1.概述
电器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、电接触、可靠性等方面的原理与技术。电、磁、光、热、力、机械等能量的转换规律大多是非线性的，许多现象是一种瞬态过程，使得低压电器的理论分析、产品设计、性能检验变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时，除采用低压电器传统理论基础：电接触理论、电弧理论、发热与电力理论、电磁机构理论等进行必要的理论推导、分析计算...
1.概述
电器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、电接触、可靠性等方面的原理与技术。电、磁、光、热、力、机械等能量的转换规律大多是非线性的，许多现象是一种瞬态过程，使得低压电器的理论分析、产品设计、性能检验变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时，除采用低压电器传统理论基础：电接触理论、电弧理论、发热与电力理论、电磁机构理论等进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用了大量的经验数据。因此要设计出性能优良、价格合理的低压电器产品十分困难。
低压电器是用于交流电压至1200V，直流电压至1500V的电路中起通断、控制或保护等作用的电器。低压电器按其控制对象可分为：低压控制电器和低压配电电器;根据其工作条件或使用环境条件可分为：一般工业企业通用低压电器和特殊用低压电器(包括：牵引低压电器、船用低压电器、矿用低压电器、航用低压电器、热带型低压电器、高原低压电器)。
低压电器基本上包括12类产品：即刀开关和转换开关、熔断器、断路器、控制器、接触器、起动器、控制继电器、主令电器、变阻器、调整器、电磁铁。低压电器是电器工业的重要组成部分，在机械行业中是基础配套件，在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压电器元件构成，低压电器元件的功能及性能对低压成套开关设备起着至关重要的作用。发电设备所发出电能的80％以上是通过低压电器分配使用的。每增加1万kW发电设备，约需4万件左右的各类低压电器元件与之配套。在工业自动化系统中，也需要由低压电器构成的各种控制屏、控制台、控制器等。
2.低压电器的发展
低压电器技术的发展决定了低压电器产品的发展。
（1）我国低压电器产品的发展历程
近年来，我国低压电器行业出现了巨大的变化，低压电器产品发展到了一个崭新的阶段。我国低压电器产品的发展大致可分为以下三个阶段：20世纪60～70年代初，在模仿基础上设计开发的第一代统一设计产品。以CJ10、DW10、DZ10、JR16B等产品为代表，产品结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、品种规格不齐全。20世纪70～80年代，是在更新换代和引进国外先进技术制造的第二代产品。以CJ20、DW15、DZ20、ME、AE、EWE、AH、B、3TB等产品为代表，技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求，是我国低压电器的支柱产品。20世纪90年代，跟踪国外新技术新产品自行开发试制新产品，以DW40、DW45、DZ40、S、CJ40、M、F、3TF等产品为代表，产品性能优良、工作可靠、体积小、电子化、智能化、组合化、模块化、组合化、模块化、多功能化，总体技术性能达到或接近国外20世纪80年代末～90年代初水平。虽然已有技术含量较高的第三代电器产品出现，但其市场占有率仅在10%以内。为了尽快提高我国的电力系统、自动控制系统、自动监测系统的自动化水平，必须大力发展第三代电器产品，淘汰和改善老产品，使电器产品在研制、开发、生产、检测各阶段实现全面飞跃。
（2）低压电器行业发展现状
我国低压电器工业自1949年后，在一些修理、装配简单电器工厂的基础上逐步发展成能独立设计、生产的行业，到1979年共有生产企业600多家，总产量3053万台，产值12.1亿元。经过1985～1986年、1990～1991年两个发展高峰，1995年低压电器行业已有生产企业约2000家，年产值80亿元（其中机床电器约15～20亿元）,年产5亿台件各类低压电器产品。资料显示：低压电器行业工业总产值为53.2亿元，工业增加值为9.1亿元，产品销售收入为48.6亿元，利润为2.5亿元，出口交货值3.4亿元。目前我国低压电器制造企业主要集中在北京、天津、辽宁、上海、江苏、浙江、广东等地，在促进国民经济发展的同时，也暴露出许多问题。主要有以下两点：企业规模偏小，且数量过多。目前我国低压电器生产企业中，年销售收入和总资产均在5亿元以上的大型企业只有2～4家，绝大多数都是中小企业，导致企业缺乏规模经济和竞争力；而且，我国低压电器生产企业由建国初期的600多家，发展到现今的2000多家，企业数量过多，导致经济资源过于分散，缺乏效率。
区域结构趋同，重复建设严重。我国低压电器行业由于盲目上项目、铺摊子，地区产业趋同化现象严重，低水平重复建设，造成产品生产过剩、能源、原材料利用率低、经济效益低下以及地区保护、恶性竞争等后果。
（3）低压电器产品的设计方法及其发展
低压电器产品的设计过程十分复杂。要设计一台性能优良、工作可靠、价格合理的低压电器开关产品，必须经过电气特性与机械特性的反复计算与研究。即使这样，设计计算参数与产品实际性能，仍然会有很大差距，必须通过反复的试验验证。因此低压电器产品开发周期长、资金投入大。低压电器的设计过程如图1所示。
从图中可以看出，对低压电器产品的设计，首先，必须从传统的静态分析、近似计算、经验分析转化到基础电磁机构动态数学模型的优化设计阶段。早期电器产品的研制开发，由于条件限制，大都是以静态特性为研究对象，往往忽略许多不定因素或难以计算的参数。显然，静态特性无法准确反映电器在工作过程中的实际特性，
因此，设计出来的电器产品性能指标达不到预期目标。
动态特性可以描述电器实际的工作过程与状态变化，揭示在不同时刻各参量间的关系，表明各参量随时间的变化规律。在开关电器中，作为电器感测部件的电磁机构，其工作过程是一个电能→磁能→力的转换过程，同时还要克服机械力做功。因此，惯性大、灵敏度低、动作时间慢、操作频率低。为了缩短动作时间，就必须加快动作速度，从而使电磁机构的碰撞能量增加，降低了机械寿命。所以，必须建立电磁机构动态过程的优化数学模型。对其进行动态设计。而作为传统低压电器产品执行部件的触头系统，闭合过程中的弹跳、火花、二次振动熔焊与磨损、闭合状态的动静触头接触特性、打开过程的电弧、打开状态的绝缘问题等等都涉及到动态过程的分析与计算。
采用最新优化设计方法，以遗传算法建立优化动态数学模型，设计出体积小、重量轻、成本低、价格合理、工作可靠、性能优良的电器产品是电器产品设计技术的一次飞跃。
3.智能化技术在低压电器中的应用
近年来，电器的设计、研制和开发进入了一个崭新的时代。电器在技术理论和电器产品结构正处于不断更新和全面提高的阶段。传统的有触点电器在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断和完善；真空电器、半导体电器以及其他新型电器如微电子技术和电器技术结合的机电一体化电器或智能化电器亦在开拓发展之中；电器产品向着组合化、成套化发展。将智能化技术引入低压电器，使低压电器技术在研究、检测、生产的各个环节上发生根本的变化。
（1）智能化的控制技术
智能断路器、智能电动机保护器、智能接触器等智能电器元件和智能型配电网络系统应运而生。智能断路器就是将智能型监控器的功能与断路器集成在一起，主要是实现了断路器的智能化。断路器的保护功能大大加强：可实现长延时、短延时、瞬时过流保护、接地、欠压保护等保护功能。在断路器上可显示电压、电流、频率、有功功率无功功率、功率因数等系统运行参数。目前,在供电系统中大量使用软起动器、变频器、电力电子调速装置、不间断电源等装置，使电网和配电系统中出现了大量的高次谐波,而模拟式电子断路器一般只反映故障电流的峰值,造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作。带微处理器的智能化断路器反映的是负载电流的真实有效值，可避免高次谐波的影响。
与传统的双金属片热继电器相比，微电子控制的智能式热继电器具有一系列优点：可保护电动机过载、断相、三相不平衡、反相、低电流、接地矢压、欠压等故障，并可数字显示故障类型，保护不同起动条件与工作条件下的电动机，动作特性可靠。
将微处理器引入交流接触器中，实现智能交流接触器起动、保护、分断全过程的优化控制。目前采用了特殊结构的触头系统，实现了接触器的无弧、少弧分断,大大提高了接触器的电寿命,实现了交流接触器技术的重大突破，达国际先进水平。将微电子技术和计算机技术结合形成智能混合式交流接触器技术的重大突破，达国际先进水平。
将微电子技术和计算机技术结合形成智能混合式交流接触器。在智能交流接触器基础上研制的新型智能混合式交流接触器，只采用3个单相可控硅与接触器触头并联,就可实现吸合与分断过程中的无弧运行，从而大大降低混合式交流接触器的成本，实现了全过程的优化控制,，达到了节能、节材、无声运行、高操作频率、高电寿命并且实现了与计算机的双向通信功能。在智能电器元件的基础上,研制和开发智能开关柜，使控制系统的自动化程度大大提高。
（2）智能化的设计技术
随着计算机技术的飞速发展，CAD、CAE和CAM技术使低压电器的设计与研究跨进了一个新阶段，产品开发周期大大缩短。三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体。计算机辅助设计包含结构设计、实体造型、特性分析与动态显示功能。CAD软件具有相应的专家模块,可以很方便的根据性能要求确定电器的结构形式，合理安排激磁系统、反力系统，选择合理的触桥类型、灭弧装置等。低压电器产品的造型非常复杂,计算机系统可以方便的根据给定的离散数据与工程问题的边界条件,来定义、生成、控制和处理，从而提供构成产品几何模型所需要的曲面造型。CAD/CAM技术不仅能够进行电器的外观设计,而且还具有很强的计算能力。有限元算法是当今电磁场计算的主要算法之一,具有三维有限元剖分的计算机软件可帮助电器工程师进行电磁场计算。计算机分析软件包括运动分析、受力分析、有限元分析、塑料压注成型分析等等、构思、检验产品模型，解决三维几何模型设计的复杂空间布局等问题。
总之，计算机辅助设计包含了零件设计与装配直至产品总装，设计者可以直接在计算机屏幕上观察、构思、修改、研究、检查电器产品，大大缩短了产品的设计周期，提高了产品的性能指标，改善了电器工作者的劳动条件。
（3）智能化的检测技术
要开发性能优良的低压电器产品,必须要有先进的测试、检验手段。20世纪90年代人们提出了“可测性设计”的观念。在系统设计开始就同时考虑测试问题,并同时进行可测性设计,缩短了产品的开发周期。研发的光机电电磁电器动态测试装置，将计算机技术、传感器技术、电力电子技术与电器技术结合在一起，实现了电器动态过程各参数的可视化实时检测。应用了软测量技术、数据事例技术以及模糊识别技术,解决了难以直接测量的特性参数的软测量、电器动态过程中的疏失误差以及电器性能的综合评估等问题。该装置目前已应用于新型智能交流接触器的研究与开发中,为深入研究电器的实时最优控制，达到最优运行与大幅度提高其性能指标,缩短设计周期起到了重要的作用。测试装置的原理如图2所示。
图2 测试装置的原理
4.低压电器市场竞争分析
（1）低压电器产品市场竞争特点
我国低压电器制造业面临着供大于求的严峻形势。由于电力、石化、建筑等产业的大发展，给低压电器制造业的大发展提供了很好的机遇，但是企业数量增加太多，再加上国外一些电器公司面对着中国这个巨大的市场也一涌而上，更加剧了竞争的激烈程度。低压电器产品市场竞争特点：
①市场很大，国内低压电器制造企业数量太多，国外一些公司已进入国内市场，竞争非常激烈。我国低压电器制造业面临着供大于求的严峻形势。由于电力、石化、建筑等产业的大发展，给低压电器制造业的发展提供了很好的机遇，但是企业数量增加太多，再加上国外一些电器公司面对着中国这个巨大的市场也一涌而上，更加剧了竞争的激烈程度。
②竞争并不平等，质优未必市场优。我国正处于经济体制转轨过程中，各种不平等竞争现象存在于供销环节中。按照市场规律，优质应价优，或者相同价格条件下质量好的产品销路应该更好，但现实未必如此。
③在科技含量较高的产品竞争中，原来的骨干企业（或重点企业）与民营企业相比仍占有很展大优势。
（2）国外的大公司的进入
这些跨国大公司历史长，管理好，技术力量雄厚，新产品开发周期短，对市场反应迅速。加入WTO后，许多国际先进的电压电器企业还要大举抢滩我国市场。他们也许会以合资、独资等方式，利用我国境内低成本的劳动力和原材料进行生产，从而降低产品成本。这是严峻的挑战。但同时，随着市场的开放，我国低压电器也会轻易地获得国际上先进的生产和管理技术，再以我们的地域优势取得新的优势。
有了来自外部的压力，就迫使我们的低压电器企业引进先进的生产资料，形成先进的生产力。唯此，才能整体提高我们的企业档次，提高我国低压电器行业的整体竞争力。
（3）市场竞争对手实力比较
在国内低压电器市场中，国企的产品仍占有60％～70％，国企仍是主力军。这些企业经过50来年的发展，设计和制造水平有了很大提高，自行设计和制造的产品基本能满足国民经济的需求，但也应该看到，我国低压电器行业企业的制造工艺落后，专用工艺设备少，产品生产重复性差，可靠性水平不高。企业负担重，再加上受拖欠货款的影响，资金紧张是国企的通病，技术改造资金投入太少，产品水平不高，形不成规模经济和经济批量。
我国低压电器市场主要由三方构成：国企、合资企业与民营企业，它们之间实力有不小差别。在国内低压电器市场中国企的产品仍占有60%～70%，国企仍是主力军。这些企业经过50来年的发展，设计和制造水平有了很大提高，自行设计和制造的产品基本能满足国民经济的需求，但也应该看到，我国低压电器行业企业的制造工艺落后，专用工艺设备少，产品生产重复性差，可靠性水平不高。企业负担重，再加上受拖欠贷款的影响，资金紧张是国企的通病，技术改造资金投入太少，产品水平不高，形不成规模经济和经济批量。
国企的市场竞争对手主要有两个，一个是合资企业，另一个是民营企业。合资企业通常是外资出技术及装备，中方出厂房及劳动力。产品的起点高，系列化，工装模具好，又没有国企那样重的负担，可谓经济实力与技术实力均比较强大。由于合资企业建立的时间尚短，规模也比较小，合资企业的产品价格又高，在竞争中并不占上风。民营企业从1985年以来增速很快，现在已是增中趋缓，但增加的速度仍快于其他所有制，起初从事低压电器的民营企业规模很小，产品品种规格不多，近几年经济规模不断扩大，经济效益愈加明显。这类企业中有一些已达到国家大中型企业的规模，他们的产品成本比国企的低，产品售价有优势，经营思路符合市场经济的规律，销售系统强大、有效，因此他们的经济效益比国企高。这类企业的不足之处在于设计、制造工装的能力不强，开发新产品的能力也不高，技术力量相对较弱，但是这类企业与合资企业一样潜力很大。
（4）低压电器产品市场竞争激烈表现
业内人士指出，我国现行的低压电器产品价格比较混乱，市场竞争激烈，具体表现在：
①国企产品价格大体上执行行业自律价。行业协会会员单位之间按自律价销售产品，不得漫天要价，也不能低价倾销。
②非行业协会会员单位往往比照行业协会的“自律价”，根据自己公司的需要制定一个产品销售价格。出厂价、优惠价、零售价和批量出厂价等五花八门，损害了顾客的利益，也不利于企业间的公平竞争和经济效益。
③国外一些电器公司在国内办的一些独资公司或合资公司的产品价格均高于国产产品的价格。近两年来国外一些大公司为了挤占国内低压电器市场，已有降价的趋势，但降价幅度不太大。
（5）我国低压电器市场前景十分乐观
近几年，由于低压电器市场容量不断扩大，重复建设严重，低压电器制造业面临着供大于求的严峻形势。由于电力、石化、建筑等产业的大发展，给低压电器制造业的大发展提供了很好的机遇，但是企业数量增加太多，再加上国外一些电器公司面对着中国这个巨大的市 场也一涌而上，更加剧了竞争的激烈程度。
我国低压电器市场容量将稳步增长，其前景十分乐观。国内低压电器的市场容量与电力事业的发展是紧密相连的。据测算2001～2005年全国发电量增幅在4%左右，2006～2010年在4.5%左右；在10年内电力弹性系数平均为0.6左右，这样，2001～2005年全国每年需增发电量660～770亿KWh，2006～2010年每年平均增发电量660～770亿KWh，按照1997年全国电力机组平均每天运行13.1h计算，2001～2010年每年平均新增装机容量为21GW左右。按照经验配套比计算，每年需要低压框架式断路器约48万台，塑壳式断路器462万台，其他各类低压电器产品的需要量也是很可观的。我国低压电器产品出口东南亚国家的数量比较大，由于国家对机电产品出口的重视、扶持及鼓励，都有利于低压电器的出口。
5.低压电器技术的展望
虽然，智能低压电器的研究工作已全面展开，但是低压电器的许多问题用简单的微处理器无法解决。要使低压电器产品尽快跟上电力电子技术、计算机技术、传感技术、网络技术、智能技术的发展，必须尽快开展下列研究。
（1）人工智能技术在电器中的应用
人工智能是控制论、信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学、哲学等学科相互交叉渗透的产物,它的一些领域如图3所示。其中人工神经系统、遗传算法、专家系统与模糊控制是人工智能中最常用到的四种分析方法。
近年来，专用集成电路ASIC技术的飞速发展，它将ADC、DAC以及运算放大器、比较器等模拟电路、微处理器、DSP等功能部件以及SRAM等大规格的存储器集成在芯片中。DSP开发工具、应用软件以及DSP平台的发展，也对电器的人工智能化起到了促进作用。
采用模糊逻辑控制技术与电器技术相结合，研制具有模糊控制能力的多功能、高可靠性、高性能模糊智能电器必将成为今后电器发展的焦点。
专家系统不仅可用于电器制造、生产过程的管理，而且可以与电器技术结合完成优化的运行过程。遗传算法可用于函数优化、自动控制、图像识别、机器学习、规划设计等领域。
神经网络由于其适应不确定性和高度的非线性控制对象，在控制中可用于模式识别、优化设计、推理模型、故障诊断等。因此可用于电器的设计与实时信号检测、控制、保护、调节、故障诊断等。神经网络已应用于异步电动机的热过载保护的温升智能预测系统。
（2）现场总线技术在低压电器中的应用
随着信息技术和计算机网络的发展,使智能化电器与中央控制设备,包括中央控制计算机与可编程逻辑控制器实现双向数据通信,并在低压配电系统和电动机控制中心统一形成了智能化监控、保护与信息网络系统。这种系统使操作人员在控制室中能够方便地控制各种现场设备，并且能够及时了解现场设备运行情况，处理各种故障。近年来，现场总线的出现给工业自动化带来了革命性的变革。
现场总线是一种造价低、可靠性强并适合工业环境使用的通信系统。传统的通信系统需用多芯电缆让数据并行传送，而现场总线仅需要一根双芯电缆，使布线非常简单，减少了安装维护费用。现场总线按国际标准采用统一的通信规范，因而它具有很好的互换性和互操作性，它是与生产厂商无关的系统，各种现场设备只要按这种规范和协议生产都可以在网络上使用。现场总线生产工厂能提供现场总线各种标准部件，包括接口、各种中间继电器、电缆、模块化I/O站等等，大大方便了安装和维护，即特即用，适合于现场设备分散布置的特点。国外许多大公司近几年都发展了可通信低压电器产品。必须尽快发展我国低压电器产品的现场总线系统与通信技术，才能使系统具有故障诊断能力。当系统中电器设备发生故障时，通信电器与现场总线联接器能够显示故障信号，便于排除故障，保护系统正常运行；系统传输的信号量增加，提高了系统自动化程度；信号传输的精度提高，保证了系统运行的可靠性。
（3）仿真与虚拟技术在电器中的应用
前已述及三维计算机辅助设计软件可以实现三维零部件的实体造型、装配、自动生成工程图纸、按照设计的零部件自动进行模具设计并生成数据编码。但是，要使电器产品满足预期的技术条件、达到预期的电气、机械性能，还能、必须经过反复试验。计算机模拟与仿真技术的应用可以在样机制作前，精确掌握电器产品的性能，减少重复样机制作，降低实验费用，加快产品开发周期，提高产品性能指标。
低压电器的基本特性包括通断能力、温升、零部件的强度、热稳定、绝级性能及其他电气性能等。这就需要对设计对象的电磁场、应力场、磁场等物理场进行仿真和分析。计算机模拟仿真技术的发展、有限元分析软件性能的不断提高，为这种新技术在低压电器中的应用创造了条件。20世纪90年代以来，用特征造型方式输入三维图形，代替繁琐的数据输入，使输入工作变得简单、直观，后处理阶段可以方便的观察输出的数据或对三维图形进行分析。通过计算仿真可以得到产品设计的可行性方案，满足产品的技术要求。但是，如果想要实现经济技术指标最佳，就必须将仿真技术与最优化方法结合起来，才能达到预期效果。随着计算机图形技术的迅速发展，虚拟技术将引入低压电器的设计领域。设计得可以在虚拟环境中，对电器产品进行仿真与优化，这将使我国低压电器的设计、研究达到一个更新的阶段。
6.低压电器技术发展趋势
为使断路器赶上国际先进水平，把开发智能化断路器列为重点开发项目。智能化断路器的开发成功代表了我国低压电器的发展方向。它除了具有四段选择性保护和电流表、电压表、显示、记忆、试验、自诊断、区域故障显示、报警和负载监控等智能功能外，还带计算机通讯接口与上位机连接可以实现遥控、遥调、遥讯，满足电力系统的微机控制和自动化的要求。它融合了现代化机电、测量、控制和微机技术，是高科技产物。目前国内有的厂正在着手开发4000A、5000A的智能型断路器。
随着新技术的发展，特别是电子、微电子技术和计算机的迅速发展，将对低压电器元件带来深远的影响，在原有产品继续完善性能、功能、提高质量的同时，将产生一批新型产品。我国未来的低压电器产品技术开发及发展将主要有以下几个趋势：
低压电器产品智能化
在现代化电站和工矿企业中，已广泛采用电子计算机监控系统，对与之配套的低压断路器提出了高性能、智能化的要求，并要求产品具有保护、监测、试验、自诊断、显示等功能。“八五”期间已开发的智能化断路器DW40、DZ40将进一步完善系列、实现产业化，并在国内重要电力系统中得到应用与推广。
产品电子化
在现代化企业中，采用PC控制系统来代替由电气—机械元件组成的系统，已是机械电气控制系统的主流。该系统要求电器产品具有高可靠性、高抗干扰性，还要求触点能可靠接通低电压、弱电流，触头断开时的电弧不能干扰电子电路的正常运行。“八五”期间中国已开始对各种控制电器元件进行相应的电子化改造，发展电子适应型电器，开发固态电器。
产品组合化、模块化
将不同功能的模块按不同的需求组合成模块化组合电器，是当今低压电器产品的发展方向。在接触器的本体上加装辅助触头组件、延时组件、自锁组件、接口组件、机械连锁组件及浪涌电压组件等，可以适应不同场合的要求，扩大产品适用范围，简化生产工艺，方便安装、使用与维修。
提高产品的可靠性和产品质量
中国现有产品技术指标与国外差距不大，但是质量不稳定，运行可靠性差，因此提高产品可靠性及产品质量不仅是用户的要求，也是企业进行国内外竞争的需要。
可以预见,我国低压电器市场容量会稳步增长，前景是乐观的。根据国家政策走向，在今后一段时期内低压电器产品结构还进一步调整。工艺落后、体积大、能耗高又污染环境的产品格被淘汰，而智能化、机电一体化的产品市场将会不断扩大。