論經(jīng)濟(jì)型CKW60-2000智能型萬能式斷路器研發(fā)

文／江蘇新洛凱機(jī)電有限公司 倪文元

0 引言

如何緊貼市場審時度勢開發(fā)出適銷對路產(chǎn)品，是每一個企業(yè)夢寐以求的目標(biāo)。筆者認(rèn)為應(yīng)從社會和企業(yè)發(fā)展的角度出發(fā)才能高瞻遠(yuǎn)矚，繼而研發(fā)出受市場青睞的產(chǎn)品。筆者想通過自己多年來的實(shí)踐拋磚引玉，從以下幾個方面與業(yè)內(nèi)行家共同探討。

1 市場分析及產(chǎn)品的發(fā)展趨勢

1.1 節(jié)約資源利國利民

生產(chǎn)斷路器產(chǎn)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(chǎn)品的原材料成本中占70%以上，因此，在產(chǎn)品設(shè)計中節(jié)省銀、銅、鋼材料是企業(yè)節(jié)本增效的有效方法。國家倡導(dǎo)建設(shè)一個資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會符合國民利益。一個有社會責(zé)任心的技術(shù)人員應(yīng)本著可持續(xù)發(fā)展的精神，把節(jié)省原材料落實(shí)到設(shè)計工作的每一個細(xì)節(jié)中去。

1.2 農(nóng)村需要大量性價比高的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品

中國是一個發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村城市化和改變農(nóng)村落后面貌是國家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的長期戰(zhàn)略目標(biāo)；為保持糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)政府將加大對農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，這些都離不開電力工業(yè)的發(fā)展，同時也給電器制造業(yè)提供極好的機(jī)會。溫家寶總理明確指出，要讓農(nóng)民用上電、用好電并在此基礎(chǔ)上逐步降低電價。這就涉及到一個農(nóng)網(wǎng)改造的問題，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，能投入的資金相對有限，因此需要大量性價比高的經(jīng)濟(jì)型低壓斷路器產(chǎn)品來支持農(nóng)網(wǎng)改造工作。

1.3 開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)具備原創(chuàng)性技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(yè)生產(chǎn)成本和人工成本大幅提高。由于生產(chǎn)低壓斷路器的企業(yè)眾多，供大于求，再加上產(chǎn)品嚴(yán)重同質(zhì)化、單一化，導(dǎo)致價格競爭成為銷售的主要手段，造成企業(yè)成本的上升無法通過價格傳導(dǎo)機(jī)制向下游轉(zhuǎn)移。而國外著名的低壓斷路器制造商則利用其品牌、技術(shù)、產(chǎn)品以及精湛的工藝制造水平和雄厚的實(shí)力優(yōu)勢在占領(lǐng)高端市場的同時，采用合資和兼并國內(nèi)企業(yè)的策略，使零部件生產(chǎn)本土化來降低生產(chǎn)成本，把產(chǎn)品向中低端市場滲透。在雙重夾擊下，除少數(shù)國內(nèi)優(yōu)秀品牌企業(yè)能獲得較好利潤外，多數(shù)整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)營困難，面臨生存危機(jī)。如何應(yīng)對生存與發(fā)展的嚴(yán)峻局面，一種是緊盯國外產(chǎn)品，繼續(xù)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(zhì)化的覆轍。另一種是走自主創(chuàng)新之路，走在行業(yè)前沿研發(fā)具有本土特色符合國情，有自主知識產(chǎn)權(quán)并具備原創(chuàng)性技術(shù)的經(jīng)濟(jì)型低壓斷路器。

1.4 經(jīng)濟(jì)型斷路器應(yīng)具備高性能、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，可通信特點(diǎn)

目前市場上在20世紀(jì)80年代研發(fā)的DW15系列和以國外引進(jìn)的ME系列框架式斷路器作為第二代產(chǎn)品，由于其價廉在中低端市場還占有相當(dāng)份額，與現(xiàn)在的第3、4代產(chǎn)品相比，其技術(shù)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(tǒng)的電磁式結(jié)構(gòu)，動作值精度低。而ME斷路器僅有二段保護(hù)功能，使選擇性保護(hù)受到限制。顯而易見，第二代斷路器產(chǎn)品缺少進(jìn)入智能電網(wǎng)用戶端的必備條件。而生產(chǎn)這些產(chǎn)品的企業(yè)由于生產(chǎn)成本高。銷售價格低，基本無利可圖。多數(shù)企業(yè)已將此類產(chǎn)品列入淘汰之列而停止生產(chǎn)。第二代斷路器產(chǎn)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(jìn)入智能電網(wǎng)運(yùn)行，具備第3、4代低壓電器產(chǎn)品高性能、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，可通信特點(diǎn)，而售價又為中低端用戶接受的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型斷路器產(chǎn)品。

2 經(jīng)濟(jì)型斷路器產(chǎn)品的研發(fā)

2.1 制定合理的技術(shù)性能指標(biāo)

筆者長期從事低壓斷路器產(chǎn)品的研發(fā)工作，熟悉框架式斷路器的性能特點(diǎn)，了解下游產(chǎn)品對斷路器的使用要求。認(rèn)為對產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)作客觀分析，刻意追求高指標(biāo)，易造成資源浪費(fèi)，增加產(chǎn)品成本。但原則是斷路器的技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)高于使用場合的要求，確保配電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠，正常運(yùn)行。

2.2 產(chǎn)品應(yīng)小型化

斷路器產(chǎn)品小型化是低壓電器技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備小型化的需要?，F(xiàn)代化城市建設(shè)使得電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)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(chǎn)品，既滿足了市場需求又能節(jié)約寶貴的社會資源，為企業(yè)降低原材料成本創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。怎樣實(shí)現(xiàn)框架式斷路器小型化？筆者認(rèn)為抑制過剩性能指標(biāo)，細(xì)分殼架等級是行之有效的方法之一。

2.3 產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單可靠

框架式斷路器產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足性能要求的前提下，應(yīng)力求簡單可靠。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅增加制造難度和產(chǎn)品成本，而且影響產(chǎn)品的可靠性。

2.4 經(jīng)濟(jì)型CKW60系列智能型萬能式斷路器

遵循上述開發(fā)思路，通過多年的不懈努力我們研發(fā)成功了經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品具有自主知識產(chǎn)權(quán)和原創(chuàng)性技術(shù)，迄今為止已被國家知識產(chǎn)權(quán)局授予發(fā)明專利1項、實(shí)用性專利9項，授予外觀專利2項。特別是最近研發(fā)完成的CKW60-630智能型萬能式斷路器，填補(bǔ)了630A殼架等級電流新一代智能型產(chǎn)品的國際國內(nèi)空白。它既能作為中小企業(yè)及廣大農(nóng)村配電系統(tǒng)的低壓開關(guān)柜作受電斷路器，又能在大容量低壓開關(guān)柜中替代塑殼斷路器作饋電斷路器，是智能電網(wǎng)用戶端實(shí)現(xiàn)全范圍全電流保護(hù)的理想產(chǎn)品。下面就節(jié)約資源型代表產(chǎn)品CKW60-2000智能型萬能式斷路器的研發(fā)與大家共同探討。

3 CKW60-2000智能型萬能式斷路器的研發(fā)特點(diǎn)

3.1 先進(jìn)的短路特性指標(biāo)

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(tǒng)中能與低壓側(cè)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?jǐn)嗄芰Υ笥诘扔?3千安，就能保護(hù)變壓器安全運(yùn)行。因此，將CKW60-2000智能型萬能式斷路器重要技術(shù)性能指標(biāo)額定極限短路分?jǐn)嗄芰cu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(dá)不到最大值，所以65千安的額定極限短路分?jǐn)嗄芰σ延凶銐蛴嗟?。將額定短路耐受電流Icw定為1秒50千安符合低壓開關(guān)柜容量等級的要求，便于低壓開關(guān)柜設(shè)計時選用。

表1列出了國內(nèi)外同類規(guī)格低壓萬能式斷路器（抽屜式三極）的短路特性。

從表中數(shù)據(jù)可以看出與國外同規(guī)格斷路器相比CKW60-2000斷路器的短路特性指標(biāo)是毫不遜色的。ME系列萬能式斷路器是我國引進(jìn)德國技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，它的觸頭系統(tǒng)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(tǒng)由兩個基本單元并聯(lián)為一相而成，體積龐大不具可比性。ME-1605為ME-1600的增容產(chǎn)品，其過電流脫扣器為電磁式結(jié)構(gòu)，動作精度低，且僅有二段保護(hù)，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(hù)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?jǐn)嘀笜?biāo)低，早應(yīng)列入淘汰之列。DW15HH-2000斷路器由于自身優(yōu)勢并不明顯，目前僅有少數(shù)企業(yè)在生產(chǎn)。

與目前市場上主流產(chǎn)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(biāo)中，除額定極限短路分?jǐn)嗄芰ι缘屯馄溆嘀笜?biāo)是并行的。當(dāng)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(biāo)，既考慮了先進(jìn)性又兼顧了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則。

3.2 斷路器的小型化設(shè)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(guān)柜,要實(shí)現(xiàn)低壓開關(guān)柜小型化，首先安裝在柜內(nèi)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(hù)功能最完善結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的產(chǎn)品，它的小型化設(shè)計涉及面寬難度大，是一項復(fù)雜的綜合技術(shù)。筆者通過對國內(nèi)外同類框架式斷路器性能及結(jié)構(gòu)綜合對比分析，結(jié)合前期已研發(fā)框架式斷路器的成功經(jīng)驗(yàn)，在確保性能的前提下，從節(jié)約資源塑造經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品著手。

（1）選擇合適的動觸頭并聯(lián)回路數(shù)。斷路器的寬度取決于相間距離，而相間距離與觸頭并聯(lián)回路數(shù)相關(guān)。目前國內(nèi)主流框架式斷路器觸頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要采用單檔觸頭多回路并聯(lián)的型式。與利用回路電動力補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)相比，它具有結(jié)構(gòu)相對簡單省材的優(yōu)點(diǎn)。但是，為了克服電動斥力，只能通過增加觸頭回路數(shù)及加大主觸頭彈簧壓力來解決。由于寬度和結(jié)構(gòu)的限制使得主觸頭彈簧高徑比大，穩(wěn)定性差，影響電動穩(wěn)定性。CKW60-2000斷路器觸頭系統(tǒng)的設(shè)計，綜合考慮動觸頭并聯(lián)回路數(shù)和主觸頭彈簧穩(wěn)定性的關(guān)系，通過對短路電流電動斥力計算和分析，適當(dāng)減少觸頭并聯(lián)回路數(shù)降低觸頭彈簧高徑比，提高了彈簧壓力穩(wěn)定性，使兩者兼顧滿足了電動穩(wěn)定性要求。

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計縮短導(dǎo)電回路。抽屜式斷路器的導(dǎo)電回路由進(jìn)線母排、橋形觸頭、本體母排、靜觸頭、動觸頭、導(dǎo)電板、軟聯(lián)接、出線母排組成。通常小型化設(shè)計會增加導(dǎo)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(dǎo)電回路的設(shè)計抓住兩個要點(diǎn):a.減少導(dǎo)電件間接觸源；b.在接觸處增加接觸面積。通過優(yōu)化設(shè)計的方法，在單位截面載流量不變的情況下，縮短了導(dǎo)電回路的長度，使體積縮小節(jié)省了銀銅材料，降低成本，溫升符合GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jīng)濟(jì)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(xì)分成三個殼架等級。發(fā)揮本公司設(shè)計和制造能力強(qiáng)的優(yōu)勢，筆者根據(jù)各自的受力特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的變化，分別設(shè)計了三個不同的操作機(jī)構(gòu)。操作機(jī)構(gòu)規(guī)格間的體積比約為80%。由于是量體裁衣針對性強(qiáng)資源得到充分利用，機(jī)構(gòu)的操作可靠性高、體積小、省材，經(jīng)濟(jì)性好，為斷路器的小型化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)外同類規(guī)格低壓萬能式斷路器短路特性對比

表2列出了國內(nèi)外同類規(guī)格低壓萬能式斷路器外形尺寸及性能對比。

從表中數(shù)據(jù)可以看出CKW60-2000智能型萬能式斷路器與國內(nèi)外同類萬能式斷路器相比，不僅性能先進(jìn)體積也占有明顯優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)低壓開關(guān)柜小型化的理想產(chǎn)品。

3.3 產(chǎn)品的可靠性設(shè)計

提高斷路器產(chǎn)品的可靠性是提高斷路器產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量首先應(yīng)從可靠性設(shè)計開始。衡量產(chǎn)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(chǎn)品的零件數(shù)

假設(shè)一個斷路器產(chǎn)品所有零件的可靠度都等于0.999，則當(dāng)n為不同數(shù)量時，斷路器可靠度Rs的數(shù)值見表3。

從表中數(shù)據(jù)可以看出斷路器的可靠度Rs與斷路器零件數(shù)量成反比。因此，用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來達(dá)到斷路器性能要求是可靠性設(shè)計的關(guān)鍵。本人將這種設(shè)計理念貫穿在整個斷路器設(shè)計工作中，并得以證實(shí)。以抽屜式斷路器抽屜座的設(shè)計為例作一探討。

（1）常見的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)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(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，由本體上一副冷沖件導(dǎo)軌，和抽架上一對方鋼導(dǎo)軌，再加上鎖扣附件組成。以較少的零件，實(shí)現(xiàn)相同的功能。具有結(jié)構(gòu)簡單、功能可靠、加工方便，成本低的特點(diǎn)，提高了可靠性。當(dāng)然，已有專利予以保護(hù)。

（2）斷路器本體在抽屜座中分離、試驗(yàn)、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(dǎo)桿、滑塊構(gòu)成，由于改進(jìn)了設(shè)計提高了指示的準(zhǔn)確度，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便可靠。有的斷路器出于市場定位及避免同質(zhì)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(nèi)涵的理解，在一般斷路器也裝上此類裝置，為規(guī)避他人專利搞得零件繁多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了安裝不惜影響主體零件強(qiáng)度，造成操作麻煩可靠性差的弊端。

表2 國內(nèi)外同類規(guī)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(shù)量的關(guān)系

4 CKW60智能型萬能式斷路器是DW15和ME框架式斷路器更新?lián)Q代的最佳選擇

由于設(shè)計方向明確并采取了有效的設(shè)計方法，CKW60-2000智能型萬能式斷路器與目前市場上同類、同規(guī)格主流產(chǎn)品DW45-2000/3抽屜式斷路器相比，具有以下明顯優(yōu)勢:技術(shù)性能指標(biāo)基本一致，主要原材料用銅量節(jié)省35%，體積縮小37%，同時節(jié)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(shù)性能優(yōu)良，而且體積大幅縮小，具備良好的經(jīng)濟(jì)性，是不同時代的兩代產(chǎn)品。它能進(jìn)入智能電網(wǎng)運(yùn)行，具備第3、4代框架式斷路器高性能、小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可通信特點(diǎn)；它突出的經(jīng)濟(jì)性是農(nóng)網(wǎng)改造質(zhì)優(yōu)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?lián)Q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(jīng)濟(jì)型框架式斷路器，它的研發(fā)歷經(jīng)坎坷歷時近三年時間，從設(shè)計試制驗(yàn)證到改進(jìn)再驗(yàn)證經(jīng)過多次反復(fù)，于2009年順利通過國家3C認(rèn)證型式試驗(yàn)并取得證書后面市。作為產(chǎn)品的主創(chuàng)設(shè)計人員感到欣慰的是，由于該產(chǎn)品的性價比高，產(chǎn)品定位符合中國國情，有較強(qiáng)的市場競爭力，它已經(jīng)逐步被市場和同行認(rèn)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(nèi)多家企業(yè)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓和合作。在發(fā)展自己的同時為不具備產(chǎn)品開發(fā)能力的中小型企業(yè)提供了幫助，推動了行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)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(xù)完善和改進(jìn)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(tǒng)作了改進(jìn)，使經(jīng)濟(jì)性更趨合理。

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