塑料材料在断路器应用中的性能要求探讨

王 锋，赵 毅，丛 林

（山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250103）

塑料材料在断路器应用中的性能要求探讨

王 锋，赵 毅，丛 林

（山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250103）

以低压断路器壳体为例，对塑料材料应用于断路器的性能进行探讨。通过对断路器进行短路试验和耐燃试验，分析外壳在试验中所体现的耐压、耐高温、耐燃性能，并提出建议，优化塑料材料在电器产品中的应用，提高断路器的性能。

塑料材料；断路器；短路；耐燃

0 引言

低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当短路时，大电流（一般为10~12倍正常值）产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸；当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作（电流越大，动作时间越短），其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。

塑料材料具有良好的绝缘性能和可塑性，被长期广泛应用在断路器的外壳和灭弧系统中，起到保护载流部件和熄灭触点在切断电路时所产生的电弧的作用，对断路器的安全性能尤其重要。尤其在非正常条件下，当发生短路故障时，电弧燃烧产生高温高压，容易发生断路器外壳变形、破裂，燃烧，严重影响断路器安全性能。以小型断路器为例，分析在非正常条件下对塑料材料的性能要求，提出建议，优化塑料材料在断路器的应用，提高断路器的安全性能。

1 额定短路能力要求

1.1 试验方法

按照GB/T 10963.1—2005进行额定短路能力试验，模拟断路器在发生短路故障的情况下，能否安全断开。试验电路如图1所示。图中：TM为短路冲击试验变压器；Rx为可调节电阻；Lx为可调节电感；Ik为短路电流；MCB为断路器。试验参数：Ue＝400 V；Ik＝6 kA。

图1 短路试验系统

给样品通入短路电流后，模拟发生短路故障情况，断路器分断，在高温电弧的作用下塑料材料分解，瞬间产生高温高压的气体。在高温高压气体的作用下，塑料外壳性能发生变化，试验结果如图2、图3所示。

图2 外壳破裂

图3 外壳变形

1.2 结果分析

1.2.1 压强的影响

当发生短路故障时，动静触头之间产生电弧，断路器的侧板与动静触头之间的距离很近，与电弧近距离接触的产气材料（POM和PA66）遇高温分解、氧化生成聚合物气体， 包括 H2、CO2、NO2、CO 等气体，聚合物气体与空气形成混合气体，使得断路器壳体有限空间内气体压强迅速增大，形成壳体内外压强差。

根据电弧的运动情况，推理断路器内部压强变化情况［2-5］，并用曲线拟合变化趋势。假设外界气体压强为标准大气压P0，产气材料产生的聚合物气体使得壳体内部压强为P1，铆钉加固壳体使得壳体接触部位产生的平均压强为P2。在整个过程中，断路器短路分断时动静触头之间产生的电弧经历起燃、燃烧、熄灭三个阶段，压强P1随之经历从小到大，再到小的过程，而P0+P2是一个定值，正常情况下 P1＜P0+P2，如图4所示，产气材料有效熄灭电弧，未对壳体机械结构造成损坏；非正常情况下P1＞P0+P2，如图5所示，超过壳体机械结构承受强度，造成壳体接触薄弱处产生破裂、变形。

图4 正常情况下压强变化

图5 非正常情况下压强变化

因此，外壳应该选择机械强度大的材料，避免非正常条件下突然增大的压强的冲击。

1.2.2 温度的影响

断路器的壳体多数为热塑性塑料，遇到高温时容易发生变形，而短路分断过程中壳体内聚集聚合物气体温度较高，使壳体薄弱部位出现突起形状。因此外壳选用热固性塑料更具优势，热固性塑料耐热性好、不容易变形，可以在高温下使用，另一方面也可通过合理设计断路器的排气机构，使聚合物气体在有效熄灭电弧的同时及时排出壳体，避免高温对壳体的外形造成破坏。

2 耐异常发热和耐燃

2.1 试验方法

按照GB/T 10963.1—2005中9.15进行耐异常发热和耐燃试验，试验设备如图6所示。

图6 灼热丝试验装置

将壳体固定在小车上，然后通过调节电流将灼热丝顶端温度加热至960℃，小车缓缓接近灼热丝顶端，当灼热丝顶端深入壳体7 mm时，小车停止前进。壳体与灼热丝顶端接触时开始承受高温甚至燃烧，此过程维持30 s，如图7所示。

壳体离开灼热丝顶端后，仍持续燃烧，30 s之内熄灭，如图8所示。

图7 燃烧中的壳体

图8 持续燃烧

2.2 结果分析

灼热丝试验考核小型断路器外壳在非正常条件下（如发生短路故障或周围存在着火危险）是否具备耐燃性、阻燃性，是否能够不引燃，或引燃后在引燃源离开后是否能快速熄灭。

上述结果表明该小型断路器耐异常发热和耐燃性能差，发生燃烧，并且外壳材料（POM和尼龙PA66及其他聚合物材料）燃烧后，高温氧化生成一氧化碳和氧化氮以及剧毒气体氰化氢等有毒有害气体，发出刺鼻的气味，对人身健康造成威胁，对环境造成污染，因此断路器在短路分断时产生的有毒有害气体对环境的影响不可忽略，值得引起关注，随着产气材料的广泛应用，产品的节能环保成为社会发展关注的焦点［6］。

3 结语

通过上述分析，塑料用于小型断路器产品的外壳时，对其安全性能有着重要意义，产品标准GB/T 10963.1—2005中对其在非正常条件下的耐高压、耐高温、耐燃性能都有要求，因此建议断路器外壳选用：机械强度大的热固性塑料，或者合理设计排气孔将产生的高温聚合物气体及时排除，减低高压造成破裂高温造成变形的概率；耐燃、阻燃性能高的材料，增加断路器的安全系数，并合理考虑材料的环保性能。

［1］全国低压电器标准化技术委员会.电气附件——家用及类似场所用过电流保护断路器 第1部分：用于交流的断路器：GB/T 10963.1—2005［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［2］刘城.微型断路器灭弧侧板材料的研究［J］.低压电器，2011（8）：1－3.

［3］刘洪武，陈德桂，李志鹏.不同因素对气吹式塑壳断路器开断电弧运动影响的实验研究［J］.中国电机工程学报，2004，24（11）：154－159.

［4］马强，荣明哲，ANTHONY B M，等.考虑器壁侵蚀影响的低压断路器电弧运动特性仿真及实验［J］.电工技术学报，2009，24（12）：74－81.

［5］郭瑾，马强，杨飞，等.不同产气材料对电弧运动规律影响的实验研究［J］.低压电器，2009（5）：5－7，39.

［6］何瑾，刘军军，李风，等.两种含氮高分子材料的热解烟气毒性评价［J］.环境科学学报，2007，27（6）：1 049－1 055.

［7］ANDRE P.The influence of graphite on the composition and thermodynamic properties of plasma formed in ablated vapour of PMMA，PA66，PEPT，POM and PE used in circuit breakers［J］.J Phys D：Appl.1997，（30）：475－493.

［8］SHEA J J.Gassing arc chamber wall material effect on post cur rent－zero recovery voltage breakdown ［J］.IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies，2004，27（1）：42－50.

［9］WADA J，UETA G，OKABE S.Evaluation of breakdown characteristics of N2 gas for non－standard lighting impulse waveforms under non－uniform electric field－breakdown characteristics for single－frequency oscillation waveforms［J］.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19（1）：263－273.

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

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2016QK098）

2017－09－04

王 锋（1964），男，高级工程师，从事变压器、低压电器产品检测工作。