CN113764236B - 一种防烧毁端子设计方法及断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防烧毁端子设计方法及断路器，把断路器单个相线或三相接线端子均连接一个金属片，金属片连接合金丝，然后把合金丝扭成内空心形状，在麻花丝上套一个套筒，套筒与热继电器连接，热继电器与马达直接相连，马达触动断路器操作机构，实现断路器分合闸。本发明的高精度防烧毁端子设计方法可用于选择性保护断路器等低压电器，它结构简单合理，装配方便，动作可靠、精度高，具有较大的市场应用前景。

Description

一种防烧毁端子设计方法及断路器

技术领域

本发明属于电力领域，更具体地涉及一种防烧毁端子设计方法及断路器。

背景技术

随着电能测量技术进步、载波通信技术逐步完善以及供电企业管理提升，目前低压用户普遍采用单相智能电能表+费控断路器的方式。这种断路器内有磁保持继电器，供电企业可以根据用户电费结余惜况远方进行停、复电操作。由于多种原因，这种断路器接线端子会发生过热现象。如果未能及时发现和处理，接线端子及表壳就会被烧毁，致使断路器报废。接线端子过热有时还会引发火灾，火灾会把整个表箱内电能表烧毁。据统计，某电网每年有多块单相电能表由于接线端子过热而烧毁，更换费用除了保护设备新购置费用外，还需包括设备更换施工调试费用，这些报废电能表含有铅、锡等有毒有害重金属，变成电子垃圾后还会污染土壤和水源，破坏资源和环境。

DE2854711提供了一种选择性保护断路器，可实现过载长延时和短路短延时保护功能，该专利采用了主回路和支回路电路，过载电流马达和短路电流马达分别串联连接在主回路与支回路中，过载电流马达和短路电流马达共同控制选择性保护断路器的同一操作机构执行过载跳闸/短路跳闸。如双金属片热脱器用于选择性保护断路器时，其数量至少需要两个，其中一个用于主回路的过载电流脱扣，另一个用于支回路的短路脱扣，而且所有的双金属片热马达必需共同与操作机构耦合，以控制选择性保护断路器的过载跳闸 /短路跳闸。然而该专利没有公开有关操作机构、过载电流马达、短路电流马达的结构方案。

DE3840063或DE3840064公开了一种采用双金属片热马达的热继电器，其热脱扣装置包括三组双金属片、两个受双金属片控制的导向板、一个受导向板控制的并与热继电器的触头操作机构耦合的脱扣杆，双金属片受热弯曲的位移通过导向板和脱扣杆传递给热继电器的触头操作机构，以控制触头的闭合/分断。由于这种双金属片热马达的结构复杂、体积庞大、安装调试困难。

还有的高精度电信号测量设备装置包括控制器、电压调整模块和电流调整模块，监测电信号测量设备输入电压、电流信号和输出电压、电流信号，并将这些信号转换为相应的频率信号，形成闭环控制，通过控制电压调整模块、电流模块的输出使输入电压、电流信号和输出电压、电流信号保持要求的精度，没有涉及防烧毁功能。ZL201610945569.4包括弧光保护主控单元，电学探头和温度探头；采用电学探头满足电学信号阈值条件，采用温度探头满足阈值条件，两者取“与”操作，然后通过定时器的延时，弧光保护装置方可进行动作，该专利只是保护一次设备，但并没有断路器自动重合闸功能。

近年来，随着科技的进步，电力行业的发展迅速，配电网里常用的开关有负荷开关、真空断路器、塑壳断路器、剩余电流动作断路器等，主要作为用电的进线和出线开关，在电网中的应用非常广泛。一般开关具有自动重合闸、剩余电流保护等功能，但是目前没有一种在一个开关上同时实现多种功能的产品，一是由于要安装各种电流互感器，需要占用大量空间，制成的产品体积较大；二是将这些功能集中在某一个单元中具有难度，要求集合配变监测技术、负荷管理控制技术、GPRS通讯技术、微机保护技术、故障录波技术、电能质量监测技术等。

以上现在技术的双金属片热马达的结构过于复杂、体积庞大、安装调试困难，导致低压断路器的生产成本和体积增大。

然而，对于选择性保护断路器、低压小型断路器而言，其外形尺寸需符合模数化标准要求，所以体积是它十分重要的性能指标，而生产成本直接关系到它们的市场竞争力。

因此，低压电器的发展，迫切需要体积小、结构简单合理、安装调试容易、稳定性和可靠性好的高精度防烧毁端子设计方法及断路器的问世。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的易烧毁问题，提供一种防烧毁端子设计方法及断路器，实现用户需求的断路器更加结实、耐用，放置灵活、减小断路器体积，实现精准、高效地回路开断和重合闸功能，解决用户计量断路器设备安装使用的痛点难点问题。

为解决上述的技术问题，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种防烧毁端子设计方法，采用金属丝热变形曲率偏移变形进而脱扣的方法，即把断路器单个相线或三相接线端子均连接一个金属片，金属片连接合金丝，然后把合金丝扭成内空心形状，在麻花丝上套一个套筒，套筒与热继电器连接，热继电器与马达直接相连，马达触动断路器操作机构，实现断路器分合闸。

进一步地，包括如下步骤：

步骤S1：用电设备正常通电，断路器进线的接线端子温度升高，发热；

步骤S2：将进线的接线端子与金属片相连，金属片与合金丝相连；接线端子温度最终传导至合金丝；

步骤S3：合金丝扭成螺旋状结构，由于热膨胀系数的不同，螺旋状结构曲率发生变化，进行向内或向外弯曲，正常螺旋状结构的曲率大小根据设定跳闸温度值、合金丝与套管间隙进行整定设计；

步骤S4：合金丝正常与套管不接触，变形后会与套管接触，产生接触的信号；

步骤S5：套管与热继电器连接，热继电器产生分闸信号；

步骤S6：热继电器与马达连接，马达触动断路器操作机构，进而温度过高造成断路器分闸；

步骤S7：当断路器分闸后，断路器没有电流通过，进线的接线端子温度逐渐降低，合金丝曲率发生变化，逐渐恢复原状，与合金丝不接触后，热继电器产生合闸信号，进而断路器合闸，并最终设计实现根据接线端子温度特性，实现断路器分合闸，防止接线端子因为温度过热造成烧毁。

随着铜或铁含量增加，可提高镍在还原性介质中的耐蚀性，降低镍在氧化性介质中的耐蚀性，以及空气中的抗氧化性；铜的加入还可使镍的强度增加、硬度提高、导热系数增加，正常螺旋状结构的曲率与合金丝本身热胀冷缩特性有关。

优选的，金属片材料可选黄铜、紫铜等，合金丝材料可选镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍铁合金、镍铜铁合金和镍中不同材料，优选的，当断路器是三相断路器时，合金丝有3根，第1根为镍铜铁合金，第2根为镍铜合金，第3根为镍铁合金；

当断路器是单相断路器时，合金丝有1根，为镍铜铁合金。

优选的，根据合金丝螺旋缠绕后冷热曲率偏移变化方向，套筒有内环、外环、内环和外环三种管桶，合金丝变冷曲率偏移变形向内偏时，套筒用内环筒；合金丝变热曲率偏移变形向外偏时，套筒用外环筒；当合金丝温度同时具有变冷变热两个方向时，套筒用内环筒和外环筒。

优选的，曲率偏移变形方向朝内偏或外偏，与合金丝缠绕方向有关系，缠绕方向相反，则曲率偏移变形方向也将相反。金属片连接合金丝中连接方法可以为焊接或者缠绕的方法。马达可间接通过耦合结构与断路器的操作机构耦合，也可直接作为断路器的操作机构的锁扣件或跳扣件。

本发明还涉及的一种高精度防烧毁断路器，包括智能防端子烧毁模块、驱动器和断路器主体，所述智能防端子烧毁模块采集断路器进线接线端子的温度信号，配合驱动器进行自动分合闸和自动重合闸；智能防端子烧毁与断路器主体之间插拔固定；

所述智能防端子烧毁模块包括金属片、合金丝、套筒和热继电器，金属片设于接线端子上，金属片一端连接合金丝，合金丝扭成细长型的螺旋空心形，细长型螺旋空心形状能够变化为不同曲率，曲率偏移变形方向朝内偏或外偏，与合金丝缠绕方向有关系，缠绕方向相反，则曲率偏移变形方向也将相反；

套管套在合金丝上，但并不接触，套管与热继电器连接，热继电器与驱动器相连，驱动器触动断路器操作机构，实现断路器分合闸和自动重合闸。

优选的，根据合金丝螺旋缠绕后冷热曲率偏移变化方向，套筒有内环、外环、内环和外环三种管桶，合金丝变冷曲率偏移变形向内偏时，套筒用内环筒；合金丝变热曲率偏移变形向外偏时，套筒用外环筒；当合金丝温度同时具有变冷变热两个方向时，套筒用内环筒和外环筒，实际设计时，根据断路器空间大小，套管可只采用内环筒，可只采用外环筒，也可同时采用内环筒和外环筒。

优选的，曲率偏移变形方向朝内偏或外偏，与合金丝缠绕方向有关系，缠绕方向相反，则曲率偏移变形方向也将相反。

优选的，金属片连接合金丝中连接方法可以为焊接或者缠绕的方法。

优选的，合金丝扭成螺旋状结构，由于热膨胀系数的不同，螺旋状结构曲率发生变化，进行向内或向外弯曲，正常螺旋状结构的曲率大小根据设定跳闸温度值、合金丝与套管间隙进行整定设计。

优选的，金属片材料可选黄铜、紫铜等，合金丝材料可选镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍铁合金、镍铜铁合金和镍中不同材料，优选的，当断路器是三相断路器时，合金丝有3根，第1根为镍铜铁合金，第2根为镍铜合金，第3根为镍铁合金；

当断路器是单相断路器时，合金丝有1根，为镍铜铁合金。

优选的，所述的智能断路器交流额定电压为400V及以下，额定电流小于1600A。合金丝与套管间存在一定间隙，间隙为1-5mm。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明实现了高精度防烧毁断路器设计，并研制了相应装置，具有综合保护、考核计量、电能测量、分支回路监测、分合闸和重合闸控制等功能，减少了配电计量箱（柜）设备的投资，使得配电计量箱（柜）具有智能防烧毁功能，可应用低压塑壳断路器63A~1600A、万能式断路器（框架式断路器）、真空断路器、永磁真空开关和负荷开关等。

（2）本发明进一步限定材料，上述不同情况下的材料组合，使得合金丝受热情况下，产生的变形量、稳定性和柔韧度均适中，有利于节约成本，提高产品耐用性和10000次以上的变形。

附图说明

图1为本实施例的防端子烧毁模块的结构示意图；

图2为本实施例的高精度防烧毁端子设计方法流程图；

图3为本实施例的高精度防烧毁断路器结构框图；

图4为本实施例的智能防端子烧毁模块又一实施方式的结构示意图；

其中：101为接线端子，102为金属片，103为合金丝，104为内环筒，105为外环筒，106为套筒头，107为热继电器；401为接线端子，402为金属片，403为合金丝，404为外环筒，405为套筒头，406为热继电器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

本实施例克服现有技术的缺陷，从断路器参数和特性出发，断路器的特性主要有：额定电压Ue；额定电流In；过载保护Ir和短路保护（Im）的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流（工业用断路器Icu）等。额定电流（In）：配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下不能承受的最大电流值，同时不超过电流承受部件规定的温度限值。短路继电器脱扣电流整定值（Im）可防止暂态大电流发生，短路脱扣继电器（瞬时或短延时）用于高故障电流值出现时，使断路器快速跳闸，但对端子长时间温度过高没有办法。

低压断路器也称为自动空气开关，具有多种保护功能（过载、短路、过热、欠电压、漏电保护等）、动作值可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器，传统的热继电器采用双金属片接触法，存在精度不高，动作灵敏性欠佳，本专利虽然也是利用合金热胀冷缩的原理，但通过巧妙地涉及了内环筒和外环筒，解决了端子易烧毁的问题。

如图1所示，智能防端子烧毁模块为内部各部分结构图，包括金属片102、合金丝103、套筒、热继电器107，套筒包括套筒头106，外环筒105和内环筒104设于套筒头106上，内环筒104设于外环筒105中，金属片102设于接线端子101上，合金丝103一端设于金属片102上，其中，合金丝103扭成细长型的螺旋空心形，套筒套在合金丝103上，合金丝103绕内环筒104螺旋，但并不接触存在一定的间隙，套管与热继电器107连接，热继电器107与马达直接相连，马达触动断路器操作机构，实现断路器分合闸和自动重合闸功能。

当接线端子触头过热时，合金丝103的热元件发热使金属片螺旋曲率发生变化，由于不规则形状弯曲更高，所以螺旋形状可采用对称结构，也可采用不对称结构，当套管与合金丝接触时，发出接触信号，热继电器输出1信号；当套管与合金丝不接触时，发出不接触信号，热继电器输出0信号，推动马达动作，进而实现断路器根据发热情况实现合闸和开闸工作。

本实施例的金属片102为传统双金属片结构，利用两个金属片不同热膨胀系数不同，一个为主动层，一个为被动层当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，则这种复合材料的曲率发生变化从而产生形变。其中，膨胀系数较高的称为主动层；膨胀系数较底的称为被动层。但是随着双金属应用领域的扩大和结合技术的进步，近代已相出现三层、四层、五层的双金属。双金属片式是通过当负载电流增大时通过双金属片上的电流会转变成热能，双金属片是一种膨胀率不一样的金属片，受热后会向一侧发生弯曲，当弯曲超出热继电器设定的安全值极限时，检测触点动作从而切断电源，这种变化方式没有本实施例提出温度灵敏度高，本实施例提出的内环筒直径为1-5mm，外环筒直径为6-30mm为最优。

本实施例为提高测温灵敏度，将每相接线端子均连接金属片，快速传导温度，然后金属片与合金丝连接，将合金丝制成螺旋卷形状。当多层金属片的温度改变时，各金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端可选择自由转动的指针相连，可选择曲率不同的内环筒和外环筒，本实施例采用合金丝替换传统的金属片，这样当感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来，或螺旋曲率发生变化，内外环中一个或两个就会产生接触，形成触发信号。这种仪表的测温范围是90~350℃，允许误差均为量测1%左右。这种温度计和棒状的玻璃液体温度计的用途相似，但可使用在机械强度要求更高的条件下。这种具有防烧毁端子的断路器从设计原理及结构上具有防水、防腐蚀、直观、易读数、无汞害、坚固耐用等特点，可取代其它的测温仪表，广泛应用于石油、化工、机械、船舶、发电、纺织、印染等工业和科研部门。正常时，螺旋金属丝应处于内环筒和外环筒整段距离的1/4～3/4处，偏内环筒。

上述具有内环筒和外环筒的智能防端子烧毁模块，防烧毁检测更灵敏，对合金丝缠绕方向没有要求，现场生产效率高。

本实施例提出断路器防止过热的工作原理如图2所示，通过金属易传输热量和合金热胀冷缩特性好的特点，设计了7个步骤，实现过热断路器跳闸，回路开路，当端子冷却后，又自动重合断路器。具体如下：

步骤S1：用电设备正常通电，断路器进线的接线端子温度升高，发热；

步骤S2：将进线的接线端子与金属片相连，金属片与合金丝相连；接线端子温度最终传导至合金丝；

步骤S3：合金丝扭成螺旋状结构，由于热膨胀系数的不同，螺旋状结构曲率发生变化，进行向内或向外弯曲，正常螺旋状结构的曲率大小根据设定跳闸温度值、合金丝与套管间隙进行整定设计；

步骤S4：合金丝正常与套管不接触，变形后会与套管接触，产生接触的信号；

步骤S5：套管与热继电器连接，热继电器产生分闸信号；

步骤S6：热继电器与马达连接，马达触动断路器操作机构，进而温度过高造成断路器分闸；

步骤S7：当断路器分闸后，断路器没有电流通过，进线的接线端子温度逐渐降低，合金丝曲率发生变化，逐渐套管恢复原状，与合金丝不接触后，热继电器产生合闸信号，进而断路器合闸，并最终设计实现根据接线端子温度特性，实现断路器分合闸，防止接线端子因为温度过热造成烧毁。

如图3所示，本实施例的高精度防烧毁断路器，包括智能防端子烧毁模块、马达和断路器主体，智能防端子烧毁模块主要采集断路器进线接线端子的温度信号，与马达一起实现自动分合闸功能和自动重合闸功能。智能防端子烧毁模块与断路器主体和马达连接，马达与智能防端子烧毁模块和断路器主体连接，断路器主体与智能防端子烧毁模块和马达连接。

如图4所示，作为另一种实施方式，智能防端子烧毁模块为内部各部分结构图，包括金属片402、合金丝403、套筒、热继电器406，套筒包括套筒头405，外环筒404设于套筒头405上，金属片402设于接线端子401上，合金丝403一端设于金属片402上，其中，合金丝403扭成细长型的螺旋空心形，套管套在合金丝403上，但并不接触存在一定的间隙，套管与热继电器406连接，热继电器406与马达直接相连，马达触动断路器操作机构，实现断路器分合闸和自动重合闸功能。

本实施例中，当断路器是三相断路器时，合金丝有3根，第1根为镍铜铁合金，第2根为镍铜合金，第3根为镍铁合金；

当断路器是单相断路器时，合金丝有1根，为镍铜铁合金。

断路器交流额定电压为400V及以下，额定电流小于1600A。合金丝与套管间存在一定间隙，间隙为1-5mm。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种防烧毁断路器端子设计方法，其特征在于：包括以下：

把断路器单个相线或三相接线端子均连接一个金属片，金属片连接合金丝，然后把合金丝扭成内空心麻花形状，在麻花丝上套一个或两个套筒，套筒与热继电器连接，热继电器与驱动器直接相连，驱动器触动断路器操作机构，实现断路器分合闸；包括如下步骤：

步骤S1：用电设备正常通电，断路器进线的接线端子温度升高，发热；

步骤S2：将进线的接线端子与金属片相连，金属片与合金丝相连；接线端子温度最终传导至合金丝；

步骤S3：合金丝扭成螺旋状结构，螺旋状结构曲率发生变化，进行向内或向外弯曲，正常螺旋状结构的曲率大小根据设定跳闸温度值、合金丝与套筒间隙进行整定设计；

步骤S4：合金丝正常与套筒不接触，变形后会与套筒接触，产生接触的信号；

步骤S5：套筒与热继电器连接，热继电器产生分闸信号；

步骤S6：热继电器与驱动器连接，驱动器触动断路器操作机构，进而接线端子温度过高造成断路器分闸；

步骤S7：当断路器分闸后，断路器没有电流通过，进线的接线端子温度逐渐降低，合金丝曲率发生变化，逐渐恢复原状，与合金丝不接触后，热继电器产生合闸信号，进而断路器合闸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：金属片为黄铜、紫铜；合金丝材料为镍铜合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍铁合金、镍铜铁合金中的一种。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：当断路器是三相断路器时，合金丝有3根，第1根为镍铜铁合金，第2根为镍铜合金，第3根为镍铁合金；

当断路器是单相断路器时，合金丝有1根，为镍铜铁合金。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：根据合金丝螺旋缠绕后冷热曲率偏移变化方向，套筒的管筒包括内环、外环或内环和外环，合金丝变冷曲率偏移变形向内偏时，套筒用内环筒；合金丝变热曲率偏移变形向外偏时，套筒用外环筒；当合金丝温度同时具有变冷变热两个方向时，套筒用内环筒和外环筒。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：曲率偏移变形方向朝内偏或外偏，与合金丝缠绕方向有关系，缠绕方向相反，则曲率偏移变形方向也将相反。

6.一种高精度防烧毁断路器，其特征在于：包括智能防端子烧毁模块、驱动器和断路器主体，所述智能防端子烧毁模块采集断路器进线接线端子的温度信号，配合驱动器进行自动分合闸和自动重合闸；智能防端子烧毁模块与断路器主体之间插拔固定；

所述智能防端子烧毁模块包括金属片、合金丝、套筒和热继电器，金属片设于接线端子上，金属片一端连接合金丝，合金丝扭成细长型的螺旋空心形，细长型螺旋空心形状能够变化为不同曲率，曲率偏移变形方向朝内偏或外偏，与合金丝缠绕方向有关系，缠绕方向相反，则曲率偏移变形方向也将相反；

套筒套在合金丝上，合金丝变形后与套筒接触，套筒与热继电器连接，热继电器与驱动器相连，驱动器触动断路器操作机构，实现断路器分合闸和自动重合闸。

7.根据权利要求6所述的高精度防烧毁断路器，其特征在于：根据合金丝螺旋缠绕后冷热曲率偏移变化方向，套筒的管筒包括内环、外环以及内环和外环，合金丝变冷曲率偏移变形向内偏时，套筒用内环筒；合金丝变热曲率偏移变形向外偏时，套筒用外环筒；当合金丝温度同时具有变冷变热两个方向时，套筒用内环筒和外环筒，实际设计时，根据断路器空间大小，套筒只采用内环筒，或只采用外环筒，或同时采用内环筒和外环筒。

8.根据权利要求6所述的高精度防烧毁断路器，其特征在于：当断路器是三相断路器时，合金丝有3根，第1根为镍铜铁合金，第2根为镍铜合金，第3根为镍铁合金；

当断路器是单相断路器时，合金丝有1根，为镍铜铁合金。

9.根据权利要求6所述的高精度防烧毁断路器，其特征在于：断路器交流额定电压为400V及以下，额定电流小于1600A；合金丝与套筒间存在一定间隙，间隙为1-5mm。

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