一种采用双断点触头系统的新型塑壳断路器

2012-11-30赵瑞峰上海人民电器厂200072

装备机械 2012年4期

赵瑞峰上海人民电器厂 (200072）

赵瑞峰 (1983年～), 男, 2006年加入上海人民电器厂，目前从事塑壳断路器设计工作。

0引言

塑料外壳式断路器广泛应用在国民经济建设的各个领域中，是低压电器重要的基础元件。当线路中发生过载、短路和欠电压故障时，塑壳断路器可以对正在运转中的工业用电设备、民用电气设备、电源设备起到相应的保护作用。从20世纪90年代中期开始，国际上一些著名的电气公司陆续推出了新一代塑壳断路器产品。新产品在产品结构、智能化、网络化方面有较大突破。它们在安全性、可靠性、经济性、智能化和环保要求等方面更能适应现代电网的需求。

1 塑壳断路器的结构与分类

1.1 塑壳断路器的结构

塑壳断路器是一种能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。其一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。

图1 塑壳断路器结构

1.2 塑壳断路器的分类

按操作方式分为有电动操作、储能操作和手动操作

按极数分为三极和四极

按安装方式分：有插入式、固定式和抽屉式等

按接线方式分：板前接线和板后接线

按脱扣器的型式和特性分类：

(1)分励脱扣器

分励脱扣器为附件，由用户单独选配。

(2)欠电压脱扣器

欠电压脱扣器为附件，由用户单独选配。

(3)过电流脱扣器

(4)剩余电流脱扣器

剩余电流脱扣器按脱扣时间分有二种型式：非延时型、延时型。

剩余电流脱扣器按脱扣形式分有三种型式：脱扣、脱扣报警、报警不脱扣。

2 塑壳断路器的应用

塑壳断路器适用于交流50Hz或60Hz，额定电流从16A至1250A，额定绝缘电压750V，额定工作电压690V及以下配电网络，一般作为配电保护用。壳架额定电流630A及以下的断路器亦可作为保护电动机之用。在正常情况下，断路器可分别作为线路的不频繁转换及电动机的不频繁起动之用。

在低压配电系统中，塑壳断路器的应用非常广泛，它一般用于配电馈线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总开关，动力配电终端控制和保护以及住宅配电终端控制和保护，也可用作各种生产机械的电源开关。

塑壳断路器的保护功能由欠压脱扣器、过电流脱扣器、分励脱扣器等脱扣器来实现。欠压脱扣器用来监视工作电压的波动，当电网电压降低至70%～35%额定电压或电网发生故障时，断路器可立即分断，在电源电压低于35%额定电压时，能防止断路器闭合。分励脱扣器用于远距离遥控分断断路器。过电流脱扣器可分为热过载脱扣器和短路脱扣器，用于防止过载和负载侧短路。

传统的塑壳断路器采用热动式脱扣控制方式，利用负荷电流的热效应使双金属片受热弯曲产生变形控制脱扣。由于双金属片的形状结构和热变形精度难以保证，因而断路器脱扣延时时间难以精确控制，断路器断流精度不高。智能化脱扣器的使用，不仅可以提高保护精度，还可以提供三段保护：长延时、短延时和瞬时保护。三段保护的实现可以使选择性保护成为可能。带通信接口的智能化断路器可用在现场总线系统中，可与多种现场总线或工业以太网联接组成智能化配电监控系统。

图2 带三段保护特性的选择型断路器的特性曲线

保护电动机用断路器，在400V配电网络中用作鼠笼型电动机的起动和运转中分断及其过载、短路和欠电压保护，额定电流160A及以下还可作缺相保护。

带剩余电流保护的断路器可以作为人身触电和设备漏电保护之用，也防止因设备绝缘损坏，产生接地故障电流而引起的火灾危险。

3 塑壳断路器的现状及发展趋势

3.1 国内塑壳断路器现状

我国20世纪90年代中期以来开发的一系列塑壳断路器产品在产品性能以及技术指标有了长足进步和突破，基本能满足目前低压电网的要求。但这些产品基本上是以仿制、改进为主，在结构、技术、材料和性能指标方面只能相当于国外老一代产品。与国外新一代塑壳断路器产品比较有较大差距，主要表现在：

(1)短路分断能力不够高。

国内产品Icu多为70~80kA，而Ics仅为50%~60%Icu，运行可靠性不够好。

(2)结构仍为敞开式，未采用模块化结构，短路分断试验时金属粒子卡死机构和烧断弹簧的现象时有发生。

(3)产品体积较大，技术经济落后。

(4)电子线路可靠性较差，损坏率比较高。

(5)附件性能可靠性较差，尤其是欠电压脱扣器运行中比较容易失效

3.2 塑壳断路器的发展趋势

随着现代设计技术、微电子技术、计算机技术、计算机网络技术、通信技术、智能化技术、可靠性技术、测试技术的发展以及新工艺的出现，未来塑壳断路器在技术上和功能上都会有很大的提高。微机技术、微电子技术、计算机网络和数字通信技术以及人工智能技术在低压电器中的应用，智能电器将会从简单的采用微机控制取代传统继电器功能的单一封闭装置，发展到具有完整的理论体系和多学科交叉的电器智能化系统。这将成为电气工程领域中电力开关设备、电力系统继电保护、工业供配系统及工业控制网络技术新的发展方向。

(1)高性能、高可靠、小型化

新型塑壳断路器的高性能除了提高其主要技术性能外，重点追求综合技术经济指标，除了提高短路分断能力外，特别关注飞弧距离的减小，同时要求小型化。这对发展新一代紧凑型低压成套开关设备十分重要。

(2)电器智能化、电子化

电器智能化是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。随着电子技术和计算机技术的同步发展，智能电器经历了半导体、电子式、智能式等几个阶段。目前，随着专用集成电路和高性能的微处理器的出现，智能断路器、智能控制保护器、智能接触器等功能完善的智能电器元件和智能型配网络系统将应运而生。

未来脱扣器的智能化不仅体现在可实现长延时、短延时、瞬时过流保护、接地、欠保护等保护功能、可显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等系统运行参数。而且具备更强的分析能力和综合能力。另外，由于在供电系统中大量使用软起动器、变频器、电力电子调速装置、不间断电源等装置，使电网和配电系统中出现大量的高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般只反映故障电流的峰值，造成断路器在高次波的影响下发生误动作。带微处理器智能化断路器反映的是负载电流的真实有效值，因此可避免高次谐波的影响。

(3)智能电器网络化

近年来, 现场总线的出现给工业自动化带来了革命性的变革。现场总线是一种造价低、可靠性强并适合工业环境使用的通信系统，仅需要一根双芯电缆，使布线非常简单，减少了安装维护费用。

将智能电器—中央控制设备、智能电器与智能电器之间，通过总线连接起来，在低压配电系统和电动机控制中心统一就形成了一个智能化监控、保护与信息网络系统。这种系统具有以下优点：当系统中电器设备发生故障时，通信电器与现场总线器能够显示故障信号，便于排除故障，保证系统正常运行；系统传输的信号量增加，提高了系统自动化程度；信号传输的精度提高，保证了系统运行的可靠性。因此，这种系统使操作人员在控制室中能够方便地控制各种现场设备，并且能够及时了解现场设备运行情况,处理各种故障。

4 新一代塑壳断路器

在低压输配电网络中, 塑壳断路器是重要的基础元件之一。一般应用于那些经常会发生用电设备过载、短路的场合，它们能安全、可靠地切断故障电流，防止事故扩大危及到整个输配电系统。国际上一些著名的电气公司已经推出新一代产品，其主要技术特征为：高性能的触头灭弧系统、模块化结构设计、智能化脱扣器、安装方式简便多样，与现场总线进行通讯等。

4.1 高性能触头接触系统

新一代塑壳断路器广泛采用了转动式双断点触头接触系统（见图3）。这种新型双断点触头系统，加强了短弧度近阴极效应，具有较高的电弧电压，便于提高分断能力，并省去软连接，从而提高了运行可靠性和电气机械寿命。两个触头的电动斥力迭加，可使斥开速度大大提高，并且转动式双断点结构在有限的空间内加大了触头开距，从而提高短路分断能力。为了防止交流电流过零时，电流减小时触头回弹或重新闭合，断路器专门设计了触头斥开卡住自锁结构，使触头斥开后卡住在最大斥开位置，待操作机构动作后方能使卡住机构解锁。触头斥开卡住机构配合快速动作的操作机构，可以使塑壳断路器在几个ms之内完成断路电流分断，大大提高了短路分断能力。

图3 转动式双断点触头及卡住机构

4.2 全封闭触头灭弧结构

将U形静触头、转动式双断点动触头及其支撑件、触头弹簧、金属栅片灭弧室、导磁体等封闭于一个塑料盒内，每一极为一个独立单元，通过联动杆组合成三极或四极触头，其结构见图4。

应用全封闭触头灭弧结构，可以将生弧瞬间产生的强大气流引导到特别设计的结构，应用气体压力脱扣新技术，加速机构脱扣，提高短路分断能力。我们设计了一种两侧厚度不对称，并且把静触头作为嵌件压制在塑料件内的新型全封闭触头灭弧腔体，使动、静触头接触更加可靠。

新一代塑壳断路器的触头灭弧系统基本上采用封闭式的结构，把单相动静触头和灭弧室罩一起用耐电弧的塑料材料封闭起来，形成一个封闭结构。封闭式的触头灭弧系统与传统的敞开式结构比较有以下明显优点：

(1)可以有效地防止短路分断时产生的金属粒子喷溅到操作机构，造成机构卡死或烧断主弹簧；

(2)有效地防止炽热的金属喷溅到动静触头弹簧，烧断弹簧或使弹簧退火；

(3)防止电弧反吹而不能进入灭弧室，影响短路电流分断；

(4)在封闭的腔体内产生电弧时，空气压力急剧上升产生强大的气流加速电弧冷却并向喷弧口喷出，有利于电弧的熄灭；

(5)保证相间绝缘。

图4 封闭式的触头模块

4.3 产品小型化和模块化

在具备相同功能、相近体积的前提下新一代塑壳断路器与国内各电器公司的塑壳断路器相比，各项主要技术性能指标均有了很大提高，真正实现了高性能情况下的小型化。

断路器本体由触头灭弧系统模块、脱扣器模块、操作机构系统和塑料外壳四部分组成。同一壳架产品热磁脱扣器和智能脱扣器外形尺寸统一设计。可以实现同一电流壳架等级下脱扣器互换。

4.4 采用智能型脱扣器

电子脱扣器是微电子、计算机和通信技术的结合,具有传统热磁脱扣器不可比拟的优势。脱扣特性稳定，不受环境温度及气候的影响，脱扣电流和时间的精度较高，整定电流可调,可设置不同的特性曲线以适应各种负载保护的要求，可以派生通信功能,实现网络化控制。还可派生区域联锁、电量监控及电能分析等辅助功能。新一代塑壳断路器均可安装电子脱扣器,并逐渐向160A及以下的小容量额定电流壳架发展。

智能脱扣器基本功能有：

过电流保护：过载长延时反时限，短延时反时限，短延时定时限，短路瞬时动作。

脱扣器整定电流（Ir）可调，可由用户自行设定。

短延时动作电流可调，可由用户自行设定。

用户可选择配电保护或电动机保护切换。

预警功能：负载电流为整定电流（Ir）的70%～90%LED灯闪烁；超过115%，IED灯点亮。

过热保护：当脱扣器温度>85℃时，断路器脱扣断开。

缺相保护：设定为电动机保护，当一相电流与三相电流平均值之值达到20%时，断路器自动断开。

智能脱扣器派生功能：

(1)通信接口：可与多种现场总线、工业以太网连接，实现自动测量、自动控制

(2)接地故障保护

(3)脱扣原因显示