小型斷路器設計研發與制造研究

姚金恒

（天津航空機電有限公司，天津 300308）

1 小型斷路器及選擇性保護分析

1.1 小型斷路器概述

選用DZ47-60型號的小型斷路器作為實物案例進行分析。該斷路器在直接保護電動機、電容柜以及電熱設備等高容性和高感性負載中并不適用。該斷路器一般由觸頭系統（靜觸頭和動觸頭共同構成的觸頭組）、操作機構（機械鎖定手柄裝置）、脫扣機構（電磁脫扣、熱脫扣）、外殼以及滅弧室（急速滅弧系統）等構成[1]。

1.2 小型斷路器選擇性保護

在斷路器發展過程中提出了相應的IEC標準，也提出了相應的國家標準。這兩個標準明確規定了斷路器的設計、生產等內容，其中選擇性保護是規定中的重要內容。相關標準對斷路器進行了科學界定，分為A/B兩大類斷路器，即將不具備選擇性保護功能的斷路器分為A類斷路器，而具備選擇性保護功能為B類斷路器。斷路器的選擇性保護通過多個斷路器之間的動作特性配合實現。在斷路器界定范圍內若出現過電流，則根據相關標準和設定，斷路器（在此界定過電流范圍內）會進行動作，而不在該過電流范圍內的斷路器不會進行動作。即當線路或電網出現故障時，靠近故障點的斷路器會直接感應到過電流從而確定故障位置，并直接進行斷路器動作，保證故障不會影響其他電路，從而確保無故障電路連續供電。A類具有選擇性保護的斷路器往往根據不同標準進行分類，包括局部選擇性保護和全選擇性保護兩種類型。局部選擇性保護需要界定一個過電流值，只有在該過電流值下斷路器才具備選擇性保護功能。全選擇性保護的適用性更廣，能夠進行全電流范圍的選擇性保護。

目前，斷路器的選擇性保護可以通過以下幾種方式實現。第一，電流的選擇性，即上下級斷路器的選擇實現動作特性配合。對上下級斷路器中的動作電流進行檢測和比對，若該測定值比過載延時約定的不動作電流低，斷路器能夠動作進行選擇性保護。第二，斷路器時間選擇性保護。斷路器中能夠對上下級斷路器延時工作時間進行反饋，通過反饋與監測實現選擇性保護。第三，斷路器能量選擇性保護。斷路器具有典型的限流能力，在斷路器監測到大電流時，下級斷路器能迅速進行限流動作，使上級斷路器不進行動作，從而實現選擇性保護。第四，斷路器邏輯選擇性保護。當前發展中，斷路器開始向著智能化方向發展，因此選擇性保護也開始向著智能化方向發展。比如，下級斷路器監測到故障時會直接反饋給上級斷路器，此時上級斷路器并不會直接動作，而會通過通信技術和智能化技術詢問下級斷路器是否能排除故障（限定時間）。若在限定時間內下級斷路器不能排除故障，上級斷路器才會動作，從而實現選擇性保護[2]。

不管采用什么選擇性保護，全選擇性保護對配電網絡具有積極影響。目前，斷路器中的選擇性保護在不斷發展，斷路器的選擇性也開始由傳統的局部選擇性向著全選擇性保護的方向發展。

2 帶選擇性保護小型斷路器的設計原理

2.1 設計基本原理分析

傳統小型斷路器（模數化）在實現其選擇性保護時需要電子式脫扣器的協調與配合。以往采用的方式涉及到的電子式脫扣器結構相對復雜，且該電子式脫扣器的結構成本較高。電子式脫扣器的應用中還存在穩定性差和抗干擾能力差的問題。因此，在傳統小型斷路器基礎上引入機械式設計和有限流電阻輔助斷路器選擇性保護設計。

帶選擇性保護的小型斷路器包括輔助回路和主回路兩個回路，兩個回路部分并聯。限流電阻、輔助觸頭以及輔助回路雙金屬片串聯構成輔助回路，其余部分為主回路。斷路器中的操作機構控制兩回路的閉合與斷開，電磁機構控制主觸頭的分閘和閉合。另外，操作機構脫扣主要通過輔助回路雙金屬片和主回路雙金屬片進行控制。前面提到的雙金屬片在輔助回路和主回路中具有不同作用，即主回路中主要起到過載長延時的作用及特性，在短路中主要起到短路短延時的作用及特性。若在配網中出現短路，系統作用下會直接產生短路短延時電流并進行工作狀態轉換。此外，電路電流也將因此受限，凸顯線路保護作用。

2.2 帶選擇性保護小型斷路器運行狀態分析

帶選擇性保護小型斷路器運行狀態分析，如圖1所示。

（1）正常工作狀態。在斷路器正常工作狀態下，由操作機構控制輔助觸頭和主觸頭的斷開與閉合。若將額定電流導入斷路器中，電磁機構及金屬片在電流刺激下不會進行相應動作，且主觸頭因短路會形成如圖1（a）所示的工作狀態，即主回路正常。

（2）過載工作狀態。一旦斷路器過載，雙金屬片會受到過載電流刺激直接發生彎曲形變，操作機構脫扣，機構受到作用進而給主觸頭作用力使主觸頭打開，如圖1（b）所示，即過載電流被切斷。

（3）有短路電流工作狀態。支路故障及短路作用下，故障或短路電流作用引起主觸頭及電磁機構動作，主回路因此開路，此時電流進行電路轉換，主要在輔助回路中進行通斷。因輔助回路中較高的電阻值，導致電路電流較小。當故障排除后，斷路器會執行短路電流分段動作，最終斷路器重新閉合主觸頭動作，恢復斷路器正常工作，其狀態如圖1（a）所示。若下級斷路器不能對故障電流或短路電流正常進行分斷，選擇性斷路器的輔助回路雙金屬片會直接進行動作作用于操作機構，使斷路器處于如圖1（c）所示的狀態，此時輔助觸頭和主觸頭打開[3]。

圖1 帶選擇性保護小型斷路器運行狀態分析圖

2.3 帶選擇性保護小型斷路器的設計原則

經過研究和實踐，選擇性小型斷路器的設計原則包括以下幾點。第一，故障快速檢測定位。設計的小型斷路器能夠快速地進行故障識別和定位，辨別故障發生區域和發生點。第二，故障迅速排除。設計的小型斷路器能夠保證靠近故障點的保護電器快速動作，并且此時設計的斷路器還能夠保證其他保護電器不發生動作。第三，具備降低系統允通能量的能力。設計的斷路器必須具備一定的限流能力，對系統的允通能量進行限制，有效避免故障區的元器件受到熱應力和電動力影響。第四，設計的斷路器應該具備較好的短路電流和故障電流的耐受能力，以保證斷路器具備短路短延時功能。第五，設計的斷路器必須滿足模數化要求，從而能夠滿足在終端配電箱中的應用。

3 基于雙斷點帶選擇性保護的小型斷路器設計分析

3.1 總體結構設計

本文引入雙回路技術，提出了一種新型雙斷點帶選擇性保護的小型斷路器，由雙回路電路機構和操作機構等構成。其中，該斷路器的主回路由雙金屬片、電磁脫扣器以及主觸頭系統構成；輔助回路由雙金屬片、限流電阻和輔助觸頭構成。

3.2 雙回路電路

雙電路回路結構由限流電阻、兩對觸頭（輔助觸頭、主觸頭）、電磁脫扣器以及兩個過流脫扣器（主回路/輔助回路雙金屬片保護裝置）構成。設計主要依靠輔助回路和主回路實現部分并聯，其中主要依靠限流電阻、輔助觸頭和輔助回路金屬片串聯構成輔助回路。在操作機構控制下實現兩對觸頭的斷開與閉合，在電磁機構的控制下主要實現主觸頭的分閘與閉合。設計主要依靠輔助回路雙金屬片和主回路雙金屬片的控制實現操作機構脫扣，依靠雙金屬片（輔助回路）實現短路延時特性，依靠雙金屬片（主回路）實現過載長延時特性。若配網出現短路及故障，短路短延時在選擇性保護中進行相應動作，電流轉換并受限，以此保障線路安全。帶選擇性小型斷路器設計方案采用了這種關鍵技術，同時為進一步提高斷路器性能和可靠性，對其他系統模塊也進行了優化與設計[4]。

3.3 操作機構

在帶選擇性小型斷路器的設計中，對操作機構進行了仿真模擬，如圖2所示。操作機構的仿真模擬中主要采用整體化模塊設計，進一步簡化了操作機構設計，保證其安裝簡化，且保障了操作機構中不同模塊間的協調作用。

如圖2所示，操作手柄在受力作用下會直接驅動第一連桿，并以此推動第二連桿和第三連桿，連桿驅動觸頭動作，實現分/合閘。熱脫扣器作用于脫扣連桿，從而實現操作機構的解鎖操作。電磁脫扣器也能進行相應的動作，從而打開主觸頭。本文仿真模擬中采用整體化和模塊化設計，不僅為觸頭系統設計節約了空間，還為滅弧系統壓縮了空間，同時輔助回路和主回路的雙金屬片共同控制脫扣連桿，保證了操作機構和斷路器優良的延時穩定性。

圖2 操作機構仿真模擬圖

3.4 自動閉合旋轉式雙斷點觸頭裝置設計

將旋轉式雙端點結構引入自動閉合觸頭裝置設計，設計結構如圖3所示。觸頭支持兩側對稱布置彈簧觸頭，P1和P2點是觸頭彈簧作用點，保證動觸頭能夠繞O點進行轉動。當斷路器操作機構不作用于觸頭時，可以通過觸頭彈簧作用實現自動閉合，如圖3（a）所示，以保證可靠性接觸壓力。當觸頭受到斷路器操作機構大小為M的扭矩時，若M大于觸頭彈簧施加在觸頭支持上的扭矩，觸頭裝置將實現斷開操作，如圖3（b）所示。

圖3 自動閉合旋轉式雙斷點觸頭裝置示意圖

3.5 滅弧系統設計

本文設計了新型滅弧系統，如圖4所示。滅弧室設計中采用部分密封設計，通過引入主觸頭圓形設計實現。這種半封閉模式保證了滅弧區域具有較強的氣壓，有效保證了滅弧系統的氣吹效果、滅弧系統的快速分段以及滅弧系統的迅速滅弧。

圖4 滅弧系統結示意圖

3.6 電磁脫扣器設計

在電磁脫扣器結構設計中引入永磁技術，結構如圖5所示。引入永磁技術，在增加靜鐵心極面和動鐵心極面的基礎上，有效提升了斷路器工作中的短延時保護性能。電磁脫扣器設計，永久磁鐵能夠一直被鐵心吸引處于吸合狀態。線圈電路改變超過大于15.75 mm時，線圈中產生的電磁力隨之增大并會超過永久磁鐵吸引力，在電磁力的作用下使動鐵心向靜鐵心方向移動，兩者吸合在一起并作用于推桿，使其沿著靜鐵心內部的圓形通孔滑動。這種設計不同于以往的斷路器電磁機構設計，通過引入永磁技術和電磁斥力實現轉換功能。為保證有效提高機構性能，需要其與不同機構協調運作。當檢測到短路電流達到預期值時，電磁脫扣器機構能迅速動作，準確拆開主動閉合的主觸頭，實現主回路斷開。若短路電流或故障電流在短時間內被消除，則電磁機構的觸頭會進行動作，重新閉合，使設備和電路重新恢復正常工作。這種設計思路和機構能夠進一步提高斷路器的性能，尤其是提高斷路器得分斷能力。

圖5 電磁脫扣器結構示意圖

4 結 論

通過分析斷路器的結構和工作原理，結合工作經驗設計了新型雙端點帶選擇性保護小型斷路器，分析了主回路設計原理和具體設計，模擬設計了斷路器的各個部件和機構，設計了一種可實現多控制輸入和輸出的操作機構、自動閉合旋轉式雙斷點觸頭裝置、采用永磁技術設計的電磁脫扣器以及一種具有較強磁吹和氣吹效果的滅弧系統結構，提高了選擇性保護小型斷路器的選擇性保護和可靠性。