塑料材料在斷路器應用中的性能要求探討

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250103）

塑料材料在斷路器應用中的性能要求探討

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250103）

以低壓斷路器殼體為例，對塑料材料應用于斷路器的性能進行探討。通過對斷路器進行短路試驗和耐燃試驗，分析外殼在試驗中所體現的耐壓、耐高溫、耐燃性能，并提出建議，優(yōu)化塑料材料在電器產品中的應用，提高斷路器的性能。

塑料材料；斷路器；短路；耐燃

0 引言

低壓斷路器又稱自動開關，它是一種既有手動開關作用，又能自動進行失壓、欠壓、過載和短路保護的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當短路時，大電流（一般為10~12倍正常值）產生的磁場克服反力彈簧，脫扣器拉動操作機構動作，開關瞬時跳閘；當過載時，電流變大，發(fā)熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度推動機構動作（電流越大，動作時間越短），其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。

塑料材料具有良好的絕緣性能和可塑性，被長期廣泛應用在斷路器的外殼和滅弧系統中，起到保護載流部件和熄滅觸點在切斷電路時所產生的電弧的作用，對斷路器的安全性能尤其重要。尤其在非正常條件下，當發(fā)生短路故障時，電弧燃燒產生高溫高壓，容易發(fā)生斷路器外殼變形、破裂，燃燒，嚴重影響斷路器安全性能。以小型斷路器為例，分析在非正常條件下對塑料材料的性能要求，提出建議，優(yōu)化塑料材料在斷路器的應用，提高斷路器的安全性能。

1 額定短路能力要求

1.1 試驗方法

按照GB/T 10963.1—2005進行額定短路能力試驗，模擬斷路器在發(fā)生短路故障的情況下，能否安全斷開。試驗電路如圖1所示。圖中：TM為短路沖擊試驗變壓器；Rx為可調節(jié)電阻；Lx為可調節(jié)電感；Ik為短路電流；MCB為斷路器。試驗參數：Ue＝400 V；Ik＝6 kA。

圖1 短路試驗系統

給樣品通入短路電流后，模擬發(fā)生短路故障情況，斷路器分斷，在高溫電弧的作用下塑料材料分解，瞬間產生高溫高壓的氣體。在高溫高壓氣體的作用下，塑料外殼性能發(fā)生變化，試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 外殼破裂

圖3 外殼變形

1.2 結果分析

1.2.1 壓強的影響

當發(fā)生短路故障時，動靜觸頭之間產生電弧，斷路器的側板與動靜觸頭之間的距離很近，與電弧近距離接觸的產氣材料（POM和PA66）遇高溫分解、氧化生成聚合物氣體， 包括 H2、CO2、NO2、CO 等氣體，聚合物氣體與空氣形成混合氣體，使得斷路器殼體有限空間內氣體壓強迅速增大，形成殼體內外壓強差。

根據電弧的運動情況，推理斷路器內部壓強變化情況［2-5］，并用曲線擬合變化趨勢。假設外界氣體壓強為標準大氣壓P0，產氣材料產生的聚合物氣體使得殼體內部壓強為P1，鉚釘加固殼體使得殼體接觸部位產生的平均壓強為P2。在整個過程中，斷路器短路分斷時動靜觸頭之間產生的電弧經歷起燃、燃燒、熄滅三個階段，壓強P1隨之經歷從小到大，再到小的過程，而P0+P2是一個定值，正常情況下 P1＜P0+P2，如圖4所示，產氣材料有效熄滅電弧，未對殼體機械結構造成損壞；非正常情況下P1＞P0+P2，如圖5所示，超過殼體機械結構承受強度，造成殼體接觸薄弱處產生破裂、變形。

圖4 正常情況下壓強變化

圖5 非正常情況下壓強變化

因此，外殼應該選擇機械強度大的材料，避免非正常條件下突然增大的壓強的沖擊。

1.2.2 溫度的影響

斷路器的殼體多數為熱塑性塑料，遇到高溫時容易發(fā)生變形，而短路分斷過程中殼體內聚集聚合物氣體溫度較高，使殼體薄弱部位出現突起形狀。因此外殼選用熱固性塑料更具優(yōu)勢，熱固性塑料耐熱性好、不容易變形，可以在高溫下使用，另一方面也可通過合理設計斷路器的排氣機構，使聚合物氣體在有效熄滅電弧的同時及時排出殼體，避免高溫對殼體的外形造成破壞。

2 耐異常發(fā)熱和耐燃

2.1 試驗方法

按照GB/T 10963.1—2005中9.15進行耐異常發(fā)熱和耐燃試驗，試驗設備如圖6所示。

圖6 灼熱絲試驗裝置

將殼體固定在小車上，然后通過調節(jié)電流將灼熱絲頂端溫度加熱至960℃，小車緩緩接近灼熱絲頂端，當灼熱絲頂端深入殼體7 mm時，小車停止前進。殼體與灼熱絲頂端接觸時開始承受高溫甚至燃燒，此過程維持30 s，如圖7所示。

殼體離開灼熱絲頂端后，仍持續(xù)燃燒，30 s之內熄滅，如圖8所示。

圖7 燃燒中的殼體

圖8 持續(xù)燃燒

2.2 結果分析

灼熱絲試驗考核小型斷路器外殼在非正常條件下（如發(fā)生短路故障或周圍存在著火危險）是否具備耐燃性、阻燃性，是否能夠不引燃，或引燃后在引燃源離開后是否能快速熄滅。

上述結果表明該小型斷路器耐異常發(fā)熱和耐燃性能差，發(fā)生燃燒，并且外殼材料（POM和尼龍PA66及其他聚合物材料）燃燒后，高溫氧化生成一氧化碳和氧化氮以及劇毒氣體氰化氫等有毒有害氣體，發(fā)出刺鼻的氣味，對人身健康造成威脅，對環(huán)境造成污染，因此斷路器在短路分斷時產生的有毒有害氣體對環(huán)境的影響不可忽略，值得引起關注，隨著產氣材料的廣泛應用，產品的節(jié)能環(huán)保成為社會發(fā)展關注的焦點［6］。

3 結語

通過上述分析，塑料用于小型斷路器產品的外殼時，對其安全性能有著重要意義，產品標準GB/T 10963.1—2005中對其在非正常條件下的耐高壓、耐高溫、耐燃性能都有要求，因此建議斷路器外殼選用：機械強度大的熱固性塑料，或者合理設計排氣孔將產生的高溫聚合物氣體及時排除，減低高壓造成破裂高溫造成變形的概率；耐燃、阻燃性能高的材料，增加斷路器的安全系數，并合理考慮材料的環(huán)保性能。

［1］全國低壓電器標準化技術委員會.電氣附件——家用及類似場所用過電流保護斷路器 第1部分：用于交流的斷路器：GB/T 10963.1—2005［S］.北京：中國標準出版社，2005.

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Performance Requirement of Plastic Material in Circuit Breakers

WANG Feng，ZHAO Yi，CONG Lin
（Shandong Institute for Product Quality Inspection，Jinan 250103，China）

Taking the low-voltage circuit breaker shell as an example，the performance requirements of the plastic material in circuit breakers are discussed.Through the short-circuit test and the flame test，the shell performance in conditions of high temperature，high pressure and burning dangerous are analyzed，and suggestions to optimize the application of plastic materials in electrical products are proposed，which can improve the performance of circuit breakers.

plastic material；circuit breaker；short-circuit；flame resistant

TM561

B

1007－9904（2017）10－0033－03

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2016QK098）

2017－09－04

王 鋒（1964），男，高級工程師，從事變壓器、低壓電器產品檢測工作。