摘　要：介紹了WS1—100（直熱式）塑料外殼式斷路器有關機構的具體設計方法及其特點。 關鍵詞：斷路器；設計 1 前 言 　　塑料外殼式斷路器是低壓電器中量大面廣的產品。隨著低壓配電系統負荷密度集中，配電變壓器容量增大，系統短路電流提高，控制系統自動化和可靠性要求的提高，要求廣泛用于配電裝置中的塑料外殼式斷路器向極限分斷能力高、體積小、重量輕、功能齊全、結構新穎方向發展。同時，斷路器的用量也越來越大，并日益走向國際商品化，市場競爭激烈。 　　由于DZ20-100等塑料外殼式斷路器存有嚴重不足：①體積大；②飛弧距離長；③缺少660V額定電壓等級；④保護功能不完善。溫州開關廠引進日本寺崎公司先進技術自行設計WS1—100（直熱式）塑料外殼式斷路器，發展我國自行設計的新一代塑料外殼式斷路器，作為國內DZ20—100、TO—100BA等塑料外殼式斷路器的更新換代產品，它具有體積小、極限分斷能力高、規格多、品種齊及飛弧距離小等優點。 2 直熱式雙金屬片特點 　　熱磁式塑料外殼式斷路器的過載長延時特性靠雙金屬片實現，雙金屬片有3種加熱方式：間接加熱、直接加熱和復式加熱。其中直接加熱方式又稱直熱式（這種加熱方式具有結構筒單、熱效率高而功率損耗較小等特點）。電流直接通過雙金屬片，利用其本身的電阻產生熱量，采用直接加熱雙金屬片的塑料外殼式斷路器稱為直熱式塑料外殼式斷路器（以下簡稱斷路器）。如DZ10-100脫扣器額定電流50A及以下，DZ20-100和HFB-150脫扣器額定電流40A及以下小電流等級的，均采用直熱式結構，而WS1-100直熱式斷路器的脫扣器額定電流100A及以下規格電流均采用直熱式結構。 　　直熱式雙金屬片的電阻較大，以獲得足夠的熱量，符合斷路器過載長延時特性的要求，但往往也限制了斷路器的分斷能力，故在計算和選擇雙金屬片的外形尺寸和金屬材料時，除了考慮滿足斷路器過載長延時保護特性外，還必須考慮能否承受較大短路電流的熱容量。 　　短路時間非常短，短路電流直接通過雙金屬片，雙金屬片還來不及散熱，因此，可不考慮散熱，并認為短路電流的熱損耗全部用于加熱導體。 　　直熱式雙金屬片在單位時間內的功率損耗為： 　　P=I2R　　　　　?。?） 　　式中P——損耗功率，W 　　　　I——短路電流有效值，A 　　　　R——導體電阻，Ω 　　根據能量平衡公式： 　　Pt=mCθ 　　　 （2） 　　式中t——發熱時間，s 　　　　m——導體質量，kg 　　　　C——導體材料的比熱容，J／kg℃ 　　　　θ——導體溫升，℃ 　　而R＝ρ/S，m＝Sγ，代入式（1）和式（2）中整理可得： 　　θ＝ρ×I2t/γCS2 （3） 　　式中ρ——導體的電阻率，Ω.m 　　　　γ——材料的密度，kg/m3 　　　　S———導體截面積，m2 　　雙金屬片對溫度范圍有一定要求，超出它使用極限，即溫度應力超過雙金屬片材料彈性極限時，雙金屬片將會變形，如果溫度接近或達到材料的熔點，往注在截面最窄和熱量最不易散熱處先行斷裂。式（3）表明，雙金屬片材料和尺寸確定后，為了使其溫度保持在允許使用溫度的上限內，短路電流值受到嚴格的限制。 3 減少對斷路器分斷能力限制的方法 3．1 觸頭系統 　　WS1-100斷路器把動、靜觸頭設計組成平行導體結構。動觸頭受斥力向上轉動，而靜觸頭卻是一個剛體的結構，經計算，動、靜觸頭的質量比為1：2．6，在受相同電動斥力作用下，動觸頭的運動速度要快，而且斥力作用在動觸頭上更加快了斥開速度，及早地引入電弧，觸頭之間電弧電壓迅速上升使實際分斷電流上升速度受到抑制，起到了限流作用。 3．2 引弧與限流作用極強的線圈 　　由于WSl—100斷路器體積小，所以在16A—31A電流等級的斷路器中，把靜觸頭與線圈設計成一體，如圖1示。 　　一旦動觸頭斥開產生電弧后，在線圈產生的磁場作用下，電弧受到向滅弧室方向運動的吸力，線圈起到磁吹作用。 　　更重要的是，由高電阻合金材料制成的線圈使斷路器本身相電阻增加很多，有效地阻止了實際分斷的電流值的增加。WS1—100斷路器中脫扣器額定電流為16A的線圈采用鐵鉻鋁合金（Crl3A14）材料，電阻約為0．018Ω，使相電阻比不串聯線圈的相電阻提高了11.38倍，在通斷能力試驗時起很大的限流作用，達到了保護直熱式雙金屬片的目的，原理圖如圖2示。 　　圖2中線圈電限Ra比雙金屬片電阻Rb大得多，因此在整個電路中的限流效果比較明顯。 　　線圈的另一個作用是增加了動、靜觸頭問的磁場強度，加大了動觸頭的電磁斥力。從表1可知WS1—100斷路器中16A產品采用線圈限流比不采用線圈限流的100A產品的實際電流峰值和跟流系數均下降40％左右。 3．3 減少靜觸頭壓力彈簧，降低斥開電流 　　由于產生觸頭斥力的另一個因素是圍觸頭接觸電流線收縮而引起的結點電動斥力。這種斥力與觸頭的終壓力有直接關系，壓力愈小則電流收縮線收縮愈強，電動斥力愈大。 在滿足斷路器溫升要求的前提下，WS1-100斷路器采用小的觸頭彈簧拉力，壓力為3N，這種動觸頭可以提前斥開，電弧引入更早，使雙金屬片在極限分斷能力試驗中所承受的I2t大大減少，有效地防止了雙金屬片的燒斷。 3.4 特點 　　（1）DZ20系列等斷路器的操作機構中，跳機與鎖扣的接觸為面接觸，而接觸可能產生死扣現象。為了解決這個問題，WS1—100斷路器通過二個限制件的限位，把跳扣設計成和軸接觸，從而成功地實現了跳扣和鎖扣之間的接觸成為線接觸，這使得斷路器動作更靈活、可靠，加快了斷路器的分斷速度。 　?。?）為了彌補DZ20—100等產品In≤40A及以下瞬時脫扣器電流整定值為10In的缺點，WS1—100斷路器設計時在瞬動鐵芯上套上幾匝漆包線線圈，達到了32A及以瞬時脫扣器電流整定值為10In的缺點，使斷路器的保護功能得到了完善，同時也加快了斷路器的分斷速度。 3．5采用新材料 　?。?）觸頭材料是斷路器中的關鍵部件，合金觸頭的物理性能及金相結構對斷路器的分斷能力水平起著至關重要的影響。由于短路分斷電流的燒損主要出現在功觸頭，故WS1—100斷路器將具有耐弧性能好的CagW50作為功觸頭材料，將抗熔焊性好的CagWC12C13作為靜觸頭材料。采用兩種不同硬度的材料配對使用，且具有接觸溫升低的特點。 　?。?）觸頭支架采用整體式，解決了以往觸頭支架采用鉚接方式在進行溫升等保護特性試驗時出現觸頭支架松動的問題，而支架材料采用絕緣性能好、強度高、抗電弧能力強的模塑料UP—100，防止了極限分斷時產生的高溫和強電弧對它的破壞，斷路器順利地通過660V額定極限短路分斷能力。彌補了DZ20-100等斷路器無660V額定電壓等級的缺點。 　?。?）為提高電弧電壓，將滅弧寶設計成容量大、柵片多的結構，滅弧室隔弧板采用D324三聚氰胺層壓玻璃布板，保證丁滅弧室的滅弧性能。 4 解決斷路器溫升技術措施 　　試驗指出，通常斷路器的最高發熱處不是在觸頭，而是在熱元件與動觸頭相連接的聯結板a處，由于原DZ10系列產品及其更新換代產品都是將動觸頭和熱元件分別與各自的軟聯結焊接，如圖3、4示，然后再將此兩部件連接在a處用螺釘緊固。因此為降低最高處溫升，WS1—100斷路器改變了結構，將二個部件合二為一，即將其8個零件焊成一體，如圖5示。由于這種連接方式減小了接觸電阻，因而降低了斷路器的溫升。 5 塑料外殼式斷路器技術指標對比，表2示。 6 結束語 　　設計斷路器中直熱式雙金屬片時不僅要考慮到過載長延時特性的要求，還必須顧及短路時產生的溫升。采用電動斥力的觸頭系統、串接限流電阻等方法來減少直熱式雙金屬片受高分斷能力的限制有較大的實用意義。