“雙碳”目標(biāo)下低壓斷路器的發(fā)展趨勢(shì)與功能柔性化

摘 要：“雙碳”目標(biāo)下，低碳能源迎來了快速發(fā)展。低壓斷路器作為能源設(shè)備的保護(hù)神，對(duì)能源系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定起著舉足輕重的作用。以3種斷路器的技術(shù)特點(diǎn)為研究對(duì)象，用歸納總結(jié)和比較分析的方法和手段闡述了3種斷路器可靠性方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)斷路器發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了一定的研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：低碳能源; 固態(tài)斷路器; 無觸感; 智慧斷路器; 柔性化

中圖分類號(hào)： TM561文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8417（2024）09-0018-07

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.004

0 引 言

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐［1］、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系［2］。這就堅(jiān)定了走低碳發(fā)展之路應(yīng)將能源消費(fèi)增量放在更清潔、低碳的能源供應(yīng)方面，如核電、水電、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能、風(fēng)能、太陽能、海洋能等低碳能源［3］。這對(duì)我國的工業(yè)結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平將是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。本文介紹了低碳能源的裝機(jī)情況，以及低碳能源開發(fā)所需的相關(guān)設(shè)備，闡述了對(duì)這些設(shè)備提供配電保護(hù)的必要性。同時(shí)對(duì)配電保護(hù)領(lǐng)域的低壓斷路器進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研和分析，對(duì)低壓斷路器的功能集成柔性化和智能化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 低碳能源發(fā)展現(xiàn)狀

近年，我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型加快推進(jìn)，全國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年上半年全國可再生能源新增裝機(jī)1.09億kW，同比增長(zhǎng)98.3%，占新增裝機(jī)的77%。截至2023年上半年，全國可再生能源裝機(jī)總量突破13億kW，達(dá)到13.22億kW，同比增長(zhǎng)18.2%，歷史性超過煤電［4］，約占我國總裝機(jī)的48.8%。可再生能源在國家的“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略下，正快速、穩(wěn)步有序地向前發(fā)展。2018年—2023年上半年中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)圖如圖1所示。

能源的轉(zhuǎn)化需要配套相關(guān)設(shè)備。如風(fēng)力發(fā)電需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其分風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和塔筒3部分。太陽能光伏發(fā)電一般包括光伏陣列（將若干個(gè)光伏電池組件根據(jù)負(fù)載容量大小要求，串、并聯(lián)組成的較大供電裝置）、控制器、逆變器、儲(chǔ)能控制器、儲(chǔ)能裝置等。這些設(shè)備往往比較昂貴，它們的控制與保護(hù)更多在低壓側(cè)，具體來講是萬能式斷路器、塑殼斷路器、微型斷路器及接觸器（以下簡(jiǎn)稱三斷一接）這類低壓電器產(chǎn)品。

低壓電器產(chǎn)品，我國產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到世界的60%以上。且性價(jià)比優(yōu)勢(shì)越來越明顯。斷路器市場(chǎng)需求量更大，接觸器相對(duì)較少。斷路器包含多種保護(hù)功能，例如過載、短路、漏電、過欠壓、失壓、斷相缺相、防孤島等，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)含量也更高。所以斷路器的廠家也遠(yuǎn)比接觸器的廠家多。從3種斷路器的產(chǎn)量來看，微型斷路器的產(chǎn)量處于絕對(duì)領(lǐng)先的位置。年產(chǎn)量達(dá)到16.1億極。

2 低壓斷路器市場(chǎng)現(xiàn)狀

2022年，低壓電器行業(yè)的產(chǎn)值已經(jīng)突破千億元。其中，80%以上是機(jī)械式斷路器。這樣一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)集群，涉及兩三千家規(guī)模以上企業(yè)，存在同質(zhì)化、低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)。智能電網(wǎng)、智慧用電、能源管理市場(chǎng)的興起，無疑給行業(yè)帶來了一個(gè)新的突破方向，產(chǎn)品的附加值顯著提高，創(chuàng)新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。就斷路器產(chǎn)品來講，除機(jī)械式之外，還有固態(tài)式和混合式。

3 機(jī)械式低壓斷路器的設(shè)計(jì)原理

機(jī)械式低壓斷路器的電弧壓降U_arc由兩部分組成，即電弧拉長(zhǎng)的弧柱壓降U₁和近極壓降U₂，U₂=U_C+U_a，是陰極壓降U_C和陽極壓降U_a之和?？偟慕鼧O壓降稱為短弧電壓。根據(jù)大量試驗(yàn)，一般為20～25 V。機(jī)械式斷路器為了提高電弧電壓，大多采用柵片滅弧，若柵片數(shù)為n，則把長(zhǎng)弧分割成n+1個(gè)短弧，這樣電弧電壓可用式（1）表示：

U_arc= U₁+（n+1）U₂=iι／σA+（n+1）U₂ （1）

式中： i——電弧電流;

ι——弧柱長(zhǎng)度;

σ——電弧電導(dǎo)率;

A——電弧截面。由于電弧的近極區(qū)極短，因而可認(rèn)為弧柱長(zhǎng)度即為電弧長(zhǎng)度。對(duì)于交流斷路器來講，限流作用主要決定于電弧電壓，要提高電弧電壓就意味著在每一個(gè)階段電弧電壓出現(xiàn)得要早、上升得要快，達(dá)到的幅值要高［5］。而開斷直流電路的過程是將某一恒定電流強(qiáng)迫過零的過程（交流自身有過零點(diǎn)）。通常希望燃弧時(shí)間越短越好。但燃弧時(shí)間太短，電感中將產(chǎn)生很大的自感電勢(shì)。該電勢(shì)與電源電壓疊加后，使弧隙兩端和線路上的電氣設(shè)備承受過電壓，如下所示：

U=R_i+Ldi／dt+u_a （2）

由式（2）可得出：

ΔU=-Ldi／dt=u_a-（U-R_i） （3）

顯然，電路電感越大，電流下降越快，過電壓值越大。所以，開斷過程要綜合考慮燃弧時(shí)間和系統(tǒng)過電壓。電感的存在，間接體現(xiàn)在時(shí)間常數(shù)上，使電弧移動(dòng)緩慢，電弧進(jìn)滅弧室的時(shí)間較長(zhǎng)，短弧電壓在開斷過程中起到的效果也慢。綜上所述，直流斷路器需要提高電弧拉長(zhǎng)的占比。也就是加大弧柱壓降［6］，具體措施如下。（1） 需要加大開距，增大到交流的約1.5倍（這個(gè)跟電壓等級(jí)密切相關(guān)，如果需要實(shí)現(xiàn)1 500～3 000 V的供電電壓，那么開距還需要大幅度地增加）;提高介質(zhì)恢復(fù)的速度，以此保證承受過電壓能不至于電弧重燃。提高額定工作電壓的等級(jí)。（2） 減小機(jī)構(gòu)起動(dòng)的速度，降低電弧停滯的時(shí)間，使電弧電壓出現(xiàn)得早。（3） 提高機(jī)構(gòu)動(dòng)作的速度，使電弧電壓上升得快。（4） 合理增加氣吹結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)氣吹技術(shù)，冷卻和驅(qū)動(dòng)電弧進(jìn)入滅弧室，使電弧電壓的幅值盡可能高。（5） 采用高強(qiáng)度、高韌性的工程塑料PA46甚至PA4T作為產(chǎn)品機(jī)構(gòu)和面蓋的材料（以下稱為新型塑料），這種材料具有極佳的耐電弧沖擊和電弧高溫的能力。熱變形溫度高達(dá)300 ℃以上。而且這種材料在短瞬時(shí)電弧高溫達(dá)到約5 000 ℃的情況下，產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性俱佳。對(duì)于常規(guī)的DMC或者增強(qiáng)尼龍，在電弧強(qiáng)大的沖擊力作用下，容易斷裂，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)被卡住，而一旦機(jī)構(gòu)被卡住，導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭無法打開到該有的位置，造成開距變小。這對(duì)斷路器的短路能力影響非常大，開距變小，造成電弧無法熄滅，導(dǎo)致短路試驗(yàn)失敗的情況出現(xiàn)。常規(guī)塑料試品短路試驗(yàn)過后示例如圖2所示。圖2 常規(guī)塑料試品短路試驗(yàn)過后示例

采用新型塑料之后，短路試驗(yàn)過程中，沒有出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡滯的現(xiàn)象，試驗(yàn)順利通過，采用高強(qiáng)度、高韌性的PA46短路試驗(yàn)過后示例如圖3所示。

（6） 采用耐高溫的彈簧材料，例如GH4145、GH4169、GH2132、GH4090、30W4Cr2VA等材料牌號(hào)。高電壓等級(jí)的斷路器，電弧能量等級(jí)比400～690 V塑殼斷路器的開斷電弧的能量要高得多。斷路器的觸頭彈簧、機(jī)構(gòu)彈簧在高溫條件下，容易出現(xiàn)熱疲勞，彈力變化率甚至可以達(dá)到40%以上，從而引起斷路器終壓力大幅減小，試后溫升很容易超標(biāo)。彈簧出現(xiàn)塑性變形甚至燒毀斷裂，造成開距變小，滅弧性能顯著下降，短路能力大幅度降低，超程缺失，進(jìn)而導(dǎo)致試后不通電。這對(duì)做額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Φ脑囼?yàn)來講，是非常不利的，將給斷路器的可靠性出現(xiàn)很大的隱患。綜合來講，將導(dǎo)致斷路器的溫升、短路能力、壽命大幅度下降。采用耐高溫的彈簧材料之后，可以保證高電壓產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和電動(dòng)穩(wěn)定性，

從而提高介質(zhì)恢復(fù)的速度和保證產(chǎn)品的絕緣水平。采取這些措施，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏、風(fēng)電以及軌道交通DC 1 000～DC 1 500 V的供電電壓的配電保護(hù)［7-8］。特別在儲(chǔ)能領(lǐng)域，電壓等級(jí)要求已經(jīng)達(dá)到最高DC 3 000 V。目前產(chǎn)品隨著應(yīng)用場(chǎng)景需求的快速變化正在不斷迭代。

4 固態(tài)斷路器的發(fā)展與特性

固態(tài)斷路器是依托電力電子技術(shù)發(fā)展起來的，而該技術(shù)的材料屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展先后經(jīng)歷了3個(gè)階段：

① 以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料;

② 以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料;

③ 以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料。從固態(tài)斷路器來講，SiC是綜合性能最好、商業(yè)化程度最高、技術(shù)最成熟的材料，對(duì)降低功耗、減小體積作用巨大［9］。Si和SiC材料特性比較如圖4所示。主要表現(xiàn)在：

① 臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是Si材料近10倍;

② 熱導(dǎo)率高，超過Si材料的3倍;

③ 飽和電子漂移速度高，是Si材料的2倍;

④ 抗輻照和化學(xué)穩(wěn)定性好;

⑤ 可以直接采用熱氧化工藝在表面生長(zhǎng)SiO2絕緣層。

機(jī)械式斷路器典型的故障響應(yīng)時(shí)間為幾十毫秒，這個(gè)故障響應(yīng)時(shí)間難以滿足直流微電網(wǎng)對(duì)故障保護(hù)的要求。固態(tài)斷路器主要由電力電子器件作為分?jǐn)嗥骷饧庸收蠙z測(cè)、吸收電路以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成，利用電力電子器件硬關(guān)斷能力切斷故障電流，典型動(dòng)作時(shí)間為幾十微秒（μs），甚至幾微秒（μs）。這個(gè)動(dòng)作時(shí)間不會(huì)導(dǎo)致電壓跌落太多，也不會(huì)引起母線欠壓保護(hù)動(dòng)作，并且還不會(huì)導(dǎo)致過大的故障電流，能滿足直流微電網(wǎng)系統(tǒng)故障保護(hù)的要求［10］。 斷路器最重要的性能是開斷能力，而機(jī)械式斷路器因?yàn)闄C(jī)構(gòu)動(dòng)作所必需時(shí)間的原因，在開斷時(shí)間上，跟固態(tài)斷路器比起來，有明顯的劣勢(shì)［11］。機(jī)械式斷路器和固態(tài)斷路器開斷時(shí)間比較如圖5所示。假如按照上述29.2 A/μs故障電流上升率，關(guān)斷10 μs時(shí)間計(jì)算，關(guān)斷時(shí)故障電流僅僅為292 A，給直流微電網(wǎng)系統(tǒng)帶來的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力要小很多。因此，在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，固態(tài)斷路器將具有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上所述，固態(tài)斷路器主要優(yōu)點(diǎn)如下：

① 因?yàn)榉謹(jǐn)嗨俣葮O快，達(dá)到微秒級(jí)，所以限流效果非常好。

② 無弧通斷，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)。

③ 功能易集成。內(nèi)部包含電子控制模塊，更容易實(shí)現(xiàn)電子擴(kuò)展功能的集成?？梢詫嗦菲鳌⒔佑|器、熱繼電器、軟起動(dòng)器等的功能集于一身。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，實(shí)現(xiàn)功能的柔性集成，滿足現(xiàn)在市場(chǎng)的主流，需求和定制化設(shè)計(jì)的要求。

④ 環(huán)境適應(yīng)性好。不僅適用于礦井、化工等電弧敏感場(chǎng)合，對(duì)高振動(dòng)、高低溫、高濕、高海拔、風(fēng)沙、鹽霧等復(fù)雜環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。防護(hù)等級(jí)可以做得很高，甚至可以達(dá)到IP67。加強(qiáng)散熱的設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的綜合性能優(yōu)越。

5 3種斷路器的優(yōu)劣對(duì)比

對(duì)機(jī)械式、固態(tài)式、混合式斷路器的優(yōu)劣進(jìn)行具體剖析，3種斷路器的對(duì)比如表1所示。

（1） 固態(tài)斷路器的缺點(diǎn)。① 固態(tài)斷路器的功耗高。目前固態(tài)斷路器的功耗是機(jī)械式斷路器的8～10倍。比如：殼架100 A的ATOM 3P固態(tài)斷路器滿負(fù)荷工作時(shí)的總功耗接近250 W，而機(jī)械式MCCB 100 A總功耗僅為20～30 W。固態(tài)斷路器與機(jī)械式（斷路器+接觸器+熱繼電器+軟起動(dòng)器）的總功耗接近。

② 固態(tài)斷路器對(duì)大功率電力電子器件工藝要求高。固態(tài)斷路器中組合的電力電子器件數(shù)量較多，整體價(jià)格偏高。電力電子器件的體積主要受到通流能力和散熱性能的制約，單個(gè)電力電子器件的載流能力有限，需要多個(gè)器件組合達(dá)到所需的通流和耐壓能力，對(duì)散熱的結(jié)構(gòu)要求高，同時(shí)也增大了斷路器的體積。③ 電力電子器件在關(guān)斷時(shí)，器件上有微小的斷態(tài)電流流過，不屬于正常意義上的電氣隔離。目前IGBT的斷態(tài)漏電電流最小可在10 μA以內(nèi)，IGCT的斷態(tài)漏電流一般在50 mA以內(nèi)。所以還需要通過采用額外的方式解決隔離問題，如增加機(jī)械斷點(diǎn)進(jìn)行隔離，或者與隔離開關(guān)組合使用。

（2） 混合式斷路器的優(yōu)缺點(diǎn)。① 優(yōu)勢(shì)。具有通態(tài)損耗低，耐壓強(qiáng)度高和帶負(fù)載能力強(qiáng)的靜態(tài)特性和固態(tài)斷路器的無弧快速開斷的動(dòng)態(tài)特性［9，12］。具體有： 正常工作時(shí)，電流經(jīng)機(jī)械開關(guān)流過，通態(tài)損耗低; 發(fā)生短路時(shí)，先給電力電子開關(guān)發(fā)導(dǎo)通脈沖，由機(jī)械開關(guān)分閘的電弧電壓導(dǎo)通電力電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)換流; 機(jī)械開關(guān)在較小的固態(tài)開關(guān)支路導(dǎo)通壓降下關(guān)斷線路。② 劣勢(shì)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要換流回路。且技術(shù)不太成熟，體積和成本同樣存在問題。在特殊場(chǎng)合可使用。顯然，無論純固態(tài)斷路器還是混合式斷路器，盡管有各種優(yōu)勢(shì)，但是要想替代機(jī)械式斷路器還任重道遠(yuǎn)。

6 斷路器在智慧用電與能源管理下的智能化

隨著人工智能時(shí)代的到來，一方面電力進(jìn)一步得到無限延伸;另一方面，電力的各種故障點(diǎn)也越來越多，如過載、短路、漏電、過欠壓、雷擊浪涌、電弧打火等。此外，人們需要享受更加智能的生活，如實(shí)現(xiàn)對(duì)功率、線路、用電設(shè)備等的四遙（遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)），從而實(shí)現(xiàn)智慧安全用電及能源管理。這些是以智慧消防為基礎(chǔ)的功能柔性化。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，如校園、寫字樓、醫(yī)院、景區(qū)、商場(chǎng)、酒店、游泳館等，定制化設(shè)計(jì)和制造出對(duì)應(yīng)的智慧斷路器［13］。智慧斷路器功能集成如圖6所示。

智慧斷路器主要實(shí)現(xiàn)如下功能。（1） 浪涌保護(hù)功能。4 000 V浪涌保護(hù)，從而不用在配電箱里再單獨(dú)裝浪涌保護(hù)器。（2） 漏電無觸感。原理是在浸水防觸電設(shè)備中人為設(shè)置1個(gè)“0”電位電場(chǎng)。該設(shè)備內(nèi)部每根接線柱都設(shè)置了1個(gè)捕集器，由開關(guān)電源、CPU芯片、相關(guān)控制電路共同組成。設(shè)備并聯(lián)在供電電路的總開關(guān)或總漏電保護(hù)器的下方，只要通電就會(huì)搜集導(dǎo)線上除負(fù)載之外所有的離散電流和電子。當(dāng)收集到這些電流和電子后，立即開啟電場(chǎng)（反向磁場(chǎng)）功能，將這些離散電流和電子吸收回到電場(chǎng)中。由于離散電流和電子被抓取了，水中只有電壓，沒有電流，而用電器負(fù)載電流繼續(xù)存在，因此用電設(shè)備可以正常工作，但人不會(huì)觸電。（3） 漏電自動(dòng)巡檢功能。設(shè)置每小時(shí)巡檢1次，可以不用像普通的漏電斷路器那樣需要人為操作試驗(yàn)按鈕。（4） 實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)。出現(xiàn)超過設(shè)置的過載脫扣電流時(shí)，斷路器可以即時(shí)報(bào)警或瞬間跳閘。（5） 線路溫度監(jiān)控。線路達(dá)到70 ℃時(shí)，報(bào)警;達(dá)到80 ℃時(shí)，斷路器跳閘斷電。（6） 計(jì)量功能。對(duì)線路實(shí)時(shí)電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量和檢測(cè)。（7） 電弧打火保護(hù)?？勺R(shí)別是故障電弧還是正常電弧，當(dāng)識(shí)別為故障電弧時(shí)，瞬間斷電。（8） 過欠壓保護(hù)。195 V時(shí)預(yù)警;175 V時(shí)，5 s斷電;250 V時(shí)預(yù)警，270 V時(shí)瞬間斷電。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，將上述多種功能針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)柔性化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的定制化。這也是電力系統(tǒng)高安全性和電力消費(fèi)升級(jí)發(fā)展的必然趨勢(shì)。而這些功能基本能實(shí)現(xiàn)兼容，更多的是端對(duì)端的產(chǎn)品定義。這需要廠家與各種應(yīng)用場(chǎng)景的客戶進(jìn)行深入鏈接。

7 結(jié) 語

目前配電系統(tǒng)還是以機(jī)械式斷路器為絕對(duì)主導(dǎo)。但是隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及半導(dǎo)體材料的快速迭代，固態(tài)斷路器和混合式斷路器的市場(chǎng)占比會(huì)有比較快的上升，其在高可靠性、安全性、集成性、環(huán)境適應(yīng)性等方面有機(jī)械式傳統(tǒng)斷路器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。而且隨著新的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是各種新能源、軌道交通、高鐵、5G等迅速發(fā)展，低壓斷路器智能化，以及其功能集成柔性化設(shè)計(jì)將是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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收稿日期： 20240712

The Development Trend and Functional Flexibility of Low-Voltage

Circuit Breakers Under Dual Carbon

LI Min WU Guiyong LI Yan YUAN Shixiong YUAN Fusheng YUAN Hui

（1.Guangxi Vocational College of Safety Engineering， Nanning 530100， China;

2.Guilin University of Technology at Nanning， Nanning 532100， China;

3.Guangxi Pengyue Ecological Technology Co.， Ltd.， Chongzuo 532103， China;

4.Huanyu "High-tech Co.， Ltd.， Wenzhou 325600， China;

5.Zhejiang Tianzheng Intelligent Electrical Appliance Co.， Ltd.， Jiaxing 314001， China） Abstract：

Under the dual carbon policy，low-carbon energy has experienced rapid development.As the protector of energy equipment，low-voltage circuit breakers play a crucial role in ensuring the reliability and stability of energy systems.Taking the technical characteristics of three types of circuit breakers as the research object，this paper elaborates on the advantages and disadvantages of the reliability of the three types of circuit breakers through methods and means of induction，summary，and comparative analysis.Predicted the development trend of circuit breakers.This has laid a certain research foundation for the development of this field.Key words：

low-carbon energy; solid state circuit breaker; No tactile sensation; smart circuit breaker; flexibility