低壓斷路器熱脫扣器的設計分析

吳亦兒

摘要：低壓斷路器是低壓配電系統中的重要組成部分，不僅可以正常接通與分斷負荷電流，還可以自動脫扣分斷短路電流，在電路中發揮保護功能。而低壓斷路器中的脫扣系統的設計實現低壓斷路器的保護性功能。本文主要探討低壓斷路器脫扣系統的其中一種熱脫扣器的設計分析。

關鍵詞：低壓斷路器；熱脫扣器；雙金屬元件；設計

熱脫扣器是按照流過脫扣器電流的熱效應而動作的一種過載脫扣器，是低壓斷路器中用于過載長延時的保護裝置。熱脫扣器的功能，決定了低壓斷路器的性能，決定了電力低壓系統的安全性與可靠性。

一、熱脫扣器的設計原理

由于微電子技術的發展和智能電器的出現，電子脫扣器取代了一部分熱脫元件的功能，但雙金屬片元件在熱脫扣器中，由于結構簡單、成本較低、制造方便、加工工藝簡單、不受電磁干擾影響、動作特性穩定等優勢，目前雙金屬片元件還是熱脫扣器的主要組成部分。

熱脫扣器其工作原理是以電流的熱效應為基礎，當低壓斷路器通入過載電流時，截流導體就會發熱，將熱量傳到雙金屬片，使雙金屬片受熱彎曲，推動脫扣桿達到脫扣行程，使低壓斷路器斷開電路，起到一個保護低壓電力系統的作用。

二、熱脫扣器的設計實現

雙金屬片設計：雙金屬在低壓斷路器智能脫扣器中，起到重要的作用，其為復合材料，由兩層或多層不同溫度膨脹系統的金屬合金材料結合而成，具備熱敏性特征，根據外部溫度的變化，產生不同的彎曲變形S。

（一）結構設計

低壓斷路器熱脫扣器中的雙金屬片結構，一般采用平直型、U型的設計方法，方便做出直線運行。雙金屬元件還可以根據熱脫扣器的設計要求，設計碟形圓片狀態，在作用力大時用于精密、細小的直線運行。當脫扣器有旋轉運動時，就要把雙金屬結構，設計成直螺旋型元件。

雙金屬元件的加熱方式也是直接影響雙金屬元件的結構設計一個重要因素，在低壓斷路器中，雙金屬元件主要是通過電流加熱使其彎曲變形，當電流超過某設定值外，雙金屬元件產生推力F推動脫扣桿，達到斷開電流作用。

例舉：低壓斷路器熱脫扣器中平直形雙金屬元件的設計如下：

在上圖中，熱脫扣器雙金屬元件設計為懸臂梁的平直形雙金屬片，當雙金屬片通過過載電流產生的熱量時，發生彎曲變形S，當變形受到脫扣桿的阻檔時，相應會對脫扣桿產生一個作用力F，和受熱變形時產生一個內應力σ，這兩個參數決定熱脫扣元件的性能優劣。需要滿足以下條件：S≥L（脫扣行程），F≥F（脫扣力），σ≥[σ]（材料的最大許應力），計算公式如下：

S =KL2τ[]δ （mm）

F =3EJ[]L3S=KEbδ2[]4L τ（N）

σ=E[]2（α2-α1）（θ-θ0）（N/mm2）

式中：δ—雙金屬片的厚度（mm）；

L—雙金屬片的有效長度（mm）；

τ—雙金屬片的溫升（℃）（τ=θ-θ0）；

Κ—比彎曲，可從雙金屬片材料手冊中查到（1/℃）；

E—彈性模量（N/mm2）；

J—雙金屬片截面慣性矩（mm4）；

b—雙金屬片的寬度（mm）；

α1、α2—分別為主動層和被動層的線脹系數。

（二）雙金屬片的選材與加工工藝

根據脫扣器的設計額定等級選用不同膨脹系系數與允許使用的溫度的雙金屬材料。要實現脫扣功能，在相同的受熱條件下，主動層的熱膨脹系數要大于被動層的熱膨脹系數，從而讓雙金屬片彎向脫扣桿方向。具體的選用材料可以根據設計要求和供應商的開發能力來研發選用。如現有低壓斷路中所用的雙金屬片是包含三種材料壓制形成，主動層為比彎曲K高的復合材料，主要有錳鎳合金、鎳錳鐵合金等；被動層為比彎曲K低的復合材料，主要是鎳鐵合金，中間再加上一層銅作為兩合金材料的導電體，讓熱量的傳遞更合理性，保證設計的準確性更高。

雙金屬片的沖壓工藝中，沖壓邊緣位置，不能有毛刺，制作時要打磨毛刺，消除脫扣器結構的內應力，因為熱脫扣器沖壓時，就會在雙金屬結構產生內應力，降低了雙金屬的靈敏度，所以應該消除結構的內應力，選擇低溫熱處理技術，此項技術實施期間，注重溫度、次數等因素的控制，可以實行多次熱處理，以便提高雙金屬在脫扣器中的作用。

（三）熱脫扣器的組裝工藝

1）點焊技術。

完成雙金屬片的設計，選材，生產之后，然后雙金屬片與連接板、加熱電阻元件、軟連接等熱脫扣器的其它零件組裝在一起，一般采用點焊的方法。點焊技術，直接關系到脫扣器后期使用的穩定性，尤其是雙金屬片與連接點的焊接位置。焊接時，注重雙金屬片的導電性能，維護雙金屬在熱脫扣器設計中的規范性。

2）機械裝配。

脫扣器的機械設計與實現，均是精細化的過程。熱脫扣器利用雙金屬實行機械裝配，裝配期間要降低機械外力作用，采用調試的方法，調整機械裝配，裝配的工具，盡量不要直接作用到脫扣器的機械元件中，選用專業工具，調整機械裝配的方法，注重調節熱脫扣器機械部件的初始位置，規范把控脫扣行程，避免機械裝配后的脫扣器，承載過大的機械外力。

三、結語

熱脫扣器，是低壓斷路器脫扣系統中不可缺少的部分。完善與優化熱脫扣器中雙金屬片的設計，才能更好保護低壓斷路器的電力系統，維護電力低壓系統的安全性與可靠性。

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