RMM3塑料外殼式斷路器研制

張國(guó)榮 李鳴廉 趙軼磊 李如甲 上海人民電器廠（200042）

張國(guó)榮（1963年～），男，本科，工程師，主要從事塑料外殼式斷路器、帶剩余電流保護(hù)斷路器、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、以及其他低壓電器研究。

0 引言

低壓斷路器是保障低壓配電網(wǎng)絡(luò)安全、可靠運(yùn)行的主要電氣元件，自1885年誕生刀開關(guān)和過電流脫扣器的組合—世界上最早的斷路器以來，目前已發(fā)展成為包括萬能式斷路器、塑殼式斷路器、剩余電流保護(hù)斷路器、微型斷路器、真空斷路器及直流斷路器等品種的龐大家族，為構(gòu)建安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的強(qiáng)大電網(wǎng)提供了基礎(chǔ)保證。

塑料外殼式斷路器(moulded case circuit breaker)簡(jiǎn)稱 MCCB，是配電系統(tǒng)中的支路保護(hù)開關(guān)，用于線路及電源設(shè)備的過載、欠電壓和短路保護(hù)。

在我國(guó)，塑殼式斷路器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其主要技術(shù)指標(biāo)—短路電流分?jǐn)嗄芰σ褟腄Z系列塑殼斷路器的1kA～2kA 發(fā)展到現(xiàn)在的100kA甚至更高，其操作機(jī)構(gòu)、脫扣系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)以及導(dǎo)電系統(tǒng)都取得了顯著的進(jìn)步，其外觀的設(shè)計(jì)、附件的配置更具多樣化和人性化。

1 概述

我們研制的RMM3系列塑料外殼式斷路器適用于交流50Hz、額定工作電壓400V、額定電流至800A及以下的電路中作配電使用，400A及以下的斷路器可作為保護(hù)電動(dòng)機(jī)使用。該斷路器的額定沖擊耐受電壓為8 000V；額定絕緣電壓為690V。

在正常條件下，RMM3系列塑殼斷路器可作為線路的不頻繁轉(zhuǎn)換及電動(dòng)機(jī)的不頻繁起動(dòng)之用，并具有隔離功能。

我們開發(fā)的RMM3系列塑料外殼式斷路器產(chǎn)品符合GB14048.2、IEC60947-2標(biāo)準(zhǔn)。

在具有過載保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)等斷路器的基本功能的同時(shí)，RMM3系列塑殼斷路器還具有剩余電流保護(hù)、過載報(bào)警不脫扣等功能；在附件配置上，有分勵(lì)脫扣器、欠壓脫扣器、輔助觸頭、報(bào)警觸頭、手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、插入式裝置和抽屜式裝置可供不同需求的用戶選擇。

RMM3系列塑料外殼式斷路器的下進(jìn)線功能可在用戶需要電源端和負(fù)載端互換時(shí)，不用改變斷路器的安裝方式，方便地改變進(jìn)線端和出線端（見圖1）。

本產(chǎn)品的部分技術(shù)申請(qǐng)了專利：

(CN200620042251.7)用于雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的欠壓脫扣器；

(CN200730078372.7)塑殼斷路器的報(bào)警開關(guān)(RMM3系列)；

(CN200730078373.1) 塑殼斷路器的分勵(lì)脫扣器(RMM3系列)；

(CN200730078371.2) 塑殼斷路器的輔助開關(guān)(RMM3系列)；

(CN200720073462.1)用于雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的輔助報(bào)警開關(guān)；

(CN200720073463.6) 用于雙斷點(diǎn)塑殼斷路器的分勵(lì)脫扣器。

圖1 RMM3系列塑料外殼式斷路器

2 技術(shù)參數(shù)

為了適應(yīng)配電系統(tǒng)對(duì)不同電流的保護(hù)要求，RMM3系列塑料外殼式斷路器的殼架等級(jí)額定電流分為：63A、125A、250A、400A、630A、800A，其額定電流的規(guī)格見表1，可以對(duì)額定電流從10A～800A提供過載和短路等保護(hù)；針對(duì)電網(wǎng)不同的預(yù)期短路電流，RMM3系列斷路器提供了3個(gè)不同的額定極限短路分?jǐn)嗄芰?，其詳?xì)參數(shù)見表2；其瞬時(shí)過電流脫扣器電流整定值見表3；過載脫扣器電流整定值見表4。

RMM3系列塑料外殼式斷路器脫扣方式及主要附件代號(hào)見表5，附件的額定電壓見表6。

表1 RMM3系列塑料外殼式斷路器主要規(guī)格

表2 額定短路分?jǐn)嗄芰?/p>

表3 瞬時(shí)過電流脫扣器電流整定值

表4 過載脫扣器電流整定值

表5 脫扣器方式及附件代號(hào)

表6 控制電路的額定電壓

3 結(jié)構(gòu)及功能

斷路器主要由操作機(jī)構(gòu)、脫扣器、觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)等幾大部分組成。操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了斷路器的快速合分閘操作，通過操作其手柄可使斷路器接通或斷開電氣回路，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可接受脫扣器的指令使斷路器斷開；脫扣器由熱脫扣系統(tǒng)和磁脫扣系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)斷路器的過載和短路保護(hù)功能；導(dǎo)電系統(tǒng)貫通于斷路器的進(jìn)線端和出線端，連接了脫扣器和動(dòng)、靜觸頭，是斷路器電氣回路的主要部分；當(dāng)線路發(fā)生過載和短路故障時(shí)，斷路器斷開被保護(hù)回路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧，滅弧系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了熄滅電弧的重任，其性能的優(yōu)劣決定了斷路器短路電流分?jǐn)嗄芰Φ拇笮　?/p>

3.1 斷路器的操作機(jī)構(gòu)

RMM3系列斷路器采用的機(jī)構(gòu)為自由脫扣機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖2。在再扣和合閘狀態(tài)，由上連桿、下連桿、動(dòng)觸頭及基架組成一四連桿機(jī)構(gòu)，操作手柄通過杠桿帶動(dòng)彈簧運(yùn)動(dòng)，可使斷路器進(jìn)行合分閘操作。圖示狀態(tài)為自由脫扣狀態(tài)，跳扣與鎖扣處于解鎖狀態(tài)。要進(jìn)行合分閘操作，首先要操作斷路器手柄使杠桿帶動(dòng)跳扣向鎖扣方向運(yùn)動(dòng)，將跳扣與鎖扣閉鎖，同時(shí)圖中的卡板與定位件同時(shí)閉鎖，此時(shí)可進(jìn)行合分操作。當(dāng)熱磁脫扣器檢測(cè)到線路中有過載或短路故障時(shí)，推動(dòng)卡板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)卡板轉(zhuǎn)動(dòng)至與定位件解鎖后，定位件在扭簧的作用下作順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，改變了鎖扣在定位件上的支點(diǎn)，鎖扣處于自由狀態(tài)，跳扣與鎖扣隨之解鎖，斷路器在彈簧的作用下脫扣切斷線路。

在斷路器自由脫扣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，主彈簧的剛度（彈簧的拉伸力）和合閘角的設(shè)計(jì)計(jì)算，直接決定了機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)、桿件剛度、使用壽命以及在脫扣時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度，采用軟件分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，使機(jī)構(gòu)滿足了斷路器的手柄操作力、觸頭壓力、脫扣力、機(jī)械操作性能、短路分?jǐn)嗄芰Φ雀黜?xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求。

圖2 斷路器的操作機(jī)構(gòu)

3.2 脫扣系統(tǒng)

斷路器的脫扣系統(tǒng)采用熱脫扣和磁脫扣組合的方式，熱脫扣由圖3所示的雙金屬片和發(fā)熱元件組成，磁脫扣由磁軛、銜鐵及彈簧組成。當(dāng)回路中有過載電流時(shí)，發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量使雙金屬片彎曲并推動(dòng)機(jī)構(gòu)中牽引桿繞固定軸線并帶動(dòng)卡板轉(zhuǎn)動(dòng)，使卡板與定位件解鎖，斷路器脫扣。當(dāng)電氣回路發(fā)生短路時(shí)，其短路電流通過發(fā)熱元件時(shí)，在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，使銜鐵和磁軛克服彈簧力而吸合，銜鐵的另一端推動(dòng)牽引桿使斷路器脫扣。

脫扣器的瞬動(dòng)脫扣特性主要由磁脫扣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，脫扣時(shí)間控制在0.2s內(nèi)。過載脫扣特性由熱脫扣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，脫扣時(shí)間與磁脫扣系統(tǒng)相比要長(zhǎng)得多。

圖3 斷路器的脫扣系統(tǒng)

圖4 是斷路器脫扣的動(dòng)作特性曲線，X軸表示故障電流的數(shù)值，以斷路器額定電流的倍數(shù)表示，Y軸為動(dòng)作時(shí)間，單位為s。圖4表示了斷路器對(duì)故障電流的脫扣時(shí)間與范圍，陰影部分為脫扣區(qū)域。不同額定電流規(guī)格的斷路器該曲線略有區(qū)別。

圖4 動(dòng)作特性曲線

3.3 觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)

觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)是決定斷路器短路分?jǐn)嗄芰χ笜?biāo)的主要系統(tǒng)，當(dāng)斷路器切斷通有電流的回路時(shí)，在動(dòng)、靜觸頭分開瞬間，觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧。此時(shí)，觸頭雖然已分開，但是在電路中的電流還在繼續(xù)流通，只有熄滅電弧，電路才真正斷開。

滅弧的基本方法就是加強(qiáng)去游離提高弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度，在斷路器動(dòng)、靜觸頭分開后，短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度。目前開關(guān)電器的主要滅弧方法有好幾種，在RMM3系列塑殼斷路器中，主要采用金屬柵片將長(zhǎng)弧分隔成短弧，使長(zhǎng)弧變成多段弧隙串聯(lián)，以獲得較高的介質(zhì)強(qiáng)度，使電弧在過零熄滅后不再重燃，同時(shí)采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量大的銀鎢合金和銀石墨碳化鎢合金作為動(dòng)靜觸頭的材料，以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，優(yōu)化操作機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)來提高斷路器觸頭的分離速度、加快拉長(zhǎng)電弧的速度，有利于電弧的快速熄滅。

RMM3-400以上規(guī)格的塑料外殼式斷路器的觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖5，從圖中可以看到，結(jié)構(gòu)中采用了聯(lián)結(jié)板直接接觸的導(dǎo)電系統(tǒng)，提高了斷路器的接觸性能；省略了軟聯(lián)結(jié)及其焊接工藝，提高了斷路器的可靠性，在保證斷路器發(fā)熱性能的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本；同時(shí)其由兩組并聯(lián)導(dǎo)體組成的動(dòng)觸點(diǎn)的采用及與操作機(jī)構(gòu)的有效配合，增大了斷路器觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)斥力，加快了斷路器的分?jǐn)嗨俣龋箶嗦菲鞯姆謹(jǐn)嗳萘考岸搪贩謹(jǐn)嗄芰Φ玫胶艽蟮奶岣摺?/p>

在RMM3-250及以下的規(guī)格中，采用了圖6的雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)，每一極由兩組觸頭串聯(lián)組成，分?jǐn)嚯娀∧芰縿t由兩個(gè)斷口共同承擔(dān)，配以雙向滅弧室及通道，使斷路器的分?jǐn)嗨俣雀?，滅弧時(shí)間更短，分?jǐn)嗳萘扛蟆?/p>

圖5 觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)

圖6 雙斷點(diǎn)觸頭系統(tǒng)

3.4 附件的配置

RMM3系列塑殼斷路器配備了多種內(nèi)部和外部附件，以滿足不同需求的用戶。內(nèi)部附件包括分勵(lì)脫扣器、欠電壓脫扣器、輔助觸點(diǎn)和報(bào)警觸點(diǎn)以及過載報(bào)警不脫扣裝置，其采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝和更換不需開蓋，從而確保斷路器的可靠性，給用戶帶來了方便。

分勵(lì)脫扣器是一種實(shí)現(xiàn)斷路器遠(yuǎn)距離分閘的附件，當(dāng)分勵(lì)脫扣器的外施電壓為分勵(lì)脫扣器額定控制電壓的70%～110%時(shí)，就能可靠地分?jǐn)鄶嗦菲?。分?lì)脫扣器有多種額定控制電壓可供不同場(chǎng)合、不同電源時(shí)選用。

欠電壓脫扣器是一種保護(hù)性附件，當(dāng)電源電壓下降到欠電壓脫扣器額定電壓的35%～70%時(shí)，欠電壓脫扣器能使斷路器脫扣；當(dāng)電源電壓低于欠電壓脫扣器額定電壓的35%時(shí)，欠電壓脫扣器能保證斷路器不合閘；當(dāng)電源電壓高于欠電壓脫扣器額定電壓的85%時(shí)，欠電壓脫扣器能保證斷路器正常工作。因此，當(dāng)受保護(hù)電路中電源電壓發(fā)生欠電壓時(shí)，能自動(dòng)斷開斷路器切斷電源，使該斷路器以下的電氣負(fù)載免受欠電壓的損壞。欠電壓脫扣器也有多種額定工作電壓可供用戶選擇。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及社會(huì)公眾意識(shí)的逐步提升，傳統(tǒng)民居的保護(hù)受到了越來越廣泛的關(guān)注。由于傳統(tǒng)民居本身的特點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行保護(hù)時(shí)很難保證現(xiàn)狀測(cè)繪的精度和準(zhǔn)度以及建筑表達(dá)的直觀性和完整性。BIM技術(shù)能夠準(zhǔn)確地記錄建筑數(shù)據(jù)和立體地呈現(xiàn)建筑形狀。因此，結(jié)合BIM技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)民居進(jìn)行保護(hù)具有良好的應(yīng)用前景，為傳統(tǒng)民居保護(hù)提供可靠的技術(shù)支撐。

輔助觸點(diǎn)和報(bào)警觸點(diǎn)都是用于顯示斷路器當(dāng)前狀態(tài)的內(nèi)部附件。輔助觸點(diǎn)是在斷路器分、合閘時(shí)改變狀態(tài)，能顯示出斷路器的接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，報(bào)警觸點(diǎn)是在斷路器因故障而斷開時(shí)改變狀態(tài)，能顯示斷路器的故障脫扣狀態(tài)，用戶可以根據(jù)不同的需求來選擇輔助觸點(diǎn)或報(bào)警觸點(diǎn)。

過載報(bào)警不脫扣裝置可以在斷路器處于過載狀態(tài)時(shí)輸出一個(gè)無源的報(bào)警信號(hào)，而斷路器仍處于通電狀態(tài)。用戶可以根據(jù)該信號(hào)來進(jìn)行后續(xù)的控制或操作。

外部附件有手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、板后接線裝置、插入式接線裝置以及抽屜式裝置等。

手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)是一種具有將斷路器的上下扳動(dòng)操作轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)操作功能的附件，斷路器無論是垂直安裝、還是左、右側(cè)橫向安裝，外部操作手柄均能按同一方向指示斷路器的分合狀態(tài)。用戶可以將斷路器安裝在配電柜內(nèi)，而操作手柄的面板安裝在配電柜門上，有A型和F型兩種手柄可供用戶選擇。其中的連接桿可根據(jù)需要選擇其長(zhǎng)度。

電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)可用來實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)距離合分閘操作，有直流110V、220V；交流230V等多種額定工作電壓適應(yīng)不同電壓的控制回路。

板后接線裝置、插入式接線裝置以及抽屜式裝置提供了用戶多種接線方式，用戶可利用板后接線裝置實(shí)現(xiàn)水平接線和垂直接線，利用插入式接線裝置可在更換斷路器時(shí)不改變主回路的接線方式，借助抽屜式裝置用戶可利用操作機(jī)構(gòu)方便地更換斷路器。

目前，塑殼斷路器的附件已經(jīng)成為斷路器不可分割的組成部分，拓展或延伸了塑殼斷路器的保護(hù)范圍，保證了斷路器保護(hù)電氣回路的可靠、安全地運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路區(qū)域聯(lián)鎖、集中控制、遠(yuǎn)程操作；為方便用戶操作、維修等多方面起到了重要作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著RMM3系列塑料外殼式斷路器推向市場(chǎng)，其高性能、高分?jǐn)?、高可靠性以及附件、安裝方式多樣化的特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在電力行業(yè)、建筑行業(yè)、工礦企業(yè)、商場(chǎng)、住宅等多種場(chǎng)合，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該產(chǎn)品符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策,對(duì)我國(guó)電力行業(yè)科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步與節(jié)能降耗具有重要意義，其合理的性價(jià)比，滿足了市場(chǎng)需求，它的廣泛應(yīng)用將會(huì)帶來良好的社會(huì)效益。