塑料材料在斷路器應(yīng)用中的性能要求探討

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250103）

塑料材料在斷路器應(yīng)用中的性能要求探討

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250103）

以低壓斷路器殼體為例，對(duì)塑料材料應(yīng)用于斷路器的性能進(jìn)行探討。通過(guò)對(duì)斷路器進(jìn)行短路試驗(yàn)和耐燃試驗(yàn)，分析外殼在試驗(yàn)中所體現(xiàn)的耐壓、耐高溫、耐燃性能，并提出建議，優(yōu)化塑料材料在電器產(chǎn)品中的應(yīng)用，提高斷路器的性能。

塑料材料；斷路器；短路；耐燃

0 引言

低壓斷路器又稱自動(dòng)開關(guān)，它是一種既有手動(dòng)開關(guān)作用，又能自動(dòng)進(jìn)行失壓、欠壓、過(guò)載和短路保護(hù)的電器。它可用來(lái)分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)電源線路及電動(dòng)機(jī)等實(shí)行保護(hù)，當(dāng)短路時(shí)，大電流（一般為10~12倍正常值）產(chǎn)生的磁場(chǎng)克服反力彈簧，脫扣器拉動(dòng)操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作，開關(guān)瞬時(shí)跳閘；當(dāng)過(guò)載時(shí)，電流變大，發(fā)熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度推動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作（電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短），其功能相當(dāng)于熔斷器式開關(guān)與過(guò)欠熱繼電器等的組合。斷路器一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、脫扣器、外殼等構(gòu)成。

塑料材料具有良好的絕緣性能和可塑性，被長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用在斷路器的外殼和滅弧系統(tǒng)中，起到保護(hù)載流部件和熄滅觸點(diǎn)在切斷電路時(shí)所產(chǎn)生的電弧的作用，對(duì)斷路器的安全性能尤其重要。尤其在非正常條件下，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，電弧燃燒產(chǎn)生高溫高壓，容易發(fā)生斷路器外殼變形、破裂，燃燒，嚴(yán)重影響斷路器安全性能。以小型斷路器為例，分析在非正常條件下對(duì)塑料材料的性能要求，提出建議，優(yōu)化塑料材料在斷路器的應(yīng)用，提高斷路器的安全性能。

1 額定短路能力要求

1.1 試驗(yàn)方法

按照GB/T 10963.1—2005進(jìn)行額定短路能力試驗(yàn)，模擬斷路器在發(fā)生短路故障的情況下，能否安全斷開。試驗(yàn)電路如圖1所示。圖中：TM為短路沖擊試驗(yàn)變壓器；Rx為可調(diào)節(jié)電阻；Lx為可調(diào)節(jié)電感；Ik為短路電流；MCB為斷路器。試驗(yàn)參數(shù)：Ue＝400 V；Ik＝6 kA。

圖1 短路試驗(yàn)系統(tǒng)

給樣品通入短路電流后，模擬發(fā)生短路故障情況，斷路器分?jǐn)啵诟邷仉娀〉淖饔孟滤芰喜牧戏纸猓查g產(chǎn)生高溫高壓的氣體。在高溫高壓氣體的作用下，塑料外殼性能發(fā)生變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 外殼破裂

圖3 外殼變形

1.2 結(jié)果分析

1.2.1 壓強(qiáng)的影響

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生電弧，斷路器的側(cè)板與動(dòng)靜觸頭之間的距離很近，與電弧近距離接觸的產(chǎn)氣材料（POM和PA66）遇高溫分解、氧化生成聚合物氣體， 包括 H2、CO2、NO2、CO 等氣體，聚合物氣體與空氣形成混合氣體，使得斷路器殼體有限空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)迅速增大，形成殼體內(nèi)外壓強(qiáng)差。

根據(jù)電弧的運(yùn)動(dòng)情況，推理斷路器內(nèi)部壓強(qiáng)變化情況［2-5］，并用曲線擬合變化趨勢(shì)。假設(shè)外界氣體壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0，產(chǎn)氣材料產(chǎn)生的聚合物氣體使得殼體內(nèi)部壓強(qiáng)為P1，鉚釘加固殼體使得殼體接觸部位產(chǎn)生的平均壓強(qiáng)為P2。在整個(gè)過(guò)程中，斷路器短路分?jǐn)鄷r(shí)動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生的電弧經(jīng)歷起燃、燃燒、熄滅三個(gè)階段，壓強(qiáng)P1隨之經(jīng)歷從小到大，再到小的過(guò)程，而P0+P2是一個(gè)定值，正常情況下 P1＜P0+P2，如圖4所示，產(chǎn)氣材料有效熄滅電弧，未對(duì)殼體機(jī)械結(jié)構(gòu)造成損壞；非正常情況下P1＞P0+P2，如圖5所示，超過(guò)殼體機(jī)械結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)度，造成殼體接觸薄弱處產(chǎn)生破裂、變形。

圖4 正常情況下壓強(qiáng)變化

圖5 非正常情況下壓強(qiáng)變化

因此，外殼應(yīng)該選擇機(jī)械強(qiáng)度大的材料，避免非正常條件下突然增大的壓強(qiáng)的沖擊。

1.2.2 溫度的影響

斷路器的殼體多數(shù)為熱塑性塑料，遇到高溫時(shí)容易發(fā)生變形，而短路分?jǐn)噙^(guò)程中殼體內(nèi)聚集聚合物氣體溫度較高，使殼體薄弱部位出現(xiàn)突起形狀。因此外殼選用熱固性塑料更具優(yōu)勢(shì)，熱固性塑料耐熱性好、不容易變形，可以在高溫下使用，另一方面也可通過(guò)合理設(shè)計(jì)斷路器的排氣機(jī)構(gòu)，使聚合物氣體在有效熄滅電弧的同時(shí)及時(shí)排出殼體，避免高溫對(duì)殼體的外形造成破壞。

2 耐異常發(fā)熱和耐燃

2.1 試驗(yàn)方法

按照GB/T 10963.1—2005中9.15進(jìn)行耐異常發(fā)熱和耐燃試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。

圖6 灼熱絲試驗(yàn)裝置

將殼體固定在小車上，然后通過(guò)調(diào)節(jié)電流將灼熱絲頂端溫度加熱至960℃，小車緩緩接近灼熱絲頂端，當(dāng)灼熱絲頂端深入殼體7 mm時(shí)，小車停止前進(jìn)。殼體與灼熱絲頂端接觸時(shí)開始承受高溫甚至燃燒，此過(guò)程維持30 s，如圖7所示。

殼體離開灼熱絲頂端后，仍持續(xù)燃燒，30 s之內(nèi)熄滅，如圖8所示。

圖7 燃燒中的殼體

圖8 持續(xù)燃燒

2.2 結(jié)果分析

灼熱絲試驗(yàn)考核小型斷路器外殼在非正常條件下（如發(fā)生短路故障或周圍存在著火危險(xiǎn)）是否具備耐燃性、阻燃性，是否能夠不引燃，或引燃后在引燃源離開后是否能快速熄滅。

上述結(jié)果表明該小型斷路器耐異常發(fā)熱和耐燃性能差，發(fā)生燃燒，并且外殼材料（POM和尼龍PA66及其他聚合物材料）燃燒后，高溫氧化生成一氧化碳和氧化氮以及劇毒氣體氰化氫等有毒有害氣體，發(fā)出刺鼻的氣味，對(duì)人身健康造成威脅，對(duì)環(huán)境造成污染，因此斷路器在短路分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生的有毒有害氣體對(duì)環(huán)境的影響不可忽略，值得引起關(guān)注，隨著產(chǎn)氣材料的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保成為社會(huì)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，塑料用于小型斷路器產(chǎn)品的外殼時(shí)，對(duì)其安全性能有著重要意義，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10963.1—2005中對(duì)其在非正常條件下的耐高壓、耐高溫、耐燃性能都有要求，因此建議斷路器外殼選用：機(jī)械強(qiáng)度大的熱固性塑料，或者合理設(shè)計(jì)排氣孔將產(chǎn)生的高溫聚合物氣體及時(shí)排除，減低高壓造成破裂高溫造成變形的概率；耐燃、阻燃性能高的材料，增加斷路器的安全系數(shù)，并合理考慮材料的環(huán)保性能。

［1］全國(guó)低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電氣附件——家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器 第1部分：用于交流的斷路器：GB/T 10963.1—2005［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

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［5］郭瑾，馬強(qiáng)，楊飛，等.不同產(chǎn)氣材料對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.低壓電器，2009（5）：5－7，39.

［6］何瑾，劉軍軍，李風(fēng)，等.兩種含氮高分子材料的熱解煙氣毒性評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（6）：1 049－1 055.

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［9］WADA J，UETA G，OKABE S.Evaluation of breakdown characteristics of N2 gas for non－standard lighting impulse waveforms under non－uniform electric field－breakdown characteristics for single－frequency oscillation waveforms［J］.IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation，2012，19（1）：263－273.

Performance Requirement of Plastic Material in Circuit Breakers

WANG Feng，ZHAO Yi，CONG Lin
（Shandong Institute for Product Quality Inspection，Jinan 250103，China）

Taking the low-voltage circuit breaker shell as an example，the performance requirements of the plastic material in circuit breakers are discussed.Through the short-circuit test and the flame test，the shell performance in conditions of high temperature，high pressure and burning dangerous are analyzed，and suggestions to optimize the application of plastic materials in electrical products are proposed，which can improve the performance of circuit breakers.

plastic material；circuit breaker；short-circuit；flame resistant

TM561

B

1007－9904（2017）10－0033－03

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016QK098）

2017－09－04

王 鋒（1964），男，高級(jí)工程師，從事變壓器、低壓電器產(chǎn)品檢測(cè)工作。