小型斷路器設(shè)計(jì)研發(fā)與制造研究

姚金恒

（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300308）

1 小型斷路器及選擇性保護(hù)分析

1.1 小型斷路器概述

選用DZ47-60型號(hào)的小型斷路器作為實(shí)物案例進(jìn)行分析。該斷路器在直接保護(hù)電動(dòng)機(jī)、電容柜以及電熱設(shè)備等高容性和高感性負(fù)載中并不適用。該斷路器一般由觸頭系統(tǒng)（靜觸頭和動(dòng)觸頭共同構(gòu)成的觸頭組）、操作機(jī)構(gòu)（機(jī)械鎖定手柄裝置）、脫扣機(jī)構(gòu)（電磁脫扣、熱脫扣）、外殼以及滅弧室（急速滅弧系統(tǒng)）等構(gòu)成[1]。

1.2 小型斷路器選擇性保護(hù)

在斷路器發(fā)展過程中提出了相應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)，也提出了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了斷路器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等內(nèi)容，其中選擇性保護(hù)是規(guī)定中的重要內(nèi)容。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斷路器進(jìn)行了科學(xué)界定，分為A/B兩大類斷路器，即將不具備選擇性保護(hù)功能的斷路器分為A類斷路器，而具備選擇性保護(hù)功能為B類斷路器。斷路器的選擇性保護(hù)通過多個(gè)斷路器之間的動(dòng)作特性配合實(shí)現(xiàn)。在斷路器界定范圍內(nèi)若出現(xiàn)過電流，則根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)定，斷路器（在此界定過電流范圍內(nèi)）會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，而不在該過電流范圍內(nèi)的斷路器不會(huì)進(jìn)行動(dòng)作。即當(dāng)線路或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，靠近故障點(diǎn)的斷路器會(huì)直接感應(yīng)到過電流從而確定故障位置，并直接進(jìn)行斷路器動(dòng)作，保證故障不會(huì)影響其他電路，從而確保無故障電路連續(xù)供電。A類具有選擇性保護(hù)的斷路器往往根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，包括局部選擇性保護(hù)和全選擇性保護(hù)兩種類型。局部選擇性保護(hù)需要界定一個(gè)過電流值，只有在該過電流值下斷路器才具備選擇性保護(hù)功能。全選擇性保護(hù)的適用性更廣，能夠進(jìn)行全電流范圍的選擇性保護(hù)。

目前，斷路器的選擇性保護(hù)可以通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)。第一，電流的選擇性，即上下級(jí)斷路器的選擇實(shí)現(xiàn)動(dòng)作特性配合。對(duì)上下級(jí)斷路器中的動(dòng)作電流進(jìn)行檢測(cè)和比對(duì)，若該測(cè)定值比過載延時(shí)約定的不動(dòng)作電流低，斷路器能夠動(dòng)作進(jìn)行選擇性保護(hù)。第二，斷路器時(shí)間選擇性保護(hù)。斷路器中能夠?qū)ι舷录?jí)斷路器延時(shí)工作時(shí)間進(jìn)行反饋，通過反饋與監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。第三，斷路器能量選擇性保護(hù)。斷路器具有典型的限流能力，在斷路器監(jiān)測(cè)到大電流時(shí)，下級(jí)斷路器能迅速進(jìn)行限流動(dòng)作，使上級(jí)斷路器不進(jìn)行動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。第四，斷路器邏輯選擇性保護(hù)。當(dāng)前發(fā)展中，斷路器開始向著智能化方向發(fā)展，因此選擇性保護(hù)也開始向著智能化方向發(fā)展。比如，下級(jí)斷路器監(jiān)測(cè)到故障時(shí)會(huì)直接反饋給上級(jí)斷路器，此時(shí)上級(jí)斷路器并不會(huì)直接動(dòng)作，而會(huì)通過通信技術(shù)和智能化技術(shù)詢問下級(jí)斷路器是否能排除故障（限定時(shí)間）。若在限定時(shí)間內(nèi)下級(jí)斷路器不能排除故障，上級(jí)斷路器才會(huì)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)[2]。

不管采用什么選擇性保護(hù)，全選擇性保護(hù)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)具有積極影響。目前，斷路器中的選擇性保護(hù)在不斷發(fā)展，斷路器的選擇性也開始由傳統(tǒng)的局部選擇性向著全選擇性保護(hù)的方向發(fā)展。

2 帶選擇性保護(hù)小型斷路器的設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)基本原理分析

傳統(tǒng)小型斷路器（模數(shù)化）在實(shí)現(xiàn)其選擇性保護(hù)時(shí)需要電子式脫扣器的協(xié)調(diào)與配合。以往采用的方式涉及到的電子式脫扣器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且該電子式脫扣器的結(jié)構(gòu)成本較高。電子式脫扣器的應(yīng)用中還存在穩(wěn)定性差和抗干擾能力差的問題。因此，在傳統(tǒng)小型斷路器基礎(chǔ)上引入機(jī)械式設(shè)計(jì)和有限流電阻輔助斷路器選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)。

帶選擇性保護(hù)的小型斷路器包括輔助回路和主回路兩個(gè)回路，兩個(gè)回路部分并聯(lián)。限流電阻、輔助觸頭以及輔助回路雙金屬片串聯(lián)構(gòu)成輔助回路，其余部分為主回路。斷路器中的操作機(jī)構(gòu)控制兩回路的閉合與斷開，電磁機(jī)構(gòu)控制主觸頭的分閘和閉合。另外，操作機(jī)構(gòu)脫扣主要通過輔助回路雙金屬片和主回路雙金屬片進(jìn)行控制。前面提到的雙金屬片在輔助回路和主回路中具有不同作用，即主回路中主要起到過載長(zhǎng)延時(shí)的作用及特性，在短路中主要起到短路短延時(shí)的作用及特性。若在配網(wǎng)中出現(xiàn)短路，系統(tǒng)作用下會(huì)直接產(chǎn)生短路短延時(shí)電流并進(jìn)行工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。此外，電路電流也將因此受限，凸顯線路保護(hù)作用。

2.2 帶選擇性保護(hù)小型斷路器運(yùn)行狀態(tài)分析

帶選擇性保護(hù)小型斷路器運(yùn)行狀態(tài)分析，如圖1所示。

（1）正常工作狀態(tài)。在斷路器正常工作狀態(tài)下，由操作機(jī)構(gòu)控制輔助觸頭和主觸頭的斷開與閉合。若將額定電流導(dǎo)入斷路器中，電磁機(jī)構(gòu)及金屬片在電流刺激下不會(huì)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，且主觸頭因短路會(huì)形成如圖1（a）所示的工作狀態(tài)，即主回路正常。

（2）過載工作狀態(tài)。一旦斷路器過載，雙金屬片會(huì)受到過載電流刺激直接發(fā)生彎曲形變，操作機(jī)構(gòu)脫扣，機(jī)構(gòu)受到作用進(jìn)而給主觸頭作用力使主觸頭打開，如圖1（b）所示，即過載電流被切斷。

（3）有短路電流工作狀態(tài)。支路故障及短路作用下，故障或短路電流作用引起主觸頭及電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主回路因此開路，此時(shí)電流進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換，主要在輔助回路中進(jìn)行通斷。因輔助回路中較高的電阻值，導(dǎo)致電路電流較小。當(dāng)故障排除后，斷路器會(huì)執(zhí)行短路電流分段動(dòng)作，最終斷路器重新閉合主觸頭動(dòng)作，恢復(fù)斷路器正常工作，其狀態(tài)如圖1（a）所示。若下級(jí)斷路器不能對(duì)故障電流或短路電流正常進(jìn)行分?jǐn)?，選擇性斷路器的輔助回路雙金屬片會(huì)直接進(jìn)行動(dòng)作作用于操作機(jī)構(gòu)，使斷路器處于如圖1（c）所示的狀態(tài)，此時(shí)輔助觸頭和主觸頭打開[3]。

圖1 帶選擇性保護(hù)小型斷路器運(yùn)行狀態(tài)分析圖

2.3 帶選擇性保護(hù)小型斷路器的設(shè)計(jì)原則

經(jīng)過研究和實(shí)踐，選擇性小型斷路器的設(shè)計(jì)原則包括以下幾點(diǎn)。第一，故障快速檢測(cè)定位。設(shè)計(jì)的小型斷路器能夠快速地進(jìn)行故障識(shí)別和定位，辨別故障發(fā)生區(qū)域和發(fā)生點(diǎn)。第二，故障迅速排除。設(shè)計(jì)的小型斷路器能夠保證靠近故障點(diǎn)的保護(hù)電器快速動(dòng)作，并且此時(shí)設(shè)計(jì)的斷路器還能夠保證其他保護(hù)電器不發(fā)生動(dòng)作。第三，具備降低系統(tǒng)允通能量的能力。設(shè)計(jì)的斷路器必須具備一定的限流能力，對(duì)系統(tǒng)的允通能量進(jìn)行限制，有效避免故障區(qū)的元器件受到熱應(yīng)力和電動(dòng)力影響。第四，設(shè)計(jì)的斷路器應(yīng)該具備較好的短路電流和故障電流的耐受能力，以保證斷路器具備短路短延時(shí)功能。第五，設(shè)計(jì)的斷路器必須滿足模數(shù)化要求，從而能夠滿足在終端配電箱中的應(yīng)用。

3 基于雙斷點(diǎn)帶選擇性保護(hù)的小型斷路器設(shè)計(jì)分析

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文引入雙回路技術(shù)，提出了一種新型雙斷點(diǎn)帶選擇性保護(hù)的小型斷路器，由雙回路電路機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。其中，該斷路器的主回路由雙金屬片、電磁脫扣器以及主觸頭系統(tǒng)構(gòu)成；輔助回路由雙金屬片、限流電阻和輔助觸頭構(gòu)成。

3.2 雙回路電路

雙電路回路結(jié)構(gòu)由限流電阻、兩對(duì)觸頭（輔助觸頭、主觸頭）、電磁脫扣器以及兩個(gè)過流脫扣器（主回路/輔助回路雙金屬片保護(hù)裝置）構(gòu)成。設(shè)計(jì)主要依靠輔助回路和主回路實(shí)現(xiàn)部分并聯(lián)，其中主要依靠限流電阻、輔助觸頭和輔助回路金屬片串聯(lián)構(gòu)成輔助回路。在操作機(jī)構(gòu)控制下實(shí)現(xiàn)兩對(duì)觸頭的斷開與閉合，在電磁機(jī)構(gòu)的控制下主要實(shí)現(xiàn)主觸頭的分閘與閉合。設(shè)計(jì)主要依靠輔助回路雙金屬片和主回路雙金屬片的控制實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)脫扣，依靠雙金屬片（輔助回路）實(shí)現(xiàn)短路延時(shí)特性，依靠雙金屬片（主回路）實(shí)現(xiàn)過載長(zhǎng)延時(shí)特性。若配網(wǎng)出現(xiàn)短路及故障，短路短延時(shí)在選擇性保護(hù)中進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，電流轉(zhuǎn)換并受限，以此保障線路安全。帶選擇性小型斷路器設(shè)計(jì)方案采用了這種關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)為進(jìn)一步提高斷路器性能和可靠性，對(duì)其他系統(tǒng)模塊也進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)[4]。

3.3 操作機(jī)構(gòu)

在帶選擇性小型斷路器的設(shè)計(jì)中，對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬，如圖2所示。操作機(jī)構(gòu)的仿真模擬中主要采用整體化模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證其安裝簡(jiǎn)化，且保障了操作機(jī)構(gòu)中不同模塊間的協(xié)調(diào)作用。

如圖2所示，操作手柄在受力作用下會(huì)直接驅(qū)動(dòng)第一連桿，并以此推動(dòng)第二連桿和第三連桿，連桿驅(qū)動(dòng)觸頭動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)分/合閘。熱脫扣器作用于脫扣連桿，從而實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)的解鎖操作。電磁脫扣器也能進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而打開主觸頭。本文仿真模擬中采用整體化和模塊化設(shè)計(jì)，不僅為觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)約了空間，還為滅弧系統(tǒng)壓縮了空間，同時(shí)輔助回路和主回路的雙金屬片共同控制脫扣連桿，保證了操作機(jī)構(gòu)和斷路器優(yōu)良的延時(shí)穩(wěn)定性。

圖2 操作機(jī)構(gòu)仿真模擬圖

3.4 自動(dòng)閉合旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)觸頭裝置設(shè)計(jì)

將旋轉(zhuǎn)式雙端點(diǎn)結(jié)構(gòu)引入自動(dòng)閉合觸頭裝置設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。觸頭支持兩側(cè)對(duì)稱布置彈簧觸頭，P1和P2點(diǎn)是觸頭彈簧作用點(diǎn)，保證動(dòng)觸頭能夠繞O點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)斷路器操作機(jī)構(gòu)不作用于觸頭時(shí)，可以通過觸頭彈簧作用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，如圖3（a）所示，以保證可靠性接觸壓力。當(dāng)觸頭受到斷路器操作機(jī)構(gòu)大小為M的扭矩時(shí)，若M大于觸頭彈簧施加在觸頭支持上的扭矩，觸頭裝置將實(shí)現(xiàn)斷開操作，如圖3（b）所示。

圖3 自動(dòng)閉合旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)觸頭裝置示意圖

3.5 滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了新型滅弧系統(tǒng)，如圖4所示。滅弧室設(shè)計(jì)中采用部分密封設(shè)計(jì)，通過引入主觸頭圓形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這種半封閉模式保證了滅弧區(qū)域具有較強(qiáng)的氣壓，有效保證了滅弧系統(tǒng)的氣吹效果、滅弧系統(tǒng)的快速分段以及滅弧系統(tǒng)的迅速滅弧。

圖4 滅弧系統(tǒng)結(jié)示意圖

3.6 電磁脫扣器設(shè)計(jì)

在電磁脫扣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入永磁技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。引入永磁技術(shù)，在增加靜鐵心極面和動(dòng)鐵心極面的基礎(chǔ)上，有效提升了斷路器工作中的短延時(shí)保護(hù)性能。電磁脫扣器設(shè)計(jì)，永久磁鐵能夠一直被鐵心吸引處于吸合狀態(tài)。線圈電路改變超過大于15.75 mm時(shí)，線圈中產(chǎn)生的電磁力隨之增大并會(huì)超過永久磁鐵吸引力，在電磁力的作用下使動(dòng)鐵心向靜鐵心方向移動(dòng)，兩者吸合在一起并作用于推桿，使其沿著靜鐵心內(nèi)部的圓形通孔滑動(dòng)。這種設(shè)計(jì)不同于以往的斷路器電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過引入永磁技術(shù)和電磁斥力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。為保證有效提高機(jī)構(gòu)性能，需要其與不同機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)作。當(dāng)檢測(cè)到短路電流達(dá)到預(yù)期值時(shí)，電磁脫扣器機(jī)構(gòu)能迅速動(dòng)作，準(zhǔn)確拆開主動(dòng)閉合的主觸頭，實(shí)現(xiàn)主回路斷開。若短路電流或故障電流在短時(shí)間內(nèi)被消除，則電磁機(jī)構(gòu)的觸頭會(huì)進(jìn)行動(dòng)作，重新閉合，使設(shè)備和電路重新恢復(fù)正常工作。這種設(shè)計(jì)思路和機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)一步提高斷路器的性能，尤其是提高斷路器得分?jǐn)嗄芰Α?/p>

圖5 電磁脫扣器結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié) 論

通過分析斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了新型雙端點(diǎn)帶選擇性保護(hù)小型斷路器，分析了主回路設(shè)計(jì)原理和具體設(shè)計(jì)，模擬設(shè)計(jì)了斷路器的各個(gè)部件和機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)多控制輸入和輸出的操作機(jī)構(gòu)、自動(dòng)閉合旋轉(zhuǎn)式雙斷點(diǎn)觸頭裝置、采用永磁技術(shù)設(shè)計(jì)的電磁脫扣器以及一種具有較強(qiáng)磁吹和氣吹效果的滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了選擇性保護(hù)小型斷路器的選擇性保護(hù)和可靠性。