智能型電子式低壓塑殼斷路器的設計

摘 要： 從脫扣機構、滅弧室、動作機構設計及多體動力學虛擬樣機在產品設計中的應用4個方面對電子式低壓塑殼斷路器設計方案進行了介紹。該類型產品具有高性能、高分斷、高可靠性、智能化、保護特性精準等特點。設計方案的產品已通過權威的檢測機構測試，可供同類項目參考。

關鍵詞： 電子式低壓塑殼斷路器; 脫扣機構; 滅弧室; 動作機構; 多體動力學虛擬樣機

中圖分類號： TU852

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）05-0015-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.05.003

0 引 言

斷路器作為一種集線路保護、電氣開關于一體的特殊保護類器件，發揮著越來越重要的作用，能夠保障配電系統安全、可靠運行。自1885年誕生刀開關和過電流脫扣器的組合——世界上最早的斷路器以來，目前已發展成為包括熱式斷路器、熱磁式斷路器、液壓電磁式斷路器、電子式斷路器等門類的龐大產品體系，為構建安全可靠、經濟高效的強大電網提供了基礎保證。

隨著科學技術的不斷進步，配電系統對斷路器的要求也在不斷提高，產品逐漸趨于智能化、模塊化、組合化，將不同功能的模塊按不同的需求組合，已是當今低壓電器產品的發展趨勢。傳統的物理式脫扣器，如熱式脫扣器、熱磁式脫扣器、液壓電磁式脫扣器等常受環境因素的干擾而發生保護異常，嚴重影響配電系統的穩定性與可靠性。塑料外殼式斷路器中的智能型電子式低壓塑殼斷路器采用電子式脫扣器，其智能化優勢在使用中越發突出。本文對智能型電子式低壓塑殼斷路器的設計進行逐一介紹。

1 產品設計

1.1 產品工作原理

以電子脫扣原理工作的斷路器產品工作原理示意圖如圖1所示。由圖可知，該斷路器由采樣模塊、控制模塊、脫扣模塊構成。其中，采樣模塊負責采集回路中的電流信號，并將其發送給控制模塊進行識別^［1］。控制模塊根據采樣模塊發送的電流信號進行判斷，并給予脫扣模塊相應指示。脫扣模塊根據控制模塊的指示，向動作機構施加脫扣解鎖力，實現線路保護。

1.2 脫扣機構設計

脫扣機構作為塑殼斷路器內的核心控制部件，其可靠性和穩定性對保證斷路器的正常工作起著至關重要的作用，整個脫扣機構通過鐵心互感器獲取工作電源能量，通過空心互感器或氣隙磁環互感器采樣主回路電流，以此判斷主回路是否發生故障，若達到保護動作條件，則發出脫扣指令，驅動塑殼斷路器脫扣分閘，切除故障回路。脫扣機構由采樣模塊、控制模塊、脫扣模塊組成。脫扣機構硬件結構框圖如圖2所示。

1.2.1 采樣模塊設計

采樣模塊共3個，分別接在三相斷路器的每一相上，其中每個采樣模塊都由鐵心互感器和采樣互感器兩部分組成，鐵心互感器為控制模塊提供能量，3個采樣模塊的鐵心互感器之間為“或”邏輯關系，只要有一路正常工作就可以滿足整個脫扣機構的供電要求，從而提高脫扣機構的可靠性^［2］。采樣模塊由取電互感器和采樣互感器兩部分組成，分別負責提供電源能量和主回路電流信號。

由于塑殼式斷路器通常不配備輔助電源接口，其內部的脫扣機構電源若取自斷路器的進線電源，則需要對電源進行降壓隔離，電源的體積較大，且需要與斷路器的進線銅排有直接連接關系，會增加斷路器結構設計難度。因此，采用電流互感器取電，互感器的輸出經過整流后給儲能電容充電，再經過電源電路調理，形成脫扣器各個模塊需要的電源。取電互感器與采樣互感器分別單獨設計，最后封裝成一個模塊。

1.2.1.1 采樣模塊取電電路設計

取電電路設計如圖3所示。采用鐵心互感器取能，利用電磁感應方式，將主回路電流產生的磁場能量轉換為電能，鐵心互感器的結構如圖3（a）所示，鐵心選用硅鋼片，可以通過調節氣隙d的大小，調整兩條磁路中磁通的分配關系，進而調整取電線圈適用的斷路器電流范圍。對于大電流斷路器而言，把氣隙減小，對于小電流斷路器，把氣隙增大。

1.2.1.2 采樣電路設計

采用羅氏線圈作為檢測主回路電流的采樣互感器，具有體積小、重量輕、結構簡單、易于加工、電流測量范圍大、線性度好等優點，不存在磁芯飽和和磁芯非線性問題。采用4個獨立的矩形截面空心線圈串聯，組成一個矩形骨架羅氏線圈，并采用獨立分布式繞線，在磁場泄漏大的位置稀疏繞線，在磁場泄漏小的位置致密繞線，以此改善磁場泄漏情況，進而提高羅氏線圈的精度和抗干擾能力。采樣互感器結構如圖4所示。

1.2.2 控制模塊設計

控制模塊是脫扣機構的控制中心，主要包括電源處理電路、采樣處理電路、脫扣電路、MCU及其外圍電路。采樣處理電路負責把采樣互感器輸出的信號轉換為與主回路電流成正比的電壓信號。由于傳感器采集的主回路電流信號一般較小，且MCU自帶的AD采樣電路為單電源系統，無法直接采集交流小信號，所以需通過采樣處理電路對傳感器產生的交流小信號進行調理，使其滿足MCU的AD采樣要求。脫扣電路負責驅動脫扣模塊，MCU通過對傳感器信號采集處理，分析判斷主回路是否存在故障。若存在故障，且達到保護動作條件，則發出脫扣指令，使塑殼斷路器分閘，切斷主回路實現對配電系統的保護。

脫扣電路如圖5所示。單片機口線直接驅動三極管，執行電路（Coil）接VCC。單片機口線輸出低電平直接驅動三極管導通，電流流過執行電路，執行電路的機械結構驅動斷路器分閘機構，以實現斷路器的分斷。D1為續流二極管，作為執行電路的保護器件。

軟件設計主要采用C語言對主控單元單片機進行編程。主控單元的軟件流程圖如圖6所示。其功能主要是采集主回路電流信號，進行電流有效值計算，再將電流有效值與額定值進行比較，如果大于瞬時保護電流整定值，則判斷為短路保護，控制與脫扣電路相連的IO口直接輸出低電平，脫扣器脫扣;如果電流有效值大于額定電流但小于瞬時保護電流整定值，則進入過載保護模塊，進而控制脫扣器進行延時脫扣，并可以將所有數據通過串口統一發送至上位機。

1.2.3 脫扣模塊設計

采用推拉式磁推機構，電磁鐵尾部有強磁，當發生斷電時，鐵心被強磁吸住，鐵心保持吸入狀態;當控制模塊給予相應脫扣信號指示時，磁推機構通電，電磁抵消強磁，彈簧將鐵心彈出，推動分閘機構實現分斷;當斷路器合閘時，相應的機械結構會把鐵心壓回重新保持吸入狀態。

1.3 滅弧室設計

觸點結構采用旋轉雙斷點形式。旋轉式雙斷點觸點結構如圖7所示。

該類型觸點的分斷原理如下：當斷路器分斷電壓為V的回路負載時，旋轉動觸點在機構的驅動下以O為轉動中心進行順時針轉動。同時，在兩對觸點間分別產生電弧壓降為V1和V2的兩段電弧。假設斷路器的一端接地，則關系如公式（1）所示：

V=V1+V2

∫^l2l1Fldx-∫^O2O1FOdx-∫^C2C1FCdx=∑Fμixμi+∑Jiωi+∑miVi2

（1）

由于單根電弧的壓降降低，使其更易熄滅，所以該類型觸點能夠在相同體積下更易分斷電弧，其滅弧效率更高。在確定觸點形式后，還需增加滅弧柵片，進一步提高滅弧室的熄弧能力，滅弧柵片結構及工作原理如圖8所示。

當斷路器進行分閘動作時，旋轉動觸點沿箭頭方向順時針旋轉，與靜觸點分離。動、靜觸點間產生電弧，在多種力的共同作用下向滅弧柵片運動。當電弧的上端經由引弧片由動觸點運動至滅弧柵片內時，滅弧柵片將整根電弧分割為若干段小電弧。若原電弧的壓降為V，則柵片間的短電弧壓降變為Vi，其中i為電弧的分割段數。對于以空氣為滅弧介質的斷路器而言，通常采用Vi不大于60 V。為使待分斷的電弧更容易進入到滅弧柵片的縫隙中，還需對柵片的結構進行設計（如圖8所示），當電流方向為垂直于紙面向內的電弧接近柵片時，由于柵片上的凹槽結構，將在柵片內部感應出如圖8所示的磁場。該磁場使電弧受到電磁吸力，將其引入至柵片中，提高電弧的運動速度，降低燃弧時間。

在盡量增加電弧的熄滅速度的基礎上，還需要考慮觸點打開時電弧的運動速度，使其準確、有效地進入至滅弧柵片中。對此，還需進行氣吹結構設計，增大燃弧時的氣體流速，使電弧受氣體壓力的作用盡快進入滅弧室中。氣吹結構如圖9所示。

氣吹主要通過滅弧室壁上的開口實現，當斷路器觸點打開、電弧引燃時，將產生大量的熱能，并加熱周邊的空氣。電弧與動觸點軸間的空間狹小，此處氣體受熱膨脹后將向氣吹口方向流動，氣體將電弧吹向滅弧柵片方向，加快電弧的運動速度，進而減少電弧的燃燒時間。

雖然氣吹可以提高電弧的運動速度，但因空氣的膨脹需要時間，所以該方式不能完全確保電弧在運動初期即具備很高的運動速度。當分斷較大的過載電流時，氣吹的效果無法滿足要求。因此，還需進行磁吹結構設計，利用磁場提高電弧進入滅弧柵片時的速度。

磁吹結構如圖10所示。當電流的方向如圖10時，由于靜觸點的獨特設計，使其可視為纏繞在組合鐵心上的半匝線圈。當通過靜觸點1上的電流發生變化時，組合鐵心內將產生感應磁場，并通過固定在滅弧室壁上的兩個導磁鐵心組成磁路。由于組合鐵心通過絕緣嵌件固定于滅弧室壁上，因此電弧不會與其相接觸。當電弧處于如圖10所示方向的感應磁場中時，將受到電磁力并加速向滅弧柵片內運動。電磁力與電弧電流成正比，即電流越大電磁力越大，該方式可有效地確保在短路狀態時電弧的有效分斷。

1.4 動作機構設計

采用連桿機構操控，該方式傳動效率高，同時能滿足斷路器快速分斷的要求。動作機構合閘狀態如圖11所示。在合閘狀態下，若進行正常分閘操作，只須順時針轉動手柄，連桿機構將在主拉簧的作用下發生轉動，旋轉動觸點隨著動觸點軸順時針轉動，觸點打開;當發生短路故障時，脫扣器將推動鎖扣杠桿進行順時針轉動，使鎖扣隨著順時針轉動，當鎖扣轉動到一定位置后，跳扣上的鎖定槽將與鎖扣脫離，連桿機構將在主拉簧的作用下發生轉動，旋轉動觸點隨著動觸點軸順時針轉動，觸點打開。

2 多體動力學虛擬樣機在產品參數設計中的應用

傳統的理論計算耗時耗力，且無法對斷路器的動態過程進行準確計算。隨著計算機技術的不斷進步，在傳統的CAD建模技術外，仿真技術開始被設計者應用于斷路器的設計中。虛擬樣機仿真軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。對于塑殼式斷路器機構，其多體動力學方程如公式（2）所示：

∫^l2l1Fldx-∫^O2O1FOdx-∫^C2C1FCdx=∑Fμixμi+∑Jiωi+∑miVi2

（2）

式中： Fl——儲能壓簧力;

FO——觸點壓簧力;

FC——復位拉簧力;

Fμ——運動構件的摩擦力;

Ji——零件的轉動慣量;

ωi——角速度;

Mi——各運動部件的歸化質量;

Vi——各零件的運動速度。

對于多體動力學方程中的各彈簧力，可使用Hooke方程進行計算，如公式（3）所示：

Fi=-ki（l-l0）-cdldt+f

（3）

式中： ki——各彈簧的剛度系數;

L——彈簧的自由長度;

l0——初始長度;

c——彈簧阻尼系數;

F——彈簧預載荷。

對于接觸問題，需要將Hertz接觸公式中的接觸深度考慮為沿接觸零件軸心分布的變量，具體形式如公式（4）所示：

Fx=∫^xix0δ（x）a³²dx

（4）

式中： δ（x）——接觸深度沿打擊桿軸心的分布;

A——結構常量。

多體動力學仿真軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成。對于斷路器的機構運動而言，可基于多體動力學仿真，以ADAMS軟件為工具對斷路器進行動態特性的仿真分析。ADAMS有較強的前處理和后處理模塊，但對于建立較復雜的模型較困難，因此，用CAD軟件進行三維建模，再將其以X-T格式輸出并導入ADAMS中進行添加約束、修正模型位置及參數修改。關鍵零件的力學特性分析如圖12所示。

3 結 語

從電子脫扣機構、滅弧室、動作機構設計及多體動力學虛擬樣機在產品設計中的應用4個方面對電子式低壓塑殼斷路器設計方案進行了介紹，該設計方案的產品已經第三方權威檢測機構的性能測試，達到設計要求，該類型產品具有高性能、高分斷、高可靠性、智能化、保護特性精準等特點，已廣泛應用于船舶、車載等領域大功率配電系統，符合國家產業發展政策。

［1］ 周茂祥.低壓電器設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［2］ 連理枝.低壓電器設計與制造［M］.北京：中國電力出版社，2003.

收稿日期： 20240305

Design of Intelligent Electronic Low Voltage Molded Case Circuit Breaker

CHEN Zhongwu

（China Zhenhua Electronics Group Yuguang Electric Co.， Ltd.， Guiyang 550018， China）

Abstract：

This paper introduces the design scheme of electronic low-voltage plastic shell circuit breakers from four aspects：release mechanism，arc extinguishing chamber，action mechanism design，and the application of multi body dynamic virtual prototype in product design. This type of product has the characteristics of high performance，high breaking，high reliability，intelligence，and precise protection characteristics. The product of this design scheme has undergone performance testing by a third-party authoritative testing agency and can be used as a reference for similar projects.

Key words：

electronic low-voltage molded case circuit breaker; trip mechanism; interrupter; action mechanism; virtual prototype technology based on Multi-body dynamics