塑壳断路器（共7篇）
塑壳断路器 篇1
0 引言
塑壳断路器多装于成套柜中使用, 部分断路器用人力直接搬动断路器手柄进行操作, 部分断路器采用手动操作机构 (简称手操机构) 在成套柜门外进行操作, 尤其是大电流壳架等级的断路器, 这样, 一方面, 操作快捷, 省去了开柜门的时间, 另一方面, 操作者远离导电体, 更加安全, 且通过手操机构的杠杆作用, 可以减小操动力。此外, 若较多塑壳断路器装于同一柜中, 机构手柄有规律地布置在面板上, 可以提高柜体的美观程度。
塑壳断路器在成套柜内一般立式安装, 操作时断路器手柄上下转动, 而柜门上的机构手柄为旋转运动, 因此, 手操机构主要功能是将旋转运动变成直线运动。完成这一运动转换的机构很多, 有曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、双连杆机构等。本文手操机构的设计思路:先画出完成运动转换机构的运动原理图, 然后设计出具体的结构形式, 再添加限位、减小摩擦阻力等细节装置, 最终完成整个手操机构的设计。
1 手操机构
1.1 曲柄滑块机构
曲柄滑块机构原理图如图1所示。
曲柄为主动件, 手操机构手柄通过连接杆带动连杆转动, 滑块为纵动件, 相当于推动塑壳断路器手柄左右滑块的导板。
图2为曲柄滑块机构细化图, 手柄旋转时, 通过连接杆 (四方形) 带动下面的连杆一起转动, 连杆槽中设有一轴销, 轴销的另一端固定在导板上, 导板与导套焊接组合, 导板上的长方孔用以置纳断路器的手柄, 故连杆转动时, 导板在导杆上可左右滑移, 带动断路器手柄转动, 使断路器合闸或分闸。
1.2 齿轮齿条机构
齿轮齿条机构原理图如图3所示。齿轮为主动件, 手操机构手柄通过连接杆带动齿轮转动, 齿条为纵动件, 相当于推动断路器手柄左右滑移的导板。
图4为齿轮齿条机构图细化图, 手柄旋转时, 通过连接杆 (四方形) 带动下面的齿轮一起转动, 导板一侧开有等距缺口, 用作齿条, 导板底部设有导轨, 导板上长方孔用以置纳断路器手柄, 因此, 当齿轮转动时, 可带动导板沿导轨左右滑移, 即带动断路器手柄转动, 使断路器合闸或分闸。
1.3 双连杆机构
双连杆机构原理图如图5所示, 连杆1为主动件, 手操机构手柄通过连接杆带动连杆1转动, 连杆2为传动件, 导板为纵动件, 相当于推动断路器手柄左右滑移的导板。
图6为双连杆机构细化图, 手柄旋转时, 通过连接杆 (四方形) 带动连杆1转动, 连杆1与轴销1固定连接, 轴销1另一端伸入连杆2腰孔中, 连杆2的另一端通过铆销与支架相连, 中部腰孔中设有轴销2, 轴销2另一端固定在导板上, 导板上长方孔用以置纳断路器的手柄, 因此, 连杆1转动时, 可带动导板左右滑移, 即带动断路器手柄转动, 使断路器合闸或分闸。导板一侧设有两只滚轮, 使导板滑移时摩擦力大大减小。手操机构手柄驱动力为F, 轴销2输出力为F', 轴销1对连杆2作用力为N, 连杆1、2夹角为α, 则N=F·cosα, F'·c=N·b=F·cosα·b, 故F'=F·cosα·b/c, 当断路器操动阻力较大的时候, α取较小值, 则F'>F, 所以, 双连杆机构有着增力作用。
2 机构分析
实现旋转运动——直线移动的传动型式还有很多, 如带轮钢丝绳传动、链轮双链条传动、凸轮滑杆传动等, 但这些传动型式要么结构复杂, 要么传动效率低, 操作力大, 因此, 本文不作详细展开。在此主要讨论上述三种手操机构的优缺点及应用场合。
1) 曲柄滑块机构, 此机构最为常见, 零件加工简单, 传动时有空程, 但不大。导杆导套为圆柱配合, 且配合面较长, 因此, 导板滑移时导向好, 摩擦力较小。由于导杆跨距较大, 整个传动机构刚性略差, 因此, 特别适用于额定电流小于或等于250 A的塑壳断路器的手操机构。
2) 齿轮齿条机构, 此为手操机构最直接的构思方案, 机构零件少, 装配方便, 但由于齿轮齿条属于精密传动, 装配时需仔细调整, 且零件的精度要求高, 否则会出现轮齿传动空程大或相互干涉现象。并且导轨设计简单粗糙, 传动时有较大的摩擦阻力, 因此, 该机构适用于额定电流小于或等于400 A的塑壳断路器的手操机构。
3) 双连杆机构, 该机构比上两种机构结构复杂, 但通过双连杆传动, 操纵力可减小, 因此, 特别适用于额定电流大于或等于630 A塑壳断路器的手操机构, 机构构思精巧, 零件加工方便, 且导板一侧增设两只滚轮, 使导轨滑动摩擦变成滚动摩擦, 大大减小了机构操纵力。
曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、双连杆机构均适用于塑壳断路器的手操机构, 从设计角度讲, 针对某一款塑壳断路器, 采用曲柄滑块机构或齿轮齿条机构, 设计时变化要素相对较少, 设计比较简单, 而双连杆机构设计时变化要素相对较多, 设计比较复杂, 应通过优化设计来确定最佳方案;从工艺角度讲, 双连杆机构和曲柄滑块机构零部件制作容易, 精度较低, 质量容易保证, 而齿轮齿条机构传动零部件配合精度要求较高, 需要精密冲制才能达到要求, 加工不易, 调整不便, 工艺性较差;从机构操动力角度讲, 双连杆机构可通过优化设计, 有效减小操动力, 而曲柄滑块机构和齿轮齿条机构则很难通过设计大幅减小操动力。
3 结语
塑壳断路器手操机构形式多样, 各具特色, 适用于不同场合。设计手操机构时, 应先画出满足运动转换要求机构的原理图, 结合应用场合, 来细化具体的机构。在设计过程中应注意: (1) 最好一个零件具有多个功能, 如限位、导向等。 (2) 具体细化机构必须紧紧围绕应用场合, 控制好手操机构的刚性和摩擦系数等。 (3) 应尽可能简化机构, 减少零件数量。这样, 一方面降低成本, 另一方面减少机械故障, 提高机械使用寿命。 (4) 对于需要较大操动力的手操机构, 应设置增力装置。 (5) 手操机构在设计过程中力求精致小巧, 故对其传动件尺寸多有限制, 但其承担着力的传递, 因此, 对其中一些销、连杆类零件应采取热处理等强化措施, 提高零部件的强度和耐磨性, 提高手操机构整体机械寿命。 (6) 由于每台塑壳断路器手柄输入角度略有差异, 在手操机构中, 还应设置变角度装置, 确保手操手柄转动角度为90。, 以提高柜体的美观性。
曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、双连杆机构虽然形式各异, 但异曲同工, 均较好地满足了塑壳断路器的手操要求, 尤其是曲柄滑块机构和双连杆机构, 分别配套杭州某公司HSM1系列塑壳断路器, 先后获得国家专利, 量大面广, 已成熟应用, 实践证明, 这些手操机构的设计是非常成功的。
确定了手操机构传动形式后, 在具体设计过程中, 还应满足塑壳断路器的尺寸要求。尺寸的确定还包括公差的选择, 过松的尺寸公差会给机构带来较大的空行程, 影响传动精确性, 过紧的公差会使零部件加工难度增加, 会提高零部件的制作成本, 因此, 手操机构零部件设计时, 应精确把握机构传动件的尺寸公差。
塑壳断路器外部安装方式的应用 篇2
低压断路器的类型通常大致可分为万能式断路器(ACB)、塑料外壳式断路器(MCCB)、微型断路器(MCB)这三类。万能式断路器也称为框架式断路器,通常电流等级较大,一般额定电流从630~6 300 A;但目前框架断路器也朝小型化、模块化方向发展。塑料外壳式断路器(以下简称塑壳断路器)的电流等级一般从十几安培到1 250 A,通常作配电保护用,在正常情况下,其可分别作为线路的不频繁转换及电动机的不频繁起动之用。微型断路器是建筑电气终端配电装置中使用量最广泛的一种终端保护电器,额定电流一般都在63 A以下,但也有额定电流125 A系列的,其过流特性通常分为C型和D型,其中C型适用于照明配电线路和电气设备的短路及过载保护,D型适用于产生冲击电流的电气设备如变压器、电磁阀、电容器的短路保护和过载保护,也可用于小型电动机的短路保护。
为了体现低压断路器的整体优越性能,通常断路器使用时都是由本体部分加附件两部分组成,所谓本体是指不带任何附件,但能确保正常合、分电路,并且能在电路或设备发生过载、短路等事故时,自动跳闸并切断故障的功能。而附件作为断路器功能的派生与补充,为断路器增加了控制手段和扩大保护功能,使断路器的使用范围更广、保护功能更齐全、操作和安装方式更多,目前断路器附件已成为断路器不可分割的一个重要组成部分。断路器附件按加装的位置分为内部附件与外部附件两大类,按功能不同分为实现指示状态类(如辅助开关、报警开关等)、保护功能类(欠压脱扣器)、实现操作功能类(分励脱扣器、电操机构、辅助操作手柄)、实现锁定功能类(断开位置锁、机械联锁)、实现安装接线方式类(板前或板后固定式、插拔式、抽出式)等。
文中以塑壳断路器外部附件中的安装接线方式为例,对塑壳断路器的固定式安装、插拔式安装与抽出式安装三种安装方式进行解析,其中重点对抽出式安装方式进行详细说明,供用户在不同场合下选择适合的方式提供帮助。
1 塑壳断路器的安装方式
1.1 固定式安装方式
固定式安装方式是塑壳式断路器中用户最普遍使用的方式,也是最简单的一种方式,断路器本体直接固定在配电柜内安装板或安装支架上用随机螺杆固定即可,电缆配端子或母排直接连接在断路器本体的进线与出线接线螺杆上。固定式安装方式根据应用场所的要求也可配外置扩展排联结,分为板前接线与板后接线两种方式,其配套的接线排结构一般为扩展式,如需要可在订货时注明后厂家会随产品一起配发。用户需要检修或更换断路器时,首先需分断上一级断路器,再将电缆或接线排从断路器的固定螺杆拆卸后方可维修或更换断路器,固定式安装方式对于更换断路器时操作有点麻烦,但价格相对实惠。
1.2 插拔式安装方式
插拔式安装方式是指由插入式安装底座和可移动本体两部分组成,类似插座和插头结构。底座由螺钉固定在配电柜内横梁上,进出线电缆(母排)直接连接在固定好的底座上。底座进出相触头上均有一个可供导电杆插拔的触头装置,该触头装置一般是由导电杆、接触片和弹簧、支持件等组成,触头内的导电杆四周均匀开设有定位槽,接触片均匀包裹在定位槽内,接触片需稳定可靠的固定在导电杆上,接触片的中间设置有定位孔,支持件的外边缘设置有多个支撑脚,支撑脚卡装在定位孔内,外圈的接触片成圆状包裹在导电杆的四周,接触片的上下两端包裹有弹簧。其配套的另一部分插拔导电柱用螺杆固定在断路器背面即可。需要插入时,将可移动本体背面的导电柱对准底座上的插孔用力推入即可,为保证插入后不会因断路器正常合分出现松动,可用螺杆穿过断路器安装孔后固定在底座上。需要检修或更换断路器时,断路器只需处于分闸状态,松开固定螺杆后用力将可移动本体直接从固定底座上拔下来即可。这个插入与拔出过程一般不需要使用特殊的专用工具,也不需要拆卸进出线电缆或母排。因插拔式断路器是直接插拔,比较费力,一般应用时的额定电流都不会太大,使用时需要特别注意,接触的可靠性将直接影响断路器的正常使用。因此,安装时需检查触头是否压紧,接触是否可靠,以减小接触电阻来提高产品可靠性。相对于固定式安装方式来说,小电流规格塑壳断路器用插拔式安装方式确实也能给用户更换维修时带来方便。
1.3 抽出式安装方式
抽出式断路器的结构示意图如图1所示。
抽出式装置与插拔式装置原理类似,也是由固定安装底座和可抽出式断路器本体两部分组成。但是抽出式装置结构比插入式装置要复杂多,因其采用杠杆原理,故抽出式断路器的电流规格可以更大,操作员只需很小力量即能完成更换大规格电流断路器的更换操作,大大减轻因断路器维修或更换带来的劳动强度。断路器本体背面跟插入式一样先将附件袋中的导电主触头用螺杆固定在断路器背面,其断路器左右两面还需安装上传动用支架,下文针对抽出式安装方式的工作方式及应用详细说明。
2 抽出式工作方式
2.1 断路器插入操作过程
断路器需处于分闸状态,将插入式机构手柄处于图1位置,然后再将断路器慢慢放入底座导轨槽中,转动联锁装置使其处于解锁位置,然后再将手柄按图1所示插入方向转动使手柄处于图示插入位置,此时,联锁装置应自动锁上并且到位指示装置接通,断路器插入的操作过程完成。
2.2 断路器抽出操作过程
断路器需处于分闸状态,转动联锁装置使其处于解锁位置,将手柄按图1所示抽出方向转动,此时断路器主触头与底座主触头断开,联锁装置会自动锁上;为了防止滑脱,此时断路器还无法正常抽出,需再次转动联锁装置使其处于解锁状态,然后再将手柄按图示抽出方向转动手柄处于图示抽出位置,此时方可将断路器抽出,
2.3 抽出式装置的机械联锁原理
联锁装置采用的是触发式自动锁定装置,当断路器运动到主电路及二次电路均断开位置时,联锁装置自动锁定;如需插入或抽出则须转动联锁旋钮到解锁位置后再推动手柄进行插入或抽出操作;当断路器运动到主电路与二次电路可靠接通时联锁装置自动锁定,如需抽出则须转动联锁旋钮至解锁位置后再推动手柄进行抽出。
2.4 抽出式装置电气联锁接线原理
抽出式装置配套有二次接线装置,二次回路接线装置采用针式插入,其采用外形轮廓定位,具有自动对正、接触可靠等特点。使用二次装置的目的是为了在检修或快速更换时使断路器及其附件与抽出式装置的底座彻底分离。二次电路的接线方法:断路器内部附件由接线件连至二次装置上的动触头,二次装置对应的静触头则由接线件连线接出至配电系统。
2.5 抽出式电气联锁的方式
借用分励脱扣器组成的电气联锁线路图见图2,借用欠压脱扣器组成的电气联锁线路图见图3。
在不妨碍原有分励脱扣器或欠电压脱扣器作用的情况下,借用其一作为电气联锁的组成部分,可以有效防止操作过程中因误操作装置时带来的危险性。比如:当断路器处于合闸状态下进行插入或抽出时,此时电气联锁机构会在主电路尚未接通或断开之前促使断路器内部附件动作使其处于自由脱扣状态,而且在主电路未可靠接通(到位指示灯显示)时断路器无法合分。
3 结语
塑壳断路器温升变化的影响因素 篇3
塑壳断路器是输配电线路中一种量大面广的电器元件, 从长期使用和用户反馈的情况来看, 存在相同产品温升变化大及有的产品温升符合要求, 有的产品温升超标的问题, 尤其是大电流规格的产品, 从而导致产品的电气性能和使用寿命降低, 甚至遭到破坏, 严重时发生火灾, 造成财产及人员生命的损失。因此, 本文将从断路器在运行过程中的热源出发, 即电阻损耗、涡流与磁滞损耗、介质损耗, 并通过对比性试验, 分析其对温升变化的影响, 同时介绍海拔高度对温升变化的影响, 最后有针对性的指出在制造过程中应注意哪些问题, 希望能对断路器的制造提供一定的帮助。
1 涡流与磁滞损耗、介质损耗对温升变化的影响
磁性材料在交变磁场作用下中将产生涡流损耗Pe与磁滞损耗Ph, 它将导致材料的发热。其大小分别为:
式中:f为频率, Bm为磁感应强度幅值, d为材料厚度, ρ为材料电阻率, V为材料体积。
由公式 (1) 、公式 (2) 可知, 涡流与磁滞损耗的大小主要与磁感应强度、频率、材料电阻率、厚度和体积等参数有关。对塑壳断路器而言, 在承载额定电流的情况下, 磁感应强度较小, 同时由于频率、材料电阻率、厚度和体积在产品设计时已恒定, 不会产生较大变化, 所以涡流及磁滞损耗值及其变化的幅度相对较小, 可忽略不计, 不足以对温升变化产生较大的影响。
绝缘材料在电场作用下将产生介质损耗, 其大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标, 一般与电场强度及频率有关, 电场强度和频率越高则介质损耗也越大。在高压电器中, 由于电压高, 介质中的电场强度大, 必须考虑介质损耗的影响, 但对塑壳断路器而言, 由于电压低, 介质中的电场强度较小, 介质损耗实际很小, 一般可忽略不计, 不足以对温升变化产生较大的影响。
2 电阻损耗对温升变化的影响
断路器的导电回路总是由若干个导电元件所构成, 电流流过导电体时将产生电阻损耗:
式中:I为导电回路中通过的电流;R为导电回路的总电阻。
导电回路的总电阻由导电回路中导体的内阻及导电体间因连接而产生的接触电阻两部分组成, 所以公式 (3) 可则写为:
式中:R1为导电回路中导体的内阻;Rj为接触电阻。
导电回路中导体的内阻:
式中:ρ为材料电阻率;L为导体的长度;S为导体截面积。
由公式 (5) 可知:因导体材质、长度及截面积在产品设计完成时已恒定, 所以R1的变化相对较小, 可忽略不计。
接触电阻主要由膜电阻和收缩电阻两部分组成, 即:
式中:Rb为膜电阻;Rs为收缩电阻。
接触电阻中的膜电阻与材料表面覆盖层的性质有关, 一般可采取增大接触力、加大电流、提高电压等方法减小膜电阻的影响。而收缩电阻为:
式中:ρ为材料电阻率;ξ为与变形情况有关的系数, 一般情况为0.3～1 (当接触面较平, 弹性变形是主要的, 则ξ取小值, 当接触点全部是塑性变形时, ξ=1) 。HB为材料硬度;n为实际接触点数 (或面积) ;F为加于两导体间的机械压力。
由公式 (7) 可知, 收缩电阻的大小与材料的电阻率成正比, 与材料硬度HB的平方根成正比, 与实际接触点数n (或面积) 和压力F的平方根成反比。当然, 接触电阻除了考虑上述的膜电阻和收缩电阻外, 还应考虑到接触部分的结构形式、材料、表面加工情况和通电电流大小等诸多因素的影响。而上述参数在产品的实际制造过程中难以保持一致性, 存在一定的不确定性, 可能会造成接触电阻所引起的电阻损耗大幅变化, 所以应将其视为影响温升变化的主要因素。
3 温升对比性试验
为验证上述因素对温升变化的影响, 这里对某温升超标的250 A断路器进行了试验。经查验, 问题产品存在触头终压力偏小;触头焊接不良, 存在明显的焊缝;软联结联结板与脱扣器热元件间的紧固螺钉没有完全紧固等问题, 通过更换相关的问题零部件再次进行温升试验, 结果表明更换问题零部件后的产品温升完全符合标准规定的80 K极限值要求。问题产品温升超标部位的具体试验结果见表1。
通过试验进一步说明了, 正是由于在断路器的制造过程中, 存在接触压力大小不一、焊接质量不良等不确定因素的影响, 而有些影响因素实际上又存在难以测量的问题, 例如两导电体采用螺纹连接时螺钉的紧固力、动静触头的实际接触点数 (或面积) 、接触面加工的平整度等, 从而产生接触电阻的增大, 最终导致电阻损耗的增大, 引起温升大幅变化超标的现象发生。
4 海拔高度对温升变化的影响
电器设备的散热主要有对流、传导及辐射这三种方式, 随着海拔的升高, 空气密度降低, 使以空气作为散热介质的产品散热困难, 造成温升的升高。不过, 随着海拔的升高, 环境温度也会随之降低, 从而对产品的温升起到补偿作用。根据GB/T 20645-2006《特殊环境条件高原用低压电器技术要求》, 对于在高海拔地区户内环境下工作的断路器, 因户内环境温度和某些局部特定环境温度随海拔的升高其变化程度不大, 补偿作用相对较弱, 而在户外环境下工作的断路器, 因户外环境温度随海拔的升高而递减明显, 对产品的温升递增有明显的补偿作用。参考GB/T 20645-2006中附录A《高原环境条件对低压电器的主要影响》, 工作于户外环境下的低压电器, 海拔每升高100 m, 环境温度降低0.5℃, 产品温升一般增加约0.4 K, 此时, 环境温度对温升具有明显的补偿作用。因此, 海拔高度增加对断路器温升的影响需视断路器工作场所 (户内还户外) 而定, 对于工作于户外环境下的断路器, 无须考虑海拔高度的增加对产品温升的影响, 但工作于户内的断路器则应考虑海拔高度增加对温升的影响, 使用时需要对断路器的额定电流作一定的降容处理。虽然海拔高度的增加可能对产品的温升没有影响, 但将引起产品通断能力、电寿命和绝缘性能的降低, 因此, 为保证断路器的可靠工作, GB 14048.1《低压开关设备和控制设备总则》中对断路器使用地点的海拔高度作了不超过2 000 m的规定。
5 制造过程中须注意的问题
1) 严格控制接触压力的大小
断路器制造厂应明确规定触头终压力和超程的大小并严格实施检查。尤其不能忽略大电流规格产品中, 两导电体采用螺纹连接时的螺钉紧固力, 条件允许时应对所装配的首件产品的螺钉紧固力进行检查, 以确保电动螺丝刀的拧紧力矩符合规定要求, 考虑到电动螺丝刀的拧紧力较小, 必要时可改用气动螺丝刀。关于螺钉紧固力要求在GB 14048.1中表4《验证螺纹型接线端子机械强度的拧紧力矩》有详细规定和要求。
2) 提高零部件的焊接质量与铆接质量
提高动、静触头及软联结等零部件的焊接质量和导电体的铆接质量。焊接时, 应选择合适的压力、电流、时间, 确保焊接面的大小及牢固程度, 须着重检查有无虚焊、假焊、焊接面的接触面积、焊接部位是否能承受规定的抗拉强度等。铆接时, 应尽可能的使用铆接夹具, 选择适当大小的铆压设备, 确保零件间的铆接牢固可靠、无松动。
3) 确保接触面的加工情况符合要求
在实际制造过程中, 应确保导电体接触面的粗糙度, 最大限度的保证两导体连接时的实际接触点数 (或面积) , 应着重检查导电体的接触面区域上有无刮痕、擦伤、平整度不良等现象出现, 必要时, 可通过在接触面表面上压网纹的方法提高其平整度。
4) 确保材料规格及表面镀层符合要求
严格按照产品的设计与工艺要求进行生产, 确保材料规格及表面镀层符合要求。切勿为了降低成本, 将T2铜材改为T3铜材或减小触头的截面尺寸, 或将导电体表面的镀层由镀银改为镀锡, 或者将导电体镀银层的厚度由6μm减小到2μm等, 表面上看能取得一定的经济效益, 其实这些改变都将导致接触电阻的增大, 从而引起电阻损耗的增大, 造成产品温升的增高, 最终导致产品出现质量问题。
6 结语
一种塑壳断路器的特点及设计 篇4
随着科学技术的不断进步,各断路器制造商对断路器制造水平有了很大的提高,国内外低压断路器向小型化、高分断、立体化的趋势发展。最近几年有色金属等原材料价格飞涨,断路器的制造成本也增加了很多,要想在市场经济中具有竞争优势,必须研发出可靠性有所提高,制造成本有所下降的适应于趋势发展的节能降耗的断路器。杭州之江开关股份有限公司为适应新形势的需求,确定开发HSM3系列塑壳断路器项目,HSM3-315塑壳断路器是从HSM1-250壳架基础中改进并升容至315 A的改进设计,并通过了国家认证中心的“CCC”认证。
1 HSM3系列塑壳断路器
1.1 HSM3系列塑壳断路器的特点
HSM3系列塑壳断路器的主要技术性能达到当代先进水平。它具有结构紧凑、体积小、短路分断能力高、零飞弧、内部附属装置模块式安装、附件接线用接线端子接线、使用端子防护罩加强安全、“底座”和“盖板”采用同一颜色并设计成圆弧形以增进美观和立体感等特点。
本系列断路器设计时把动、静触头及触杆(联结板)设计成平行状,充分利用线路短路电流尚未达到最大值前的电动斥力,使动、静触头被斥开,限制电弧电流的增大;此外,在静触头周边设置能在电弧灼热下放出气体的芳香族绝缘物,以吸收电弧能量、冷却电弧,使弧柱缩小并极大地减弱电弧向后喷射的技术措施,同时使用具有电弧气体消离的灭弧装置,使其飞弧距离为零。以上新技术的应用,极大地提高了断路器的短路分断能力,缩小成套电器的体积。
1.2 用途及适用范围
HSM3系列塑壳断路器适用于交流频率为50 Hz,额定绝缘电压690 V,额定工作电压690 V及以下,额定电流12.5～630 A的电路中,用来分配电能,在正常条件下作不频繁的闭合和断开之用,并在线路和设备过载、短路和欠电压时起保护作用。
额定壳架等级电流在400 A及以下的断路器,也可作鼠笼型电动机的不频繁起动,运转中分断以及在电动机过载、短路及欠电压时起保护作用[1]。
2 塑壳断路器的性能分析
塑壳断路器的可靠运行,主要表现在它的配电功能可靠性和保护功能可靠性。
1)较低的温升是保证配电功能可靠性的基础。断路器的温升过高,会带来绝缘下降、寿命降低、保护功能动作紊乱,严重的还会引起内部短路等一系列隐患,因此温升符合标准要求是保证配电功能可靠性的最基本条件。
2)温升、热磁性能稳定和足够的分断能力是实现保护功能可靠性的基础。断路器的保护功能可靠性是指负载出现过载、短路等异常情况时,它能有效执行过载(反时限)延时脱扣和短路(深度过载)瞬时脱扣。这里的“脱扣”,取决于电磁系统的稳定性、触头灭弧系统承受可靠分断电流的能力和分断额定极限短路电流,还取决于温升稳定的允许限度。
由于HSM1-250的分断能力AC 400 V时短路分断电流Icu已达到65 kA,额定运行短路分断能力Ics只有48 kA,所以将该扩容项目的突破点定为:(1)将Ics=48 kA提高到Icu=Ics=65 kA;(2)增加导电截面积,控制315 A时的温升;(3)保证315 A时保护脱扣的稳定性。
3 措施
3.1 提高分断能力
为了把Ics提高到65 kA,对H S M1-250的几台断路器进行试验,试验结果表明,几台断路器Ics=65 kA时O-t-C O-t-C O运行短路分断虽顺利通过,但由于动、静触头中银触点烧损严重,在做完5%电寿命后再做温升就很难通过,因此动触头中银触点材料银钨CAgW(50)和静触头中银触点材料银碳化钨石墨CAgWC(12)C(3)必须进行改进,经过对银触点中元素配方的更改,银钨CAgW(50)改变其中的含银和钨的百分率,达到分断能力、抗熔焊性增强,电阻略低,温升较小;银碳化钨石墨CAgWC(12)C(3)在其中增加某一元素,达到有较高的密度、硬度,较低的电阻率,因此有效地提高了分断、抗烧损性能,能承受较大电流、较小的温升。改进后再次进行试验,试验结果合格。
3.2 控制温升
为了了解HSM1-250塑壳断路器温升情况,对两台250 A断路器进行250 A和315 A温升测试,温升状况见表1。其中,与外部铜导线相连接的端子需小于或等于80 K,绝缘手柄需小于或等于35 K;在恒温室中试验的环境温度为35～37.5℃;通电4～5 h时,发热达到稳定,可测量进、出线端和手柄的温度;需用热电偶法测量。
K
由表1可见,在改进设计之前,315 A的温升是超标的。为了降低温升,可采用以下三种措施。
3.2.1 触头系统的改进设计
先对软联结加工进行工艺上改进,之前软联结为人工拼头点焊后再进行人工切断,现通过购买新数控自动电阻焊机对软联结材料自动定型下料。人工下料时,尺寸精度差,唯恐短料而报废,故一般都取正公差。改为自动下料后,由于精度提高(达±0.2 mm,故改后的软联结尺寸公差可取±0.65 mm,之前取为±2 mm),实际加工时设定为下差,所以实际上软联结的总长减短约5%。另一方面,软联结过长,不仅会增大功耗,占据空间,还会带来动作机构运动受滞的隐患。自动下料的软联结长度一致,保证了动作机构运动的相对稳定。其次对动触头进行改进,为了增加电流流过时截面积和增加散热,可将触头材料厚度5 mm改为5.5 mm。
3.2.2 触头的改进设计
为了增加静触头电流流过时截面积和与外接线时的接触面,可将静触头材料厚度5 mm改为6 mm,总长度加长2 mm,接线端宽度17.5 mm改为23 mm。
3.2.3 出线端联结的改进设计
为了增加出线端电流流过时截面积和与外接线时的接触面,可对出线端上下联结板接线端总长度加长3.5 mm,宽度加宽4 mm。
3.3 保护特性的稳定性设计
由于电流变为315 A,保护特性中的瞬动和延时都提前动作,为了符合315 A的保护特性范围,对电磁系统中的弹簧参数进行了重新设计,对热元件数量从3片改为4片,使发热降低。
4 验证
通过改进设计后,试制生产了4台产品,对这几台产品进行温升测试、保护特性动作测试,温升状况见表2,其中,与外部铜导线相连接的端子需小于或等于80 K,绝缘手柄需小于或等于35 K;在恒温室中,试验时的环境温度为35～37.5℃;在通电4～5 h时,发热达到稳定,可测量进、出线端和手柄的温度;需用热电偶法测量。保护特性状况见表3。其中,瞬时脱扣电流误差为±20%;2In是在25℃恒温室中;1.05In是在40℃恒温室中的标准台,且不脱扣时间大于2 h;1.3In是在40℃恒温室中的标准台,且脱扣时间小于等于2 h(热态)。
K
由表2可见,在改进设计后,315 A的温升是符合标准要求的。由表3可见,在改进设计后,315 A的保护特性动作范围也是符合标准要求的。
5 对比
HSM3-315中额定电流为315 A与HSM1-400中额定电流为315 A的塑壳断路器体积及耗材对比见表4。从表4对比可看出升容后315 A与HSM1-400额定电流315 A的耗材可节约30%左右而体积缩小近50%。
6 结语
由于升容后的HSM3-315断路器体积小,分断能力高,其优越的性能和可靠运行的特点必将被用户进一步认识,并得到广泛应用,具有广阔的市场前景。
参考文献
塑壳断路器 篇5
1 直流系统
1.1 温升及脱扣动作特性
由于直流电流平均值与交流电流有效值的发热效果相同, 因此断路器的温升与交流系统时基本相当, 对双金式热脱扣器动作特性的影响可忽略不计。但对电磁式短路脱扣器的影响却不容忽视, 其变化的幅度相对较大。由于直流系统通常是由交流系统整流而来, 因此变化的幅度将取决于整流电流及整流后的波形。一般而言, 电磁式短路脱扣器的动作值扩大约1.3 ~ 1.4 倍。如瞬动电流整定值是10In (1±20%) 的交流断路器用于直流电路中时, 应将其整定值提高到14In (1±20%) 。
1.2 短路分断能力
交流断路器短路分断过程中, 充分利用了交流电流过零点的特性, 电弧的熄灭较容易。当其使用于直流系统中时, 由于电流无过零点的特性, 因此电弧的熄灭将困难许多, 其短路分断能力势必下降。电压越高, 短路分断能力的下降越明显。同时受产品电气结构差异的影响, 下降的程度不可一概而论。使用时, 为抑制和弥补短路分断能力的降低, 可采用多断点串联或并联的接线方式, 相同电压下, 串联的极数越多, 短路分断能力的下降越少。图1 为3P交流断路器用于直流系统时常见的串联及并联接线方式。
由此可见, 直流系统对交流断路器的电磁脱扣特性及短路分断能力将产生较大的影响, 在使用时须充分考虑: (1) 短路瞬动电流值扩大1.3 ~ 1.4倍; (2) 短路分断能力的降低, 电压越高, 下降的速度越大, 因此在使用于直流系统时电压不宜超过250V DC, 如果系统的电压超过250V DC, 最好使用DC专用型断路器; (3) 使用时采用多断点串联或并联的接线方式。
2 频率非50Hz的系统
2.1 温升
断路器的温升主要由载流导体的电阻损耗、铁磁物质在交变磁场作用下的涡流损耗Pe和磁滞损耗Ph组成, 其大小分别为式 (1) 、式 (2) 和式 (3) 所示, 它表明了断路器在额定电流作用下, 各构件在运行过程中所允许的极限温度。
式 (1) 中:ke、kj分别为交变电流趋肤效应及邻近效应的附加损耗系数, 一般表示为f/R100的函数 (f为电流频率, R100为100m长导体的电阻值) ;J为电流密度;G为导体的质量;ρ为导体材料的密度。
式 (2) 、式 (3) 中:f为电流频率;Bm为磁感应强度的幅值;d为铁磁材料厚度;V为铁磁材料体积。
由式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 可知, 电阻损耗、涡流损耗和磁滞损耗 ( 即铁损) 的大小均与电流频率息息相关, 频率越高, 损耗越大, 断路器温升变化越明显。
试验表明, 对于60Hz电力系统, 导电体的电阻损耗几乎不受邻近效应与趋肤效应的影响, 而且铁损的增加很小, 温升与50Hz几乎相同, 所以一般的50Hz断路器用于60Hz电力系统时, 温升变化不明显, 负荷能力无需降容。但对于某些频率较高的工业场所, 如纺织工业中频率在120Hz的高速电机 ( 电动机的转速n∝60f, n与f成正比) , 航空工业中频率达到400Hz的某些电气设备, 导电体趋肤效应与邻近效应的附加损耗不可忽视, 尤其是对某些大电流规格的断路器, 其趋肤效应与邻近效应作用更明显, 断路器的温升将增大, 所以在使用时, 为避免产品的热老化, 须适当降低断路器所承载的工作电流, 工作电流的降容系数可参考式 (4) 。
式 (4) 中:Kif为额定电流的高频降容系数, f'为系统的频率。
根据式 (4) , 经计算可得到表1 所示的断路器在不同频率下额定电流的降容系数。
从表1 可以看出, 对于60Hz的电网, 断路器所能承受的工作电流较额定电流的变化不明显, 但对于100Hz以上的电网, 尤其是额定电流大的断路器所能承受的工作电流将显著减小。
2.2 脱扣动作特性
由于断路器的温升受频率变化的影响, 频率越高, 温升的增加越明显, 热脱扣器中双金受热 ( 小电流规格的直接发热及大电流规格的间接发热) 弯曲的时间动作特性势必会发生不同程度的变化。一般而言, 频率越高, 影响的程度越大, 双金受热弯曲至脱扣动作的时间越快, 在运行过程中就容易出现误动。对电磁式短路脱扣器而言, 它的动作值不但与电流的大小成正比, 而且与电流存在的时间密切有关。当频率高于50Hz时, 半波周期的时间相对缩短, 衔铁存在无法在周期时间内可靠吸合的可能, 尤其是在中高频条件下, 半波周期的时间过短, 这种现象越明显, 要使其动作, 动作电流值将有所增大, 在运行过程中就容易出现拒动。试验表明, 在频率60Hz的系统中, 热磁式断路器的脱扣动作特性与频率50Hz时基本相同, 但对于其它的中高频系统, 其脱扣动作特性的变化较大, 在使用时切勿盲目。
2.3 短路分断能力
交流电弧的熄灭充分利用了电流过零点的特性, 随着频率的升高, 电流过零点的时间周期相对50 Hz时缩短, 电弧的消游离条件变差, 电弧的熄灭将变得愈发困难, 分断能力势必会降低。有试验表明, 在50Hz的交流断路器用于60Hz系统时, 断路器的短路分断能力变化不大, 但当频率超过100Hz时, 短路分断能力将会有不同程度的降低。
由此可见, 当50Hz的交流断路器用于60Hz的系统时, 产品的温升、额定电流、短路分断能力与脱扣动作特性基本不受影响, 可直接使用, 但使用于其它较高频率的系统, 则不得不考虑频率升高所带来的影响, 在使用时须酌情降容。
3 海拔2000m以上场所
3.1 介电性能
受海拔升高空气密度下降的作用, 介质的绝缘强度下降, 产品绝缘表面和不同电位的带电间隙比较容易击穿, 特别是对电气间隙和爬电距离的影响较大, 引起产品的介电性能降低。一般而言, 海拔越高, 对介电性能的影响越大。因此在制造与使用时需对标准产品的工频耐压与冲击耐压进行相应修正。试验电压的修正值应在GB14048.1—2006 标准中表12、表12A标准产品的基础上, 结合使用地点与试验地点海拔的不同, 按GB/T20645—2006中表2 规定的要求进行[2]。
3.2 温升
当标准断路器使用于高海拔场所时, 受海拔升高空气密度降低的作用, 断路器的散热将变得困难, 容易引起温升的升高。用式 (5) 表示标准断路器使用于高海拔场所下的温升。
式 (5) 中:τ0表示标准产品的温升极限值;θ表示载流体工作温度的增加值, 与产品的电气机械特性有关;θ'表示环境温度的降低值, 与户内或户外的使用场所密切有关。
由式 (5) 可知, 温升的变化完全取决于载流体工作温度增加值θ与环境温度降低值θ'竞争的结果。一般而言, 当标准断路器使用于户内高海拔场所时, 环境温度值θ'降低不明显, 对载流体工作温度增加值θ无明显的补偿作用, 断路器的温升势必会增大, 并超过标准产品的温升极限值, 所以在使用时只能降低其工作电流。当标准断路器使用于户外高海拔场所时, 环境温度降低值θ'较明显, 对载流体工作温度增加值θ具有明显的补偿作用, 断路器的温升不但不会增大, 反而可能小于标准断路器所规定的温升极限。这也正是GB/T20645—2006中为何规定使用在户内环境的低压电器, 其温升极限值与标准型相同, 而使用在户外环境的低压电器, 其温升允许适当修正 ( 增大) 的原因所在。
3.3 脱扣动作特性
电磁式短路脱扣器的动作特性基本上不受海拔高度变化的影响, 但双金式热脱扣器受空气密度下降, 散热条件变差的影响, 其动作特性将产生变化, 同时由于产品电气机械特性的差异, 不同产品动作特性的变化程度不尽相同, 但脱扣时间一般会缩短, 使用时可对额定电流作适当的降容。
表2 为额定电流的海拔降容系数经验值。对采用电子式脱扣器的断路器而言, 其脱扣动作特性不受海拔高度的影响, 但须充分考虑功率元器件的散热问题, 以避免功率元器件烧毁引起脱扣动作特性失效。
3.4 短路分断能力
当标准断路器用于高海拔场所时, 受灭弧介质空气密度和压力下降的影响, 短路分断过程中电弧的燃弧时间将延长, 从而导致产品的灭弧能力减弱, 触头的烧损增大。
同时, 受其气候影响, 产品内的金属件和绝缘件容易出现刚性下降、表面腐蚀, 润滑剂的粘性改变, 这些因素容易引起机构间磨擦力的增大, 导致机构的开断时间加大, 从而进一步降低了断路器的短路分断能力。表3 为短路分断能力海拔修正系数经验值。
由此可见, 当标准断路器使用于海拔2000m以上场所时, 须充分重视环境条件改变给断路器的介电性能、温升、热脱扣动作特性及短路分断能力所造成的影响。海拔越高, 影响越大, 使用时须酌情进行降容。
4 结语
在非正常工作条件下, 断路器的温升、短路分断能力、脱扣动作特性等性能可能发生变化, 制造商及使用单位必须采取相应的技术措施方可确保其满足使用要求。
参考文献
[1]GB14048.2—2008低压开关设备和控制设备断路器[S].
塑壳断路器 篇6
目前关于控制类低压电器的可靠性理论比较成熟，其测试方法也得到了人们的认可，而对保护类低压电器可靠性研究时间短，研究不多，人们提出了各种测试可靠性的方法，到本世纪初，对于剩余电流动作保护器、过载继电器、小型断路器等保护类电器的可靠性理论研究基本成熟，考核指标体系也基本确立。国内通过借鉴外国成功经验，加上自主研究，在塑壳断路器可靠性研究取得了不少成果。但是纵观国内生产，发现目前生产塑壳断路器的企业技术含量不高，可靠性低，在实际使用中容易出现问题，造成不利影响，我国与发达国家的产品质量有一定的差距。所以需要通过试验来验证塑壳断路器的可靠性，从理论到实际应用于生产，为我国塑壳断路器的发展做出重要贡献，促进了整个行业的发展。
塑壳断路器具有三个主要功能：短路瞬动保护，过载保护，短路短延时。塑壳断路器的这三个主要功能的影响因素不完全相同，用一个指标考核不能反映塑壳断路器的可靠性。塑壳断路器分断正常线路或用电设备，很多情况下其负荷较低，和无载的机械操作相似，其可靠性可以用操作失效率指标进行考核。塑壳断路器在线路或用电设备过载情况下动作，主要是受塑壳断路器过载电流感测元件和执行机构的影响，其可靠性可以用过载保护成功率指标进行考核。塑壳断路器对短路故障进行保护，其影响部分是短路电流感测元件和执行机构，其可靠性可以用瞬动保护成功率指标进行考核。塑壳断路器用于强电回路的开闭，可以通过产品的电寿命试验等确保可靠性，这样不仅降低可靠性试验费用，又考核了塑壳断路器主要功能的可靠性[1]。
1 塑壳断路器的可靠性抽样理论与验证试验方案
1.1 塑壳断路器的操作可靠性抽样理论
塑壳断路器可靠性研究主要是从失效率和成功率来体现的。如何检验塑壳断路器的机械操作失效率是否满足要求，需要通过抽样检验实现。抽样试验的OC曲线体现了接受概率与产品失效率之间的关系，如下图所示：
失效率的试验方案由四参数λ0λ1αβ组成，λ1β确定的抽样方案为双参数抽样方案。由此确定的方案既控制了生产者风险，也控制了使用者风险。从使用者角度考虑，希望控制使用者的风险，在失效率等级确定时，是要保证产品的最大失效率不大于一定的值。同时，生产者也希望在失效率等级确定时有多种方案可以选择，生产者根据自己产品的可靠性，可以综合考虑试验费用、试验时间及被拒收可能性。因此，在理论上也可以采用两参数确定失效率的验证试验方案，是最大失效率，在图中对应着λ1。由λmaxβ确定失效率的验证试验方案的前提是以保证试品真实失效率<最大失效率。因2λmaxT=X21-β（2Ac+2）公式中有两个未知数，所以失效率等级验证试验方案可以有无数种抽样方案，一般是先假定Ac值后，再确定试验截尾时间T。
1.2 塑壳断路器可靠性验证试验抽样方案
为了体现可靠性的程度通常用可靠性等级来表示，每一个等级对应一定的参考数值。为了方便人们的记忆，在对失效率等级划分时，将等级数值与失效率数值中的十的负指数相对应，如操作失效率等级为四级，对应10-4，无“亚”其系数为1，有“亚”其系数为3，如操作失效率为亚四级，对应3x10-4。而成功率等级划分时，因瞬动保护造成的影响比过载保护故障造成的影响更大，因此在相同等级下，瞬动保护成功率的数值比过载保护成功率的数值大。为了区分两者等级名称，过载保护成功率等级从A级-E级，而瞬动保护成功率等级从1级-5级。根据可靠性抽样理论，确定出Ac数值，根据2λmaxT=X21-β（2Ac+2）可以确定失效率的抽样方法，在确定成功率的抽样方法。不同的Ac表示不同的抽样方法，在产品可靠性稳定的条件下，抽样方法不同，产品被接受的几率也不同。如果Ac越大，接受几率越大，生产者的风险相对应地会小。Ac数值的大小，关系到试验的时间和成本，所以，试验一般在1-5中选择。
2 塑壳断路器可靠性试验方法
2.1 试验条件
2.1.1 温度条件
塑壳断路器操作可靠性试验和瞬动保护性试验对温度几乎没有要求，可以在平常的室温下进行操作，但过载保护可靠性对温度有要求，需要在30正负2摄氏度环境中进行操作。
2.1.2 环境条件
所有的试验需要保持环境整洁干净，避免试验样品受到污染，另样品最好静置一段时间，保证了样品的热平衡。
2.1.3 安装条件
根据样品说明书进行安装，保证了试验都符合标准，需要注意的是样品垂直面与水平面的倾斜度要小于22.5度。
2.1.4 电流条件
交流电源为220V或380V，频率为50Hz，波形畸变因数小于5%，频率偏差小于±5%。另电流需要对称，电压波动需<5%，避免因触压降或断开压降影响试验的准确性。
2.1.5 负载条件
试验中负载采用线性负载中的阻性负载，负载电源选用直流电流。额定电压Ue选用DC24V，触头回路负载电流的数值选用1A。
2.1.6 操作可靠性激励条件
考虑循环应力对试验会对产生影响，在操作可靠性试验中，循环频率为120次/小时，每一个循环期间，需要确保有足够的闭合时间，但不能大于两秒，让试品有全电流通过。
2.1.7 瞬动保护可靠性激励条件。
在短路整定80%和120%两种电流条件下进行试验，因电压的不稳定性，试品、电流自带内阻的不同，合闸相角等都会对试验产生影响[2]。当随机地施加交流电压时，由于非周期过渡过程的存在，使试验电流具有非周期分量，每次试验时的试验电流都有差别。为了控制合闸相角所产生的问题，需要对电流进行控制，消除非周期分类，提高试验的准确性。
2.1.8 过载保护可靠性激励条件
塑壳断路器脱扣器的各相极同时通电，试品在电流整定值1.05倍和1.3倍两种不同情况下操作，当1.05倍时，断路器从冷态开始，在小于约定时间内不应发生脱扣现象，当1.3倍时应发生脱扣现象。
2.2 操作可靠性试验
(1）闭合触头的接触压降UJ超过下列限值UJX，负载电流为额定电流时，接触压降的极限值UJX为触头电路额定电压Ue的5%或者10%，负载电流为100mA时，接触压降的极限值UJX为0.5V。（2）断开触头间电压Uc低于极限值Ucx。（3）断路器闭合时不动作，分开时不返回。（4）零部件损坏。
2.3 瞬动保护可靠性试验
断路器通过的电流I等于断路器额定电流Ie的10倍时，断路器的分段时间≥100ms,5倍时，分段时间<100ms。
2.4 塑壳断路器可靠性试验时试品的检测
对试品的检测分为试验前中后进行，试验前需要检测试品，去除损坏试品，保证都是合格品。试验中，针对操作可靠性试验，观察试品每次循环的接通期的40%时间内，闭合触头的接触压降和断开期的40%时间内，断开触头之间的电压[3]。针对瞬动保护可靠性试验，需要从冷态开始，对C型断路器所有极通10Ie电流，观察试品是否在100ms内动作，和在5Ie电流下，观察试品的分段时间是否大于100ms。
2.5 影响可靠性因素分析
断路器的触头是塑壳断路器的重要组成部分，触头有导电和分段电路的作用，一般由铜基、银合金触点、铜编织线等组成，如果触头的材质质量低，遇到高温时，会影响断路器的分段功能，另其他辅助配套零件如弹簧，轴，紧固件，支架等质量或安装方法也都影响着断路器的可靠性。断路器的脱扣部分和触头类似，材质，安装方法等也直接影响断路器过载保护的可靠性，脱扣系统出厂时需要经过调试和检验[4]。断路器的外壳处于最外部，保护着里面零部件，另材质为塑料，具有一定的绝缘作用，所以也要重视外壳的质量。另断路器品牌的选择，安装方法，使用方式及后续的维护等工作也一样重要。通过分析，有许多因素对塑壳断路器可靠性产生影响，在实际生产中，需要结合实际，针对这些注意点，加强检查，提高产品质量，才能保证后续使用的安全性。
3 结束语
塑壳断路器可靠性研究具有重要意义，目前市场上产品质量参差不齐，可靠性比较低，在配电系统中容易发生问题造成损失。为改善这一情况，文章通过对塑壳断路器进行简单研究，从塑壳断路器的可靠性来看，最好是延长偶然失效期，在失效率升高前替换掉容易发生故障的零部件，从而延长产品的使用寿命。文章通过对塑壳断路器可靠性指标进行总结，然后对失效率、成功率进行试验研究，对试验结果分析总结，并简单探讨了影响可靠性因素的原因，希望能为塑壳断路器可靠性考核的实施做出理论基础，从而提高技术水平，不断创新，为开发新型断路器做好充分准备。
摘要：我国电气化和自动化发展迅速,因为具有比较好的过载和短路保护功能,塑壳断路器得到了广泛应用。塑壳断路器是保护类电器中最基础的一种电器,电气设备和电网的运行是否良好取决于塑壳断路器的可靠性,否则容易发生问题,导致供电不正常,甚至会对电路或用电设备的产生破坏,造成经济损失。文章通过简单分析塑壳断路器的故障模式,从而总结出塑壳断路器可靠性的三个指标,分别为操作失效率,瞬动保护成功率和过载保护成功率。通过实验对这些指标进行测试分析,对塑壳断路器在日常生产中的应用提供理论基础。
关键词：塑壳断路器,可靠性验证试验,验证试验程序
参考文献
[1]陆俭国.电器可靠性理论及其应用[M].北京:机械工业出版社,2010:89.
[2]李奎,陆俭国,瞿建喜.剩余电流动作保护器的可靠性验证试验技术的研究[J].电工技术学报,2003,18(4):114-117.
[3]骆燕燕,陆俭国,李志刚.小型断路器可靠性筛选方法的研究[J].电工技术学报,2003,18(2):36-40.
塑壳断路器 篇7
塑料外壳式断路器作为低压配电系统和电动机保护回路中的过载、短路保护电器,是应用极广的产品。塑壳断路器凭借着种种优点,在低压配电系统中起到了重要的作用。目前,塑壳断路器常被用作低压电路的终端开关或支路开关,已经在一定程度上成为低压配电系统的主要开关。随着现代科技水平的不断发展,新技术、新工艺、新材料不断出现,各断路器制造商对断路器制造水平有了很大的提高,国内外低压断路器具有向小型化、高分断、立体化的趋势发展。最近几年有色金属等原材料价格飞涨,断路器的制造成本也增加了很多,要在市场经济中具有竞争优势,必须研发出可靠性高成本低适应于市场需求的节能型的断路器。
随着我国电力工业迅速发展,装机容量和送电线路都有了较快的增长,国家将会继续投入大量资金进行电网基础设施的建设与改造。随着发电设备的增长,我国低压电器需求量还将持续增长。研究新一代的高分断中小容量的塑壳断路器已经成为国内外低压电器生产厂家的重要任务。环宇集团为满足市场需要,开发设计了一种高分断中小容量的塑壳断路器HUM8-63[1,2,3]。
1 中小容量塑壳断路器的现状
目前国内低压电器产品仍旧三代同堂,第三代产品主要技术性能相当于国外20世纪90年代水平。少数优秀企业产品制造水平除自动在线检测设备、自动装配生产线外,其它工艺装备与制造能力接近世界先进水平,如果考虑产品性能一致性、可靠性及产品外观质量,大部分与国外产品差距甚大。国内外新一代塑壳断路器主要产品性能指标见表1。
2 HUM8-63塑壳断路器总体结构设计
为提高塑壳断路器的单位体积分断能力及产品的性价比,增强市场竞争能力,HUM8-63塑壳断路器在产品设计中采取了有效的限流措施与灭弧措施,合理利用电动斥力、吹弧磁场以及磁吹力的同时还充分利用灭弧室空间,增大开距,增加栅片数目,加快触头分断速度,提高产品的短路分断能力[2]。
1)限流措施。根据所设计断路器性能指标和体积,合理选择限流措施是非常重要的。U型触头是最常用的限流措施,其原理是利用电流导向相斥将动触头斥开,较早的引出电弧,抑制短路电流的进一步增长。电流流向如图1所示,作用于静触头上端和动触头上的电流产生电磁吸引力1,作用于静触头下端和动触头上的电流产生电磁排斥力2,两者力叠加,可使动触头加速并在短路断开时比往常更快的速度分离触点,电弧电压迅速增高,通过试验得出限流系数可达0.4。图2为限流效果示意图。
2)灭弧措施。一是增大开距。图3为两种不同形状的触头接触板,接触板Ⅱ比接触板Ⅰ的开距增加了4 mm。在开关体积不增大的情况下,U型结构触头系统设计,能使分断时触头开距加大,引出的电弧被拉得更长有助于灭弧。
二是放置特殊耐电弧绝缘材料。在动静触头周围放置特殊绝缘材料陶瓷纤维和金属气化物,如图4所示,一方面将电弧弧柱控制在一由耐电弧绝缘材料形成的狭小空间内,限制电弧弧根面积,另一方面在电弧高温的作用下产生大量气体,提高弧区压力3,加速电弧运动,增强弧区的消游离作用,有利于防止过零后的重燃现象。
三是灭弧罩。由于灭弧罩要受电弧高温的作用,所以对灭弧罩的材料也有一定的要求,如高耐弧性能、高绝缘性能、高机械强度以及良好的工艺性能等。
HUM8-63塑壳断路器设计了一种灭弧栅片,如图5所示,改进后的栅片有利于电弧向上吸引,也加快了拉弧的速度,厚度较厚冷却效果好。
断路器内的灭弧室总体组成如图6所示,其侧面隔板和顶部隔板均采用三聚氰胺绝缘材料孔板,在电弧高温作用下分解出气体,使灭弧室内气压急速增加,加速电弧朝灭弧室内运动,并隔断和冷却电弧。在灭弧罩前端设置一层耐高温阻燃的隔弧片,在隔弧片上压有一凹印,在断路器分断情况下,受灭弧室内高压力气体的冲击,隔弧片沿凹印会折弯打开,形成一个排气口,并且隔开了电弧与前端接触板的二次短路。
电弧在磁吹、气吹及气压反应机构的共同作用下被迅速熄灭。
四是提高分断速度。断路器分断短路电流时,动静触头间产生的电弧能否迅速断开并快速熄灭是提高断路器短路分断能力的关键,动静触头分离后电弧停滞时间越短越好。由于触头分断是跳扣杆被解扣而参与运动,使触头机构的分断动作与分闸动作过程完全不同,即断路器分断过程中,触头机构由合闸状态下的四连杆机构变为五连杆机构。该产品通过加大机构主拉簧,修改动触头杆触头部分形状如图7所示,减轻触头部分重量,减小转动惯量,来提高触头分断速度,快速熄灭电弧。试验数据表明改变动触头杆的形状,减轻动触头的重量,同时将主拉簧由原来的线径d=1.1 mm,有效圈数n=1043圈,长度L0=21 mm改成线径d=1.2 mm,有效圈数n=10 41圈,长度L0=20.5 mm后,断路器脱扣时,动触头从刚脱离静触头到机构完全打开后的运动时间从最初的6.5~7 ms缩短到现在的3.8~3.9 ms。
3 实验结果
本断路器充分利用了有限空间,综合运用了限流措施与灭弧措施,使断路器的额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力达到Icu/Ics=30 k A/22 k A,领先于国内同类产品,各项试验指标均符合GB 14048.2等国家标准,通过了“CCC”认证。
4 结语
环宇集团自主开发的HUM8-63塑壳断路器采用模块化的设计,技术指标高、外形美观、体积小、零飞弧、附件齐全、具有隔离功能。具有窗口指示开关的分合闸状态,设计有成套用接线标志,对附件盖进行了设计改进,采用新型的挂钩结构等特点。产品取得了一项发明专利、一项实用新型专利。它可广泛应用于电力、机械、建筑、石化、冶金等行业和发电厂、水电站等重要配电场所。
参考文献
[1]GB14048.2-2008低压开关设备和控制设备第2部分:断路器[S].
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