摘 要：

為研究小型斷路器（MCB）外殼材料的機(jī)械強(qiáng)度、抗高溫電弧能力、產(chǎn)氣量和介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度等特性，以及結(jié)構(gòu)形式對其短路分?jǐn)嗄芰Φ挠绊?，基于小型斷路器外殼材料從某熱固性的團(tuán)狀模塑料（BMC）改為某熱塑性的PA6尼龍塑料的設(shè)計(jì)和某PA6材料特性，對外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化，通過不同外殼材料與結(jié)構(gòu)的組合方案進(jìn)行短路分?jǐn)嘣囼?yàn)并獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)后拆樣信息劃分燃弧階段，探究各階段燃弧時(shí)間、能量分布、穩(wěn)定性與外殼材料及結(jié)構(gòu)的關(guān)系，進(jìn)行二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終通過短路分?jǐn)嘣囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱固改熱塑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理，對小型斷路器短路分?jǐn)嘣囼?yàn)的分析方法有效，可為同類產(chǎn)品熱固改熱塑設(shè)計(jì)與分析提供參考。

關(guān)鍵詞：

小型斷路器; 熱固; 熱塑; 分?jǐn)嘈阅? 燃弧時(shí)間; 燃弧能量; 燃弧階段

中圖分類號： TM561.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）05-0053-08

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.007

Effect and Optimization on Short-Circuit Breaking Performance for MCB Shell Modification from Thermosetting to Thermoplastic

CHEN Changzu， ZHOU Chao， JIN Pingping

（Shanghai Siemens Circuit Protection System Co.，Ltd.， Shanghai 201600， China）

Abstract：

Aiming to study the influence of shell material characteristics （such as mechanical strength，high-temperature arc resistance，gas production and dielectric recovery strength） and shell structure on short-circuit breaking ability，based on the design of the miniature circuit breaker （MCB） shell material modifying from a thermosetting bulk molding compound （BMC） to a thermoplastic PA6 and the characteristics of a PA6 material，the shell structure is optimized.The short-circuit breaking test is carried out through the combination of different shell material and structure，then the testing data is obtained.Based on the test data and the disassembly information after testing，the relationship of the distribution and stability of arc time and energy in each stage of short-circuit breaking with the shell material and structure is studied by dividing the arc stages，the structure of a PA6 shell MCB is optimized.Finally，the short-circuit breaking test is passed.The experimental results show that the structure optimization of the thermoplastic modification is reasonable，which indicates that the analysis method of short-circuit breaking test is effective and has certain reference significance for the design and analysis of similar products.

Key words：

miniature circuit breaker （MCB）; thermosetting; thermoplastic; breaking performance; arc time; arc energy; arc stage

0 引 言

小型斷路器（MCB）主要用于工業(yè)、商業(yè)和住宅等場所，是現(xiàn)代生活中不可缺少的低壓電器。鑒于國家及全球綠色低碳的發(fā)展要求，外殼為熱固材料的小型斷路器，由于熱固材料不可回收，不符合綠色建筑的要求，將不可在建筑領(lǐng)域銷售。因此，外殼熱固改熱塑成為小型斷路器的發(fā)展趨勢，研究外殼熱固改熱塑對小型斷路器短路分?jǐn)嘈阅艿挠绊懸渤蔀橐粋€(gè)全新話題。外殼是小型斷路器的主要部件之一，短路分?jǐn)嗄芰κ切⌒蛿嗦菲鞯囊豁?xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。外殼材料的機(jī)械強(qiáng)度、抗高溫電弧、產(chǎn)氣量及介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度［1-2］等特性，將直接影響該產(chǎn)品的短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>

目前，小型斷路器外殼材料主要為團(tuán)狀模塑料（BMC）、脲醛塑料（UF）、尼龍6（PA6）、尼龍66（PA66）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）等，熱固材料以BMC、UF為主，熱塑材料以PA6為主。為通過增加高安培高分?jǐn)嘈⌒蛿嗦菲鞯挠幸娈a(chǎn)氣量來增強(qiáng)其短路分?jǐn)嘈阅?，常在弧角、跑弧道及滅弧室等位置增加產(chǎn)氣材料［3-7］，不同位置有不同作用。市面常見組合：① BMC外殼和產(chǎn)氣材料（PA66在弧角、跑弧道、滅弧室三者中自由組合）;② PA6外殼和產(chǎn)氣材料（PA66在弧角、跑弧道、滅弧室及無PA66四者中自由組合）。第一種組合保持了外殼的機(jī)械強(qiáng)度，能承受短路分?jǐn)喈a(chǎn)生的瞬時(shí)高氣壓，同時(shí)具有較高的抗高溫電弧能力，但產(chǎn)氣性能較差，需要增加產(chǎn)氣材料才能達(dá)到氣吹效果。第二種組合一般壁厚較薄，抗剪切能力較弱，根據(jù)PA6材料性能高低，抗高溫電弧能力也相應(yīng)變化，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)材料的不足。

為闡明外殼材料對小型斷路器分?jǐn)嘈阅艿挠绊懪c優(yōu)化方向，本文基于小型斷路器某熱固BMC（X-BMC）改某熱塑PA6（X-PA6）項(xiàng)目，結(jié)合國內(nèi)外對低壓斷路器用產(chǎn)氣材料及短路分?jǐn)嗳蓟‰A段［8-13］的特性相關(guān)研究進(jìn)行分析，為低壓產(chǎn)品熱固改熱塑平臺化升級提供一定的設(shè)計(jì)與分析參考。

1 熱固改熱塑外殼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

X-BMC改X-PA6的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮材料屬性對成型工藝和功能結(jié)構(gòu)的影響。① 材料收縮率［14］：X-BMC的收縮率較低，一般為0.02%～0.06%，X-PA6收縮率約為1%，不同材料的收縮率決定模具對應(yīng)的尺寸及精度，同時(shí)影響成型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及縮痕。② 固化速度：X-BMC固化速度為30～60 s/mm，固化（化學(xué)交聯(lián)）速度慢，對結(jié)構(gòu)厚薄均衡度要求不高，外殼僅考慮功能結(jié)構(gòu)即可;X-PA6固化速度為10～20 s/mm，固化（純物理）速度過快，在厚度差值較大的地方易導(dǎo)致應(yīng)力集中和縮痕。因此，對X-PA6材料的外殼設(shè)計(jì)需考慮功能和成型工藝結(jié)構(gòu)，保持外殼結(jié)構(gòu)及厚薄設(shè)計(jì)盡量均衡，使其最優(yōu)化。③ 剛度（抗變形能力）：X-BMC拉伸模量約為12 GPa，X-PA6拉伸模量約為2.6 GPa，根據(jù)剛度公式K=EA/L可知，同等厚度下，X-BMC的剛度是X-PA6的3倍，因此，使用X-PA6外殼的小型斷路器在短路分?jǐn)噙^程中更易導(dǎo)致外殼向外膨脹變形。另外，跑弧道及滅弧室分為敞開式和封閉式2種。敞開式時(shí)外殼向外膨脹對短路分?jǐn)嘞嚓P(guān)氣室影響不大。封閉式時(shí)外殼向外膨脹將導(dǎo)致跑弧道及滅弧室氣密性變差。該結(jié)構(gòu)的熱塑外殼設(shè)計(jì)需要增加特定結(jié)構(gòu)來保持跑弧道及滅弧室的氣密性。④ 材料產(chǎn)氣性能：相較X-BMC而言，X-PA6具有更好的產(chǎn)氣性能，在改X-PA6過程中需要兼顧氣壓及有益氣體的量，從而決定氣室大小及氣壁厚度。

基于上述特點(diǎn)，簡單總結(jié)本項(xiàng)目X-BMC外殼改X-PA6外殼的基本準(zhǔn)則：① 根據(jù)X-PA6收縮率及固化速度，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)料厚及成型工藝槽孔的大小。如在保證機(jī)械強(qiáng)度的情況下縮小機(jī)構(gòu)銷軸孔外徑，機(jī)構(gòu)導(dǎo)向槽背部挖槽等。② 根據(jù)材料剛度不同，熱塑外殼容易膨脹改變氣室氣密性及氣室大小。本項(xiàng)目小型斷路器為封閉式氣室，為保持優(yōu)化前后氣密性一致，減小成型工藝結(jié)構(gòu)對短路分?jǐn)嗟挠绊?，采取在跑弧道位置增加鉚釘，增加氣室周圍互插結(jié)構(gòu)的深度等措施。③ 根據(jù)材料產(chǎn)氣性能設(shè)計(jì)合適壁厚，并根據(jù)增加的產(chǎn)氣量來適當(dāng)調(diào)節(jié)氣室大小及壓力，同時(shí)根據(jù)短路分?jǐn)鄶?shù)據(jù)對氣室及氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。熱固改熱塑外殼結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

2 基于設(shè)計(jì)準(zhǔn)則初步短路試驗(yàn)分析

2.1 初步短路試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

初步短路試驗(yàn)是根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則快速模擬裝配樣品，基于材料特性、產(chǎn)品特性的改變，結(jié)合IEC 60898標(biāo)準(zhǔn)從機(jī)械特性及線路保護(hù)等主要角度進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，其中短路分?jǐn)嘣囼?yàn)是不可或缺的試驗(yàn)項(xiàng)。本項(xiàng)目根據(jù)Ics試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行加嚴(yán)角度（O（15°）-O（60°）-O（240°））測試及事后驗(yàn)證，獲得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及樣品狀態(tài)，為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。初步短路分?jǐn)嘣囼?yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

2.2 短路分?jǐn)嗲€表征

在短路分?jǐn)噙^程中會(huì)產(chǎn)生包括電流電壓預(yù)期波、電弧電壓和電弧電流等曲線。結(jié)合這些曲線可知小型斷路器短路分?jǐn)鄷r(shí)脫扣機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、跑弧道磁吹氣吹、燃弧時(shí)間、電弧能量分布及外殼材料的響應(yīng)特性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型后這些響應(yīng)也相對固定。電弧電壓和電弧電流波形如圖2所示。由圖2可知，短路分?jǐn)嗟钠鹗紩r(shí)間、起弧時(shí)間、電弧在觸頭間時(shí)間、電弧跳轉(zhuǎn)時(shí)間、電弧進(jìn)出滅弧室時(shí)間及電弧在各個(gè)階段的電壓值，以及各階段燃弧時(shí)間與能量分布。

2.3 短路分?jǐn)嗳蓟‰A段

為了更加容易且更多挖掘短路分?jǐn)噙^程的本質(zhì)，將短路分?jǐn)嗳蓟∵^程分為3個(gè)階段：觸頭階段［15-19］、跑弧道階段和滅弧室階段［20-21］。燃弧階段劃分簡化模型如圖3所示。觸頭階段的燃弧時(shí)間和能量可以體現(xiàn)外殼與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、觸頭燒蝕情況及初始?xì)獯翟O(shè)計(jì)合理性;跑弧道階段燃弧時(shí)間主要體現(xiàn)磁吹和氣吹的效果，磁吹由導(dǎo)線線路及磁吹結(jié)構(gòu)決定，不受外殼材料及結(jié)構(gòu)的影響，但氣吹則由材料單位時(shí)間有益產(chǎn)氣量、氣密性及氣道通暢性決定;滅弧室階段燃弧時(shí)間主要體現(xiàn)滅弧室的大小、柵格數(shù)量、材料單位時(shí)間有益產(chǎn)氣量及氣道的通暢性，滅弧室大小決定了總體能量的上限，柵格數(shù)量決定了電弧電壓的下限，材料單位時(shí)間有益產(chǎn)氣量與氣道的通暢性決定了氣室氣體的介質(zhì)恢復(fù)能力。

從不同階段能量、燃弧時(shí)間分布和穩(wěn)定性可以相對直觀體現(xiàn)優(yōu)化措施的貢獻(xiàn)度，為確定最終優(yōu)化方案提供一種相對有效的分析方法。

2.4 短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)上述短路分?jǐn)嘣囼?yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，從熱固改熱塑中不同結(jié)構(gòu)及外殼材料對短路分?jǐn)嘤绊懙慕嵌冗M(jìn)行短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并摘錄第3次短路分?jǐn)嗲€作為不同試驗(yàn)方案典型數(shù)據(jù)對比。初步設(shè)計(jì)3種試驗(yàn)方案短路分?jǐn)鄥?shù)如表2所示（涉產(chǎn)品數(shù)據(jù)，表中參數(shù)均除以某系數(shù)）。根據(jù)表2將不同方案在各個(gè)階段的燃弧時(shí)間與能量分布圖形化。短路分?jǐn)喔麟A段燃弧能量與燃弧時(shí)間曲線穩(wěn)定性如圖4所示。通過各階段燃弧時(shí)間與能量的穩(wěn)定性來剖析不同材料及結(jié)構(gòu)對短路分?jǐn)嗟挠绊?。觸頭階段能量和燃弧時(shí)間趨于直線，結(jié)合機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間可以說明以下3點(diǎn)：① 該產(chǎn)品的外殼關(guān)鍵特征在外殼材料變動(dòng)后，無論精度還是機(jī)械強(qiáng)度都保持了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性;② 對封閉式氣室結(jié)構(gòu)而言，材料由X-BMC改為X-PA6對觸頭階段的電弧能量改變不大;③ 觸頭階段能量在整個(gè)分?jǐn)嗄芰恐姓急容^小，證明該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及初始?xì)獯翟O(shè)計(jì)的合理性。

基于2.2節(jié)短路分?jǐn)嗲€表征的闡述，并結(jié)合本次參照樣品（#13-#15）跑弧道及滅弧室的曲線可知，跑弧道階段燃弧時(shí)間和能量穩(wěn)定性為S3＞S1＞S2，說明氣吹的有效性S3＞S1＞S2，產(chǎn)生這個(gè)氣吹效果的原因如下。① 材料的剛度：S3為BMC外殼，材料剛度保證了在跑弧道附近沒有鉚釘緊固的情況下還能保持跑弧道氣室較好的氣密性。S1依靠跑弧道附近的1枚鉚釘來保證跑弧道氣室的氣密性，但S2幾乎無法完成短路分?jǐn)啵虼薙3≥S1＞S2。② PA66導(dǎo)弧板保證了在跑弧道階段單位時(shí)間有益產(chǎn)氣量，在等燃弧能量時(shí)導(dǎo)弧板有益產(chǎn)氣量S3≈S1≈S2，其與跑弧道燃弧能量成正向關(guān)系。③ S3樣品外殼抗高溫電弧能力：在前2次分?jǐn)嘀袦缁∈壹皻獾牢窗l(fā)生熔融導(dǎo)致氣道不通暢，保證了第3次分?jǐn)嘣谂芑〉离A段依然健康。

在滅弧室階段燃弧時(shí)間及能量穩(wěn)定性S3≥S1＞S3，產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的原因主要有以下2個(gè)。① 3種方案中，滅弧室處的變量因素為滅弧室材料（X-BMC和X-PA6）與氣密性（有無鉚釘），S1和S3材料不同但氣密性卻十分相近，說明滅弧室材料產(chǎn)氣量與氣室密封性2個(gè)因素中，氣室的氣密性更為重要，對跑弧道階段的燃弧時(shí)間和能量起關(guān)鍵作用。② 在跑弧道階段停留時(shí)間過長，高溫帶電物質(zhì)被帶入滅弧室，在氣道排氣能力一定的情況下，直接增加了滅弧室單體能量上限及高溫時(shí)間，從而加劇滅弧室及氣道的熔融現(xiàn)象，同時(shí)滅弧及氣道熔融增加了電弧在跑弧道的停留時(shí)間，容易造成導(dǎo)弧板燒蝕過重，第3次短路分?jǐn)鄷r(shí)，因?qū)Щ“迨ギa(chǎn)氣能力，氣吹效果大大減弱。這說明滅弧室材料抗高溫電弧的特性起重要作用。由#1、#8、#9、#10樣品的能量曲線可知，S1和S2中X-PA6外殼存在熔融并堵塞氣道現(xiàn)象，S3抗高溫能力較強(qiáng)，X-BMC外殼未堵塞氣道，熔融現(xiàn)象需要通過進(jìn)一步樣品拆解來驗(yàn)證。

初樣短路分?jǐn)喔麟A段燃弧能量與燃弧時(shí)間均值比較如圖5所示。通過燃弧時(shí)間與能量分布來剖析不同材料及結(jié)構(gòu)對短路分?jǐn)嗟挠绊憽?/p>

當(dāng)小型斷路器氣室結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、磁吹氣吹、分?jǐn)嗟燃壖耙?guī)格確定后，短路分?jǐn)喔鱾€(gè)階段的能量與時(shí)間分布也可大致確定，其中觸頭階段的能量會(huì)根據(jù)短路分?jǐn)鄷r(shí)電壓角度的不同而不同，但其他2個(gè)階段比例基本不變。圖5中，該小型斷路器S3短路分?jǐn)喔鱾€(gè)階段的燃弧時(shí)間與能量分布分別近似2∶2∶6和1∶3∶6。熱固改熱塑后，在保持結(jié)構(gòu)、氣密性與氣道通暢的情況下，小型斷路器的這個(gè)特性是基本繼承的。由圖5可知，S2在跑弧道階段燃弧時(shí)間和能量均過大;相較S3數(shù)據(jù)，S1在跑弧道階段燃弧時(shí)間及能量分布比絕對值稍偏大，但S1滅弧室階段依舊保持較小的燃弧時(shí)間和能量，說明在跑弧道能量非極限的情況下，滅弧室外殼產(chǎn)氣材料對滅弧室能量的限制效果較佳。為說明這個(gè)問題并排除滅弧室及氣道堵氣的影響，將S1和S3短路第一次分?jǐn)嗲€疊加。熱固和熱塑電弧電流電壓疊加曲線如圖6所示。從而單變量說明滅弧室外殼產(chǎn)氣材料對滅弧室能量的限制能力。

圖6中，電弧分?jǐn)嚅_始到剛進(jìn)入滅弧室的整個(gè)過程中，S3的電弧電流大小與時(shí)間均略優(yōu)S1，但進(jìn)入滅弧室后S1相較S3的電弧電流下降明顯，且燃弧時(shí)間大大縮短;同時(shí)S1電弧電壓在滅弧室階段也明顯比S3高。S1和S3滅弧室階段有效平均電弧電壓比較如圖7所示。由圖7可知，S1電弧電壓比S3高約35 V。以上現(xiàn)象說明如下幾點(diǎn)：① X-PA6產(chǎn)生有益氣體（如H2）有效冷卻弧根及弧柱，使電弧變細(xì)，從而提高電弧電壓;② 弧根變細(xì)可以提高電弧電阻，從而有效減小電弧電流，減小帶電粒子的產(chǎn)生量;③ X-PA6產(chǎn)生有益氣體不斷同滅弧室中高溫帶電物質(zhì)交換，且增加帶電粒子去游離效果，有效保持甚至減小滅弧室高溫帶電物質(zhì)含量及X-PA6外殼燃弧產(chǎn)生的含碳固體生成物，從而提高滅弧室介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度及其與電弧電壓的差值，改善滅弧室電場強(qiáng)度，提高電弧維持燃燒的成本，使電弧無法維持燃弧而提前熄滅。

2.5 短路試驗(yàn)拆樣對比分析

基于短路分?jǐn)嗲€完成外殼材料與結(jié)構(gòu)變更對其性能具體影響的理論分析，結(jié)合拆樣查看樣品內(nèi)部及外殼燒蝕情況，探究外殼材料與結(jié)構(gòu)變更對短路分?jǐn)嗟闹庇^影響，列出典型樣品（試驗(yàn)失敗或能量過大）內(nèi)部燒蝕情況。熱固與熱塑短路分?jǐn)嗪蟛饦觾?nèi)部情況如圖8所示。從實(shí)體結(jié)構(gòu)層面凸顯熱固改熱塑的痛點(diǎn)，從而針對這些痛點(diǎn)提出具體優(yōu)化方案。

#1樣品重點(diǎn)關(guān)注3處：① 跑弧道根部出現(xiàn)外殼材料熔融，查看電弧電壓曲線得知該電弧電壓比正常值低約35 V，從而推測該處外殼熔融及跑弧道根部彎曲導(dǎo)致跑弧道與滅弧柵格相互接觸，相當(dāng)于減少1片柵格的作用，并通過萬用表驗(yàn)證該分析;② 滅弧室后部氣道產(chǎn)生凸包，并有少許防噴弧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生稠狀熔融物，使滅弧室后部氣道不通暢;③ 靜觸頭后部磁軛燒蝕嚴(yán)重，并有金屬小球堵在滅弧室后端鉚釘處，結(jié)合電弧電壓曲線可知該樣品外殼抗電弧高溫能力較差，短路分?jǐn)噙^程中容易產(chǎn)生熔融物，導(dǎo)致氣道不暢，電弧進(jìn)入滅弧室后又迅速被反彈出滅弧室，加劇靜觸頭后端磁軛的反復(fù)燒蝕，由分?jǐn)嗲€可知，在第3次分?jǐn)鄷r(shí)尤為明顯。

#9樣品重點(diǎn)關(guān)注：①～③基本和#1樣品相似，破壞程度更嚴(yán)重，同時(shí)由該樣品電弧電壓曲線可知，電弧進(jìn)入滅弧室的時(shí)間加長，電弧氣室外圍有明顯的灼燒痕跡，這說明在外殼材料剛度變差后如果沒有相應(yīng)的鉚釘來固定，氣室的氣密性變差，氣室建壓過程變長，電弧易長時(shí)間在跑弧道燒蝕而產(chǎn)生大量的金屬汽化物，高溫磁軛阻礙弧根運(yùn)動(dòng)，最終降低滅弧室的作用導(dǎo)致短路分?jǐn)嗟氖　?/p>

#15樣品外殼及電弧氣室周圍結(jié)構(gòu)并無明顯破壞。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及短路分?jǐn)囹?yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

從短路分?jǐn)嗲€及拆樣分析可知，在保證氣室密封性的情況下，熱塑PA6外殼在滅弧室階段優(yōu)勢明顯，但因抗高溫電弧能力差，滅弧室及氣道熔融為跑弧道階段電弧過久停留的主因，跑弧道根部熔融為電弧電壓下降的主因。對上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化如下：① 跑弧道根部的熔融導(dǎo)致跑弧道與滅弧柵格接觸問題，增加跑弧道根部固定結(jié)構(gòu)的厚度。② 滅弧室氣道尾部增加適當(dāng)大小的開口（切向開口和正向開口），將滅弧室產(chǎn)生的含帶電與高溫粒子的氣體快速排出氣室，保持外殼材料產(chǎn)氣與排氣相對平衡，加強(qiáng)滅弧室與氣道共同限制電弧能量的效果，降低滅弧室后方防噴弧結(jié)構(gòu)的熔融現(xiàn)象;如果開口過大，易將有益氣體同時(shí)排出，不利氣室建壓而減弱滅弧室去游離效果;同時(shí)可能將電弧推入滅弧室后方氣道，產(chǎn)生噴弧及弧壓降低，不利于限制電弧能量。③ 滅弧室后方防噴弧結(jié)構(gòu)熔融的現(xiàn)象，采取間隔切除一片防噴弧結(jié)構(gòu)，即便產(chǎn)生熔融，依然能夠有出氣口，保證短路分?jǐn)嗟?個(gè)O的順利完成。④ 保持高安培產(chǎn)品跑弧道附件增加一枚鉚釘?shù)腟1方案，低安培產(chǎn)品保留S2方案。基于S1方案的外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9所示。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合及試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)對比

基于S1及上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，組合方案并重新做樣品驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合短路分?jǐn)嘣囼?yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

由短路分?jǐn)嘣囼?yàn)數(shù)據(jù)可知，S12與S13均存在失敗樣品且部分能量偏大，故在此不做分析。僅將短路分?jǐn)喑晒Φ慕M合方案S11第3次分?jǐn)鄶?shù)據(jù)摘錄。S11方案短路分?jǐn)鄥?shù)如表4所示。注：表中參數(shù)均除以某系數(shù)。

將S11/S1/S3三個(gè)方案在各個(gè)階段的燃弧時(shí)間與能量原值分布數(shù)據(jù)圖形化。優(yōu)化后短路分?jǐn)喔麟A段燃弧能量與燃弧時(shí)間穩(wěn)定性曲線如圖10所示。

由圖10可知，基于S1優(yōu)化的S11穩(wěn)定性有非常明顯的提升，甚至優(yōu)于S3的穩(wěn)定性。優(yōu)化后短路分?jǐn)喔麟A段燃弧能量與燃弧時(shí)間均值比較如圖11所示。由圖11可見，可以看出S11能量分布和均值與S3高度近似，除了觸頭階段與材料無關(guān)外，在與材料高度相關(guān)的跑弧道階段與滅弧室階段均略有優(yōu)勢。說明優(yōu)化方案S11有效彌補(bǔ)了X-PA6剛度不足、抗高溫電弧能力差的劣勢，最大限度保留原有結(jié)構(gòu)燃弧時(shí)間與能量分布的固有特性，并發(fā)揮X-PA6單位時(shí)間有益產(chǎn)氣能力的優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文以小型斷路器外殼材料從熱固X-BMC改熱塑X-PA6為設(shè)計(jì)背景，基于X-PA6材料特性，進(jìn)行多次X-PA6外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與短路分?jǐn)嘣囼?yàn)驗(yàn)證，說明了小型斷路器短路分?jǐn)嘣囼?yàn)分析方法的有效性，該方法可為同類產(chǎn)品熱固改熱塑設(shè)計(jì)與分析提供參考。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究結(jié)論如下：

（1） 基于外殼材料的收縮率、固化速度、剛度、抗高溫電弧能力、產(chǎn)氣特性等建立了外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化準(zhǔn)則，經(jīng)32 A/6 kA短路分?jǐn)嘣囼?yàn)驗(yàn)證了該準(zhǔn)則的合理性。

（2） 通過對短路分?jǐn)鄶?shù)據(jù)燃弧階段（觸頭階段、跑弧道階段及滅弧室階段）劃分的方法，探究了短路分?jǐn)喔麟A段燃弧時(shí)間與能量分布、穩(wěn)定性與外殼材料X-PA6及結(jié)構(gòu)的關(guān)系，結(jié)果表明各階段燃弧時(shí)間與能量分布比例由氣室結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及外殼材料決定且相對穩(wěn)定。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)決定觸頭階段，氣室結(jié)構(gòu)及外殼材料共同決定跑弧道與滅弧室階段，任何階段分布和穩(wěn)定性異常將成為進(jìn)一步分析的重點(diǎn)。

（3） 通過拆樣分析明確了X-PA6材料抗高溫電弧能力差，跑弧道根部及滅弧室防噴弧結(jié)構(gòu)熔融為該小型斷路器此階段燃弧時(shí)間與能量異常的主因。

（4） 基于初樣分析結(jié)果確定優(yōu)化了跑弧道根部、滅弧室防噴弧結(jié)構(gòu)及氣道尾部底槽并通過了短路分?jǐn)嘣囼?yàn)驗(yàn)證。

（5） 初樣及優(yōu)化設(shè)計(jì)短路分?jǐn)嘣囼?yàn)結(jié)果表明氣室封閉式小型斷路器外殼材料特性對短路分?jǐn)嘀饕绊懹幸韵聨c(diǎn)。① 剛度：與氣室氣密性正相關(guān)。② 抗高溫電弧能力：與氣室及氣道的通暢性正相關(guān)。③ 產(chǎn)氣特性：與介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度正相關(guān)，提高滅弧室電弧電壓（本項(xiàng)目提升約35 V）。④ 收縮率與固化速度：間接影響氣室結(jié)構(gòu)及密封性。

（6） 由基于初樣及優(yōu)化設(shè)計(jì)短路分?jǐn)嘣囼?yàn)結(jié)果可知，氣室封閉式小型斷路器外殼材料特性對短路分?jǐn)嘤绊懚葹閯偠龋究垢邷仉娀∧芰Γ井a(chǎn)氣特性＞收縮率與固化速度。

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收稿日期： 20231113