呂 力

［上海電器科學研究所(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)品的短路分斷能力是衡量產(chǎn)品性能的重要指標,如何提高開關產(chǎn)品分斷指標一直是行業(yè)內(nèi)十分關注的話題。開關在動、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備及開關的使用壽命,并且容易造成火災。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斷能力改進研究對提高微型斷路器分斷能力有重要意義[1]。

1 總體目標

目前,微型斷路器正在向短路分斷能力穩(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)廠家通過改進結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品分斷能力。

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)品的短路分斷能力有較大影響。機構(gòu)動作速度越快,產(chǎn)品的限流能力越好,短路分斷能力越好,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,提升產(chǎn)品短路分斷能力,對改進結(jié)構(gòu)進行對比仿真分析,通過短路分斷試驗驗證了改進的有效性[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)品分斷性能的重要因素。

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

對模型進行必要的簡化,去除了不參與操作機構(gòu)動力學計算的零件,包括接線柱、滅弧室、跑弧道、互感器、電磁鐵磁軛等,對不影響動力學計算的外殼部分進行了簡化與分離。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)設置模型對應零件的密度、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 運動約束設置

圖3 運動約束關系

2.2.4 接觸限位關系設置

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

圖4 零件間的部分關鍵接觸限位關系

2.2.5 壓簧設置

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),進行彈簧動力學參數(shù)設置。壓簧設置如圖5所示。

圖5 壓簧設置

2.2.6 扭簧設置

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。扭簧設置如圖6所示。

圖6 扭簧設置

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、固有動作時間等關鍵設計參數(shù),對設計方案進行驗證[4-7]。

利用仿真模型進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行機構(gòu)解扣;機構(gòu)完成解扣,觸頭開始動作,脫扣力設計峰值約為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)品預先閉合,試驗電流由輔助開關接通,在相位角為45°時合閘,驗證產(chǎn)品短路分斷的能力。

“CO”試驗:產(chǎn)品處于分閘位置,電路中出現(xiàn)預期短路電流時,閉合產(chǎn)品,驗證產(chǎn)品短路分斷能力。

1P+N短路分斷試驗接線圖如圖8所示。產(chǎn)品的短路分斷試驗按GB/T 10963.1—2020進行[8-11]。

圖8 1P+N短路分斷試驗接線圖

2.3.2 原方案短路分斷試驗

短路分斷示波圖如圖9所示。產(chǎn)品分斷能量為50.41 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)品分斷能量過高,導致通斷時間較長。

圖9 短路分斷示波圖

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。

為保證當前摩擦系數(shù)下產(chǎn)品能夠安全脫扣,進行了設計變更(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(過載保護元件)輸出力為1.37～1.7 N,存在很高的拒動風險。

3 改進后的產(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,當前設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斷功能是通過自由脫扣機構(gòu)實現(xiàn)的,其脫扣力是自由脫扣機構(gòu)的重要技術指標之一。脫扣力越小,機構(gòu)反應越靈敏,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;支持件上設有主彈簧。

圖12 新方案脫扣機構(gòu)

通過鎖扣和脫扣桿進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)動力學仿真分析的需要,去除不必要的零件,對模型進行簡化。

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 短路分斷試驗

一組試品(共3臺)分別做了3次短路分斷O試驗和CO試驗。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)改進方案,產(chǎn)品零部件優(yōu)化后,其中三次短路分斷O試驗的產(chǎn)品分斷能量I2t為8.29～16.36 kA2s,比之前分斷能量有明顯降低,達到預期的限流等級,通斷時間Tmb為2.6～3.2 ms;一次短路分斷CO試驗的產(chǎn)品分斷能量I2t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入滅弧室,在滅弧室腔體內(nèi)被熄滅。

改進試驗后的開蓋情況如圖15所示。產(chǎn)品拆開后,動、靜觸頭沒有嚴重燒蝕現(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,滿足國家標準要求。

圖15 改進試驗后的開蓋情況

通過脫扣機構(gòu)的優(yōu)化,適當降低產(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,使電弧快速轉(zhuǎn)移進入滅弧室,提高產(chǎn)品短路分斷能力,并在實際短路分斷試驗中證明了優(yōu)化方案改進的有效性。

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斷試驗時檢測的重要指標,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)

改進前,外殼未增加擋塊如圖16所示。在短路分斷試驗中,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(改進前)

4.3 新方案產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

外殼增加擋塊(改進后)如圖17所示。外殼出氣口加兩處擋塊,柵格距離為35 mm時,分斷短路試驗時未出現(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)進行改進,增加二級鎖扣,適當減小脫扣力,并結(jié)合計算機仿真技術與實際試驗的對比,驗證了方案改進的有效性。同時運用了磁吹、等電位聯(lián)結(jié)、跑弧道加長等引弧技術,促進電弧快速轉(zhuǎn)移,使電弧順利進入滅弧室,減少電弧停滯時間,避免動、靜觸頭的燒損,提高產(chǎn)品短路分斷能力。此外,通過結(jié)構(gòu)上改進設計,縮短飛弧距離,提高產(chǎn)品安全性能。