CN2594962Y

CN2594962Y - 中频断路器

Info

Publication number: CN2594962Y
Application number: CN 02277438
Authority: CN
Inventors: 李靖; 李光中; 许利战
Original assignee: Hunan Institute of Engineering
Current assignee: Hunan Institute of Engineering
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2012-10-03

Abstract

本实用新型涉及一种中频低压断路器，特别是一种用于低压中频状况下的对过载和短路起保护作用的断路器。它主要是解决目前工频低压断路器不能适应中频对低压断路器的技术和安全要求等技术问题，它通过主触头采用单断点指形线接触结构，静触头为长方形，长宽尺寸为：3～6mm，厚度为0.5～1.2mm；动触头为椭圆形圆柱形，R₃＝2～5mm，厚度为0.2～1.0mm；灭弧室[4]采用栅片灭弧的结构室，灭弧室材料选用红钢纸板；直接加热式热脱扣器的双金属片的长宽高分别为：25～40mm、4～10mm和0.4～1.0mm；电磁脱扣器结构为交流中频有挡铁螺管式电磁铁，铁心半径为2～3.8mm，线圈高度为12～24mm，线圈为2.4～4.6mm之间。通过计算和实验证明，本实用新型完全能够适应中频状态下的各项技术要求。

Description

中频断路器

技术领域

本实用新型涉及一种低压断路器，特别是一种可用于低压中频状况下能对过载和短路起保护作用的断路器。

技术背景

低压断路器是按规定条件，对配电电路、电动机或其他用电设备实行通断操作并起保护作用，即当电路内出现过载、短路或欠电压等情况时，能自动分断电路的开关电器。按结构分框架式和塑料外壳式两种，其中塑料外壳式[简称塑壳式]有一绝缘塑料外壳——基座和盖，其触头系统、灭弧室、操作机构和脱扣器等均装在塑料外壳内。工频塑壳式低压断路器工作原理是当电路工作正常时，电流从电源通过低压断路器的主触头、热脱扣器的热元件、电磁脱扣器的线圈后流向被保护电器设备。当电路出现过载故障时，热脱扣器的热元件将根据过载电流的大小，按照反时限特性进行延时，延时完毕后使止动件动作，将主触头断开。当电路出现短路故障时，电磁脱扣器的线圈产生吸力，将螺管式电磁铁铁心吸起，拉动触头支件将主触头分开。

《IEC196交流电源频率标准》规定：“低压电器50Hz标准频率的产品一般不能在非标准频率下工作”，目前建筑等特殊行业已使用环保型低压中频振动器就缺乏相应的可靠性较高的中频过载与短路保护设备。当采用工频低压断路器代替时，因低压断路器在不同频率下保护特性不同，而使得保护装置工作可靠性差、寿命很短；后果是当线路出现过载时，负载已烧毁了而低压断路器可能还不动作。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可用于低压中频使用状况下、能起到中频过载和短路保护作用的中频断路器。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：它包括主触头3、灭弧室4、热脱扣器1和电磁脱扣器2，其特征是：主触头采用单断点指形线接触结构，静触头为长方形，长a或宽b的尺寸为：3～6mm，厚度s为0.5～1.2mm；动触头为椭圆形圆柱形，R₃＝2～5mm，厚度S₂为0.2～1.0mm；灭弧室采用栅片灭弧的结构室，栅片采用钢片表面镀铜，栅片数量为4～12片，每片厚0.8～1.6mm，间隔取1～3mm，灭弧室材料选用红钢纸板；热脱扣器的热元件为直接加热式，双金属片的长度、宽度和高度的尺寸范围分别为：25～40mm、4～10mm和0.4～1.0mm；电磁脱扣器结构为交流中频有挡铁螺管式电磁铁，铁心半径尺寸为2～3.8mm，线圈高度范围为12～24mm，线圈厚度为2.4～4.6mm之间。静触头用矩形平面触头，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；动触头采用椭圆形圆柱面触头，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5；触头初压力F₀＝16×0.2＝3.2N，触头终压力F_Z＝1.25×3.2＝4N，开距5mm，超程1.5mm。栅片灭弧取5片栅片，每片厚1mm，间隔取2mm，灭弧室材料选用红钢纸板。铁心半径r_c＝2.8mm，线圈磁势I_N＝174.7A，线圈的高度h＝15.2mm，线圈的厚度Δ＝3.36mm，线圈的外半径C＝6.16mm，线圈的匝数N取9匝，导线直径d＝1.901mm。对导线直径进行圆整，取d＝2.02mm，挡铁高度h_d＝6.8mm，铁心起始深入线圈深度z＝5.4mm，铁轭宽度b_e＝12.32mm，取12mm，铁轭厚度a_e取1mm，小弹簧材料选不锈钢丝4Cr13；按标准取弹簧丝直径d＝0.35mm，中径D₂＝2.5mm，自由长度H₀＝10mm，小弹簧有效圈数取为10圈；铁心在打开位置时，弹簧压缩1mm，其弹簧反力为：P′＝0.9N，铁心在闭合位置时，弹簧压缩4mm，其弹簧反力P′＝3.6N。

由此可知，本实用新主要是在现有工频低压断路器特别是塑式断路器的过载和短路故障为控制对象的基础上重新对断路器的主触头系统、灭弧室系统、热脱扣器和电磁脱扣器进行设计。这些元器件的尺寸参数、额定工作值、动作特性与传统的工频塑壳式断路器有较大的不同。

本案发明人为了改变设计方案，进行了一系列实验，我们在实验过程中采用的主要技术参数包括：1.额定电压：三相交流45V；2.额定电流：13A；3.额定工作频率：200Hz；4.使用类别：AC-3；5.工作制：反复短时工作制；6.绝缘等级：B级绝缘；7.热稳定电流：10×I_N；8.动稳定电流：1.5kA；9.电寿命：3000次；10、电动机起动电流：39A；11.电动机过载保护要求之一：电流为20A时，延时30s后断开电源。

一是对载流部件负载能力的进行设计：因交流电流和直流电流不同，不能沿导体的整个截面均匀分布，越靠近导体表面，电流密度越大，这种情况随频率的升高而愈加严重。这种集肤效应使得导体截面只有一部分承载电流，导体的阻抗也随频率的升高而增大。同时，高频交流电还会造成磁滞损耗和涡流损耗的增加，且这种损耗随频率的升高而迅速增加。另外，工作电流的频率对导体本身和邻近的铁磁零件也有影响。鉴于上述原因，有必要对载流部件降容使用。因此，在本设计中，参考了德国KM公司推荐的数据对触头进行降容处理，对主触头降到81.25％即I＝16×81.25％＝13A，降容后的电流满足实际要求。也就是说，设计工作频率为200Hz、工作电流为13A的低压断路器，应该采用工作频率为50Hz、工作电流为16A的低压断路器的相关公式进行设计。

二是对灭弧性能的进行改进：低压电器的灭弧系统多半是利用交流过零瞬间弧隙上介质恢复强度的上升速度大于恢复电压上升速度这一原理来灭弧的。灭弧系统的功能是加强去游离，预防重燃。众所周知，50Hz时电流二次过零的时间仅为10ms。如果频率低于50Hz，则二次过零的时间将延长，例如16.67Hz为30ms。于是在灭弧系统中当电流过零时将有更多的游离气体需要被清除，因此分断这种电流近似于开断直流电流。反之，电源频率若加高，可使单位时间内发生的过零次数增多，这虽在一定频率范围内对熄弧显得较为有利，但频率过高时，交流电流的零点间隔就非常短，以至去游离条件恶化，使燃弧时间大大延长，熄弧困难。由图2所示的分断时电弧能量与频率关系的示意图可知，最为有利的工作范围是50～100Hz。如果分断直流或较低和高于200Hz的频率时，则弧隙中的电弧能量都比较高，所以灭弧较困难。本次设计因电压和电流值较小，灭弧能力与50Hz相比，虽有些下降，但通常不会造成什么问题，故本次设计的灭弧系统仍按工频情况设计。

三是针对频率变化对脱扣器动作特性进行了设计：

1、热脱扣器：在500Hz以下，直热式双金属片主要由电流加热，其他各种附加的感应加热温升很小，可以忽略，因此其动作特性只比50Hz稍快一点，故200Hz时的热脱扣器仍按50Hz情况进行设计。

2、电磁脱扣器：电磁脱扣器动作的决定因素是所加电流的幅值和持续时间。高频条件下，半周的时间很短，不能像50Hz时可在电流半波峰值时动作，这时要采用提高动作电流值的方法来促使电磁脱扣器动作。由图2可见，200Hz时的电磁脱扣器的动作电流值需增加到原来的150％。因为本次设计的电磁脱扣器线圈是交流串联线圈，其磁动势是一定的，为保证磁动势一定，故将线圈匝数降低1.5倍来进行调整。

通过实验得出如下结论：交流电源频率改变后对电器的发热、灭弧和动作性能有不同程度的影响，因此需要对额定值或整定值作适当的调整或改变。特别地在现有工频低压断路器基础上，对工频低压断路器的触头系统、灭弧系统、脱扣系统及躯壳等部分进行了重新设计、校验与试验，效果良好。特别是对建筑使用的中频振动器在过载保护和短路保护方面起到很好的效果，使其可靠性更高，使用寿命长。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2分断时电弧能量与频率关系的曲线图；

图3静触头结构示意图；

图4动触头结构示意图；

图5灭弧栅片外型图；

图6电磁脱扣器结构示意图。

具体实施方式

由图3至图6可知，主触头、灭弧室的灭弧栅片和电磁脱扣器的动作参数和关键结构尺寸均因使用中频电源而发生较大变化。

实施例1，参考图3、图4，对主触头系统设计：由德国KM公司推荐的数据可知，当频率变化时要对触头进行降容处理，其中f＝200Hz时应将工频时主触头容量降到81.25％设计，即I＝16×81.25％＝13A，降容后的电流满足实际要求。反过来说，就是设计200Hz、13A低压断路器可用50Hz、16A的相关公式进行设计。经计算以及性能校核，得主触头尺寸：静触头用矩形平面触头，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；动触头采用椭圆形圆柱面触头，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5。触头主要参数：触头初压力F₀＝16×0.2＝3.2N；触头终压力F_Z＝1.25×3.2＝4N；开距5mm；超程1.5mm。

实施例2，对灭弧室进行设计：由图2可见，最为有利的工作范围是50～100Hz。如果分断直流或较低和高于200Hz的频率时，则弧隙中的电弧能量都比较高，所以灭弧较困难。本次设计因电压和电流值较小，灭弧能力与50Hz相比，虽有些下降，但通常不会造成什么问题，故本次设计的灭弧系统仍按工频情况设计。结论：工作电流I＝13A，f＝200Hz的中频塑壳式低压断路器的灭弧室部分，与工作电流I＝16A，f＝50Hz的工频塑壳式低压断路器的灭弧室部分相同。

根据选择的灭弧方法，确定有关尺寸：通过比较，本断路器设计选用灭弧能力强、能造成许多串联短弧、易于拆装的栅片灭弧室去熄灭电弧。栅片采用钢片表面镀锌，如图4所示。栅片灭弧取5片栅片，每片厚1mm，间隔取2mm，灭弧室材料选用红钢纸板。下面对其灭弧性能进行估算：

灭弧条件：用公式：U_jf＞U_hf表述，其中，U_jf：弧隙介质恢复强度，U_hf：电压恢复强度。其中，U_jf：U_jf＝U_jf0+K_jf×t＝70+1.4t；U_hf＝2×f₀×r×Ug₀×10-6×t＝2×411×1.1×55.14×10-6×t＝0.05×t。因U_jf＝70+1.4t＞U_hf＝0.05×t，故灭弧室的灭弧性能合格。结论：工作电流I＝13A，f＝200Hz的中频塑壳式低压断路器的灭弧室部分，与工作电流I＝16A，f＝50Hz的工频塑壳式低压断路器的灭弧室部分相同。

实施例3，如图6所示，电磁脱扣器由线圈5、弹簧6、挡铁7和铁心8组成，线圈采用串联电流线圈，额定电流Ie＝13A；B级绝缘；允许温升70K；反复短时工作制，QT取0.6；电磁铁结构为有挡铁螺管式电磁铁。动、静铁心材料为电工用纯铁DT3，表面处理DZn6.DC。导磁板[磁轭]的材料为电工用纯铁DT3，表面处理D.Zn6.DB。经计算，得铁心半径r_c＝2.8mm；线圈磁势IN＝174.7A；线圈尺寸：线圈高度h＝15.2mm；线圈厚度Δ＝3.36mm；线圈外半径C＝6.16mm；线圈匝数N＝8.96匝，取9匝；导线直径d＝1.901mm，参照标准，对导线直径进行圆整，取d＝2.02mm；挡铁高度h_d＝6.8mm；铁心起始深入线圈深度z＝5.4mm；铁轭宽度b_e＝12.32mm，取12mm；铁轭厚度a_e取1mm。小弹簧材料选不锈钢丝4Cr13。按标准取弹簧丝直径d＝0.35mm，中径D₂＝2.5mm；自由长度H₀＝10mm；小弹簧有效圈数取为10圈。铁心在打开位置时，弹簧压缩1mm，其弹簧反力为：P′＝0.9N；铁心在闭合位置时，弹簧压缩4mm，其弹簧反力为：P′＝3.6N。

经验算，电磁脱扣器线圈的温升τ＝58.1[K]，故线圈温升合格。

由此可知，本实用新型完全适合在中频状态下工作。

Claims

1、一种中频断路器，它包括主触头[3]、灭弧室[4]、热脱扣器[1]和电磁脱扣器[2]，其特征是：主触头采用单断点指形线接触结构，静触头为长方形，长a或宽b的尺寸为：3～6mm，厚度s为0.5～1.2mm；动触头为椭圆形圆柱形，R₃＝2～5mm，厚度S₂为0.2～1.0mm；灭弧室[4]采用栅片灭弧的结构室，栅片采用钢片表面镀铜，栅片数量为4～12片，每片厚0.8～1.6mm，间隔取1～3mm，灭弧室材料选用红钢纸板；热脱扣器的热元件为直接加热式，双金属片的长度、宽度和高度的尺寸范围分别为：25～40mm、4～10mm和0.4～1.0mm；电磁脱扣器结构为交流中频有挡铁螺管式电磁铁，铁心半径尺寸为2～3.8mm，线圈高度范围为12～24mm，线圈厚度为2.4～4.6mm之间。

2、根据权利要求1所述的中频断路器，其特征是：静触头用矩形平面触头，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；动触头采用椭圆形圆柱面触头，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5；触头初压力F₀＝16×0.2＝3.2N，触头终压力F_Z＝1.25×3.2＝4N，开距5mm，超程1.5mm。

3、根据权利要求1所述的中频断路器，其特征是：栅片灭弧取5片栅片，每片厚1mm，间隔取2mm，灭弧室材料选用红钢纸板。

4、根据权利要求1、或2、或3所述的中频断路器，其特征是：铁心半径r_c＝2.8mm，线圈磁势I_N＝174.7A，线圈的高度h＝15.2mm，线圈的厚度Δ＝3.36mm，线圈的外半径C＝6.16mm，线圈的匝数N取9匝，导线直径d＝1.901mm。

5、根据权利要求4所述的中频断路器，其特征是：对导线直径进行圆整，取d＝2.02mm，挡铁高度h_d＝6.8mm，铁心起始深入线圈深度z＝5.4mm，铁轭宽度b_e＝12.32mm，取12mm，铁轭厚度a_e取1mm，小弹簧材料选不锈钢丝4Cr13；按标准取弹簧丝直径d＝0.35mm，中径D₂＝2.5mm，自由长度H₀＝10mm，小弹簧有效圈数取为10圈；铁心在打开位置时，弹簧压缩1mm，其弹簧反力为：P′＝0.9N，铁心在闭合位置时，弹簧压缩4mm，其弹簧反力P′＝3.6N。