小型斷路器設(shè)計研發(fā)與制造研究

俞金榮

【摘 要】小型斷路器在我國各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且故障率高，極其容易引起供電故障，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。簡要介紹了小型斷路器的主要結(jié)構(gòu)類型、工作原理以及其發(fā)展歷程，對小型斷路器的基本故障做了分類，并對計算機輔助設(shè)計、新材料應(yīng)用、先進生產(chǎn)工藝在小型斷路器上的應(yīng)用作了闡述。

【關(guān)鍵詞】小型斷路器；設(shè)計研發(fā)；制造

中圖分類號： TM561 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0004-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.002

【Abstract】The small circuit breaker is widely used in all walks of life in our country.Because of its complex structure and high failure rate，it is extremely easy to cause power failure and cause serious economic loss.This paper briefly introduces the main structure type，working principle and development course of small circuit breaker，classifies the basic faults of small circuit breaker，and expounds the application of computer aided design， new material application and advanced production technology on small circuit breaker.

【Key words】Miniature circuit breaker；Design and development；Manufacture

0 引言

近年來，我國居民和企業(yè)對于電能的需求量迅速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)的容量激增，同時現(xiàn)代企業(yè)對供電穩(wěn)定性的要求也愈加苛刻[1]。小型斷路器在供電過程中起著保護用電的作用，其重要性不言而喻，隨著電網(wǎng)容量的增加，小型斷路器出現(xiàn)故障的頻率也越來越高。

1 小型斷路器概述

小型斷路器（MCB）主要應(yīng)用在配電系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)保護線路過載、短路[2]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，小型斷路器在民用電器、工業(yè)企業(yè)和建筑行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，是極其重要的電器元器件。電網(wǎng)容量的激增對小型斷路器的體積大小、智能化程度、可靠性要求更加苛刻。只有對其進行科學(xué)合理的設(shè)計、研發(fā)，以及提高工藝技術(shù)，并進行一定優(yōu)化設(shè)計，才能生產(chǎn)出符合要求、安全可靠的小型斷路器。

1.1 小型斷路器的發(fā)展

我國小型斷路器（MCB）的發(fā)展歷程從時間上來看，大致可以劃分為四個歷史階段[3]：

（1）仿制階段。上個世紀(jì)50年代，仿造蘇聯(lián)A3100型斷路器，研制了DZ1型小型斷路器。但是該系列小型斷路器（MCB）存在很多缺點，例如體積太大、分?jǐn)嘈阅懿畹热秉c。60年代，在此基礎(chǔ)上進一步完善，據(jù)此研發(fā)了第一批小型斷路器（MCB）DZ10型。在此后的二十年內(nèi)，該系列經(jīng)過不斷改進，分?jǐn)嗄芰Σ粩嗵岣摺?/p>

（2）自主嘗試階段。60年代中后期，研發(fā)了第一代漏電保安器，該漏電保安器采用DZ5-20系列斷路器。此后十多年內(nèi)，我國又成功地自主設(shè)計的電流動作型電磁式漏電斷路器，短路分?jǐn)嗄芰_到了380V-3kA和5kA。

（3）引進吸收階段。80年代以后，引進美國的西屋公司、德國的F&G;公司以及日本的寺崎電器公司的先進技術(shù)，在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展了CM1型、TMM30型、TG系列的BD、BF型，以及JXM2型、HSM1系列、S系列小型斷路器。

（4）自主研發(fā)階段。進入新世紀(jì)以來，以上海電器科學(xué)研究所為代表的國產(chǎn)小型斷路器開始進行研發(fā)階段。2005年，上海電器科學(xué)研究所牽頭，聯(lián)合了幾家具有研發(fā)實力的企業(yè)，共同研發(fā)了我國第四代低壓電器，其中就包括新一代小型化塑殼斷路器。這一系列產(chǎn)品的總體技術(shù)水平已經(jīng)與國際領(lǐng)先水平持平，這意味著我國已經(jīng)能基本摒棄仿制模式，開創(chuàng)了新時代。其中，上海永繼電氣股份有限公司開發(fā)的JVM16系列小型斷路器達到國際水平。

1.2 小型斷路器基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)低壓斷路器結(jié)構(gòu)上的差異，可以分為兩大類，分別是萬能式低壓斷路器和塑料外殼式低壓斷路器[4]。小型斷路器歸屬于塑料外殼式低壓斷路器，單極寬度是18mm，雖然尺寸較小但分?jǐn)嗄芰Υ蟆?/p>

目前小型斷路器（MCB）主要由動、靜觸頭、滅弧室、熱脫扣器、磁脫扣器、操作機構(gòu)、接線端子和塑料外殼等幾大部件組成[5]。同時具備短路保護和熱保護兩種保護功能，其中磁脫扣器（螺管電磁鐵）負(fù)責(zé)短路保護，而熱脫扣器（雙金屬片）負(fù)責(zé)熱保護。小型斷路器的動、靜觸頭結(jié)構(gòu)一般是U型觸頭，如下圖所示：

1.3 小型斷路器工作原理

小型斷路器的作用體現(xiàn)在兩方面：正常工作時，不頻繁地合、分電路或者啟、停電動機；線路出現(xiàn)異常，迅速切斷電路，防止故障升級。其具體工作原理如下：短路保護中，一旦線路出現(xiàn)異常情況，立即將觸頭進行分?jǐn)啵藭r觸頭之間的電弧電壓會激增，從而限制電流，起到保護作用；磁保護中，一般采用螺管電磁鐵，通過電磁鐵動鐵芯帶動脫扣機構(gòu)斷開觸頭，從而獲得電弧電壓來抑制短路電流，并且可以通過對電弧的切割和冷卻來快速滅弧[6]。

圖1 U型觸頭主要結(jié)構(gòu)

過載保護中，一旦線路出現(xiàn)電流異常情況，雙金屬片因過電流而發(fā)熱彎曲，推動操作機構(gòu)動作，從而立即將動、靜觸頭進行分?jǐn)?，起到保護電路的作用。

2 當(dāng)前小型斷路器基本故障類別

目前來說，小型斷路器的主要故障有觸頭燒損嚴(yán)重、外殼擊穿、時間電流特性精度偏低和短路分?jǐn)嗄芰Σ豢煽康葐栴}。為了保證正常供電，以及保障人們的生命安全，需要對小型斷路器的典型故障類型進行分析和探究，國內(nèi)所生產(chǎn)的小型斷路器主要存在以下問題：

2.1 設(shè)計不足產(chǎn)生的故障

國內(nèi)小型斷路器分?jǐn)嘈阅芴停瑢嶋H上大多低于6kA，遠遠低于電網(wǎng)對于短路保護要求的標(biāo)準(zhǔn)值。需要分?jǐn)嗄芰Φ奶嵘罡叻謹(jǐn)嗄芰_到25KA及以上；小型斷路器大多沒有短路短延時保護作用，這很容易造成越級跳閘故障，進而引起斷電；由于不同使用場合對短路瞬時脫扣的要求標(biāo)準(zhǔn)不一樣，而目前大多數(shù)可選的類型僅為B、C、D型，難以滿足要求。因此需要進行K曲線的研究和提高保護精度的研究；關(guān)于斷路器的輔助配件，大多數(shù)小型斷路器僅僅只是配備了備用輔助觸頭、欠電壓和過電壓保護裝置和報警觸頭，這還不夠完善。需要結(jié)合計算機技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢進行技術(shù)攻關(guān)，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)質(zhì)量的能效管理和智能管理。

2.2 生產(chǎn)制造產(chǎn)生的故障

當(dāng)前，我國生產(chǎn)小型斷路器的廠家多達數(shù)百家，但是其生產(chǎn)能力參差不齊，大多數(shù)廠家仍然采用手工裝配，生產(chǎn)工藝也比較落后。即使部分先進廠家已經(jīng)采用了自動檢測線進行生產(chǎn)，仍然沒有配置自動裝配線，關(guān)鍵生產(chǎn)工藝也沒有實現(xiàn)自動化。這導(dǎo)致所生產(chǎn)的斷路器質(zhì)量穩(wěn)定性較差，而且不能保證同一批次產(chǎn)品的一致性。

2.2.1 外殼故障

如果斷路器的外殼厚度不夠，或者斷路器外殼的材料成分比例不對，都會導(dǎo)致斷路器的外殼材料達不到所預(yù)期的性能要求。一旦斷路器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，其產(chǎn)生的電弧能量很大，極其容易造成斷路器外殼的破裂。另一方面，在分?jǐn)噙^程中，產(chǎn)生的電弧具有燒蝕作用，長此以往，會導(dǎo)致斷路器內(nèi)部嚴(yán)重碳化，在進行驗證介電性能時，這種碳化最終會引起斷路器耐壓擊穿。

2.2.2 觸頭故障

如果觸頭的材料選擇不當(dāng)或不符合要求，或者在分?jǐn)噙^程中操作機構(gòu)動作太慢，導(dǎo)致觸頭被嚴(yán)重?zé)龤А＿M而導(dǎo)致小型斷路器的手柄雖然已經(jīng)合閘，但是動觸頭和靜觸頭卻無法正常接觸，產(chǎn)生不通電的現(xiàn)象。

3 計算機仿真助力小型斷路器設(shè)計研發(fā)

隨著計算機性能的不斷提升，以及算法的不斷改進，目前計算機CAD/CAM/CAE輔助設(shè)計已經(jīng)在車輛、船舶、航空航天等多個領(lǐng)域應(yīng)用，并且取得了良好的效果。在斷路器領(lǐng)域，鑒于小型斷路器的外形復(fù)雜，材料性能要求高，而且容易受到周圍溫度場、磁場、電場等影響，因此，采用有限元軟件對其進行模擬仿真試驗，對小型斷路器的研發(fā)設(shè)計很有必要。

在小型斷路器外形設(shè)計方面，CAD和CAM技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計的曲面，對模型的邊界條件和離散方式進行定義、控制和初始，迅速準(zhǔn)確地建立起三維曲面，最后經(jīng)過渲染，輸出三維圖形。CAD和CAM可以直觀的對斷路器進行設(shè)計，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具，具有很高的效率，且可視化效果良好。

在性能設(shè)計方面，小型斷路器涉及到多個物理場的耦合，CAE技術(shù)可以輔助完成其中的很多性能試驗分析。ANSYS軟件作為一種應(yīng)用廣泛的有限元軟件，針對斷路器有專門的模塊，可以對斷路器進行運動分析、受力分析甚至是塑料壓注成型分析。Workench作為多物理場耦合平臺，可以分析斷路器在電磁場、溫度場、應(yīng)力場綜合作用下的性能，為小型斷路器的設(shè)計提供幫助。同時，CAE成本低、效率高，可以結(jié)合優(yōu)化方法，引入虛擬技術(shù)，對斷路器進行優(yōu)化設(shè)計。VSA公差分析軟件可以進行產(chǎn)品各個零部件的尺寸鏈分析并找出關(guān)鍵影響因子，為尺寸公差優(yōu)化提供依據(jù)。

同時，作為現(xiàn)代小型短路器的發(fā)展方向之一，智能化設(shè)計和研發(fā)對于小型斷路器至關(guān)重要。在小型斷路器中植入微處理器，可以完善小型斷路器的多功能化，提高斷路器保護功能的多樣化和智能化。

4 新材料在小型斷路器設(shè)計上的應(yīng)用

4.1 塑料外殼材料

針對塑料外殼的材料選用，必須要考慮小型斷路器實際工作環(huán)境的特殊性。一般來說，塑料材料需要滿足一定的安全認(rèn)證，例如3C認(rèn)證、UL認(rèn)證等；同時塑料材料還需要滿足一定防火要求，可燃性UL94可以對材料被點燃后熄滅的能力進行評價，目前來說，它是適用最廣的可燃性能指標(biāo)。

4.2 觸頭新材料技術(shù)

由于小型斷路器的額定電流大小不一，短路分?jǐn)嗄芰σ泊嬖诤艽蟛町?，這些造成了觸頭材料的使用壽命很短。所以，在選用材料時，尤其是觸頭材料，需要慎重考慮以下影響因素：觸頭的導(dǎo)熱以及導(dǎo)電性。目前，Ag-W和Ag-C是觸頭的普遍使用材料，但是Ag-C在大電流分?jǐn)鄷r會使得電弧侵蝕量顯著上升，Ag-W燃弧后產(chǎn)生鎢氧化物會沉淀至觸頭上，長期以往，容易造成接觸電阻值逐漸增大，性能變差。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，Ag-W-C的新組合已經(jīng)在研發(fā)中，試驗結(jié)果表明，該材料的接觸電阻值很小，而且不容易受到電弧的侵蝕，同時具備很好的抗熔焊性。這對斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Φ奶嵘泻艽髱椭?/p>

5 先進制造工藝在小型斷路器制造上的應(yīng)用

5.1 塑料外殼制造工藝

小型斷路器塑料外殼制造加工時，鑒于注塑工藝的特殊性，需要保證其壁厚在一定標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)。如果塑膠件的壁厚過薄，會導(dǎo)致注塑時產(chǎn)生的粘性阻力太大，阻礙流動，進而導(dǎo)致塑膠熔料難以迅速、完整地填滿型腔。此時，為了得到更高的充滿速度和注射壓力，就需要采用注射設(shè)備進行輔助填充；如果塑膠件的壁厚過厚，會導(dǎo)致零件難以迅速冷卻。一般來說，當(dāng)零件的壁厚增厚至原來的一倍時，其冷卻時間大約是原來的四倍。此時，過厚的壁厚使得零件成型周期大大延長，降低生產(chǎn)制造效率，增加了成本。另一方面，塑膠件的過厚壁厚難以保證注塑的均勻性，不利于散熱，導(dǎo)致零件出現(xiàn)氣孔、翹曲等不良現(xiàn)象。

5.2 環(huán)境友好型工藝

在未來的小型斷路器研發(fā)及制造過程中，都應(yīng)該堅持環(huán)境友好理念，嚴(yán)格采用環(huán)保材料，同時做好材料的回收。例如：在選擇塑料外殼時，盡量選用無鹵阻燃的可回收材料，觸頭盡量不選用含隔材料。減少電鍍工藝的使用，除了外露的導(dǎo)電零件，其它內(nèi)部導(dǎo)電零件盡量不采用電鍍工藝，以避免電鍍對環(huán)境的不利影響。滅弧室的導(dǎo)磁柵片不采用傳統(tǒng)的鍍鎳或鍍銅工藝，而采用特殊工藝處理的新材料直接沖壓零件。

5.3 數(shù)字化制造工藝

目前，隨著各種傳感器技術(shù)突飛猛進和信息化技術(shù)的日趨成熟，利用數(shù)字化手段實現(xiàn)斷路器的生產(chǎn)制造工藝的轉(zhuǎn)型升級是未來發(fā)展趨勢，也是企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本的關(guān)鍵舉措。企業(yè)在數(shù)字化工廠改造時需要分以下四步進行：一是精益生產(chǎn)，工業(yè)工程師對生產(chǎn)流程進行梳理，提升各個工序的管理水平和生產(chǎn)效率；而是透明工廠，IT工程師把IT管理軟件進行優(yōu)化和固化在管理系統(tǒng)中；三是自動化工廠，自動化工程師根據(jù)企業(yè)條件用各種機器設(shè)備替代人力。對小型斷路器來說，主要實現(xiàn)以下幾大生產(chǎn)工序的自動化：金屬零件沖壓自動化并與焊接自動化配套在線生產(chǎn)、線圈加工自動化并焊接自動化配套在線生產(chǎn)、塑料零件在線自動化生產(chǎn)、產(chǎn)品裝配自動化和在線檢測自動化；四是數(shù)字化工廠，基于同一個底層的數(shù)據(jù)庫，把人、自動化設(shè)備、IT系統(tǒng)連接在一起，為現(xiàn)實工廠在虛擬世界里建立一個“數(shù)字化雙胞胎”，從而實現(xiàn)對整個產(chǎn)品生命周期的全方位管理和質(zhì)量控制。

6 總結(jié)展望

小型斷路器因其良好的線路過載和短路保護功能，被廣泛應(yīng)用于企業(yè)、商業(yè)和小區(qū)住宅。由于現(xiàn)在居民和工業(yè)對電能的依賴程度越來越大，導(dǎo)致電網(wǎng)容量激增，同時現(xiàn)代企業(yè)對于供電穩(wěn)定性的要求也更加苛刻，這就對小型斷路器的要求也隨之越加苛刻。小型斷路器零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量比較高，工作環(huán)境惡劣，極其容易出現(xiàn)故障。目前而言，小型斷路器在設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)制造等方面都存在一些不完善的地方，會引起嚴(yán)重故障。因此，未來的小型斷路器將會朝著智能化、多功能化方向發(fā)展，這就必須加強計算機輔助設(shè)計、新材料應(yīng)用、先進生產(chǎn)工藝這幾方面在小型斷路器上的應(yīng)用，以保證供電的穩(wěn)定性和可靠性，滿足未來智能電網(wǎng)和萬物互聯(lián)互通的需求。

【參考文獻】

[1]龔駿昌.小型斷路器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電器與能效管理技術(shù)，2016（1）：1-7.

[2]李敏，李燕，徐大勝，等.小型斷路器的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電器與能效管理技術(shù)，2014（14）：31-34.

[3]潘鋒.小型斷路器分?jǐn)噙^程的動力性能研究[D].上海交通大學(xué)，2007.

[4]周志敏.小型斷路器的發(fā)展與應(yīng)用[J].電氣開關(guān)，2002， 40（5）：1-4.

[5]何瑞華.我國新一代低壓電器發(fā)展趨向[J].電器與能效管理技術(shù)，2013（3）：1-6.

[6]顧翔，尹天文，蔣顧平，等.小型化塑殼斷路器的技術(shù)發(fā)展動向[J].電器與能效管理技術(shù)，2013（9）：1-3.