小型断路器设计研发与制造研究

姚金恒

（天津航空机电有限公司，天津 300308）

1 小型断路器及选择性保护分析

1.1 小型断路器概述

选用DZ47-60型号的小型断路器作为实物案例进行分析。该断路器在直接保护电动机、电容柜以及电热设备等高容性和高感性负载中并不适用。该断路器一般由触头系统（静触头和动触头共同构成的触头组）、操作机构（机械锁定手柄装置）、脱扣机构（电磁脱扣、热脱扣）、外壳以及灭弧室（急速灭弧系统）等构成[1]。

1.2 小型断路器选择性保护

在断路器发展过程中提出了相应的IEC标准，也提出了相应的国家标准。这两个标准明确规定了断路器的设计、生产等内容，其中选择性保护是规定中的重要内容。相关标准对断路器进行了科学界定，分为A/B两大类断路器，即将不具备选择性保护功能的断路器分为A类断路器，而具备选择性保护功能为B类断路器。断路器的选择性保护通过多个断路器之间的动作特性配合实现。在断路器界定范围内若出现过电流，则根据相关标准和设定，断路器（在此界定过电流范围内）会进行动作，而不在该过电流范围内的断路器不会进行动作。即当线路或电网出现故障时，靠近故障点的断路器会直接感应到过电流从而确定故障位置，并直接进行断路器动作，保证故障不会影响其他电路，从而确保无故障电路连续供电。A类具有选择性保护的断路器往往根据不同标准进行分类，包括局部选择性保护和全选择性保护两种类型。局部选择性保护需要界定一个过电流值，只有在该过电流值下断路器才具备选择性保护功能。全选择性保护的适用性更广，能够进行全电流范围的选择性保护。

目前，断路器的选择性保护可以通过以下几种方式实现。第一，电流的选择性，即上下级断路器的选择实现动作特性配合。对上下级断路器中的动作电流进行检测和比对，若该测定值比过载延时约定的不动作电流低，断路器能够动作进行选择性保护。第二，断路器时间选择性保护。断路器中能够对上下级断路器延时工作时间进行反馈，通过反馈与监测实现选择性保护。第三，断路器能量选择性保护。断路器具有典型的限流能力，在断路器监测到大电流时，下级断路器能迅速进行限流动作，使上级断路器不进行动作，从而实现选择性保护。第四，断路器逻辑选择性保护。当前发展中，断路器开始向着智能化方向发展，因此选择性保护也开始向着智能化方向发展。比如，下级断路器监测到故障时会直接反馈给上级断路器，此时上级断路器并不会直接动作，而会通过通信技术和智能化技术询问下级断路器是否能排除故障（限定时间）。若在限定时间内下级断路器不能排除故障，上级断路器才会动作，从而实现选择性保护[2]。

不管采用什么选择性保护，全选择性保护对配电网络具有积极影响。目前，断路器中的选择性保护在不断发展，断路器的选择性也开始由传统的局部选择性向着全选择性保护的方向发展。

2 带选择性保护小型断路器的设计原理

2.1 设计基本原理分析

传统小型断路器（模数化）在实现其选择性保护时需要电子式脱扣器的协调与配合。以往采用的方式涉及到的电子式脱扣器结构相对复杂，且该电子式脱扣器的结构成本较高。电子式脱扣器的应用中还存在稳定性差和抗干扰能力差的问题。因此，在传统小型断路器基础上引入机械式设计和有限流电阻辅助断路器选择性保护设计。

带选择性保护的小型断路器包括辅助回路和主回路两个回路，两个回路部分并联。限流电阻、辅助触头以及辅助回路双金属片串联构成辅助回路，其余部分为主回路。断路器中的操作机构控制两回路的闭合与断开，电磁机构控制主触头的分闸和闭合。另外，操作机构脱扣主要通过辅助回路双金属片和主回路双金属片进行控制。前面提到的双金属片在辅助回路和主回路中具有不同作用，即主回路中主要起到过载长延时的作用及特性，在短路中主要起到短路短延时的作用及特性。若在配网中出现短路，系统作用下会直接产生短路短延时电流并进行工作状态转换。此外，电路电流也将因此受限，凸显线路保护作用。

2.2 带选择性保护小型断路器运行状态分析

带选择性保护小型断路器运行状态分析，如图1所示。

（1）正常工作状态。在断路器正常工作状态下，由操作机构控制辅助触头和主触头的断开与闭合。若将额定电流导入断路器中，电磁机构及金属片在电流刺激下不会进行相应动作，且主触头因短路会形成如图1（a）所示的工作状态，即主回路正常。

（2）过载工作状态。一旦断路器过载，双金属片会受到过载电流刺激直接发生弯曲形变，操作机构脱扣，机构受到作用进而给主触头作用力使主触头打开，如图1（b）所示，即过载电流被切断。

（3）有短路电流工作状态。支路故障及短路作用下，故障或短路电流作用引起主触头及电磁机构动作，主回路因此开路，此时电流进行电路转换，主要在辅助回路中进行通断。因辅助回路中较高的电阻值，导致电路电流较小。当故障排除后，断路器会执行短路电流分段动作，最终断路器重新闭合主触头动作，恢复断路器正常工作，其状态如图1（a）所示。若下级断路器不能对故障电流或短路电流正常进行分断，选择性断路器的辅助回路双金属片会直接进行动作作用于操作机构，使断路器处于如图1（c）所示的状态，此时辅助触头和主触头打开[3]。

图1 带选择性保护小型断路器运行状态分析图

2.3 带选择性保护小型断路器的设计原则

经过研究和实践，选择性小型断路器的设计原则包括以下几点。第一，故障快速检测定位。设计的小型断路器能够快速地进行故障识别和定位，辨别故障发生区域和发生点。第二，故障迅速排除。设计的小型断路器能够保证靠近故障点的保护电器快速动作，并且此时设计的断路器还能够保证其他保护电器不发生动作。第三，具备降低系统允通能量的能力。设计的断路器必须具备一定的限流能力，对系统的允通能量进行限制，有效避免故障区的元器件受到热应力和电动力影响。第四，设计的断路器应该具备较好的短路电流和故障电流的耐受能力，以保证断路器具备短路短延时功能。第五，设计的断路器必须满足模数化要求，从而能够满足在终端配电箱中的应用。

3 基于双断点带选择性保护的小型断路器设计分析

3.1 总体结构设计

本文引入双回路技术，提出了一种新型双断点带选择性保护的小型断路器，由双回路电路机构和操作机构等构成。其中，该断路器的主回路由双金属片、电磁脱扣器以及主触头系统构成；辅助回路由双金属片、限流电阻和辅助触头构成。

3.2 双回路电路

双电路回路结构由限流电阻、两对触头（辅助触头、主触头）、电磁脱扣器以及两个过流脱扣器（主回路/辅助回路双金属片保护装置）构成。设计主要依靠辅助回路和主回路实现部分并联，其中主要依靠限流电阻、辅助触头和辅助回路金属片串联构成辅助回路。在操作机构控制下实现两对触头的断开与闭合，在电磁机构的控制下主要实现主触头的分闸与闭合。设计主要依靠辅助回路双金属片和主回路双金属片的控制实现操作机构脱扣，依靠双金属片（辅助回路）实现短路延时特性，依靠双金属片（主回路）实现过载长延时特性。若配网出现短路及故障，短路短延时在选择性保护中进行相应动作，电流转换并受限，以此保障线路安全。带选择性小型断路器设计方案采用了这种关键技术，同时为进一步提高断路器性能和可靠性，对其他系统模块也进行了优化与设计[4]。

3.3 操作机构

在带选择性小型断路器的设计中，对操作机构进行了仿真模拟，如图2所示。操作机构的仿真模拟中主要采用整体化模块设计，进一步简化了操作机构设计，保证其安装简化，且保障了操作机构中不同模块间的协调作用。

如图2所示，操作手柄在受力作用下会直接驱动第一连杆，并以此推动第二连杆和第三连杆，连杆驱动触头动作，实现分/合闸。热脱扣器作用于脱扣连杆，从而实现操作机构的解锁操作。电磁脱扣器也能进行相应的动作，从而打开主触头。本文仿真模拟中采用整体化和模块化设计，不仅为触头系统设计节约了空间，还为灭弧系统压缩了空间，同时辅助回路和主回路的双金属片共同控制脱扣连杆，保证了操作机构和断路器优良的延时稳定性。

图2 操作机构仿真模拟图

3.4 自动闭合旋转式双断点触头装置设计

将旋转式双端点结构引入自动闭合触头装置设计，设计结构如图3所示。触头支持两侧对称布置弹簧触头，P1和P2点是触头弹簧作用点，保证动触头能够绕O点进行转动。当断路器操作机构不作用于触头时，可以通过触头弹簧作用实现自动闭合，如图3（a）所示，以保证可靠性接触压力。当触头受到断路器操作机构大小为M的扭矩时，若M大于触头弹簧施加在触头支持上的扭矩，触头装置将实现断开操作，如图3（b）所示。

图3 自动闭合旋转式双断点触头装置示意图

3.5 灭弧系统设计

本文设计了新型灭弧系统，如图4所示。灭弧室设计中采用部分密封设计，通过引入主触头圆形设计实现。这种半封闭模式保证了灭弧区域具有较强的气压，有效保证了灭弧系统的气吹效果、灭弧系统的快速分段以及灭弧系统的迅速灭弧。

图4 灭弧系统结示意图

3.6 电磁脱扣器设计

在电磁脱扣器结构设计中引入永磁技术，结构如图5所示。引入永磁技术，在增加静铁心极面和动铁心极面的基础上，有效提升了断路器工作中的短延时保护性能。电磁脱扣器设计，永久磁铁能够一直被铁心吸引处于吸合状态。线圈电路改变超过大于15.75 mm时，线圈中产生的电磁力随之增大并会超过永久磁铁吸引力，在电磁力的作用下使动铁心向静铁心方向移动，两者吸合在一起并作用于推杆，使其沿着静铁心内部的圆形通孔滑动。这种设计不同于以往的断路器电磁机构设计，通过引入永磁技术和电磁斥力实现转换功能。为保证有效提高机构性能，需要其与不同机构协调运作。当检测到短路电流达到预期值时，电磁脱扣器机构能迅速动作，准确拆开主动闭合的主触头，实现主回路断开。若短路电流或故障电流在短时间内被消除，则电磁机构的触头会进行动作，重新闭合，使设备和电路重新恢复正常工作。这种设计思路和机构能够进一步提高断路器的性能，尤其是提高断路器得分断能力。

图5 电磁脱扣器结构示意图

4 结 论

通过分析断路器的结构和工作原理，结合工作经验设计了新型双端点带选择性保护小型断路器，分析了主回路设计原理和具体设计，模拟设计了断路器的各个部件和机构，设计了一种可实现多控制输入和输出的操作机构、自动闭合旋转式双断点触头装置、采用永磁技术设计的电磁脱扣器以及一种具有较强磁吹和气吹效果的灭弧系统结构，提高了选择性保护小型断路器的选择性保护和可靠性。