一種帶跳脫顯示功能的小型斷路器研究

黃文俊

（廈門士林電機有限公司，福建 廈門 361000）

小型斷路器一般應用于工業、商業高層和普通住宅等場所，主要應用于配電箱中的總開關與分電流控制開關，是一種保護電器的重要元件，其主要是作為短路保護和防止嚴重超載，例如工業機器的馬達負載線路保護就會以小型斷路器作為保護裝置之一，當斷路器偵測到短路、漏電或嚴重超載等問題時，斷路器可以立即跳脫從而保護線路及電器。

目前國內小型斷路器大多都是靠操作把手或者顯示窗進行指示，只能判斷斷路器的閉合和斷開，但斷路器本身無法判斷當下是人為斷開還是電路故障，若斷路器因配電線路事故而無法自動斷開電路，此時如果以操作把手來強行將斷路器斷電，容易因為判斷錯誤而發生感電事故。如何對斷路器機構進行優化設計，使跳脫顯示的功能更加清晰化、人性化，是目前各廠商急需解決的難題。

1 原理

小型斷路器的跳脫主要體現在把手（NO→OFF）、短路（瞬時）跳脫、過載跳脫。把手（NO→OFF）指的是人為撥動斷路器，使其進行閉合和脫扣的功能；短路（瞬時）跳脫指的是當電路中發生短路（瞬間產生大電流）時，線圈產生磁力帶動可動鐵心動作，推動可動軸頂出機構，使機構跳脫，從而使斷路器脫扣；過載跳脫指的是當電路中發生過載（電流過大）時，兩合金板受熱彎曲，帶動跳脫拉桿使機構跳脫，從而使斷路器脫扣。

2 現有小型斷路器的設計

現有斷路器機構見圖1。目前生產的斷路器產品，其內部結構包括底板、把手、支持座、可動子、主支點、復歸桿、復歸扭簧、兩合金板、接觸子及接點，把手樞設于底板上，支持座及可動子結合于底板，并套設于主支點上。復歸桿及復歸扭簧結合后套設于支持座的一支點（圖1中未示）上，接觸子結合于底板，接點設置于接觸子。

圖1 現有斷路器機構

由圖1可知，現有斷路器的機構只能單純根據把手ON和OFF的指示確認斷路器的閉合和斷開，無法從產品本身判斷當下是人為斷開還是電路故障的狀態。當斷路器因配電線路事故而無法自動斷開電路時，此時如果以操作把手來強力將斷路器斷電，則容易因判斷錯誤而引發感電事故；并且現有的斷路器機構不穩定，有翻轉的可能，容易造成短路試驗時絕緣耐壓不良和跳脫特性不穩定，并且再現性差會導致重工費時，增加成本。

綜上可知，現有的斷路器仍有改善的空間，需要通過不斷的試驗和改良，研發出一款新的斷路器機構。

3 新設計的小型斷路器

為保障使用安全，新設計的斷路器產品需明確顯示斷路器是人為斷開或是電路故障的狀態，產品本身設有顯示窗和顯示板，視窗會根據斷路器的狀態顯示出不同的顏色，即開啟、閉合、跳脫三種狀態。

新設計的斷路器內部結構（見圖2）包括底板和上蓋，上蓋結合于底板上，底板中裝設有視窗和顯示板，視窗設置于底板上部，顯示板活動裝設于底板中，該視窗位于該顯示板的滑動路徑上方，斷路器在跳脫過程中，顯示板被撥動至該視窗對應位置，即顯示跳脫狀態。

圖2 新設計斷路器機構分解圖

底板和該上蓋均設有供該顯示板滑動的滑槽，底板的滑槽和上蓋的滑槽相對，顯示板兩端分別容置在底板的滑槽和上蓋的滑槽中。

小型斷路器處于關閉狀態（OFF）時，該上連桿一端位于該視窗對應位置，即顯示關閉狀態。

把手受到外力推動，使U型連桿受連動并且帶動上連桿嚙合復歸桿，驅動機構組件順時針旋轉，當機構組件旋轉至臨界點時，該可動子固定板的前端部接觸快投連桿的下端部以儲存能量，把手持續旋轉，利用快投連桿的彈性部限制快投連桿，被把手帶動，而支持座的限位部抑制快投連桿扭轉，把手即快速帶動快投連桿，使快投連桿與可動子固定板脫離，由此使機構組件瞬間釋放能量，從而使可動子與接觸子快速閉合，達到開啟狀態（ON），此時復歸桿一端位于視窗的對應位置，即顯示開啟狀態，如圖3所示。

圖3 斷路器處于開啟狀態（ON）

在大電流激磁下，鐵芯推動復歸桿，或是跳脫拉桿拉動復歸桿，使復歸桿逆時針旋轉，讓復歸桿與上連桿的嚙合位置脫開，達到跳脫狀態，復歸桿在逆時針旋轉過程中推動上連桿產生逆時針旋轉，上連桿撥動顯示板移動至視窗對應位置，即顯示跳脫狀態，如圖4所示。再以支持座逆時針旋轉并用其一端撥動顯示板回到原來位置，使其離開視窗位置，回到開啟狀態（ON）。

圖4 斷路器處于跳脫狀態

綜上所述，新設計的小型斷路器對應斷路器的開啟、關閉和跳脫狀態，從視窗處看到的分別是復歸桿（紅色）、上連桿（綠色）和顯示板（黃色），從而可明確顯示斷路器是人為斷開還是電路故障的狀態，以保障人身安全。

與現有斷路器相比，新設計的斷路器具有以下優點：

（1）現有的斷路器人為開斷時，上連桿一端位于該視窗對應位置，即顯示關閉狀態。新設計的小型斷路器的開閉與跳脫顯示結構設置了一顯示板，斷路器在跳脫過程中會撥動該顯示板，顯示板移動至視窗對應位置，即顯示跳脫狀態，因此可明確顯示斷路器是人為斷開還是電路故障的狀態，以保障人身安全。

（2）新設計的斷路器內追加了快投結構和復歸結構的設計，能在短路時斷路器投入過程中，加快可動子與接觸子接觸的速度，通過減少短路弧光來減少可動子損耗，從而提升短路特性，并且可動子與接觸子可以完全嚙合，使接觸壓力與跳脫特性穩定，進而提升短路容量，并且改善跳脫穩定及試驗時再現性差而導致的重工費時問題。

（3）機構零件與軸鉚接固定，再與上蓋底板固定搭配，使機構動作穩定置中，不會翻轉，并且可動子與接觸子可以完全嚙合，使得接觸壓力與跳脫特性穩定，進而提升短路容量。

（4）斷路器內的零組件為模組化，組裝可采用自動化方式組立，以節省組裝工時及降低成本，提高成本競爭力。

（5）快投連桿的設計，能夠在短路時斷路器投入過程中，加快可動子與接觸子接觸的速度，減少電弧消耗可動子與接觸子，提升短路特性。

此外，新設計的小型斷路器不僅有開閉及短路過載跳脫三種功能指示，還具有導線和匯流排雙重接線功能，限流特性好，能到達歐洲標準（EN）能量等級3級，且分斷能力較強，可達10kA。

4 結束語

綜合上述的對比，新設計帶跳脫顯示功能的小型斷路器能有效地顯示斷路器自身的工作狀態，加快維修人員對線路故障的判斷，并保障其自身安全；在接線方面，斷路器具有導線和匯流排雙重接線功能，使電工在接線時更加方便快捷。此款斷路器為廈門士林電機有限公司創造了新一代系列小型斷路器產品，在外觀、短路功能及其他特性上優勢顯著，并且成本也得到了明顯的改善，在同行業中具有較強的競爭力。