连杆机构在配电断路器中的应用研究

曹 进, 张广智, 黄银芳

(上海良信电器股份有限公司, 上海 201315)

0 引 言

作为配电电器最主要产品的断路器,大量用于低压配电系统中,包括万能式断路器(ACB)、塑壳断路器(MCCB)、小型断路器(MCB)等[1-2]。断路器结构原理类同,主要由触头系统、灭弧系统、操作系统等部分组成,其中操作系统通过连杆机构来实现断路器的可靠动作,从而完成断路器的通断或保护脱扣等功能,所以连杆机构在断路器中起到十分重要的作用[3-4]。

本文以ACB、MCCB、MCB 3类断路器为例,介绍了连杆机构的典型应用。

1 配电产品介绍

配电系统图如图1所示。从10 kV中压侧降压后通过2台ACB分两路供电,并用1台ACB作为母联,之下有若干MCCB或接触器等作为分级配电或控制开关,直至向各终端负载供电,同时还通过控制电容器的接入或断开实现回路的功率补偿。

2 ACB机构

2.1 两级再扣的自由脱扣机构

以良信电器NDW3系列ACB机构为例,详细阐述ACB机构的工作原理。ACB机构的三状态如图2 所示。

图2(a)中,储能是电动机带动凸轮顺时针转动而成的,当凸轮推动滚针轴承B至顶点时达最大储能位置,使储能弹簧压缩。凸轮再转过一点时滚轮B落下,储能弹簧力被滚轮C顶住,不能释能。需闭合断路器时,通过按动闭合按钮使释能脱扣半轴脱扣,滚针轴承B推动连杆2,使触头高速闭合。

图2(b)中,L形“鸟头”杠杆1扣在“双刀”杠杆2的滚柱上,而杠杆2又扣在分闸脱扣半轴上,可把机构中巨大的分力减少至10 N以下,保证可靠脱扣。

图1 配电系统图

图2 ACB机构的三状态

图2(c)中,机构闭合用到两套四连杆机构。当再扣动作完成后,L形“鸟头”杠杆1不动,其右端可视为定点,则连杆2、连杆3、连杆12成为一副四连杆,连杆12、13、14为另一副四连杆;当储能杠杆上的滚针轴承B推动连杆3向左运动时,可使触头达到闭合位置。

2.2 ACB机构应用效果

对机构连杆尺寸优化,减少机构在闭合、断开时的机械碰撞能量,降低机件的损伤;采用新材料,包括钢材和高强度绝缘材料,用塑料齿轮代替钢齿轮。这样明显提升机械寿命,指标不低于国外优秀企业的同款ACB产品。

3 MCCB机构的应用

3.1 单断点MCCB机构

单断点MCCB的自由脱扣机构三状态如图3所示。

图3(a)中,机构处于脱扣位置,如要闭合操作,首先要扳动手柄(顺时针方向),使机构再扣,进入图3(b)所示的位置,再扣板被锁扣扣住,可把O4看成定点,机构做好闭合准备;O4O3O6组成四连杆机构,当手柄向左扳动时弹簧力线拉长,当弹簧力线越过轴O3时,O4被弹簧拉动迅速绕O3转动,即O1O6绕O6转动,使触头闭合,如图3(c)所示。若要手动断开断路器,只要顺时针方向扳动手柄,使弹簧力线越过O3,则使触头断开。当异常发生后脱扣轴顺时针方向转动一个角度,使再扣板脱扣,四连杆转变成五连杆,断路器快速断开。

3.2 双断点MCCB机构

3.2.1 机构原理描述

双断点MCCB机构主要为提高断路器分断能力或提高使用电压或限流特性等性能而采用的新型结构形式,由四连杆、五连杆机构组成。双断点MCCB的自由脱扣机构三状态如图4所示。FEG为杠杆,E点为杠杆的转动支点;DCK为跳扣,D点为跳扣的转动支点;BC为上连杆,AB为下连杆,O点为动触头转动中心;LH为锁扣,H为锁扣的转动支点;JM为牵引杆,J点为牵引杆的转动支点;BI为分断弹簧的轴线。

图3 单断点MCCB的自由脱扣机构三状态

图4 双断点MCCB的自由脱扣机构三状态

图4(a)中,在自由脱扣状态下顺时针转动杠杆EFG至杠杆合闸限位状态(再扣状态),此时弹簧轴线BI位于上连杆BC的右侧,确保自由脱扣状态下向合闸方向推动手柄,触头开距不变,同时保证断路器内部装入的辅助触头不转换。逆时针转动杠杆EFG,分断弹簧将随着杠杆EFG的转动而受到拉伸并储能,当弹簧力的轴线BI与上连杆BC重合时处于最大位能状态,一旦超过上连杆BC,在弹簧力的作用下下连杆AB将推动触头快速运动至闭合,此时机构为四连杆机构,处于合闸状态,见图4(b)。顺时针转动杠杆EFG,分断弹簧将随着杠杆EFG的转动而受到拉伸并储能,当弹簧力的轴线BI与上连杆BC重合时处于最大位能状态,一旦超过上连杆BC,在弹簧力的作用下下连杆AB将拉动触头快速运动至断开,此时机构处于分闸状态(再扣状态)。

当短路电流引起锁扣LH转动,在分断弹簧的作用下,跳扣DCK绕D逆时针转动,C点成为活动点,同时BC上连杆、AB下连杆脱离死区,于是变成五连杆机构,此时机构为自由脱扣状态,见图4(c)。

3.2.2 机构三维示意图

双断点MCCB机构三状态三维模型如图5所示。

3.2.3 应用效果

双断点MCCB自由脱扣机构不仅要注意合闸角、分闸角的优化设计,还要注意四极(N、A、B、C)断路器的同步性设计,可采用跨双极结构,即手柄杠杆横跨中间的两极单元盒,确保扳动手柄后推动力均匀地传递到极间联动轴上。手柄杠杆、跳扣等连杆零件材料选择10#钢,并进行QPQ盐浴,确保结构变形最小。跨双极机构示意如图6所示。

图5 双断点MCCB机构三状态三维模型

图6 跨双极机构示意

通过对MCCB机构连杆尺寸、角度、材料、工艺等多维度的优化及验证,产品的性能指标不低于国外优秀企业的同款产品。

4 MCB机构的应用

终端断路器常用的连杆机构分为单组连杆机构和双组连杆机构。

4.1 单组连杆机构原理介绍

单组连杆机构由手柄、连杆、跳扣、锁扣、动触头、静触头、弹簧等零部件组成。MCB单组连杆机构如图7所示。终端断路器的机构三状态如图8所示,在动作的过程中,共分为合闸、分闸、自由脱扣3种状态。

图8(a)中,当手柄绕轴O1顺时针推动时手柄推动连杆,连杆推动跳扣、锁扣、动触头组件(跳扣被锁扣扣住)围绕轴销O2顺时针方向转动,弹簧压缩储能,直至连杆挺直,动、静触头闭合,MCB处于合闸状态;操作机构为O1abO2四连杆机构。

图7 MCB单组连杆机构

图8 终端断路器的机构三状态

图8(b)中,当手柄绕轴O1逆时针方向推动时手柄拉动连杆,在弹簧的作用下,跳扣、锁扣、动触头组件(此时跳扣被锁扣扣住)绕轴销O2逆时针转动,动、静触头分开,MCB处于分闸状态;操作机构为O1abO2四连杆机构。

图8(c)中,当MCB处于合闸状态,电路出现过载或短路电流时,脱扣器迅速推动锁扣释放,跳扣在连杆的推动下围绕轴销c逆时针方向转动,使操作机构的四连杆变为O1abcO2五连杆机构,从而使动触头迅速分断;MCB处于自由脱扣状态。

4.2 双连杆机构在某款产品的实际应用

典型的MCB双连杆机构如图9所示,其原理与单组连杆机构的类似;通过双四连杆机构的合理组合使用和结构尺寸的合理优化,降低脱扣力约5%,提高产品的可靠性;目前已批量生产。

图9 典型的MCB双连杆机构

5 结 论

以ACB、MCCB、MCB 3类典型的配电断路器为例,介绍了连杆机构的典型应用,从机构的动作原理上阐述了四连杆、五连杆机构的具体应用,可为低压电器设计人员参考或借鉴。