中在北京、天津、遼寧、上海、江蘇、浙江、廣東等地，在促進國民經濟發展的同時，也暴露出許多問題。主要有以下兩點：企業規模偏小，且數量過多。目前我國低壓電器生產企業中，年銷售收入和總資產均在5億元以上的大型企業只有2～4家，絕大多數都是中小企業，導致企業缺乏規模經濟和競爭力；而且，我國低壓電器生產企業由建國初期的600多家，發展到現今的2000多家，企業數量過多，導致經濟資源過于分散，缺乏效率。
區域結構趨同，重復建設嚴重。我國低壓電器行業由于盲目上項目、鋪攤子，地區產業趨同化現象嚴重，低水平重復建設，造成產品生產過剩、能源、原材料利用率低、經濟效益低下以及地區保護、惡性競爭等后果。
（3）低壓電器產品的設計方法及其發展
低壓電器產品的設計過程十分復雜。要設計一臺性能優良、工作可靠、價格合理的低壓電器開關產品，必須經過電氣特性與機械特性的反復計算與研究。即使這樣，設計計算參數與產品實際性能，仍然會有很大差距，必須通過反復的試驗驗證。因此低壓電器產品開發周期長、資金投入大。

對低壓電器產品的設計，首先，必須從傳統的靜態分析、近似計算、經驗分析轉化到基礎電磁機構動態數學模型的優化設計階段。早期電器產品的研制開發，由于條件限制，大都是以靜態特性為研究對象，往往忽略許多不定因素或難以計算的參數。顯然，靜態特性無法準確反映電器在工作過程中的實際特性，
因此，設計出來的電器產品性能指標達不到預期目標。
動態特性可以描述電器實際的工作過程與狀態變化，揭示在不同時刻各參量間的關系，表明各參量隨時間的變化規律。在開關電器中，作為電器感測部件的電磁機構，其工作過程是一個電能→磁能→力的轉換過程，同時還要克服機械力做功。因此，慣性大、靈敏度低、動作時間慢、操作頻率低。為了縮短動作時間，就必須加快動作速度，從而使電磁機構的碰撞能量增加，降低了機械壽命。所以，必須建立電磁機構動態過程的優化數學模型。對其進行動態設計。而作為傳統低壓電器產品執行部件的觸頭系統，閉合過程中的彈跳、火花、二次振動熔焊與磨損、閉合狀態的動靜觸頭接觸特性、打開過程的電弧、打開狀態的絕緣問題等等都涉及到動態過程的分析與計算。
采用最新優化設計方法，以遺傳算法建立優化動態數學模型，設計出體積小、重量輕、成本低、價格合理、工作可靠、性能優良的電器產品是電器產品設計技術的一次飛躍。
3.智能化技術在低壓電器中的應用
近年來，電器的設計、研制和開發進入了一個嶄新的時代。電器在技術理論和電器產品結構正處于不斷更新和全面提高的階段。傳統的有觸點電器在結構原理、最佳結構設計和應用新材料、新工藝方面不斷和完善；真空電器、半導體電器以及其他新型電器如微電子技術和電器技術結合的機電一體化電器或智能化電器亦在開拓發展之中；電器產品向著組合化、成套化發展。將智能化技術引入低壓電器，使低壓電器技術在研究、檢測、生產的各個環節上發生根本的變化。
（1）智能化的控制技術
智能斷路器、智能電動機保護器、智能接觸器等智能電器元件和智能型配電網絡系統應運而生。智能斷路器就是將智能型監控器的功能與斷路器集成在一起，主要是實現了斷路器的智能化。斷路器的保護功能大大加強：可實現長延時、短延時、瞬時過流保護、接地、欠壓保護等保護功能。在斷路器上可顯示電壓、電流、頻率、有功功率無功功率、功率因數等系統運行參數。目前,在供電系統中大量使用軟起動器、變頻器、電力電子調速裝置、不間斷電源等裝置，使電網和配電系統中出現了大量的高次諧波,而模擬式電子斷路器一般只反映故障電流的峰值,造成斷路器在高次諧波的影響下發生誤動作。帶微處理器的智能化斷路器反映的是負載電流的真實有效值，可避免高次諧波的影響。
與傳統的雙金屬片熱繼電器相比，微電子控制的智能式熱繼電器具有一系列優點：可保護電動機過載、斷相、三相不平衡、反相、低電流、接地矢壓、欠壓等故障，并可數字顯示故障類型，保護不同起動條件與工作條件下的電動機，動作特性可靠。
將微處理器引入交流接觸器中，實現智能交流接觸器起動、保護、分斷全過程的優化控制。目前采用了特殊結構的觸頭系統，實現了接觸器的無弧、少弧分斷,大大提高了接觸器的電壽命,實現了交流接觸器技術的重大突破，達國際先進水平。將微電子技術和計算機技術結合形成智能混合式交流接觸器技術的重大突破，達國際先進水平。
將微電子技術和計算機技術結合形成智能混合式交流接觸器。在智能交流接觸器基礎上研制的新型智能混合式交流接觸器，只采用3個單相可控硅與接觸器觸頭并聯,就可實現吸合與分斷過程中的無弧運行，從而大大降低混合式交流接觸器的成本，實現了全過程的優化控制,，達到了節能、節材、無聲運行、高操作頻率、高電壽命并且實現了與計算機的雙向通信功能。在智能電器元件的基礎上,研制和開發智能開關柜，使控制系統的自動化程度大大提高。
（2）智能化的設計技術
隨著計算機技術的飛速發展，CAD、CAE和CAM技術使低壓電器的設計與研究跨進了一個新階段，產品開發周期大大縮短。三維計算機輔助設計系統集設計、制造和分析于一體。計算機輔助設計包含結構設計、實體造型、特性分析與動態顯示功能。CAD軟件具有相應的專家模塊,可以很方便的根據性能要求確定電器的結構形式，合理安排激磁系統、反力系統，選擇合理的觸橋類型、滅弧裝置等。低壓電器產品的造型非常復雜,計算機系統可以方便的根據給定的離散數據與工程問題的邊界條件,來定義、生成、控制和處理，從而提供構成產品幾何模型所需要的曲面造型。CAD/CAM技術不僅能夠進行電器的外觀設計,而且還具有很強的計算能力。有限元算法是當今電磁場計算的主要算法之一,具有三維有限元剖分的計算機軟件可幫助電器工程師進行電磁場計算。計算機分析軟件包括運動分析、受力分析、有限元分析、塑料壓注成型分析等等、構思、檢驗產品模型，解決三維幾何模型設計的復雜空間布局等問題。
總之，計算機輔助設計包含了零件設計與裝配直至產品總裝，設計者可以直接在計算機屏幕上觀察、構思、修改、研究、檢查電器產品，大大縮短了產品的設計周期，提高了產品的性能指標，改善了電器工作者的勞動條件。
（3）智能化的檢測技術
要開發性能優良的低壓電器產品,必須要有先進的測試、檢驗手段。20世紀90年代人們提出了“可測性設計”的觀念。在系統設計開始就同時考慮測試問題,并同時進行可測性設計,縮短了產品的開發周期。研發的光機電電磁電器動態測試裝置，將計算機技術、傳感器技術、電力電子技術與電器技術結合在一起，實現了電器動態過程各參數的可視化實時檢測。應用了軟測量技術、數據事例技術以及模糊識別技術,解決了難以直接測量的特性參數的軟測量、電器動態過程中的疏失誤差以及電器性能的綜合評估等問題。該裝置目前已應用于新型智能交流接觸器的研究與開發中,為深入研究電器的實時最優控制，達到最優運行與大幅度提高其性能指標,縮短設計周期起到了重要的作用。

4.低壓電器市場競爭分析
（1）低壓電器產品市場競爭特點
我國低壓電器制造業面臨著供大于求的嚴峻形勢。由于電力、石化、建筑等產業的大發展，給低壓電器制造業的大發展提供了很好的機遇，但是企業數量增加太多，再加上國外一些電器公司面對著中國這個巨大的市場也一涌而上，更加劇了競爭的激烈程度。低壓電器產品市場競爭特點：
①市場很大，國內低壓電器制造企業數量太多，國外一些公司已進入國內市場，競爭非常激烈。我國低壓電器制造業面臨著供大于求的嚴峻形勢。由于電力、石化、建筑等產業的大發展，給低壓電器制造業的發展提供了很好的機遇，但是企業數量增加太多，再加上國外一些電器公司面對著中國這個巨大的市場也一涌而上，更加劇了競爭的激烈程度。
②競爭并不平等，質優未必市場優。我國正處于經濟體制轉軌過程中，各種不平等競爭現象存在于供銷環節中。按照市場規律，優質應價優，或者相同價格條件下質量好的產品銷路應該更好，但現實未必如此。
③在科技含量較高的產品競爭中，原來的骨干企業（或重點企業）與民營企業相比仍占有很展大優勢。
（2）國外的大公司的進入
這些跨國大公司歷史長，管理好，技術力量雄厚，新產品開發周期短，對市場反應迅速。加入WTO后，許多國際先進的電壓電器企業還要大舉搶灘我國市場。他們也許會以合資、獨資等方式，利用我國境內低成本的勞動力和原材料進行生產，從而降低產品成本。這是嚴峻的挑戰。但同時，隨著市場的開放，我國低壓電器也會輕易地獲得國際上先進的生產和管理技術，再以我們的地域優勢取得新的優勢。　
有了來自外部的壓力，就迫使我們的低壓電器企業引進先進的生產資料，形成先進的生產力。唯此，才能整體提高我們的企業檔次，提高我國低壓電器行業的整體競爭力。
（3）市場競爭對手實力比較
在國內低壓電器市場中，國企的產品仍占有60％～70％，國企仍是主力軍。這些企業經過50來年的發展，設計和制造水平有了很大提高，自行設計和制造的產品基本能滿足國民經濟的需求，但也應該看到，我國低壓電器行業企業的制造工藝落后，專用工藝設備少，產品生產重復性差，可靠性水平不高。企業負擔重，再加上受拖欠貨款的影響，資金緊張是國企的通病，技術改造資金投入太少，產品水平不高，形不成規模經濟和經濟批量。
我國低壓電器市場主要由三方構成：國企、合資企業與民營企業，它們之間實力有不小差別。在國內低壓電器市場中國企的產品仍占有60%～70%，國企仍是主力軍。這些企業經過50來年的發展，設計和制造水平有了很大提高，自行設計和制造的產品基本能滿足國民經濟的需求，但也應該看到，我國低壓電器行業企業的制造工藝落后，專用工藝設備少，產品生產重復性差，可靠性水平不高。企業負擔重，再加上受拖欠貸款的影響，資金緊張是國企的通病，技術改造資金投入太少，產品水平不高，形不成規模經濟和經濟批量。
國企的市場競爭對手主要有兩個，一個是合資企業，另一個是民營企業。合資企業通常是外資出技術及裝備，中方出廠房及勞動力。產品的起點高，系列化，工裝模具好，又沒有國企那樣重的負擔，可謂經濟實力與技術實力均比較強大。由于合資企業建立的時間尚短，規模也比較小，合資企業的產品價格又高，在競爭中并不占上風。民營企業從1985年以來增速很快，現在已是增中趨緩，但增加的速度仍快于其他所有制，起初從事低壓電器的民營企業規模很小，產品品種規格不多，近幾年經濟規模不斷擴大，經濟效益愈加明顯。這類企業中有一些已達到國家大中型企業的規模，他們的產品成本比國企的低，產品售價有優勢，經營思路符合市場經濟的規律，銷售系統強大、有效，因此他們的經濟效益比國企高。這類企業的不足之處在于設計、制造工裝的能力不強，開發新產品的能力也不高，技術力量相對較弱，但是這類企業與合資企業一樣潛力很大。
（4）低壓電器產品市場競爭激烈表現
業內人士指出，我國現行的低壓電器產品價格比較混亂，市場競爭激烈，具體表現在：
①國企產品價格大體上執行行業自律價。行業協會會員單位之間按自律價銷售產品，不得漫天要價，也不能低價傾銷。
②非行業協會會員單位往往比照行業協會的“自律價”，根據自己公司的需要制定一個產品銷售價格。出廠價、優惠價、零售價和批量出廠價等五花八門，損害了顧客的利益，也不利于企業間的公平競爭和經濟效益。
③國外一些電器公司在國內辦的一些獨資公司或合資公司的產品價格均高于國產產品的價格。近兩年來國外一些大公司為了擠占國內低壓電器市場，已有降價的趨勢，但降價幅度不太大。
（5）我國低壓電器市場前景十分樂觀
近幾年，由于低壓電器市場容量不斷擴大，重復建設嚴重，低壓電器制造業面臨著供大于求的嚴峻形勢。由于電力、石化、建筑等產業的大發展，給低壓電器制造業的大發展提供了很好的機遇，但是企業數量增加太多，再加上國外一些電器公司面對著中國這個巨大的市 場也一涌而上，更加劇了競爭的激烈程度。
我國低壓電器市場容量將穩步增長，其前景十分樂觀。國內低壓電器的市場容量與電力事業的發展是緊密相連的。據測算2001～2005年全國發電量增幅在4%左右，2006～2010年在4.5%左右；在10年內電力彈性系數平均為0.6左右，這樣，2001～2005年全國每年需增發電量660～770億KWh，2006～2010年每年平均增發電量660～770億KWh，按照1997年全國電力機組平均每天運行13.1h計算，2001～2010年每年平均新增裝機容量為21GW左右。按照經驗配套比計算，每年需要低壓框架式斷路器約48萬臺，塑殼式斷路器462萬臺，其他各類低壓電器產品的需要量也是很可觀的。我國低壓電器產品出口東南亞國家的數量比較大，由于國家對機電產品出口的重視、扶持及鼓勵，都有利于低壓電器的出口。
5.低壓電器技術的展望
雖然，智能低壓電器的研究工作已全面展開，但是低壓電器的許多問題用簡單的微處理器無法解決。要使低壓電器產品盡快跟上電力電子技術、計算機技術、傳感技術、網絡技術、智能技術的發展，必須盡快開展下列研究。
（1）人工智能技術在電器中的應用
人工智能是控制論、信息論、系統論、計算機科學、神經生理學、心理學、數學、哲學等學科相互交叉滲透的產物,它的一些領域如圖3所示。其中人工神經系統、遺傳算法、專家系統與模糊控制是人工智能中最常用到的四種分析方法。
近年來，專用集成電路ASIC技術的飛速發展，它將ADC、DAC以及運算放大器、比較器等模擬電路、微處理器、DSP等功能部件以及SRAM等大規格的存儲器集成在芯片中。DSP開發工具、應用軟件以及DSP平臺的發展，也對電器的人工智能化起到了促進作用。
采用模糊邏輯控制技術與電器技術相結合，研制具有模糊控制能力的多功能、高可靠性、高性能模糊智能電器必將成為今后電器發展的焦點。
專家系統不僅可用于電器制造、生產過程的管理，而且可以與電器技術結合完成優化的運行過程。遺傳算法可用于函數優化、自動控制、圖像識別、機器學習、規劃設計等領域。
神經網絡由于其適應不確定性和高度的非線性控制對象，在控制中可用于模式識別、優化設計、推理模型、故障診斷等。因此可用于電器的設計與實時信號檢測、控制、保護、調節、故障診斷等。神經網絡已應用于異步電動機的熱過載保護的溫升智能預測系統。
（2）現場總線技術在低壓電器中的應用
隨著信息技術和計算機網絡的發展,使智能化電器與中央控制設備,包括中央控制計算機與可編程邏輯控制器實現雙向數據通信,并在低壓配電系統和電動機控制中心統一形成了智能化監控、保護與信息網絡系統。這種系統使操作人員在控制室中能夠方便地控制各種現場設備，并且能夠及時了解現場設備運行情況，處理各種故障。近年來，現場總線的出現給工業自動化帶來了革命性的變革。
現場總線是一種造價低、可靠性強并適合工業環境使用的通信系統。傳統的通信系統需用多芯電纜讓數據并行傳送，而現場總線僅需要一根雙芯電纜，使布線非常簡單，減少了安裝維護費用。現場總線按國際標準采用統一的通信規范，因而它具有很好的互換性和互操作性，它是與生產廠商無關的系統，各種現場設備只要按這種規范和協議生產都可以在網絡上使用。現場總線生產工廠能提供現場總線各種標準部件，包括接口、各種中間繼電器、電纜、模塊化I/O站等等，大大方便了安裝和維護，即特即用，適合于現場設備分散布置的特點。國外許多大公司近幾年都發展了可通信低壓電器產品。必須盡快發展我國低壓電器產品的現場總線系統與通信技術，才能使系統具有故障診斷能力。當系統中電器設備發生故障時，通信電器與現場總線聯接器能夠顯示故障信號，便于排除故障，保護系統正常運行；系統傳輸的信號量增加，提高了系統自動化程度；信號傳輸的精度提高，保證了系統運行的可靠性。
（3）仿真與虛擬技術在電器中的應用
前已述及三維計算機輔助設計軟件可以實現三維零部件的實體造型、裝配、自動生成工程圖紙、按照設計的零部件自動進行模具設計并生成數據編碼。但是，要使電器產品滿足預期的技術條件、達到預期的電氣、機械性能，還能、必須經過反復試驗。計算機模擬與仿真技術的應用可以在樣機制作前，精確掌握電器產品的性能，減少重復樣機制作，降低實驗費用，加快產品開發周期，提高產品性能指標。
低壓電器的基本特性包括通斷能力、溫升、零部件的強度、熱穩定、絕級性能及其他電氣性能等。這就需要對設計對象的電磁場、應力場、磁場等物理場進行仿真和分析。計算機模擬仿真技術的發展、有限元分析軟件性能的不斷提高，為這種新技術在低壓電器中的應用創造了條件。20世紀90年代以來，用特征造型方式輸入三維圖形，代替繁瑣的數據輸入，使輸入工作變得簡單、直觀，后處理階段可以方便的觀察輸出的數據或對三維圖形進行分析。通過計算仿真可以得到產品設計的可行性方案，滿足產品的技術要求。但是，如果想要實現經濟技術指標最佳，就必須將仿真技術與最優化方法結合起來，才能達到預期效果。隨著計算機圖形技術的迅速發展，虛擬技術將引入低壓電器的設計領域。設計得可以在虛擬環境中，對電器產品進行仿真與優化，這將使我國低壓電器的設計、研究達到一個更新的階段。
6.低壓電器技術發展趨勢
為使斷路器趕上國際先進水平，把開發智能化斷路器列為重點開發項目。智能化斷路器的開發成功代表了我國低壓電器的發展方向。它除了具有四段選擇性保護和電流表、電壓表、顯示、記憶、試驗、自診斷、區域故障顯示、報警和負載監控等智能功能外，還帶計算機通訊接口與上位機連接可以實現遙控、遙調、遙訊，滿足電力系統的微機控制和自動化的要求。它融合了現代化機電、測量、控制和微機技術，是高科技產物。目前國內有的廠正在著手開發4000A、5000A的智能型斷路器。
隨著新技術的發展，特別是電子、微電子技術和計算機的迅速發展，將對低壓電器元件帶來深遠的影響，在原有產品繼續完善性能、功能、提高質量的同時，將產生一批新型產品。我國未來的低壓電器產品技術開發及發展將主要有以下幾個趨勢：
低壓電器產品智能化
在現代化電站和工礦企業中，已廣泛采用電子計算機監控系統，對與之配套的低壓斷路器提出了高性能、智能化的要求，并要求產品具有保護、監測、試驗、自診斷、顯示等功能。“八五”期間已開發的智能化斷路器DW40、DZ40將進一步完善系列、實現產業化，并在國內重要電力系統中得到應用與推廣。
產品電子化
在現代化企業中，采用PC控制系統來代替由電氣—機械元件組成的系統，已是機械電氣控制系統的主流。該系統要求電器產品具有高可靠性、高抗干擾性，還要求觸點能可靠接通低電壓、弱電流，觸頭斷開時的電弧不能干擾電子電路的正常運行。“八五”期間中國已開始對各種控制電器元件進行相應的電子化改造，發展電子適應型電器，開發固態電器。
產品組合化、模塊化
將不同功能的模塊按不同的需求組合成模塊化組合電器，是當今低壓電器產品的發展方向。在接觸器的本體上加裝輔助觸頭組件、延時組件、自鎖組件、接口組件、機械連鎖組件及浪涌電壓組件等，可以適應不同場合的要求，擴大產品適用范圍，簡化生產工藝，方便安裝、使用與維修。
提高產品的可靠性和產品質量
中國現有產品技術指標與國外差距不大，但是質量不穩定，運行可靠性差，因此提高產品可靠性及產品質量不僅是用戶的要求，也是企業進行國內外競爭的需要。
可以預見,我國低壓電器市場容量會穩步增長，前景是樂觀的。根據國家政策走向，在今后一段時期內低壓電器產品結構還進一步調整。工藝落后、體積大、能耗高又污染環境的產品格被淘汰，而智能化、機電一體化的產品市場將會不斷擴大。