一种小型断路器引弧板系统的设计与优化_刘涛.pdf

/一种小型断路器引弧板系统的设计与优化刘涛（乐清市华洛电器有限公司）摘要：低压电器是量大、面广的产品，导弧板作为断路器的零部件之一，其设计合理性直接影响断路器接通与分断能力，本文基于导弧板合理设计进行优化与分析。关键词：低压电器；断路器；导弧板 引言随着社会经济快速的发展，人们的生活质量不断提高，家庭使用的电器种类不断增多，同时负载容量也相应地增加，若线路中出现短路等故障，产生的短路电流也会很大，所以对小型断路器的分断能力要求不断提高，来满足生活需求。影响产品短路分断因素很多，但引弧板是小型断路器中的零部件之一，若设计合理，断路器的特性与分断能力将大大提高，否则将降低断路器产品性能。所以在产品设计中有着十分重要的因素，本文将针对触头系统中的引弧板设计问题作分析与论述。电弧的产生电弧是一种气体放电现象，原本接触的两个触点通有大电流，在触点断开的瞬间，电子或离子游离到空气中并瞬间产生电火花，致使周围的空气自持导电，所以在电弧发生期间两个触点还是导电的。电弧持续的过程叫做拉弧的过程，这个过程大概持续几十毫秒至几百毫秒之间，一般不会超过一秒，但是在整个拉弧期间，电弧携带了巨大的能量和高温，可使周围的易燃物瞬间引燃引起火灾或者爆炸。电弧是如何产生的呢？机械式触点的动触点和静触点之间的活动距离非常小，在触点分离时，接触压力和接触面积也在减少，导致触点之间的接触电阻变大，流过的电流致使触点之间的温度上升，在有限的空间内，高温把触点表面液化。同时，在触头之间形成非常大的电场，触点在分断时，内部的电子就被电场拉了出来，形成电场发射，电弧的形成主要是电子、离子被游离。断路器在分断时，电路中电压大于 ，电流大于 ，断路器的触头之间就会产生电弧。所以，在分析断路器开关的结构和工作状态之前，首先应了解电弧如何产生和熄灭。断路器电弧的产生是动静触头之间中性质子（分子和原子）被游离的过程。断路器开关动静触头断开时，触头之间距离很小（断开之初），电场的强度 相对很高。当电场强度大于 时，阴极表面的电子就会在电场的作用下压出，在动静触头之间形成自由电子，这种游离方式称为强电场发射。从动静触头之间原有少量的电子与触头阴极表面发出的自由电子，由于电场力的原因，自由电子向阳极做加速运动，运动过程中不断地与中性质点相触碰。电子的运动速度足够快，电子的动能 足够大，从中性粒子有可能冲击出电子，产生正离子和自由电子。此现象称为碰撞游离。刚产生的自由电子朝着阳极做快速运行，同时也会与中性质点触碰而发生游离。触碰游离连续进行从而造成触头间充满了正离子和电子，拥有很大的电导；在电压的作用下，击穿介质而形成电弧，线路通过电弧再次接通。电弧燃烧在触头之间的间隙称为弧隙。电弧产生后，因为弧隙间较高的温度，促使阴极表面的电子得到充足的能量，阴极表面电子向外发射，产生热电场发射。同时在较高的温度的作用下（电弧柱温度超过 以上），中性质点在空气中无规则热运动速度加快。当中性质点获得充足动能而彼此触碰时，将使其游离而产生电子和正离子，这些现象叫做热游离。随着动静触头分开的距离渐渐加大，触头之间的电场强度 渐渐变小，这时电弧的燃烧主要能量是由热游离提供。在断路器的动静触头间，产生游离过程的同时，还产生着去游离过程使带电质点变少。电弧熄灭原理熄灭电弧原因主要是气体去游离，而去游离是靠电气技术与经济 产品与解决方案 /离子的复合和扩散两种形式。）复合就是正负离子相撞成中性质点的过程。复合快慢与周围的温度关系很大，温度高，复合概率就小；温度低，复合概率就大。因此设计断路器要考虑更容易冷却电弧或将电弧快速引入绝缘壁做成的窄缝，用 材料做成的灭弧栅片，能快速提高电弧电压，同时产生的电弧热量迅速导出，离子的运动速度大大降低，加快复合速度，尽快促使电弧熄灭。）扩散顾名思义就是电弧表面的自由电子及离子扩散到介质周围中的一种现象。密度大向密度小的扩散，温度高向温度低的扩散，离子扩散出来因温度低，密度小，所以互相更容易结合而生成中性分子，使电弧中的带电质点减少。总之，熄灭电弧主要基理是去游离的速度大于游离的速度来达到灭弧效果。因此，从电方面分析，要求动静触头之间的恢复电压的速度小于介质恢复速度（即空气中恢复成中性分子的速度），使电弧不致因强电场发射和碰撞游离而再次击穿重燃；从热的方面分析，散热速度要比发热速度快，使电弧不因高热量造成热发射和热游离而复燃。小型断路器的开断几个过程小型断路器采用栅片灭弧，采用这种灭弧室的开断过程一般可分为 个阶段，如图 所示。）断路器短路时出现短路电流瞬间 到触头开始动作这一刻，这段动作时间为限流机构时间，对小型断路器来说，是指动触头上的电动斥力随短路电流增长，至电动斥力等于触头压力，而使触头开始拆开所需时间，这段时间内触头尚未分开，因而触头两端电弧电压 。）至 段时间，动触头在 时刻开始打开，触头上出现电弧，由于电弧停滞现象，电弧在触头上保持不动，这段时间称为电弧停滞时间 ，它决定于触头的材料，吹弧磁场与触头打开速度等因素，这一阶段中电弧电压变化不大。）到 瞬间，电弧拉长到一定长度，这时电弧在自励磁场产生的电动力作用下，离开触头并通过弧角进入灭弧栅片，这一阶段电弧电压很快地增长，其增长速度决定了电弧运动速度和进入灭弧栅片的时间，至 这段时间为电弧运动时间。）当电弧进入灭弧栅片后。电弧电压达到其最大峰值 ，此时电弧电压已大于电源电压瞬时值，电流被强制减小，到 瞬间电流降低到零，电弧熄灭。图 灭弧室开断过程 导弧板的设计根据电弧的产生，熄灭，以及断路器的开断过程机理，对断路器中引弧系统进行合理的设计，导弧板是断路器内部机构中很重要的零件，导弧板装在离静触头一定距离，靠近灭弧室。它必须有一定的合适的角度，导弧板的设置是为了将电弧引入灭弧室。不设导弧板，分断时电弧的电阻很大，对分断有好处。但是静触头与设置导弧板的位置处（即如果取消导弧板而留下的空位置）将产生严重的烧损。设计有导弧板，并将其焊接在静触头一侧接触板上，以便将电弧快速引入灭弧室，开断过程中，至 这段时间为电弧在导弧板上的运动时间，电弧进行拉长，同在自励磁场作用下，快速进入灭弧栅片，这个过程电弧电压快速增长，引弧设计直接影响断路器分断能力，所以导弧板设计时应考虑以下四点：）导弧板所占位置是灭弧栅片位置的一半，它与栅片的间隙应与栅片之间的距离（气隙）一样。）导弧板与静触头的距离控制在 .之间，距离越小越好。现在的断路器是取 .的。）导弧板的高度应与静触头的厚度一样平。另外，为了减少开断短路 电 流 时，烧 伤 静触 头，静触头的触点与触杆（刀）焊接时，其焊料尽可能平，不要形成三角堆积，以减少电弧对触点的烧损。）导弧板的倾斜角，一般控制在 较好。具体如图 所示。电气技术与经济 产品与解决方案 /静触杆 银触点 导弧板图 导弧板设计示意图 引弧角设计引弧角在小型断路器结构零件中，与导弧角具有同样的重要性，设计时两者结合好，产品分断性能可以更好与提高，在将 小型断路器样机按国家标准 .家用及类似场所用过电流保护断路器第一部分：用于交流的断路器要求进行运行短路分断电流 摸底测试，试验结束发现断路器内部动触头及周围磁轭等有严重烧损。经研究分析，主要是分断过程中，电弧未能更佳的引导，导致电弧停滞时间过长，电弧中心部分维持的温度可达 以上，周围零件很容易烧损；需要更快速地将电弧引导，结合导弧板设计理念，将磁轭下端设计一个引弧角，设计合理倾斜角度控制在 之间，如图 所示，可更好引弧到灭弧室。磁轭 引弧角图 挡弧板设计示意图综上所述，该断路器示意图如图 所示，断路器短路分断时，周围产生磁通。导弧板，灭弧室等零配件将被磁化，电弧在磁场的作用下，将电弧拉入灭弧室，同时通过导弧板与引弧角板可以加速引导，缩短至 这段时间，提高限流能力，使电弧快速引入灭弧室里，整个过程电弧不断复合和扩散，使电弧电压升高，当电弧电压大于触头两端的工频恢复电压时，电弧就被熄灭。引弧角 引弧板 灭弧室图 断路器优化后结构示意图 结束语本文主要阐述所研发的 系列小型断路器引弧系统的设计和引弧板的倾斜角等，具体归纳以下几点：）导弧板必须有一定的倾斜角，一般情况下在 相对合适，这样有利于引弧，可快速提高电弧电压，有利于灭弧。）导弧板与静触头的距离最好控制在 .，导弧板的高度应与静触头一样平，可减小电弧移动时间。）导弧板与栅片的间隙同栅片之间一样的间隙，电弧可以快速进入灭弧室。参考文献 陈德桂.低压断路器的开关电弧与限流技术 北京：机械工业出版社，.连理枝.低压断路器设计与制造 北京：中国电力出版社，.夏天伟，丁明道.电器学 北京：机械工业出版社，.周茂祥.低压电器设计手册 北京：机械工业出版社，.（收稿日期：2 0 2 2-1 1-1 8）电气技术与经济 产品与解决方案