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低压断路器机构动作分析与设计

1 传动机构

对于不同的断路器,如万能式(框架式)、塑料外壳式(包括小型断路器),它们的传动机构可分为手柄传动、杠杆传动、电磁铁传动、电动机传动和气压或液压传动等五种。

设计传动机构时应注意:

(1)手柄和杠杆传动的最大操作力应不超过250N。为了减轻操作者的操作负担,如操作力超过 250N 的断路器,可配备加长手柄(即加长力臂)。

(2)传动机构的消耗功率要小。为了降低大容量断路器的消耗功率,可采用储能闭合的电动机传动,此时电动机的功率可降至 0.3~1kW。

(3)应使固有闭合时间短。为了缩短电动机传动储能闭合机构的固有闭合时间,可采用预储能措施。电磁铁传动速度快,它适用于直流快速断路器和630A以下的交流断路器。

(4)闭合断路器的冲击应尽量小。

2 自由脱扣机构

自由脱扣机构是实现传动机构与触头系统之间联系的一种机构。自由脱扣机构再扣时,传动机构应带动触头系统一起运动,即通过手柄使触头闭合或断开。当自由脱扣后,即解脱了传动机构与触头系统的联系,传动机构的运动与触头系统无关,并且在发生脱扣的瞬间与传动机构的位置无关。一般自由脱扣分自动再扣和非自动再扣两种。

自动再扣的自由脱扣由手柄自身的重量或自复位弹簧作用下再扣。DW15 和DW45系列万能式断路器的再扣可用手柄或电动机储能来实现。当手柄或电动机储能,手柄或释能电机使断路器合闸时,扣片与连杆处于贴合,合闸后,扣片与连杆脱开,要使之再扣。应第二次储能(弹簧拉伸),扣片再与连杆贴合,实现再扣合闸。非自动再扣的自由脱扣机构用于塑壳式断路器?;乖倏凼?,五连杆变为四连杆机构。其中使用一对可折(活动)连杆,在闭合弹簧过死点后挺直,使触头快速闭合,并保持在闭合位置。这种机构结构紧凑,闭合和断开用同一弹簧实现,缺点是再扣力大,难以用电磁铁实现电动操作。

3 主轴、脱扣轴

主轴(也有称支架的),它是四连杆之一,机构的下连杆和动触头系统均与之相连。主轴与三个极或者四个极的动触杆相连,它必须经受数千甚至数万次的寿命考核,因此要求它有很高的机械强度;又由于它是连着多极(三极或四极)的导电系统,就要求相间有很好的绝缘强度(通常在铆上动触杆后,要进行4000V/1min的工频耐压试验)。此外,为保证三相同步(合、分),对主轴的形位公差(如直度、同轴度等)也有较严格的要求(包括与下连杆、动触杆紧固后)。主轴一般采用热固性材料(如国产的FX-502酚醛玻璃纤维压塑料、日本的PM-MG、PM-EG酚醛树酯成型材料,以及DMC、SMC聚酯玻璃丝增强压塑料等)压制。

脱扣轴(又名牵引杆),它是一种解扣(解开自由脱扣机构———锁扣)的重要部件。当发生过载或短路时,双金属元件或电磁铁的动铁心(衔铁)碰撞脱扣杆(牵引杆),使其上的锁扣与四连杆中的跳扣脱开,在主力弹簧的作用下,将四连杆变成五连杆、断路器跳闸。现在有一些塑壳式断路器,它们的锁扣与牵引杆铆在一起,当牵引杆逆时针运动时,锁扣释放跳扣,从而断开断路器。脱扣杆(牵引杆)常使用三聚氰胺层压板或聚酯层压板制作,也有不少塑壳断路器采用尼龙(聚酰胺玻璃纤维加强)等热塑性塑料制造。在工艺上,必须采取措施,防止因牵引杆变形,造成脱扣力的严重分散,使脱扣力忽大忽小,形成封口(在线路过载或短路时、不动作)或滑口(无法合闸或断路器动作后无法再扣)。通常对尼龙等制作件,应进行120℃的老化处理,经老化处理后,测试其变形量(如直度、平面度等),凡超过图纸或工艺要求时,应弃舍不用。

4 断路器操动机构的分析和计算

操动机构,无论是哪种型式(万能式、塑壳式)的断路器,实质上是一种四连杆机构。下面就以塑料外壳式断路器的操动机构为例,作一次较系统的分析和计算。

图1是手柄分闸和再扣位置时的四连杆机构图。


图1 手柄分闸和再扣位置时的四连杆机构

图2是手柄合闸时的四连秆机构图。

图3是断路器自由脱扣时的机构图(从四连杆变成五连杆)。

以上三种状态图中:L——手柄;T——跳扣;M——锁扣;K——触头;CB——上连杆;BA——下连杆;E——主弹簧(拉力弹簧)。


图2 手柄合闸时的四连杆机构图


图3 断路器自由脱扣时的机构图

断路器分闸、自由脱扣后再扣位置时,由OA、AB、BC及固定点CO构成一四连杆机构,此时机构只有一个自由度,即分、合方向的自由度。当机构处于自由脱扣状态时,由OA、AB、BC、CD和DO构成五连杆,此时机构便有两个自由度,即围绕D点向前、向后运动的自由度。断路器的合闸力矩与反力矩,可由图4来计算。

FAB/sinα=F/ sinβ

FAB=sinα/ sinβ×F


图4 合闸力矩与反力矩的计算

由图4可见:

( 1 )式中 F——操作主弹簧的拉力,N﹔

α——合闸角

β——分闸角

触头系统的合闸力矩:

Mh=FAB×LAB ( 2 )式中LAB——下连杆AB的分力FAB到转轴支头O的垂直距离。

触头系统在刚合闸瞬间所受到的反力是触头初压力Fo和它相应的反力矩(三极时)Mf

Mf=3Fo×Lk ( 3 )式中Lk——触头中心线到转轴O的距离。

一般要求Mh/Mf≥1.2,Mh Mf即

FAB×LAB 3Fo×Lk

sinα/ sinβ×F×LAB 3Fo×Lk

所以 F 3FoLk/ LAB×sinα/ sinβ ( 4 )当触头完全合闸时,下连杆AB与上连杆BC几乎成一直线,以上计算是基于将要合闸时所需的合闸力和其反力来核算的。

从断路器的实际情况来看,四连杆中的β角必须很好地控制。从图2-2-6可以看出,β角是上连杆BC与下连杆AB在B点延伸线的夹角。β角越大、C点的位置越往左移,而C点是与跳扣T铰链相连的,C点左移,使得跳扣与锁扣M的啮合尺寸变小,跳闸越快,β角越大,跳扣与锁扣的保持力越小,弹簧反力与合闸力之比越接近,就会使断路器处于不稳定状态,即处于滑口状态。要使得脱扣力减少,既要提高断路器的灵敏度,又要使保持力增大,就应使α角增大一些(α角大、归化到上连杆BC的力就小),这两者有矛盾,为了兼顾,触头(触杆)就需要往前移动一点。

手柄的分闸力FC及其形成的分闸力矩,见图5。


图5 分闸力及其分闸力矩

图5中 G′f是操动机构手柄至其杠杆轴心f的距离;

λ是弹簧力作用轴至轴的f垂直距离。

FC=Fλ/G′f (5)

Me=Fe×G′f =F×λ (6)

当跳扣T在完全受力情况下,触头全合闸后,受到一个反作用力Ff,它对O轴产生一个反力矩(三极)

Mf=3Ff×Lk (7)

即如上所述,FAB×LAB=3Fo×Lk(当完全合闸时,LAB ≈OA)。

BC 杆(上连杆)在完全合闸时,受到两个向上的作用力。①AB杆的力传到BC杆的FAB;另一个:是弹簧拉力F 在BC杆上的分力,其值为F cosα,所以:

FBC=FAB+F×cosα

锁扣M在H点给跳扣一个压力FH,它与FBC对跳扣处的支点D的转矩平衡,则

FBC× LBC=FH×LH

FH= FBC×LBC/ LH (8)

由式(8)可见,LBC 越小、LH 越大,当FBC一定时,FH(实际上就是脱扣力)就越小,可参阅图6。


图6 LBC与LH 、FBC与FH关系示意图

5 结论

经过以上分析,设计机构时需考虑以下几点:

1)触头的合闸力矩在下连杆至转轴支点的位置已定的情况下(即LAB为定值时)其大小决定于FAB(下连杆上的力),而FAB与弹簧拉伸力 F和合闸角α(弹簧力轴心线与上连杆BC的夹角)成正比;与分闸角(β角是上连杆与下连杆的夹角)成反比;β角越大,跳扣与锁扣的保持力越小,会使断路器处于不稳定状态,容易引起滑口,因此β角要严加控制,要使脱扣力减少,同时保持力增大点,可适当调大α角。

2)弹簧拉力F要克服反力,即大于反力,而反力是动静触头上的弹簧初压力的3倍。弹簧拉力F还与分闸角β成正比、与合闸角α,下连杆至转轴支承的垂直距离LAB成反比。

3)锁扣给跳扣的压力FH与上连杆的分力FBC、上连杆与D点的垂直距离大小成正比,与锁扣和跳扣(尖处)接触点和跳扣的支点(D点)的距离成反比。

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