旋转双断点塑壳断路器设计研究

旋转双断点塑壳断路器设计研究

诸葛永善,韦明明,孙达

环宇高科有限公司 325603

摘要：低压断路器是低压配电线路的重要组成部分，对配电系统的安全运行起着至关重要的作用，操作机构是低压断路器的关键机械结构，通过操作手柄和各种脱扣方式完成动静触头间分、合闸动作，直接关系到断路器的分断能力。为提高断路器短路分断时的限流能力，需要保证短路分断过程中短路电流未到达极限值时短路电弧能熄灭需要提高动触头的分闸速度，缩短斥开时间。提高低压断路器的分断速度，能在动静触头分开。在小规格双断点塑壳断路器的设计中，为了实现过载和瞬动特性，使用直热双金一螺线管电磁铁式脱扣器，但脱扣器的结构能够承受的能量也会因此降低。采用增加内阻的方法，可以将短路分断的电流和能量降低，在小规格电流段实现高短路分断能力。

关键词：塑壳断路器;小规格;双断点;短路分断

1  前言

在电路系统中，低压断路器通常用于保护电路与用电设备，接通分断正常电路条件下的电流，也可在电路发生如过载、短路、欠电压等故障时，接通、承载一定时间的负荷电流和分断短路电流。低压断路器种类繁多，按外壳类型可分为:框架式断路器、塑料外壳式断路器两大类;相对框架式断路器而言，塑壳断路器的额定电流等级和极限分断能力越来越高，许多场合已出现代替框架断路器之势，其市场份额也随之快速增加，在低压配电系统中的作用也越来越大。

随着科技水平提高，对断路器的分断与保护性能及可靠性的要求也越来越高，断路器触头机构作为断路器的关键部件，直接影响断路器的分断性能，而触头机构的工作可靠性又是决定断路器工作可靠性的重要环节，故针对低压断路器触头分断机构的优化设计和可靠性研究有着广阔的发展前景和极为重要的实用价值。

塑壳断路器由于其结构紧凑、体积小、安装方便等特性而得到广泛应用，塑壳断路器根据触头断点的数量，可分为单断点塑壳断路器与双断点塑壳断路器。而根据其触头运动方式又可分为直动式双断点塑壳断路器和转动式双断点塑壳断路器。由于双断点触头可以形成双电弧区，灭弧能力更强，因此相比于单断点断路器性能更好、更可靠阵。但由于旋转式双断点塑壳断路器(以下简称双断点断路器)相对单断点以及直动式双断点塑壳断路器来说，内部结构更紧凑而复杂，所以设计起来也更加困难，其研究价值与应用前景也相对更大。

目前，国内外比较先进的断路器的共同特征是:分断能力高、分断可靠、体积小、保护特性多样化等。此外，采用模块化设计，是当前具有国际先进水平断路器的设计趋势，这种设计能减小断路器的尺寸，同时大大提高生产效率。随着制造业以及电力技术的快速发展，大规模化的电网系统的运行方式也向着智能化方向发展，且对电网运行的自动化程度以及可靠性要求也越来越高。因此，断路器必将向着高性能、高可靠、智能化、小型化的方向发展，上述各种变化对断路器的分断性能都提出了更高的要求。因此，缩短开发周期、提高产品质量、降低设计生产成本以及对市场的灵活把握成为竞争者获胜的关键性因素。所以，研发新一代具有自主特色的新型断路器是我国断路器行业迫切需要解决的问题，这对于打破我国高性能的断路器长期依赖引进和模仿为主的局面以及提高我国断路器的设计与制造水平具有重大意义。

2  双断点断路器的结构特点

双断点塑壳断路器按触头运动类型可分为直动式和旋转式，采用双断点结构的塑壳断路器，无论是是旋转式还是直动式都具有体积小、高性能、极快的分断速度和极佳的限流等特性，能够大幅度地限制短路电流，从而能够降低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，双断点结构的高性能塑壳断路器得到全面认同和持续发展。

通过对旋转式双断点塑壳断路器触头机构的分析，建立双断点触头机构的动力学模型，并利用MATLAB软件计算出触点分断速度值，应用应力一强度干涉模型对触头机构的关键部件进行可靠性分析，以满足可靠性要求，并通过改变各参数值，得到对分断速度影响较大的参数，从而得到最佳的优化方案。旋转式双断点断路器的触头机构结构紧凑，省去了软连接，从而提高了断路器运行可靠性和机电寿命。由于两个触头的电动斥力的迭加，可大大提高斥开速度，并且旋转式双断点结构在有限的空间内加大了触头开距，从而提高了短路分断能力。综上所述，采用旋转双断点结构的塑壳断路器具有以下特点:

    （1）双断点结构具有两个电弧电压区，更加有利于电弧的灭弧，触头回路间的电动斥力相对于单断点更大，使动、静触头系统能更快速打开，灭弧系统加速吸弧，从而吸收大量的电弧能量，增强限流能力，提高断路器的分断性能。

    （2）相对于传统的焊接式的软连接，双断点的一体式结构更加安全可靠，大大减少了因为多次动作导致的软连接反复弯折而断裂以及焊点脱落等失效问题。

    （3）防跌落式触头系统。很多旋转双断点型断路器从安全的角度出发，均设计了此种结构，其优势在于当动、静触头分开一定距离后，销轴进入触头杆中的卡槽，将动触头锁死，从而防止动触头跌落，当分断完成后再扣时，动触头可重新回到原有位置。

3  改变内阻方式

(1)改变触头系统材料增加内阻。触头系统中分动触头与静触头。动触头一般不去改变，主要是因为静触头较大，更换材料效果更好。由于双断点产品有两个静触头，所以双断点塑壳断路器首先推荐使用改变静触头材料的方法来增加内阻。

(2)在触头系统内增加电阻丝。由于单断点塑壳断路器只有一个静触头，改变静触头材料的方法并不能满足其增加内阻的需求。但是由于单断点结构的原因，可以在静触头处串联电阻丝。电阻丝可以排布在断路器的底面，不影响到动触头的运动，这种结构在有单元盒的双断点产品中无法实现。内阻可以加得比较大。

(3)在脱扣器内增加电阻丝。国外的一些模块化MCCB产品向用户阐明，用户不需要更换触头系统，只要采用更换脱扣器，就可以改变产品的脱扣方式和特性。在这种结构的产品中，更换触头系统中的零部件显然是无法操作的。但是，仍然可以将电阻丝加在脱扣器中。在脱扣器内增加电阻丝的方法。采用在静触头上增加电阻丝的原理，在脱扣器中可以将增加的电阻丝缠绕在双金上，并注意做好绝缘，就能增加内阻。在热过载继电器产品中通常使用该方法。

(4)改变脱扣器中热磁系统线圈的材料而增加内阻。这是一种最有效的增加内阻方法。通常，只有1.5-12.5 A的单磁式产品才能采用这种方法，因为线圈本身比较细，有很大的内阻，将原本的纯铜线圈改为其他更高电阻的材料，会提高非常多的内阻，不太适用于16 A以上的热磁式产品。

4  结语

随着塑壳断路器应用领域的发展，涌现了许多新领域使用的塑壳断路器。在新领域中，以往传统的产品不一定能完全满足使用需求，但在了解清楚使用条件和产品原理、机理后，可以通过最简单的更改来达到满足新领域使用的需求。

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• [5]周光照. 双断点塑壳断路器触头机构的优化设计与可靠性研究[D].温州大学,2016.

第一作者：

姓名：诸葛永善；出身年月：1996年1月；性别：男；籍贯：浙江温州；民族：汉；学历：本科；

现有职称：初级工程师；研究方向：电器专业；

单位及邮编：环宇高科有限公司 325603

单位所在地：浙江省温州市乐清市温州大桥工业区

邮寄地址及邮编：浙江省乐清市柳市镇柳乐路555号人民电器集团  陈蒙生 13867786618

第二作者：韦明明，单位环宇高科有限公司 及 邮编325603；

第三作者：孙达，单位环宇高科有限公司 及 邮编325603