【文章內(nèi)容簡介】 燃尼龍 PA66。該材料具有很高的韌性，并且不容易被電弧擊穿。選取好材料后就要對其具體尺寸進行設(shè)計，然后開模注塑，完成相關(guān)絕緣零件的設(shè)計。 （ 2）機構(gòu)設(shè)計：機構(gòu)的設(shè)計涉及到操作力的大小，反應(yīng)時間，機械壽命等相關(guān)要求。首先確定油阻尼斷路器采用什么樣的連桿機構(gòu)，然后在設(shè)計過程中應(yīng)該盡量使機構(gòu)零件少這樣反應(yīng)時間快；脫扣力小方便電磁鐵的設(shè)計；所占空間小，這樣斷路器的體積就會相應(yīng)的要小。 （ 3）電磁系統(tǒng)的設(shè)計：油阻尼斷路器的電磁系統(tǒng)設(shè)計是整個斷路器最關(guān)鍵的部分，也是油阻尼斷路器區(qū)分其他斷路器的一個特點。脫扣力的大小直接關(guān)系到電磁系統(tǒng)的設(shè)計。 安匝數(shù)決定磁場強度的大小，從而決定產(chǎn)生磁吸力的大小，而磁吸力的大小能否克服需要達到的脫扣力大小對產(chǎn)品的性能起著決定性的作用，線圈的安匝數(shù)受制與線圈的匝數(shù)，而線圈承載的電流大小決定了線圈的要求截面積大小，進而得出線圈的其他尺寸。油阻尼斷路器的電磁系統(tǒng)中的鐵芯部分是由一個阻尼器替代的。阻尼器里面的組成是一個有 DT4 構(gòu)成的比線圈稍長的鐵芯、阻尼彈簧和甲基硅油。整個原 理就是當(dāng)電路過載時，線圈產(chǎn)生的電磁力拖動油杯內(nèi)的鐵芯克服阻尼彈簧和硅油的阻尼作用向極靴處運動，由于運動過程中磁阻 mR 減小，所以φ增大，但運動到接觸極靴時，φ到最大所以對銜鐵的電磁吸力也到最大。此時電磁吸力克服銜鐵反力拖動銜鐵運動實現(xiàn)跳閘。短路保護和此基本一致。在設(shè)計過程中就由于線圈發(fā)熱油的阻尼作用會降低，在鐵芯運動過程中阻油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 6 尼彈簧對鐵芯的阻尼作用會逐漸增大，且電磁吸力對也會隨著鐵芯運動增大。所以油阻尼斷路器較一般斷路器電磁系統(tǒng)來說 除了工作氣隙一個變量外還有其他二個變量。所以對其計算帶來很大麻煩。所以一般都是按照經(jīng)驗值加上電腦模擬計算和大量實驗來確定線圈的設(shè)計。 （ 4）滅弧系統(tǒng)的設(shè)計：目前小型斷路器的滅弧系統(tǒng)都是采用導(dǎo)電柵板滅弧。油阻尼斷路器的滅弧系統(tǒng)組成有引弧板、擋弧板、滅弧室。 引弧板，對電弧向滅弧室的運動起到促進作用。 其材料為 冷軋鋼板鍍錫。引弧板上面有一條凸起，主要就是為了方便電弧移動，更好的將電弧引入滅弧室。導(dǎo)磁板是觸頭和滅弧室之間的一個鐵片，主要是為了防止多次分斷后電弧將殼體燒穿。滅弧室設(shè)計由八塊柵片組成，其材料為 冷軋鋼板鍍鎳。這個滅弧室的滅弧原理主要就是將電弧分斷成若干個小電弧，增大其近極壓降，提高電弧的靜態(tài)伏安特性曲線讓其與電路的靜態(tài)伏安特性曲線無交點，導(dǎo)致電弧熄滅。 （ 5）電接觸系統(tǒng)的設(shè)計：電接觸系統(tǒng)包括固定連接和可分斷觸頭。固定連接比如軟連接與導(dǎo)電板之間的焊接等；此處要求固定連接焊接牢固，避免接觸電阻過大引起發(fā)熱大。另外還包括導(dǎo)電部件的設(shè)計和材料選取。一般來說對于導(dǎo)電部件材料一般為紫銅鍍銀。對于一些特殊部件也可采用鍍錫。比如部分裸露的靜觸板等。可分斷觸頭即動靜觸頭，可分斷觸頭是斷路器運行是否可靠的一個最根本的 因素。一般來說觸頭的接觸電阻決定了整個斷路器的內(nèi)阻的大小。對于觸頭的設(shè)計首先要確定觸頭的材料選取，然后對其形狀、厚度等進行設(shè)計和計算。由于斷路器對觸頭的要求比較苛刻，對其熔點、硬度、導(dǎo)電、抗熔焊性等都有很高要求，所以在材料選取方面一定要注意。 （ 6）工藝設(shè)計：任何一個產(chǎn)品的工藝水平都關(guān)系著其產(chǎn)品性能的高低，同時也代表著其生產(chǎn)水平的高低。對于油阻尼斷路器來說其零件的處理工藝和固定接觸的連接工藝是至關(guān)作用的。因為這兩個工藝直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命的長短、性能的穩(wěn)定和是否能夠滿足發(fā)熱要求。 課題需要解 決的主要問題 研究和設(shè)計油阻尼斷路器需要解決的問題如下： （ 1）對于殼體內(nèi)外部尺寸的設(shè)計以及材料的選取。 （ 2）操作機構(gòu)的設(shè)計，具體是采用何種機構(gòu)能提高斷路器的性能。 （ 3）確定脫扣力大小，根據(jù)脫扣力大小來確定電磁鐵的設(shè)計和阻尼油濃度。 （ 4）觸頭的設(shè)計，采用什么樣的材料和焊接方法盡量減小接觸電阻，從而減小發(fā)熱。 （ 5）滅弧系統(tǒng)的設(shè)計，采用何種滅弧方式在達到效果的前提下比較合理。 （ 6）在設(shè)計過程中需要盡量模塊化和減少零件的個數(shù)。使斷路器生產(chǎn)工藝簡單，從油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 7 而減少由于 人工裝配失誤對產(chǎn)品性能的影響。 以上海良信電器股份有限公司生產(chǎn)的 NDB5 系列油阻尼斷路器為例，其主要參數(shù)如下： （ 1）額定電壓： ?nU DC80V； （ 2）額定電流： ?nI 63A； （ 3）額定工作頻率 f =50/60Hz； （ 4）機械電氣壽命： 10000 次（其中電氣壽命 6000 次）； （ 5）額定短路分斷能力： cuI =10kA； （ 6）正常工作溫度范圍： 40℃ — 85℃； （ 7）工作制：長時間工作制 。 油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 8 第 2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作機構(gòu)的設(shè)計?？傮w結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是針對油阻尼斷路器的的殼體進行設(shè)計。包括殼體尺寸，殼體設(shè)計需要遵守的原則，殼體的材料等等。其總體結(jié)構(gòu)還應(yīng)該包括整個斷路器的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，即油阻尼斷路器內(nèi)部零件的擺 放。因為零件擺放的合理性直接關(guān)系到油阻尼斷路器的工作性能的穩(wěn)定性。所以油阻尼斷路器在殼體內(nèi)部的擺放位置必須服從相關(guān)原則規(guī)定。油阻尼斷路器的操作機構(gòu)直接關(guān)系到斷路器的分斷能力的大小和工作的穩(wěn)定與否。操作機構(gòu)原則上是在保證操作機構(gòu)正常工作的情況下，零件越少越好。因為這樣能夠減少機構(gòu)的反應(yīng)時間提高其靈敏度。從而能夠提高斷路器的分斷能力。接下來就詳細的介紹油阻尼斷路器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和其操作機構(gòu)的設(shè)計方法。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括殼體的大小尺寸、內(nèi)部零件的擺放和殼體材料的選取等。零件擺放可分為平面布置 和立體布置兩種，綜合油阻尼斷路器各方面因素考慮，油阻尼斷路器的零件擺放采用平面布置的方法，即所有零部件如操作機構(gòu)、電磁系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、支架、軸等，全部鋪開布置在一塊絕緣底板上，這種布置方法的特點是容易接觸到每一個零部件，便于裝配和調(diào)整，也便于更換易損零部件。 對于油阻尼斷路器來說殼體的設(shè)計的主要原則是： （ 1） 零件的取下和安裝方便。斷路器零件安裝時最好不要用螺釘緊固的方式安裝零件。油阻尼斷路器固定零件的方法是首先將零件全部都按照殼體內(nèi)部的形狀卡在殼體上，然后用鉚釘鉚緊殼體這樣的方法固定內(nèi)部零件。因為這樣的方法對零 件和殼體內(nèi)部的尺寸的配合要求比較嚴格，所以就需要對殼體模具內(nèi)部形狀尺寸進行精確設(shè)計（比如凹槽的形狀、寬度、深度等），這樣方便卡住各個零件。 （ 2）各部件接線方便。對于油阻尼斷路器主要考慮的是對接線端口怎樣設(shè)計方便使用人員接線。 （ 3）操作機構(gòu)操作方便，便于安裝。為了便于產(chǎn)品的的裝配方便和使用者的方便，將油阻尼斷路器的操作手柄裝在油阻尼斷路器頂部。 （ 4）產(chǎn)品安裝方便。油阻尼斷路器采用燕尾槽配合卡快安裝，無需螺栓安裝。 根據(jù)以上要求設(shè)計出 NDB5 油阻尼斷路器殼體的內(nèi)部形狀和外形尺寸如圖 和圖 所示。 油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 9 圖 油阻尼斷路器下殼體尺寸圖 圖 油阻尼斷路器上殼體尺寸圖 油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 10 由圖 和圖 可知，油阻尼斷路器的尺寸比較小。這樣使得油阻尼斷路器在安裝時大大的節(jié)省了安裝空間。這樣使得客戶的產(chǎn)品在尺寸也會有個下降。更受客戶的青睞。目前油阻尼斷路器的上下殼體材料均選用 PA66 增強阻燃尼龍。因為該材料絕緣耐壓好，可塑性好并且可回收進行重塑。這樣就使得生產(chǎn)成本會大大降低。節(jié)約生產(chǎn)資源。殼體實物如下圖 。 圖 油阻尼斷路器的殼體實物 斷路器內(nèi)部零件擺放如圖 所示。 圖 內(nèi)部零件的擺放直接關(guān)系到斷路器的溫升實驗、鹽霧實驗以及機構(gòu)的靈活運動。如果電磁系統(tǒng)擺放的太過中間那么可能會導(dǎo)致電磁系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不能夠馬上傳遞出去，以至于溫升通不過，所以電磁系統(tǒng)要盡量的不要放在中間。但由于銜鐵對于鹽霧實驗的要求非常高所以有要求跟銜鐵一起的電磁系統(tǒng)盡量放在中間一些。這樣就會減少銜鐵接觸外部空氣的幾率。這樣綜合考慮后將電磁系統(tǒng)放在如圖所示的位置。其他系統(tǒng)只需滿足相關(guān)要求即可。操作機構(gòu)只需保證機構(gòu)的可靈活操作，滅弧系統(tǒng)只需考慮怎么樣的擺放達到最 好額滅弧效果，其余導(dǎo)電部件只需滿足溫升的要求。 油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 11 操作機構(gòu)的設(shè)計 一般斷路器的的閉合與斷開動作是由傳動機構(gòu)、自由脫扣機構(gòu)和主軸（轉(zhuǎn)軸）、脫扣軸（牽引桿）等來實現(xiàn)的。 傳動軸 對于的不同的斷路器，如 ACB、 MCCB 和 MCB，它們的傳動機構(gòu)都可以分為手柄傳動、杠桿傳動、電磁傳動、電機傳動和氣壓傳動或者液壓傳動五種 [9]。 設(shè)計傳動機構(gòu)時應(yīng)注意： （ 1） 手柄和杠桿的傳動的最大操作力應(yīng)不超過 250N。為了減輕操作者的操作負擔(dān)，如操作力超過 250N 的斷路器，可配備加長力臂。 （ 2） 傳動機構(gòu)的消 耗功率要小。為了降低大容量斷路器的消耗功率，可采用儲能閉合的電動機傳動，此時電動機的功率可降至 。 （ 3） 應(yīng)使固有閉合時間縮短。 （ 4） 閉合斷路器的沖擊應(yīng)盡量小。 主軸、脫扣軸 對于小型斷路器（ MCB）來說一般是采用主軸和脫扣軸的結(jié)構(gòu)來完成機構(gòu)的閉合與斷開動作。因為采用這種結(jié)構(gòu)其體積和質(zhì)量不會很大，符合小型斷路器的設(shè)計要求。而自由脫扣機構(gòu)一般較大，常用于萬能式斷路器（ ACB）和塑料外殼式短路器（ MCCB），且這種脫扣機構(gòu)一般需要很大的操作力才能動作，所以一般不用于 MCB 中。下面對主軸和脫扣軸分別介紹如下。 主軸（也有稱支架的），它是四連桿之一，機構(gòu)的下連桿和動觸頭系統(tǒng)均與之相連。主軸與三個極或者四個極的動觸桿相連，它必須經(jīng)受數(shù)千甚至數(shù)萬次的壽命考核，因此要求它有很高的機械強度；由于它是連著多級的導(dǎo)電系統(tǒng)，就要求油很好的絕緣等級。（有的也直接將支架作為導(dǎo)電系統(tǒng)）。主軸一般采用熱固性材料（如國產(chǎn)的 FX502 酚醛玻璃纖維壓塑料、 DMC、 SMC 聚酯玻璃絲增強壓塑料等）壓制 [9]。但對于油阻尼斷路器來說，由于將支架直接作為導(dǎo)電系統(tǒng)，所以油阻尼斷路器的支架是采用的紫銅作為材料，并且在外面鍍 銀進行防氧化保護和降低電阻。 脫扣軸（又名牽引桿），它是一種解扣（解開自由脫扣機構(gòu) 鎖扣）的重要部件。當(dāng)發(fā)生過載短路時，雙金屬片或電磁鐵的動鐵芯（銜鐵）碰撞脫扣桿（牽引桿），使其上的鎖扣與四連桿中的跳扣脫開，在主力彈簧的作用下，將四連桿變?yōu)槲暹B桿、斷路器跳閘。對與油阻尼斷路器來說其牽引桿就是銜鐵。當(dāng)跳扣失去銜鐵的支撐作用后就會在主油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 12 力彈簧的作用下，將四連桿變?yōu)槲暹B桿、斷路器跳閘。 油阻尼斷路器操作機構(gòu)的設(shè)計與分析 操動機構(gòu)，無論是那種型式的斷路器，實質(zhì)上是一種四連桿機構(gòu)。當(dāng)然油阻尼斷路器也不例外。 但油阻尼斷路器的操作機構(gòu)不同于普通的 MCCB 的操作機構(gòu)。普通的操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繁瑣。其零件個數(shù)大多超過十個以上個。這樣直接導(dǎo)致其安裝工藝復(fù)雜和其靈敏度降低。油阻尼斷路器的操作機構(gòu)為四連桿機構(gòu)中的雙搖桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 雙搖桿機構(gòu)機構(gòu)圖 其工作原理為搖動搖桿 AB 時，通過連桿 BC另一個搖桿 CD 也會做相應(yīng)的運動。在作為油阻尼斷路器的操作機構(gòu)時，為了提高其靈敏度，不同于普通斷路器采用 CD 桿為有效動作桿，直接將 BC作為動觸頭桿。但雙搖桿機構(gòu)存在必須滿足一些條件：①連架桿和機架中 必有一桿是最短桿，稱為最短桿條件；②最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其他兩桿的長度之和，稱為桿長之和條件；③在滿足桿長之和條件時，要選取最短桿對面的桿為機架；④在不滿足桿長條件之和時，不管那一桿為機架都可以是雙搖桿機構(gòu)。 在具體斷路器機構(gòu)設(shè)計時除了考慮上述條件外還要考慮實際情況，如觸頭開距、分斷速度、合閘速度等等一些跟機構(gòu)有關(guān)系的實際因素。在綜合考慮后設(shè)計出如圖 所示的操作機構(gòu)草圖。 圖 油阻尼斷路器操作機構(gòu)草圖 油阻尼斷路器的研究與設(shè)計 13 如圖 所示，手柄為搖桿桿 AB，動觸頭組為連桿 BC，彈簧為連架桿 CD，固定點手柄軸（ E）與跳扣和彈簧接觸的位置 (D)之間為機架 ED。這樣便組成了一個雙搖桿機構(gòu)。其中機架為四桿之中最短的一桿，滿足雙搖桿機構(gòu)組成的必要條件。當(dāng)斷路器處于正常工作狀態(tài)時，鎖扣必須先扣住銜鐵，因為如圖 所示，彈簧是扣在鎖扣上的，只有當(dāng)鎖扣固定后才能形成固定點 D，這樣才能組成雙搖桿機構(gòu)。在合閘過程中，轉(zhuǎn)動手柄（搖桿 AB），根據(jù)雙搖桿機構(gòu)的工作原理連桿 BC和連架桿 CD都會跟隨一起運動，從而實現(xiàn)合閘。當(dāng)斷路器工作在短路或者過載的情況下，那么銜鐵會被吸引向線圈，從而跳扣失去銜鐵的固定作用，從固定狀態(tài)變?yōu)?可活動狀態(tài)，從而固定點 D 也不存在，所以破壞了雙搖桿機構(gòu)，使機構(gòu)由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，不能保持正常工作狀態(tài)下的工作狀態(tài)，實現(xiàn)跳閘。 油阻尼斷路器操作機構(gòu)的特點： ①零件少，油阻尼斷路器操動機構(gòu)包括支架在內(nèi)一共只有 8 和零件，安裝工藝簡單，提高了操作機構(gòu)的工作性能的穩(wěn)定性。 ②靈敏度高，當(dāng)斷路器接收到分閘信號時，銜鐵被吸引想線圈，跳扣失去支撐力，但由于傳動部件僅有跳扣一個。所以跳閘反應(yīng)時間特別快（ 內(nèi)），這樣直接導(dǎo)致油阻尼斷路器的分斷能力較高，達 10kA。