微型斷路器短路分?jǐn)嗄芰Ω倪M(jìn)研究*

呂 力

［上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063］

0 引 言

低壓電器在配電系統(tǒng)中的使用非常廣泛,其產(chǎn)品安全性與可靠性尤為重要。而產(chǎn)品的短路分?jǐn)嗄芰κ呛饬慨a(chǎn)品性能的重要指標(biāo),如何提高開關(guān)產(chǎn)品分?jǐn)嘀笜?biāo)一直是行業(yè)內(nèi)十分關(guān)注的話題。開關(guān)在動、靜觸頭斥開時,觸點間會產(chǎn)生電弧,電弧燃燒會危害電氣設(shè)備及開關(guān)的使用壽命,并且容易造成火災(zāi)。微型斷路器(MCB),受到模數(shù)尺寸限制,其體積小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,目前家用微型斷路器存在熄滅電弧時間過長、發(fā)熱量大等問題,微型斷路器的短路分?jǐn)嗄芰Ω倪M(jìn)研究對提高微型斷路器分?jǐn)嗄芰τ兄匾饬x[1]。

1 總體目標(biāo)

目前,微型斷路器正在向短路分?jǐn)嗄芰Ψ€(wěn)定、體積小,產(chǎn)品功能多樣化的趨勢發(fā)展。各微型斷路器生產(chǎn)廠家通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰Α?/p>

微型斷路器機構(gòu)脫扣速度、滅弧室的布局、產(chǎn)品脫扣力及觸頭壓力、觸點材料的選用對產(chǎn)品的短路分?jǐn)嗄芰τ休^大影響。機構(gòu)動作速度越快,產(chǎn)品的限流能力越好,短路分?jǐn)嗄芰υ胶?即在更小的體積內(nèi)實現(xiàn)更優(yōu)性能。本文在現(xiàn)有產(chǎn)品體積不變的情況下,通過結(jié)構(gòu)改進(jìn),提升產(chǎn)品短路分?jǐn)嗄芰?對改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比仿真分析,通過短路分?jǐn)嘣囼烌炞C了改進(jìn)的有效性[2-3]。

2 原有模型的結(jié)構(gòu)分析

2.1 微型斷路器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

微型斷路器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。微型斷路器的組成包括:外殼、手柄、連桿、脫扣機構(gòu)、動觸頭組件、靜觸頭組件、脫扣器、接線框組件、滅弧裝置。脫扣機構(gòu)是影響產(chǎn)品分?jǐn)嘈阅艿闹匾蛩亍?/p>

圖1 微型斷路器基本結(jié)構(gòu)

脫扣機構(gòu)是斷路器中機構(gòu)分閘、合閘的部件。在合閘位置時,脫扣機構(gòu)的作用就是將手柄與連桿保持為一條直線,使杠桿過死點,脫扣機構(gòu)處于合閘狀態(tài);當(dāng)斷路器自由脫扣時,脫扣機構(gòu)受鎖扣與跳扣的制約,解除合閘時支點,使斷路器處于脫扣狀態(tài)。機構(gòu)斥開速度快,在短路電流時,避免動觸頭在電動斥力的作用下反復(fù)地抖動回落,減少動靜觸頭的損耗,可提高產(chǎn)品壽命。

2.2 原方案仿真計算

2.2.1 模型簡化

對模型進(jìn)行必要的簡化,去除了不參與操作機構(gòu)動力學(xué)計算的零件,包括接線柱、滅弧室、跑弧道、互感器、電磁鐵磁軛等,對不影響動力學(xué)計算的外殼部分進(jìn)行了簡化與分離。簡化后的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 簡化后的模型結(jié)構(gòu)

2.2.2 材料屬性設(shè)置

零件材料屬性如表1所示。根據(jù)表1所示的材料屬性數(shù)據(jù)設(shè)置模型對應(yīng)零件的密度、楊氏模量、泊松比,求解零件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量。

表1 零件材料屬性

2.2.3 運動約束設(shè)置

圖3 運動約束關(guān)系

2.2.4 接觸限位關(guān)系設(shè)置

在需要限位以及受力的部件之間添加接觸關(guān)系,零件間的部分關(guān)鍵接觸限位關(guān)系如圖4所示。

圖4 零件間的部分關(guān)鍵接觸限位關(guān)系

2.2.5 壓簧設(shè)置

根據(jù)各彈簧的工程圖紙,計算彈簧剛度,建立各壓簧的作用點,同時依據(jù)計算的彈簧剛度、彈簧原長數(shù)據(jù),進(jìn)行彈簧動力學(xué)參數(shù)設(shè)置。壓簧設(shè)置如圖5所示。

圖5 壓簧設(shè)置

2.2.6 扭簧設(shè)置

根據(jù)工程圖計算出扭簧的剛度。扭簧力臂作用點和轉(zhuǎn)動中心位置決定了扭簧輸出力的大小和方向,所以在仿真建模時,需要注意扭簧選取的作用點的位置以及選取方式。扭簧設(shè)置如圖6所示。

圖6 扭簧設(shè)置

2.2.7 脫扣分閘操作模擬及脫扣力的優(yōu)化

通過ADAMS機構(gòu)仿真,模擬評估操作機構(gòu)合閘、分閘、脫扣等運動的可行性,并計算操作力、固有動作時間等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),對設(shè)計方案進(jìn)行驗證[4-7]。

利用仿真模型進(jìn)行脫扣分閘操作模擬。經(jīng)仿真模擬,操作機構(gòu)脫扣分閘運動正常。

脫扣分閘操作模擬如圖7所示。圖中,左側(cè)為仿真動畫,右上角為動靜觸點距離隨時間變化,右下角為電磁鐵頂桿脫扣操作力隨時間變化。由圖7可知,電磁鐵頂桿經(jīng)過一段空行程后開始進(jìn)行機構(gòu)解扣;機構(gòu)完成解扣,觸頭開始動作,脫扣力設(shè)計峰值約為2 N;解扣后,觸頭打開到最大位置,耗時為1.6 ms。脫扣過程的后半段有回彈的過程,最終穩(wěn)定到一個固定的開距。

圖7 脫扣分閘操作模擬

2.2.8 仿真結(jié)果

根據(jù)上述分析,可得出以下結(jié)論:

(1) 經(jīng)計算模擬,操作機構(gòu)合閘、分閘、脫扣分閘動作正常。

(2) 當(dāng)前脫扣力稍大,鎖扣、跳扣以及U形桿搭扣面的角度會影響到脫扣力,搭扣面的摩擦系數(shù)直接影響到脫扣力的大小。此外,鎖扣件的重心位置對脫扣力也有較大的影響。

2.3 短路試驗

2.3.1 試驗參數(shù)

試驗參數(shù)如下:① 額定工作電壓:交流230 V;② 預(yù)期短路電流6 000 A;③ 功率因數(shù):cosφ=0.68;合閘相位角為45°(此45°相位角試驗最嚴(yán)酷,具有代表性);④ 試驗類型:O、CO;⑤ 試驗順序:O-t-CO;

“O”試驗:產(chǎn)品預(yù)先閉合,試驗電流由輔助開關(guān)接通,在相位角為45°時合閘,驗證產(chǎn)品短路分?jǐn)嗟哪芰Α?/p>

“CO”試驗:產(chǎn)品處于分閘位置,電路中出現(xiàn)預(yù)期短路電流時,閉合產(chǎn)品,驗證產(chǎn)品短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>

1P+N短路分?jǐn)嘣囼灲泳€圖如圖8所示。產(chǎn)品的短路分?jǐn)嘣囼灠碐B/T 10963.1—2020進(jìn)行[8-11]。

圖8 1P+N短路分?jǐn)嘣囼灲泳€圖

2.3.2 原方案短路分?jǐn)嘣囼?/p>

短路分?jǐn)嗍静▓D如圖9所示。產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰繛?0.41 kA2s,通斷時間為5.1 ms,產(chǎn)品開斷時的觸頭間的電弧電壓,沒有呈現(xiàn)線性上升,電弧維持燃燒,電弧進(jìn)入滅弧室較慢,動、靜觸頭燒損過多,熄滅電弧效果不好,產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰窟^高,導(dǎo)致通斷時間較長。

圖9 短路分?jǐn)嗍静▓D

試驗后開蓋情況如圖10所示。由圖可見,產(chǎn)品斥開后,N極靜觸頭有嚴(yán)重的燒蝕、發(fā)黑碳化現(xiàn)象,影響產(chǎn)品的電接觸性能。

圖10 試驗后開蓋情況

帶有合閘儲能機構(gòu)的斷路器及微型斷路器的操作機構(gòu),當(dāng)處于合閘位置時,推桿位于支架和鎖扣構(gòu)成的開合孔內(nèi);當(dāng)機構(gòu)跳閘時,手柄推動推桿從開合孔中滑出至支架端槽內(nèi)。該結(jié)構(gòu)鎖扣直接由電磁脫扣器的頂桿驅(qū)動,同時鎖扣直接扣住U型推桿,因此,脫扣器頂桿的驅(qū)動需要直接面對支架彈簧,即機構(gòu)主彈簧的作用力。進(jìn)一步說明,支架彈簧直接作用在支架上,抵靠在U型桿上,鎖扣鎖住U型桿防止其從開合孔中逃出進(jìn)入支架端槽而脫扣,因此鎖扣的鎖住力比較大,使得脫扣力也較大,脫扣較困難,需要選用輸出力較大的脫扣器。

為保證當(dāng)前摩擦系數(shù)下產(chǎn)品能夠安全脫扣,進(jìn)行了設(shè)計變更(脫扣接觸面角度增大),脫扣力受此影響略有增大。目前脫扣力實測范圍為1.7～2.5 N,電子脫扣器(過載保護(hù)元件)輸出力為1.37～1.7 N,存在很高的拒動風(fēng)險。

3 改進(jìn)后的產(chǎn)品分析

3.1 脫扣力優(yōu)化方案

經(jīng)上述理論計算和仿真分析,當(dāng)前設(shè)計方案的脫扣力理論值為2.5 N,主要影響因素是扣合面的摩擦力,普通生產(chǎn)工藝很難保證極低的摩擦系數(shù),因此需要設(shè)計新結(jié)構(gòu),降低扣合面正壓力,從而減小脫扣力。二級鎖扣結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 二級鎖扣結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計變更如下:

(1) 增加二級鎖扣,大大降低扣合面正壓力,理論脫扣力約0.5 N。

(2) 增加增磁片:在觸頭區(qū)域及引弧道區(qū)域外側(cè)增加一塊鐵質(zhì)材料增磁片。材料為冷軋?zhí)间?電弧在氣吹磁場的作用下,在靜止的空氣中運動,同時電弧被轉(zhuǎn)移滅弧室中去,因而引起弧柱中強烈的冷游離并冷卻,促使電弧快速熄滅[8,12]。

(3) 加長跑弧板:增加N極等電位、加長L極靜觸頭后的跑弧板。等電位的聯(lián)結(jié)有利于電弧的快速轉(zhuǎn)移,通過磁吹增強電弧弧根的轉(zhuǎn)移,有利于電弧盡快進(jìn)入滅弧室,從而熄滅。

3.2 二級鎖扣原理

微型斷路器的自動分?jǐn)喙δ苁峭ㄟ^自由脫扣機構(gòu)實現(xiàn)的,其脫扣力是自由脫扣機構(gòu)的重要技術(shù)指標(biāo)之一。脫扣力越小,機構(gòu)反應(yīng)越靈敏,對脫扣器的要求越小、產(chǎn)品在自由脫扣時受到的沖擊越小。

新方案脫扣機構(gòu)如圖12所示。新方案脫扣機構(gòu)包括手柄、U型桿、鎖扣、支持件、嚙合彈簧、主彈簧和脫扣桿(二級鎖扣);手柄通過U型桿與鎖扣連接,鎖扣與支持件形成U型槽,U型槽中設(shè)U型桿中間部;鎖扣的一端與脫扣桿一端相鄰,脫扣桿另一端與支持件另一端相鄰;嚙合彈簧一端連接鎖扣,另一端連接脫扣桿;支持件上設(shè)有主彈簧。

圖12 新方案脫扣機構(gòu)

通過鎖扣和脫扣桿進(jìn)行力臂和受力方向的轉(zhuǎn)換,降低脫扣力;通過鎖扣、脫扣桿、支持件與U型桿的配合,完成扣合、脫扣、復(fù)位的完整過程。新方案降低了斷路器脫扣力,提高了機構(gòu)的靈敏度,降低了對脫扣器的輸出要求,減小了產(chǎn)品在自由脫扣時受到的沖擊。

3.3 新方案仿真計算

3.3.1 模型簡化

仿真簡化模型如圖13所示。根據(jù)操作機構(gòu)動力學(xué)仿真分析的需要,去除不必要的零件,對模型進(jìn)行簡化。

圖13 仿真簡化模型

3.3.2 仿真結(jié)果

脫扣力仿真結(jié)果如圖14所示。經(jīng)仿真計算,脫扣力約為0.35 N;實際測量,脫扣力為0.35～0.6 N,與仿真結(jié)果相符合。

圖14 脫扣力仿真結(jié)果

3.4 短路分?jǐn)嘣囼?/h3>

一組試品(共3臺)分別做了3次短路分?jǐn)郞試驗和CO試驗。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,產(chǎn)品零部件優(yōu)化后,其中三次短路分?jǐn)郞試驗的產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰縄2t為8.29～16.36 kA2s,比之前分?jǐn)嗄芰坑忻黠@降低,達(dá)到預(yù)期的限流等級,通斷時間Tmb為2.6～3.2 ms;一次短路分?jǐn)郈O試驗的產(chǎn)品分?jǐn)嗄芰縄2t為8.2～12.8 kA2s,通斷時間Tmb為2.6～2.9 ms。產(chǎn)品開斷時的觸頭間的電弧電壓呈現(xiàn)明顯上升,電弧通過引弧跑道快速進(jìn)入滅弧室,在滅弧室腔體內(nèi)被熄滅。

改進(jìn)試驗后的開蓋情況如圖15所示。產(chǎn)品拆開后,動、靜觸頭沒有嚴(yán)重?zé)g現(xiàn)象,電接觸性能正常,短路試驗后,產(chǎn)品能順利通過介電絕緣性能測試以及過載試驗,滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖15 改進(jìn)試驗后的開蓋情況

通過脫扣機構(gòu)的優(yōu)化,適當(dāng)降低產(chǎn)品脫扣力,提高機構(gòu)斥開的速度,同時使用增強磁吹及等電位聯(lián)結(jié)引弧技術(shù),使電弧快速轉(zhuǎn)移進(jìn)入滅弧室,提高產(chǎn)品短路分?jǐn)嗄芰?并在實際短路分?jǐn)嘣囼炛凶C明了優(yōu)化方案改進(jìn)的有效性。

4 短路試驗中飛弧距離

4.1 飛弧距離

斷路器飛弧距離是分?jǐn)嘣囼灂r檢測的重要指標(biāo),是指在受到短路電流沖擊時,電弧噴射出的粒子,造成相間、相對地的擊穿現(xiàn)象。在安裝使用時,飛弧距離越小,最小安全距離就越小,從而提高產(chǎn)品整體絕緣性能并可節(jié)省配電柜或配電箱的使用空間。

4.2 原方案產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前,外殼未增加擋塊如圖16所示。在短路分?jǐn)嘣囼炛?開斷6 kA短路電流時,柵格放置的距離為35 mm,試驗時熔絲熔斷,說明噴射的氣體粒子使相間短路[13]。

圖16 外殼未增加擋塊(改進(jìn)前)

4.3 新方案產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

外殼增加擋塊(改進(jìn)后)如圖17所示。外殼出氣口加兩處擋塊,柵格距離為35 mm時,分?jǐn)喽搪吩囼灂r未出現(xiàn)熔絲熔斷情況。經(jīng)觀察,噴射的粒子明顯減少,說明未出現(xiàn)相間短路現(xiàn)象。經(jīng)驗證,能有效解決柵格距離為35 mm時短路試驗中熔絲熔斷的現(xiàn)象,有效改善飛弧距離。

5 結(jié) 語

根據(jù)本文對微型斷路器脫扣機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),增加二級鎖扣,適當(dāng)減小脫扣力,并結(jié)合計算機仿真技術(shù)與實際試驗的對比,驗證了方案改進(jìn)的有效性。同時運用了磁吹、等電位聯(lián)結(jié)、跑弧道加長等引弧技術(shù),促進(jìn)電弧快速轉(zhuǎn)移,使電弧順利進(jìn)入滅弧室,減少電弧停滯時間,避免動、靜觸頭的燒損,提高產(chǎn)品短路分?jǐn)嗄芰?。此?通過結(jié)構(gòu)上改進(jìn)設(shè)計,縮短飛弧距離,提高產(chǎn)品安全性能。