引言

隨著我國(guó)配電行業(yè)的不斷發(fā)展，低壓電器產(chǎn)品尤其是低壓斷路器也在不斷發(fā)展。國(guó)際著名電器廠商相繼推出了新一代產(chǎn)品，萬(wàn)能式斷路器正在向高性能體積比、高穩(wěn)定性、高智能方向發(fā)展。江蘇輝能電氣有限公司推出的HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器，正是順應(yīng)了發(fā)展趨勢(shì)，滿足了市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的更高要求。

1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1體積小

1.2溫升低

1.3穩(wěn)定性高

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器結(jié)構(gòu)新穎，運(yùn)行穩(wěn)定。

1.4智能化

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器可配套多種智能控制器，具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)等基本保護(hù)功能，同時(shí)，具有電流不平衡保護(hù)、相序保護(hù)等高保護(hù)功能。斷路器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)質(zhì)量、設(shè)備信息等進(jìn)行有效檢測(cè)和記憶，并可配用不同的現(xiàn)場(chǎng)總線，如Modbus、DeviceNet，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、檢測(cè)、控制，可充分滿足成套裝備的配電自動(dòng)化要求。

2課題和措施

2.1降低連接處接觸電阻

斷路器采用螺釘連接，屬于靜態(tài)連接;接觸部分采用銀合金電阻釬焊，并通過(guò)壓縮彈簧壓緊連接，屬于動(dòng)態(tài)連接;采用板狀彈簧，以一定壓力連接，方便斷路器本體插接時(shí)能自由斷開和連接，屬于動(dòng)態(tài)連接。

2.1.1降低靜態(tài)連接處的接觸電阻

與HNW2系列萬(wàn)能式斷路器相比，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器具有靜態(tài)連接多、接觸電阻影響大的特點(diǎn)。為了降低序1與序2、序4與序5靜態(tài)連接的接觸電阻，隨機(jī)抽樣進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，并對(duì)斷路器溫升分布進(jìn)行了檢測(cè)和記錄，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)連接處溫升高于其余部分。經(jīng)過(guò)分析，溫升高的原因可能是導(dǎo)體接觸面平整度低。

采用壓感紙對(duì)連接端面進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)，采用壓力機(jī)對(duì)連接端面進(jìn)行直接加壓后得到的接觸面積小于理論面積，采用鋼尺在連接端面刮拭得到的摩擦面也局限在邊緣或螺紋孔處。經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，平整度差是導(dǎo)致接觸電阻大的主要原因，平整度差是由設(shè)計(jì)方案缺乏工藝性導(dǎo)致的。通過(guò)修改導(dǎo)體外形結(jié)構(gòu)、優(yōu)化加工工藝，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器靜態(tài)接觸面積顯著增大。

2.1.2降低動(dòng)態(tài)連接處的接觸電阻

斷路器橋形觸頭如圖2所示，接觸片厚度2mm，盡管裝有32片接觸片，但接觸片與導(dǎo)體的接觸面還是偏小，導(dǎo)致接觸電阻較大，當(dāng)輸入滿負(fù)荷電流時(shí)，橋形觸頭的溫升偏高。橋形觸頭水平放置在膠木底架內(nèi)，散熱性差，導(dǎo)體與橋形觸頭的接觸時(shí)間愈長(zhǎng)，溫升就愈高。另一方面，橋形觸頭的支架是鑄鋁，熔點(diǎn)低，強(qiáng)度差，當(dāng)橋形觸頭長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷工作時(shí)，在高溫和應(yīng)力的作用下，鋁框架容易發(fā)生蠕變，接觸片與導(dǎo)體的接觸面積、接觸壓力變小，使接觸電阻增大，溫升提高，惡性循環(huán)導(dǎo)由圖1可知，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器的橋形觸頭與導(dǎo)體的理論接觸面積增加了100%，減小了接觸電阻;新橋形觸頭支架采用優(yōu)質(zhì)材質(zhì)，由發(fā)熱產(chǎn)生的蠕變變小;同時(shí)，新橋形觸頭空間分布有利于充分增大散熱效率。

通過(guò)降低動(dòng)態(tài)、靜態(tài)連接處的接觸電阻，增大橋形觸頭接觸面積，改變橋形觸頭材質(zhì)和空間分布，在既定的小空間內(nèi)，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器滿足了GB14048.2對(duì)溫升的考核要求。

2.1.3降低分?jǐn)嘣囼?yàn)后溫升

根據(jù)GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)，(額定極限運(yùn)行分?jǐn)嗳萘?分?jǐn)?O－CO－CO過(guò)程)后，接線端子的溫升必須在規(guī)定值以下。由于分?jǐn)鄷r(shí)觸頭的損傷非常大，而小型化后這種狀態(tài)將變得更加惡劣，所以，減輕斷路器分?jǐn)鄷r(shí)的觸頭損傷成為控制溫升的重要研究課題。

通過(guò)理論分析認(rèn)為，觸點(diǎn)可以分為兩大部分:①弧觸點(diǎn)，承載帶電分合閘的電弧能量;②主觸點(diǎn)(銀合金)，長(zhǎng)期承載工作電流。

電弧在產(chǎn)生后，迅速地從主觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至弧觸點(diǎn)，電弧能量由弧觸點(diǎn)承擔(dān);同時(shí)，在主、弧觸點(diǎn)周圍安裝的產(chǎn)氣材料在高溫下產(chǎn)生高壓氣體，有利金屬相向氣相電弧的轉(zhuǎn)變;高壓氣體在滅弧室內(nèi)外部形成壓力差，驅(qū)動(dòng)電弧向滅弧室運(yùn)動(dòng)，有利提高電弧電壓，減小電弧對(duì)觸點(diǎn)的燒灼。

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器動(dòng)、靜觸頭的前端進(jìn)行了延伸，并裝配了弧觸點(diǎn)。分?jǐn)鄷r(shí)，電弧能量在動(dòng)觸頭前端積累，減少了主觸點(diǎn)上的損耗。這樣，在程序II試驗(yàn)后的溫升被控制在規(guī)定值以下。

2.2提高穩(wěn)定性

2.2.1二次端子設(shè)計(jì)

斷路器所用二次端子對(duì)接模式主要有針孔、滑片對(duì)接方式。針孔對(duì)接方式主要分為2大部分:固定部分和可動(dòng)部分?？蓜?dòng)部分固定在本體上，隨本體一起運(yùn)動(dòng);固定部分固定在抽屜座上。該結(jié)構(gòu)具有端子回路數(shù)較多、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但筆者在應(yīng)用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)存在兼容性低的問(wèn)題。

經(jīng)分析，該結(jié)構(gòu)要安裝在與側(cè)板安裝狀況相關(guān)的支架上。斷路器側(cè)板具有不對(duì)稱性和無(wú)規(guī)律性，檢測(cè)、安裝人員必須根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)調(diào)整二次端子的位置，確保斷路器二次回路可靠導(dǎo)通。

不同的斷路器的二次端子具有不一致的位置，用戶需要仔細(xì)核對(duì)斷路器編號(hào)，以確保本體與抽屜座的配合，保證二次端子可靠導(dǎo)通。

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器所用二次端子采用滑片式插接設(shè)計(jì)，分為2大部分:①可動(dòng)部分固定在本體上隨本體一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電部分為彈性導(dǎo)電片;②固定部分固定在抽屜座上，允許左右一定距離的自由運(yùn)動(dòng)空間，2大部分具有相互導(dǎo)向功能。HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，固定部分根據(jù)可動(dòng)部分自動(dòng)判斷位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器所用二次端子采用螺釘對(duì)外連接，連接處配有絕緣罩保護(hù)結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)符合人性化設(shè)計(jì)，具有防塵和提高絕緣性能的效果。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器提高了抽屜座與本體的兼容性，滿足了生產(chǎn)需求。

2.2.2抽屜座設(shè)計(jì)

通過(guò)整理客服信息發(fā)現(xiàn)，用戶對(duì)抽屜式斷路器的投訴主要包含以下部分:①斷路器本體無(wú)法抽出;②斷路器無(wú)法遠(yuǎn)程合閘、分閘;③斷路器本體無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)合閘。

分析處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用戶在斷路器錯(cuò)誤狀態(tài)下執(zhí)行了操作，導(dǎo)致斷路器不能正常工作甚至損壞。進(jìn)一步分析又發(fā)現(xiàn)，抽屜座位置指示存在誤差范圍，抽屜座缺乏聲音和位置鎖定等輔助提示功能，是位置判斷困難的主要原因;其次，插接力大、插接困難導(dǎo)致用戶錯(cuò)誤認(rèn)為斷路器已經(jīng)處于預(yù)期位置或斷路器已經(jīng)損壞而不敢進(jìn)一步操作斷路器;再者，本體在分離位置無(wú)限位功能，本體在傾斜狀態(tài)下滑出抽屜座，導(dǎo)致斷路器損壞。因此，保證正確的位置指示、合適的判斷標(biāo)準(zhǔn)、合適的插接力、增加分離位置限位功能對(duì)提高抽屜式斷路器的穩(wěn)定性具有重要意義。

通過(guò)設(shè)計(jì)三位置指示、鎖定功能、“分離”位置限位功能、優(yōu)化橋形觸頭和導(dǎo)體表面光潔度及配合角度降低了插接力，保證了位置的精確度，提高了斷路器的穩(wěn)定性。

2.2.3輔助觸頭設(shè)計(jì)

輔助觸頭是在斷路器中作控制、信號(hào)、聯(lián)鎖等用途的開關(guān)元件，具有輸出端子數(shù)量眾多。接線繁雜，安全距離狹小，負(fù)載多樣，交流、直流、電壓等級(jí)等需求不確定的特點(diǎn)。為此，新開發(fā)的輔助觸頭必須具有兼容和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器所用輔助觸頭具有交、直流兩用特性，標(biāo)準(zhǔn)配置回路具有4NO4NC相互獨(dú)立回路。各個(gè)回路具有獨(dú)特的觸頭滅弧系統(tǒng)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定承載DC250V1.5A容性或感性負(fù)載。各個(gè)回路接線端子采用條形連接器直接連接，配套絕緣護(hù)套，使用安全，插接可靠。

為滿足電氣連鎖等控制功能需求，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器所用輔助觸頭允許配置14路獨(dú)立的常開、常閉觸點(diǎn)輸出。

3提高性能

根據(jù)GB14048.2—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器要能夠在0.5s或1s內(nèi)承受額定短時(shí)耐受電流。在分?jǐn)嘣囼?yàn)(O－CO或O－CO－CO)后，還必須驗(yàn)證5%的電壽命和溫升。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，公司運(yùn)用Ansys軟件對(duì)斷路器分閘過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化仿真，重新設(shè)計(jì)了操作機(jī)構(gòu)部件、動(dòng)靜觸頭以降低觸頭顫動(dòng)，提高斷路器動(dòng)熱穩(wěn)定性;采用了全新的軟連接焊接方法，以降低焊接處的回路電阻;改進(jìn)了滅弧室，加強(qiáng)引弧性能，增大滅弧室內(nèi)、外壓力差，提高電弧運(yùn)動(dòng)速度。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最大的性能體積比，滿足了小型化、高性能的要求。性能體積比如表6所示。

4結(jié)語(yǔ)

HNW3-1600萬(wàn)能式斷路器的成功開發(fā)，滿足了小型化、高性能、高穩(wěn)定性的預(yù)期要求，產(chǎn)品符合GB14048.1—2006、GB14048.2—2008等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，其后續(xù)工作將著重進(jìn)一步提高額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?、額定短時(shí)耐受電流;完善HNW3系列產(chǎn)品，開發(fā)HNW3-4000、6300萬(wàn)能式斷路器;配合智能電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)模塊型全智能化附件。