摘要：从产品和技术发展两方面阐述了塑壳断路器（MCCB）的现状和发展趋势，MCCB 应满足高性能、经济性、体积小、电动机用、直流、多功能等需求。通过典型产品介绍和同类产品对比，总结了产品特点；通过不同产品对比，分析了技术发展的新动向。提出为了满足新的使用需求，MCCB必须在关键技术、制造工艺、新材料等方面有新的突破。
关键词：塑壳断路器；旋转双断点；经济型；小体积；直流塑壳断路器；功能
引言：随着全球推行节能减排政策，新能源得到了迅猛发展。大量风能发电、太阳能光伏发电、海洋能发电等多种分布式电源、微电网、燃料电池接入电网，使得电网拓扑结构复杂化，产生如双向流动、电压波动等问题。另外，大量大容量电动汽车充电设施不断接入，给电网带来电能质量、负荷预测、网络瓶颈处理等问题。未来随着可再生能源的进一步集成，能源系统将更趋复杂。因此，电网面临新的挑战，供电系统必须变得更灵活、更智能。随着用电量的持续增长以及智能电网向更高水平发展，近几年塑壳断路器（Moulded Case CircuitBreaker，MCCB）的技术和性能有很多新的发展和动向，如主要性能指标进一步提高、保护功能的多样化、智能控制器功能继续扩展和完善、通信方式的便捷性和广域性，发展小体积、低成本产品等。本文对MCCB的现状和发展趋势进行了梳理和总结。
1、背景技术
在现有的带剩余电流保护塑壳断路器中普遍是以热磁脱扣式塑壳断路器基础上派生，加装有用于检测主电路剩余电流的零序电流互感器，其负荷侧的各极主电路导电连接件通过贯穿该零序电流互感器后再与负荷侧回路连接，因此不但具有热磁脱扣式的过载及短路保护功能，而且还具有剩余电流保护功能，从而保护了负载用电的安全。
现有的四极剩余电流保护断路器由于受到圆环形的零序电流互感器中心孔尺寸大小的限制，其A、B、C 极和N极的导电连接件是：一种是小电流规格的，用软连接导线贯穿连接，另一种是大电流规格的，用铜板导电件分割成前后两个，并在零序电流互感器中心孔内用紧固螺栓进行紧固连接，或铜板导电件分成多件焊接连成。如专利公告号为CN101079354B和CN102290292B的中国发明专利所示，其A、B、C各极则是用铜板导电件分成多件焊接连成，除去与主电路的中性线的N极端子导体，将R、S、T 相的端子导体以U字形状曲折形成该R、S、T相的端子导体的核心贯通部位，并沿着零序电流互感器的环内周边缘嵌插配置，而将N极端子导体分割成两个导体部件，并且使该分割导体部件在环状核心的前后两侧分开并错开位置，以使其不与其它R、S、T相端子导体的配线路径重合地配置在与R、S、T相端子导体相同的面上，使被分开的N极端子导体的连接端部在环状核心的内周中央位置相互从前后以对应方式由螺栓连接；或N极导体由两侧臂和底臂（挠性的铜编织线、软铜绞线或薄膜铜带的软连接）焊接，形成U形状导电体。上述技术方案存在以下缺陷：
1、采用螺栓将前后两个导体部件连接，在使用或运输过程中容易引发螺栓松动，从而导致接触电阻增加甚至出现断相或断零故障，以致剩余电流检测精度低或无法检测。
2、多个导体部件过度联结焊接连成，内阻增大，导致温升升高。
3、加工工艺复杂，装配麻烦，影响装配效率，且制造成本高。鉴于上述已有技术，仍有改进的必要，因此，本申请人进行了有益的尝试改进技术方案。
2、高性能MCCB
随着用电量持续增长，供电网络容量不断扩大，对短路分断能力要求进一步提高。故MCCB的分断能力随之持续提高，如施耐德公司于 2014年推出了NSXR、NSX HB1、NSX HB2分断能力级别的产品，在原产品相同体积内，大幅提高了AC 415 V、690 V 的短路分断指标。NSX R AC 415 V、Icu= Ics= 200 k A；NSX HB2 690 V、Icu=Ics= 100 kA，表征 MCCB技术达到了极高水平，也满足了大型舰船、大功率用电系统的应用需要，如大型冶金、石油精炼设备以及大型数据中心等。
旋转双断点结构的MCCB具有小体积、高性能以及极快的分断速度和极佳的限流特性，能够极大程度上限制短路电流，从而减小供电系统的动热效应损伤，避免系统使用过粗的电缆。其具有的能量控制脱扣技术可以在多台断路器串联使用时有优异的选择性动作，确保系统供电连续性。因此，旋转双断点结构的高性能MCCB继续得到认同与发展。2015年西门子公司在汉诺威工博会上推出了全新的 3VA2 全系列MCCB。其产品结构、电子脱扣器功能等有一定独特性，适应智能配电领域的集成方案，支持风能发电、光伏发电等新能源以及智能建筑和电动汽车充电设施。
3VA2系列MCCB最主要的特点是采用旋转双断点接触结构，具有很高的分断能力和良好的选择性。分断等级为4种，AC 415 V、Ics= 100% Icu，电流范围55--150 kA；采用环形双芯电流互感器，测量精度高；电子控制器具有不同的版本，ETU3不带显示功能，ETU5 具有显示与通信功能，ETU8具有显示、通信、完整的测量和计量功能；选择性保护响应的额定工作电流比为1.0：2.5；50℃使用不需要降容；所有壳架内部附件通用；具有隔离功能。
3VA2系列MCCB的外观及触头模块结构如图 1所示。
3VA2系列MCCB还具有一些独特的技术细节，如控制器所有调节旋钮用不同颜色表示不同的功能：深绿色表示过载保护，黑色表示短路保护、接地故障保护，灰色表示中性线保护；读取产品上的QR 二位码，通过互联网可以查看产品的关键信息。内部附件除了有标准代号外，还用颜色编码，可清晰地识别各个附件的特定功能。电动操作机构采用卡式结构，可实现快速安装和拆卸。
3、新的双断点 MCCB
自20世纪90年代中期，施耐德公司NS系列旋转双断点MCCB推出以来，由于其高分断能力而引起了国内外各家公司的重视。国际上，大多数低压电器公司都推出了这类产品，如ABB公司Tmax、LS公司的TS、Moeller公司的NZM等系列，分断能力在380/415 V条件下都可达到额定极限分断电流Icu= 额定运行分断电流Ics= 150 kA。特别是Tmax系列，更是达到了Icu= Ics= 200 k A。近年来，由于节能减排、新能源开关电器的需求，更显示出双断点MCCB的优越性。风力发电需要690 V断路器，如Tmax系列的Tmax4在690 V条件下，能达到Icu= Ics= 80 k A；而一般单断点MCCB 开断能力在690 V 时，Icu最高也不超过20 kA。光伏系统和其他应用需要直流开断，而双断点 MCCB在这方面有很高的性能。又如取额定电流为250 A的断路器作比较，双断点产品中Tmax系列的T4-L和TS系列的TS-L型，当直流250 V时都能开断Icu= 100 kA。上述2种直流断路器与国内外性能较好的单断点 MCCB1和MCCB2开断性能对比如图1所示。
图2 双断点与单断点 MCCB 在两相串联、DC 250 V条件下直流回路分断能力对比
WS-V系列的250 A双断点MCCB与原WS系列相比，不但开断性 能从125 kA提高到150 kA，且尺寸大大缩小，体积减少了31%。在此形势下，近年来国内各大公司，如常熟、正泰、上电科、上海人民、之江等也都在开发双断点MCCB产品。CM5系列在AC400 V条件下，也已达到Icu= Ics= 150 kA。
三菱公司为了满足北美UL 489标准的要求，还开发了SRU/HRU新系列MCCB，也能用于较高的电压，即开断480 V 的△接法电路。这种开关采用桥式双断点结构，如图3所示。双断点结构不但增加了总的触头开距，并且开断速度也得到了提升。结构上，灭弧系统、操作机构和脱扣图3SRU/HRU 新系列MCCB的结构器被内部壳体的隔板隔开，防止了开断过程触头。和灭弧系统产生的金属颗粒及游离气体进入操作机构和脱扣器部分，影响其绝缘性能和正常操作。触头和灭弧系统中放置产气材料，开断过程中电弧高温侵蚀产气材料，使其产生含氢的气体，一方面冷却电弧，另一方面产生强烈气吹，驱动电弧进入灭弧室，提高电流过零时弧隙的介质恢复强度。但引入产气材料会引起灭弧室内气压升高，若外壳强度不够，会造成外壳破裂。为了在提升开断性能的同时，尽可能不引起过高的灭弧室压力，三菱公司制作了2种结构的双断点灭弧室模型，即桥式和叉式双断点。试验时，计及模型外形尺寸和采取相同的触头间隙g、出气口直径（即d =10 mm），并在 AC 600 V、预期电流 10 kA 和功率因数 0.24 下进行，保证在电流第一个半波过零时不击穿的为成功开断，得出成功开断时桥式双断点压力为 0.28 MPa，而叉式双断点为 0.80 MPa，两者压力比近似为1：3，由此可以认为桥式双断点（如图4所示）为较好的方案。
图3 SRU/HRU 新系列 MCCB 的结构
4、低压电器研究趋势分析
低压电器经过数十年的发展，通过研发技术的不断革新、试验检测能力的逐渐提高，产品的性能得到了大幅的提升；同时产品尺寸的逐渐下降，则使节能效果显著。随着电子智能化、物联网技术和智能制造的附加，低压电器产品呈现了新的发展趋势。
图4 桥式与叉式双断点灭弧室模型
4.1 敏捷的产品研发机制
目前低压产品研发周期较上几代产品有了明显的缩短。这得益于新的研发技术和完备的测试平台。
（1）数字化仿真技术。国内以正泰电器和常熟开关为例，都成立了专门的仿真技术平台，对于低压电器产品进行机构运动、电磁、热分析、电弧仿真等多方面的仿真分析，在缩短产品研发周期和降低成本方面成绩显著。
（2）完备的试验测试平台。试验检测能直接检查出低压产品的多项性能指标，对于产品快速研发意义重大。但是因低压电器产品的特殊性，尤其是短路分断能力测试设备投入成本巨大。以厦门宏发开关为例，依次筹建了短路分断试验站（AC400V／25kA和DC1500V／15kA）、电寿命批量试验测试、特性试验测试、环境试验测试、材料分析测试等检测设备。大量的测试设备能够辅助研发快速的开展，大幅缩短产品开发周期，敏捷地响应市场需求。将来低压电器产品市场更新换代周期将逐渐缩短，敏捷的产品开发响应机制将会更加快速赢得市场。
4.2 低压电器产品物联网化
从施耐德万能式断路器Masterpact MTZ可以看出，多种传感器和通信技术的融合使得低压电器可以使用电脑、手机等设备在线监测、调控。低压电器作为物联网中电网保护的保护设备和感知元件，能够监测电网端的各种参数并及时的传输给物联网中心。物联网中心可以通过大数据对电网系统进行监测、调度和维护等相关举措，从而达到电力可靠供应、环保节能的目的。
4.3 低压电器产品智能化
ABB的AF系列接触器是一个典型智能化产品的代表，电子技术能为工业化产品增添智慧大脑，优异的控制算法可以通过电子模块来实现多种参数和多种功能的测量、调控，从而保证低压电器及其负载可靠地运行。
5、结语
新能源系统、微电网及电动汽车充电站等的迅猛发展推动智能电网不断向新的更高水平发展，同时促进了低压电器的技术迅速发展，MCCB在产品主要性能指标进一步提高、保护功能多样化、智能控制器功能继续扩展与完善、通信方式的便捷性和广域性，以及发展高性能、小体积、低成本产品等方面相应地有了长足进步与提高。
参考文献：
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论文作者:余蕾
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
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