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。低壓電器的設計過程如圖1所示。

從圖中可以看出，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。