RMM3塑料外殼式斷路器研制

張國榮 李鳴廉 趙軼磊 李如甲 上海人民電器廠（200042）

張國榮（1963年～），男，本科，工程師，主要從事塑料外殼式斷路器、帶剩余電流保護斷路器、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、以及其他低壓電器研究。

0 引言

低壓斷路器是保障低壓配電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠運行的主要電氣元件，自1885年誕生刀開關(guān)和過電流脫扣器的組合—世界上最早的斷路器以來，目前已發(fā)展成為包括萬能式斷路器、塑殼式斷路器、剩余電流保護斷路器、微型斷路器、真空斷路器及直流斷路器等品種的龐大家族，為構(gòu)建安全可靠、經(jīng)濟高效的強大電網(wǎng)提供了基礎(chǔ)保證。

塑料外殼式斷路器(moulded case circuit breaker)簡稱 MCCB，是配電系統(tǒng)中的支路保護開關(guān)，用于線路及電源設(shè)備的過載、欠電壓和短路保護。

在我國，塑殼式斷路器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其主要技術(shù)指標(biāo)—短路電流分?jǐn)嗄芰σ褟腄Z系列塑殼斷路器的1kA～2kA 發(fā)展到現(xiàn)在的100kA甚至更高，其操作機構(gòu)、脫扣系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)以及導(dǎo)電系統(tǒng)都取得了顯著的進步，其外觀的設(shè)計、附件的配置更具多樣化和人性化。

1 概述

我們研制的RMM3系列塑料外殼式斷路器適用于交流50Hz、額定工作電壓400V、額定電流至800A及以下的電路中作配電使用，400A及以下的斷路器可作為保護電動機使用。該斷路器的額定沖擊耐受電壓為8 000V；額定絕緣電壓為690V。

在正常條件下，RMM3系列塑殼斷路器可作為線路的不頻繁轉(zhuǎn)換及電動機的不頻繁起動之用，并具有隔離功能。

我們開發(fā)的RMM3系列塑料外殼式斷路器產(chǎn)品符合GB14048.2、IEC60947-2標(biāo)準(zhǔn)。

在具有過載保護、短路保護、欠壓保護等斷路器的基本功能的同時，RMM3系列塑殼斷路器還具有剩余電流保護、過載報警不脫扣等功能；在附件配置上，有分勵脫扣器、欠壓脫扣器、輔助觸頭、報警觸頭、手動操作機構(gòu)、電動操作機構(gòu)、插入式裝置和抽屜式裝置可供不同需求的用戶選擇。

RMM3系列塑料外殼式斷路器的下進線功能可在用戶需要電源端和負(fù)載端互換時，不用改變斷路器的安裝方式，方便地改變進線端和出線端（見圖1）。

本產(chǎn)品的部分技術(shù)申請了專利：

(CN200620042251.7)用于雙斷點塑殼斷路器的欠壓脫扣器；

(CN200730078372.7)塑殼斷路器的報警開關(guān)(RMM3系列)；

(CN200730078373.1) 塑殼斷路器的分勵脫扣器(RMM3系列)；

(CN200730078371.2) 塑殼斷路器的輔助開關(guān)(RMM3系列)；

(CN200720073462.1)用于雙斷點塑殼斷路器的輔助報警開關(guān)；

(CN200720073463.6) 用于雙斷點塑殼斷路器的分勵脫扣器。

圖1 RMM3系列塑料外殼式斷路器

2 技術(shù)參數(shù)

為了適應(yīng)配電系統(tǒng)對不同電流的保護要求，RMM3系列塑料外殼式斷路器的殼架等級額定電流分為：63A、125A、250A、400A、630A、800A，其額定電流的規(guī)格見表1，可以對額定電流從10A～800A提供過載和短路等保護；針對電網(wǎng)不同的預(yù)期短路電流，RMM3系列斷路器提供了3個不同的額定極限短路分?jǐn)嗄芰?，其詳?xì)參數(shù)見表2；其瞬時過電流脫扣器電流整定值見表3；過載脫扣器電流整定值見表4。

RMM3系列塑料外殼式斷路器脫扣方式及主要附件代號見表5，附件的額定電壓見表6。

表1 RMM3系列塑料外殼式斷路器主要規(guī)格

表2 額定短路分?jǐn)嗄芰?/p>

表3 瞬時過電流脫扣器電流整定值

表4 過載脫扣器電流整定值

表5 脫扣器方式及附件代號

表6 控制電路的額定電壓

3 結(jié)構(gòu)及功能

斷路器主要由操作機構(gòu)、脫扣器、觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)等幾大部分組成。操作機構(gòu)實現(xiàn)了斷路器的快速合分閘操作，通過操作其手柄可使斷路器接通或斷開電氣回路，當(dāng)故障發(fā)生時，可接受脫扣器的指令使斷路器斷開；脫扣器由熱脫扣系統(tǒng)和磁脫扣系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)斷路器的過載和短路保護功能；導(dǎo)電系統(tǒng)貫通于斷路器的進線端和出線端，連接了脫扣器和動、靜觸頭，是斷路器電氣回路的主要部分；當(dāng)線路發(fā)生過載和短路故障時，斷路器斷開被保護回路時，會產(chǎn)生電弧，滅弧系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了熄滅電弧的重任，其性能的優(yōu)劣決定了斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰Φ拇笮　?/p>

3.1 斷路器的操作機構(gòu)

RMM3系列斷路器采用的機構(gòu)為自由脫扣機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖2。在再扣和合閘狀態(tài)，由上連桿、下連桿、動觸頭及基架組成一四連桿機構(gòu)，操作手柄通過杠桿帶動彈簧運動，可使斷路器進行合分閘操作。圖示狀態(tài)為自由脫扣狀態(tài)，跳扣與鎖扣處于解鎖狀態(tài)。要進行合分閘操作，首先要操作斷路器手柄使杠桿帶動跳扣向鎖扣方向運動，將跳扣與鎖扣閉鎖，同時圖中的卡板與定位件同時閉鎖，此時可進行合分操作。當(dāng)熱磁脫扣器檢測到線路中有過載或短路故障時，推動卡板順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)卡板轉(zhuǎn)動至與定位件解鎖后，定位件在扭簧的作用下作順時針運動，改變了鎖扣在定位件上的支點，鎖扣處于自由狀態(tài)，跳扣與鎖扣隨之解鎖，斷路器在彈簧的作用下脫扣切斷線路。

在斷路器自由脫扣機構(gòu)的設(shè)計過程中，主彈簧的剛度（彈簧的拉伸力）和合閘角的設(shè)計計算，直接決定了機構(gòu)的零件設(shè)計、桿件剛度、使用壽命以及在脫扣時的運動速度，采用軟件分析和實驗相結(jié)合的方法，使機構(gòu)滿足了斷路器的手柄操作力、觸頭壓力、脫扣力、機械操作性能、短路分?jǐn)嗄芰Φ雀黜椉夹g(shù)指標(biāo)的要求。

圖2 斷路器的操作機構(gòu)

3.2 脫扣系統(tǒng)

斷路器的脫扣系統(tǒng)采用熱脫扣和磁脫扣組合的方式，熱脫扣由圖3所示的雙金屬片和發(fā)熱元件組成，磁脫扣由磁軛、銜鐵及彈簧組成。當(dāng)回路中有過載電流時，發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量使雙金屬片彎曲并推動機構(gòu)中牽引桿繞固定軸線并帶動卡板轉(zhuǎn)動，使卡板與定位件解鎖，斷路器脫扣。當(dāng)電氣回路發(fā)生短路時，其短路電流通過發(fā)熱元件時，在其周圍產(chǎn)生磁場，使銜鐵和磁軛克服彈簧力而吸合，銜鐵的另一端推動牽引桿使斷路器脫扣。

脫扣器的瞬動脫扣特性主要由磁脫扣系統(tǒng)來實現(xiàn)的，脫扣時間控制在0.2s內(nèi)。過載脫扣特性由熱脫扣系統(tǒng)來實現(xiàn)的，脫扣時間與磁脫扣系統(tǒng)相比要長得多。

圖3 斷路器的脫扣系統(tǒng)

圖4 是斷路器脫扣的動作特性曲線，X軸表示故障電流的數(shù)值，以斷路器額定電流的倍數(shù)表示，Y軸為動作時間，單位為s。圖4表示了斷路器對故障電流的脫扣時間與范圍，陰影部分為脫扣區(qū)域。不同額定電流規(guī)格的斷路器該曲線略有區(qū)別。

圖4 動作特性曲線

3.3 觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)

觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)是決定斷路器短路分?jǐn)嗄芰χ笜?biāo)的主要系統(tǒng)，當(dāng)斷路器切斷通有電流的回路時，在動、靜觸頭分開瞬間，觸頭間就會出現(xiàn)電弧。此時，觸頭雖然已分開，但是在電路中的電流還在繼續(xù)流通，只有熄滅電弧，電路才真正斷開。

滅弧的基本方法就是加強去游離提高弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)速度，在斷路器動、靜觸頭分開后，短時間內(nèi)恢復(fù)觸頭間的介質(zhì)強度。目前開關(guān)電器的主要滅弧方法有好幾種，在RMM3系列塑殼斷路器中，主要采用金屬柵片將長弧分隔成短弧，使長弧變成多段弧隙串聯(lián)，以獲得較高的介質(zhì)強度，使電弧在過零熄滅后不再重燃，同時采用熔點高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的銀鎢合金和銀石墨碳化鎢合金作為動靜觸頭的材料，以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，優(yōu)化操作機構(gòu)及觸頭系統(tǒng)來提高斷路器觸頭的分離速度、加快拉長電弧的速度，有利于電弧的快速熄滅。

RMM3-400以上規(guī)格的塑料外殼式斷路器的觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖5，從圖中可以看到，結(jié)構(gòu)中采用了聯(lián)結(jié)板直接接觸的導(dǎo)電系統(tǒng)，提高了斷路器的接觸性能；省略了軟聯(lián)結(jié)及其焊接工藝，提高了斷路器的可靠性，在保證斷路器發(fā)熱性能的同時降低了生產(chǎn)成本；同時其由兩組并聯(lián)導(dǎo)體組成的動觸點的采用及與操作機構(gòu)的有效配合，增大了斷路器觸頭系統(tǒng)的電動斥力，加快了斷路器的分?jǐn)嗨俣?，使斷路器的分?jǐn)嗳萘考岸搪贩謹(jǐn)嗄芰Φ玫胶艽蟮奶岣摺?/p>

在RMM3-250及以下的規(guī)格中，采用了圖6的雙斷點觸頭系統(tǒng)，每一極由兩組觸頭串聯(lián)組成，分?jǐn)嚯娀∧芰縿t由兩個斷口共同承擔(dān)，配以雙向滅弧室及通道，使斷路器的分?jǐn)嗨俣雀?，滅弧時間更短，分?jǐn)嗳萘扛蟆?/p>

圖5 觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)

圖6 雙斷點觸頭系統(tǒng)

3.4 附件的配置

RMM3系列塑殼斷路器配備了多種內(nèi)部和外部附件，以滿足不同需求的用戶。內(nèi)部附件包括分勵脫扣器、欠電壓脫扣器、輔助觸點和報警觸點以及過載報警不脫扣裝置，其采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝和更換不需開蓋，從而確保斷路器的可靠性，給用戶帶來了方便。

分勵脫扣器是一種實現(xiàn)斷路器遠(yuǎn)距離分閘的附件，當(dāng)分勵脫扣器的外施電壓為分勵脫扣器額定控制電壓的70%～110%時，就能可靠地分?jǐn)鄶嗦菲?。分勵脫扣器有多種額定控制電壓可供不同場合、不同電源時選用。

欠電壓脫扣器是一種保護性附件，當(dāng)電源電壓下降到欠電壓脫扣器額定電壓的35%～70%時，欠電壓脫扣器能使斷路器脫扣；當(dāng)電源電壓低于欠電壓脫扣器額定電壓的35%時，欠電壓脫扣器能保證斷路器不合閘；當(dāng)電源電壓高于欠電壓脫扣器額定電壓的85%時，欠電壓脫扣器能保證斷路器正常工作。因此，當(dāng)受保護電路中電源電壓發(fā)生欠電壓時，能自動斷開斷路器切斷電源，使該斷路器以下的電氣負(fù)載免受欠電壓的損壞。欠電壓脫扣器也有多種額定工作電壓可供用戶選擇。

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及社會公眾意識的逐步提升，傳統(tǒng)民居的保護受到了越來越廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)民居本身的特點，在對其進行保護時很難保證現(xiàn)狀測繪的精度和準(zhǔn)度以及建筑表達(dá)的直觀性和完整性。BIM技術(shù)能夠準(zhǔn)確地記錄建筑數(shù)據(jù)和立體地呈現(xiàn)建筑形狀。因此，結(jié)合BIM技術(shù)對傳統(tǒng)民居進行保護具有良好的應(yīng)用前景，為傳統(tǒng)民居保護提供可靠的技術(shù)支撐。

輔助觸點和報警觸點都是用于顯示斷路器當(dāng)前狀態(tài)的內(nèi)部附件。輔助觸點是在斷路器分、合閘時改變狀態(tài)，能顯示出斷路器的接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，報警觸點是在斷路器因故障而斷開時改變狀態(tài)，能顯示斷路器的故障脫扣狀態(tài)，用戶可以根據(jù)不同的需求來選擇輔助觸點或報警觸點。

過載報警不脫扣裝置可以在斷路器處于過載狀態(tài)時輸出一個無源的報警信號，而斷路器仍處于通電狀態(tài)。用戶可以根據(jù)該信號來進行后續(xù)的控制或操作。

外部附件有手動操作機構(gòu)、電動操作機構(gòu)、板后接線裝置、插入式接線裝置以及抽屜式裝置等。

手動操作機構(gòu)是一種具有將斷路器的上下扳動操作轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)操作功能的附件，斷路器無論是垂直安裝、還是左、右側(cè)橫向安裝，外部操作手柄均能按同一方向指示斷路器的分合狀態(tài)。用戶可以將斷路器安裝在配電柜內(nèi)，而操作手柄的面板安裝在配電柜門上，有A型和F型兩種手柄可供用戶選擇。其中的連接桿可根據(jù)需要選擇其長度。

電動操作機構(gòu)可用來實現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)距離合分閘操作，有直流110V、220V；交流230V等多種額定工作電壓適應(yīng)不同電壓的控制回路。

板后接線裝置、插入式接線裝置以及抽屜式裝置提供了用戶多種接線方式，用戶可利用板后接線裝置實現(xiàn)水平接線和垂直接線，利用插入式接線裝置可在更換斷路器時不改變主回路的接線方式，借助抽屜式裝置用戶可利用操作機構(gòu)方便地更換斷路器。

目前，塑殼斷路器的附件已經(jīng)成為斷路器不可分割的組成部分，拓展或延伸了塑殼斷路器的保護范圍，保證了斷路器保護電氣回路的可靠、安全地運行，為實現(xiàn)保護電路區(qū)域聯(lián)鎖、集中控制、遠(yuǎn)程操作；為方便用戶操作、維修等多方面起到了重要作用。

4 結(jié) 語

隨著RMM3系列塑料外殼式斷路器推向市場，其高性能、高分?jǐn)?、高可靠性以及附件、安裝方式多樣化的特點，已經(jīng)應(yīng)用在電力行業(yè)、建筑行業(yè)、工礦企業(yè)、商場、住宅等多種場合，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。該產(chǎn)品符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策,對我國電力行業(yè)科技創(chuàng)新和技術(shù)進步與節(jié)能降耗具有重要意義，其合理的性價比，滿足了市場需求，它的廣泛應(yīng)用將會帶來良好的社會效益。