低壓終端隔離開關(guān)的可靠性改進(jìn)

朱文灝，陳雷，郭其一

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

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低壓終端隔離開關(guān)的可靠性改進(jìn)

朱文灝1，2，陳雷2，郭其一1

(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海 201109)

分析了傳統(tǒng)低壓終端隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、存在的可靠性問題，并針對此提出了一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)方案簡化了產(chǎn)品電路機(jī)構(gòu)，解決了觸頭運(yùn)動不平衡問題，改進(jìn)了觸頭燒損問題。并采用快速閉合機(jī)構(gòu)和引弧角，大大減少了電弧產(chǎn)生，顯著減小了隔離開關(guān)的熔焊問題，從而提高了隔離開關(guān)的可靠性和使用壽命。

隔離開關(guān)；可靠性；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；快速閉合；引弧

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們安全意識的普遍提高，在低壓電器領(lǐng)域隔離開關(guān)得到越來越廣泛的應(yīng)用。隔離開關(guān)是指在斷開狀態(tài)下能符合規(guī)定的隔離要求，并且在正常電路條件下(包括規(guī)定的過載工作條件)，能夠接通、承載和分?jǐn)嚯娏鳎⒃谝?guī)定的非正常電路條件下(如短路)，能在規(guī)定時間內(nèi)承載電流的機(jī)械開關(guān)電器[1]。

相比斷路器帶有滅弧裝置、可以帶負(fù)載操作，隔離開關(guān)沒有滅弧室，雖然可以操作斷開小電流，但不能頻繁分、合閘操作大電流負(fù)載。隔離開關(guān)在低壓配電回路中常聯(lián)合斷路器配合使用，電流保護(hù)由斷路器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)配電線路設(shè)備檢修時，應(yīng)先斷開斷路器，然后打開隔離開關(guān)，起到隔離的作用，從而為維修人員提供安全的檢修環(huán)境。由于隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、直觀，具有在斷開狀態(tài)能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的隔離功能，目前較多被用作其他電器設(shè)備的電源隔離之用[2]。但在一般使用中，隔離開關(guān)會被用作于不頻繁的手動接通和分?jǐn)囝~定電流負(fù)載，這種應(yīng)用往往引起隔離開關(guān)的故障，其使用壽命大大縮短。本文分析并改進(jìn)現(xiàn)有的終端隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，提出新的設(shè)計方案，通過試驗驗證此改進(jìn)方案提高了隔離開關(guān)的壽命和可靠性。

2 隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，以施耐德INT125隔離開關(guān)為例(如圖1)。其中，手柄通過彈簧和支架聯(lián)動，支架上安裝有橋式動觸頭，左右兩個觸點(diǎn)為一組，根據(jù)電流不同規(guī)格安裝一組或兩組動觸頭，與動觸頭配對的下方是靜觸頭。在開關(guān)合閘時，人手扳動手柄，手柄帶動支架向下運(yùn)動，動觸頭向下運(yùn)動和靜觸頭接觸，回路導(dǎo)通。可見，合閘過程的長短由外在人力所決定，即當(dāng)外力大、動作快時，合閘速度快，時間短，反之，則合閘慢，時間長。在隔離開關(guān)接通或斷開回路負(fù)載時，若手動操作力小，則存在動靜觸頭拉弧、燒灼等風(fēng)險，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭熔焊，無法分開。另外，由于采用橋式雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，左右兩個動觸頭在運(yùn)動中受到的電動斥力和電弧影響不同，可能使其運(yùn)動不同步，加速一方觸頭燒蝕。因此，傳統(tǒng)的隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)雖簡單，但存在較高的可靠性風(fēng)險[3-5]。

圖1 傳統(tǒng)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于以上存在的問題，需要改進(jìn)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)，提高可靠性，目標(biāo)如下：

(1)改進(jìn)機(jī)構(gòu)，使之不受外力大小影響，減少觸頭電弧燒蝕；

(2)減少觸頭數(shù)量，提高接觸可靠性；

(3)增加導(dǎo)弧裝置，減少電弧產(chǎn)生。

根據(jù)上述要求，改進(jìn)后的隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可見，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與改進(jìn)前有較大變化。首先，改變原簡單的手柄帶動支架方式，采用快速閉合儲能操作機(jī)構(gòu)，改原上下垂直運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其次，減少原產(chǎn)品觸頭數(shù)量，只采用一組動、靜觸頭，由其完成開關(guān)的分閘及合閘，降低了多組觸頭運(yùn)動不同步的風(fēng)險。最后，增加了靜觸頭引弧角設(shè)計，使得產(chǎn)生的電弧可以隨引弧角向后快速移動，從而減少了電弧對觸頭影響的持續(xù)時間。電路回路根據(jù)電動力的計算和優(yōu)化后，采用動觸頭連接軟導(dǎo)線向上U形彎曲方式，靜觸頭支座平行與動觸頭支架折彎后引出方式。

另外，底部安裝增加雙鎖定夾，以增強(qiáng)產(chǎn)品安裝牢度，并方便用戶拆裝。兩端接線夾增加絕緣片防護(hù)，當(dāng)螺絲擰緊過程中，隨接線夾向上移動，以提高產(chǎn)品的IP防護(hù)等級。

圖2 改進(jìn)隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

3.2 操作機(jī)構(gòu)設(shè)計

原操作機(jī)構(gòu)由手柄、彈簧和支架構(gòu)成，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但操作力偏大，不同的人由于用力不同，導(dǎo)致合閘或分閘的速度不同，容易產(chǎn)生電弧對觸頭的燒損。改進(jìn)方案采用快速閉合儲能機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)在觸頭合閘過程中，不受外力大小影響，由內(nèi)部的儲能彈簧釋放產(chǎn)生快速合閘動作；在觸頭斷開過程中，由機(jī)構(gòu)快速斷開動、靜觸頭。另外，操作機(jī)構(gòu)還可以在打開動、靜觸頭的過程中，使動、靜觸頭具有相對滑移運(yùn)動，以使得先拉扯動、靜觸頭輕微熔焊的部分，使動、靜觸頭的接觸面先具有一個錯位之后再打開。在觸頭打開位置(圖3)，快速閉合件和手柄及彈簧之間未受力；當(dāng)合閘時(圖4)，彈簧壓縮儲能，當(dāng)手柄運(yùn)動過一定角度后，快速閉合件釋放彈簧儲能，快速帶動動觸頭閉合，從而完成動、靜觸頭的快速閉合。

圖3 操作機(jī)構(gòu)分閘位置

圖4 操作機(jī)構(gòu)合閘位置

3.3 電流回路設(shè)計

由于采用單觸點(diǎn)設(shè)計，電流回路和原結(jié)構(gòu)有很大改變，動觸頭和機(jī)構(gòu)聯(lián)動，故采用軟導(dǎo)線連接動觸頭支架和接入端子。分別對軟導(dǎo)線U形彎曲向下彎曲和向上彎曲兩種方案進(jìn)行電動力仿真(通相等的電流I=7000A)。結(jié)果如圖4所示，其中圖(a)的U形軟導(dǎo)線向上彎曲，和動觸頭支架的電流方向相反，電動斥力相互抵消，此時受到的電動斥力最小，為10.5N·m。

圖5 軟導(dǎo)線電動力仿真結(jié)果

3.4 引弧角設(shè)計

如圖5所示，增加靜觸頭導(dǎo)弧角的設(shè)計，在靜觸頭支座和靜觸頭連接處的下邊自由端部向外延伸形成導(dǎo)弧角。根據(jù)電弧有向電阻小的方向移動的趨勢，增加導(dǎo)弧角后，觸頭開斷過程中產(chǎn)生的電弧將迅速地沿著圖5箭頭方向向下運(yùn)動，從而遠(yuǎn)離觸頭，快速冷卻熄滅。可見，引弧角的設(shè)計，縮短了電弧在觸頭的停滯時間，有效地減少了電弧對觸頭的燒蝕，從而提升了隔離開關(guān)的電氣壽命。

圖6 電弧在引弧角作用下運(yùn)動

4 試驗

將按此方案改進(jìn)后的產(chǎn)品(32A)與改進(jìn)前產(chǎn)品(32A)，按GB14048.3進(jìn)行型式試驗進(jìn)行比對，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 型式試驗結(jié)果

由上述試驗結(jié)果可見，改進(jìn)后產(chǎn)品的電氣壽命和機(jī)械壽命以及耐受短路電流指標(biāo)都有了顯著提升。因此，改進(jìn)方案可以有效地提高隔離開關(guān)整體可靠性水平。

5 結(jié)語

(1)改進(jìn)的開關(guān)結(jié)構(gòu)方案，降低了觸點(diǎn)數(shù)量，優(yōu)化了回路結(jié)構(gòu)，在低壓終端隔離開關(guān)上應(yīng)用，減少了銅材的消耗，并提高了其可靠性；

(2)增加的快速閉合操作機(jī)構(gòu)，可減少人力操作力及速度對觸頭分、合閘的影響，延長隔離開關(guān)的使用壽命。

(3)引弧角設(shè)計，加速了電弧遠(yuǎn)離觸頭移動，減少了觸頭的燒蝕，提高了壽命。

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 14048.3-2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] 陳培國.低壓開關(guān)、隔離器、、隔離開關(guān)及熔斷器組合電器的研發(fā)現(xiàn)狀[J].電氣制造,2007(5)：30-35.

[3] 漆輝,徐勁琳,鄧雪梅,等.一種隔離開關(guān)的運(yùn)動裝置[P].中國,201220255307.2.2012-12-26.

[4] 徐勁琳,鄧雪梅,漆輝,等.隔離開關(guān)的電流回路結(jié)構(gòu)[P].中國,201220254751.2.2012-12-26.

[5] 徐勁琳,漆輝,鄧雪梅,等.一種隔離開關(guān)裝置:中國,201220255477.0[P].2012-12-26.

Improvement on Reliability of a Low Voltage Terminal Disconnecting Switch

ZHUWen-hao1,2,CHENLei2,GUOQi-yi1

(1.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Schneider Shanghai Low Terninal Apparatus Co.Ltd.,Shanghai 201109,China)

Base on the analysis of traditional disconnecting switch structure and the existing reliability problem,this article propose a new structure for improvement.The improved structure solve the imbalance problem of contact moving,and reduce the contact burn up issue.The fast close mechanism is used,thus the arc is greatly reduced during the contact closing.This structure implemented in final distribution disconnecting switch can solve the contact welding problem and improve the disconnecting switch reliability and prolong its life-span.

disconnecting switch;reliability;structure improvement;fast close;arc guiding

1004-289X(2015)04-0041-04

TM564

B

2015-01-27

朱文灝(1977-)，高級工程師，博士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)用戶端安全性與可靠性； 陳雷(1992-)，碩士，研究方向為低壓終端電器可靠性； 郭其一(1961-)，教授，博導(dǎo)，研究方向為電氣工程及其自動化。