黃和平 王景凱 張應林 胡建國 江華華
(浙江正泰電器股份有限公司)
現(xiàn)有熱過載保護斷路器由于熱脫扣器動作時間長、保護精度低、整定困難、熱容量有限、額定電流分段能力不容易做大[1],沒有斷相保護功能,大大限制了熱脫扣器斷路器在光伏低壓配電系統(tǒng)電路的保護和應用。一種具有熱過載與斷相、欠壓保護控制功能的斷路器,可應用于工業(yè)電氣電路、光伏串的短路單相應用控制、電氣設備及電機拖動生產(chǎn)保護之中,是由熱差動脫扣系統(tǒng)組裝斷路器內,熱差動脫扣系統(tǒng)在過電流或斷電流作用下,熱差動脫扣系統(tǒng)動作,產(chǎn)生移位行程和脫扣力,驅動斷路器操作機構脫扣,切斷過電流與相位中斷,達到熱過載與斷相保護功能。如何設計合理科學的熱差動脫扣系統(tǒng)結構參數(shù),以獲得穩(wěn)定可靠動作特性、更高、快速、同步分斷性能,實現(xiàn)小型化、智能化、低成本化,是當今熱差動脫扣斷路器發(fā)展的難點和和核心技術。本文從熱差動脫扣系統(tǒng)結構設計源頭、及影響動作特性的各種因素入手、建立數(shù)學模型,采用參數(shù)設計等正交試驗方法,解析各因素對熱差動脫扣系統(tǒng)產(chǎn)品動作特性的影響規(guī)律。
國內學者林喜桂[2]在復合式加熱雙金屬片的電動機斷路器、及馮梅崗、付正剛[3]在額定電流可調熱過載斷路器,都是從雙金彎曲行程匹配脫扣行程、雙金彎曲推力匹配脫扣力方面提高熱過載動作穩(wěn)定性的研究開展了一些工作; 周泰武[4]對影響熱繼電器斷相保護性能、三相正常不均衡穩(wěn)定性及熱脫扣不同步性的各種因素進行了分析,并導出了相應的關系式,分析的結果提供了提高熱繼電器產(chǎn)品性能、合理進行調整及簡化校驗的方法和途徑。但實現(xiàn)高分斷、大容量、熱過載與斷相保護的熱差動脫扣系統(tǒng)產(chǎn)品結構與參數(shù)設計、動作特性和可靠性解析卻鮮見報道。筆者通過詳細分析雙金屬片式產(chǎn)品在動作過程中所受到的各種因素的作用及其對應的關系模型,通過對產(chǎn)品動作特性影響因素的分析以及產(chǎn)品實現(xiàn)穩(wěn)定和脫扣動作的過程進行研究,以調節(jié)行程量為設計要求,建立了產(chǎn)品動作特性數(shù)學模型。運用三次設計法中參數(shù)設計方法,結合算例,對影響動作特性的多因素進行優(yōu)化設計,找到影響動作特性各因素的最佳水平組合,找到顯著作用因素,同時對各影響因素進行分析量化確認,實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性提升。
熱脫扣斷路器結構參數(shù),對熱脫扣器斷路器的脫扣分斷動作能力、保護精度和可靠性能有決定性影響、熱差動脫扣系統(tǒng)熱脫扣斷路器結構參數(shù)主要包括主雙金(輔雙金)尺寸、雙金材料及其各參數(shù)、熱元件電阻值、穩(wěn)定溫升1.05倍電流、對應相應的動作溫升1.20倍電流脫扣力、杠桿比、摩擦系數(shù)、同步性、輔雙材料及其各參數(shù)、校驗后雙金位置的變化量(或漂移量)及其新的不同步誤差等。近年來研發(fā)低成本的熱脫扣斷路器已越來越廣泛,特別是如何設計合理的動作特性結構參數(shù),以獲得穩(wěn)定、可靠的高動作特性成為企業(yè)開發(fā)熱差動脫扣斷路器的難點和關鍵核心技術,因此開展關于熱產(chǎn)品動作特性性能數(shù)學建模求解,雙金結構各個參數(shù)建模設計對動作特性性能影響規(guī)律,進一步搞清楚熱脫扣機理,為熱差動脫扣器斷路器的設計和工藝實施提供了有效依據(jù)和參考。
如圖1所示,熱過載與斷相保護功能斷路器是由塑殼架1內裝有進線端導電系統(tǒng)19、中間件操作機構10與出線端靜觸頭18及差動熱差動機構5組成;熱差動機構5套裝在三相極槽內的繞有電阻絲4的雙金熱元件3u,熱元件3v、熱元件3w上,雙金熱元件由支撐8固定在塑殼17上,用于熱當量分段檔位凸輪與調節(jié)旋鈕13驅動連接,補充雙金12由夾緊件9a與調節(jié)旋鈕13固定,補償雙金屬12順時針繞支承軸12a 旋轉運動,調節(jié)旋鈕13固定在塑殼17上、支承軸12a與牽引組件11連接組成閉鎖機構,組成的熱差動脫扣系統(tǒng)。其系統(tǒng)的牽引組件11推進到釋放位置上,而釋放開啟和閉合操作機構10的電閘。結果,開啟和閉合機構10跳閘組成。
(1)熱差動脫扣系統(tǒng)實現(xiàn)熱過載的原理
如圖1和圖2所示,通電雙金熱元件的電阻發(fā)熱溫度上升,三相中的雙金彎曲(3u、3v,3w)帶上差動桿向左M移動,通過差動杠桿的連接作用,下差動桿同時向右N移動;當電流小于或等于穩(wěn)定電流時,雙金的彎曲撓度和差動杠桿的向左行程小于補償雙金12(或機構)需要的脫扣行程,產(chǎn)品處于穩(wěn)定狀態(tài);產(chǎn)品處于穩(wěn)定狀態(tài)是GB/T14048.4規(guī)定的1.05倍過載整定電流2h不動作;當電流升至動作電流時(超過1.2倍過載整定電流2h),雙金彎曲加大,推動輔雙移動,通過差動杠桿產(chǎn)生差動作用,推動差動杠桿后再推動閉鎖機構,閉鎖機構推動牽引組件11,牽引組件11使操作機構10快速達到脫扣位置,使得操作機構10動作(圖中未表達出來)。達到快速過載電流脫扣狀態(tài)。圖中序凸輪與調節(jié)螺釘對輔雙位置、脫扣位置起動調整作用,確保產(chǎn)品在穩(wěn)定電流下不脫扣或動作電流下能動作。
(2)熱差動脫扣系統(tǒng)實現(xiàn)斷相保護的原理
如圖1和圖3所示,當工業(yè)電氣電路、電氣設備及電機線路在三相中任一相(例如U相)斷相時,與該相串接的雙金熱元件3u由熱態(tài)轉冷態(tài),帶動上差動桿向右移動,下差動桿在未斷相的雙金熱元件3v,雙金熱元件3w電流加熱彎曲下,推動向左移動,通過差動杠桿產(chǎn)生差動作用,加快了推動閉鎖機構,閉鎖機構推動牽引組件11,牽引組件11使操作機構10達到快速脫扣位置,使得操作機構10動作斷相保護[4]。
本文從結構上設計,使熱差動脫扣系統(tǒng)吸收和校正了三相雙金熱元件相間距誤差、自身的安裝和加工誤差外、還對考慮環(huán)境對熱差動脫扣系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,溫度補償建模設計(調節(jié)旋鈕13)。
熱差動脫扣系統(tǒng)的設計計算是在初步確定脫扣系統(tǒng)的結構、差動行程、雙金比彎曲、雙金及熱元件電阻值、校驗后產(chǎn)生的不同步誤差、輔雙比彎曲、環(huán)境溫度補償量、熱差動機構與操作機構的摩擦力及使操作機構自身的脫扣力、溫度變換帶來脫扣行程的變換調節(jié)量、跳閘脫扣行程,求解圖3中的的量,雙金熱元件彎曲量大于(的量+機構脫扣力消耗彎曲+差動行程+溫度調整行程)。
式中,yτ為雙金受熱后的彎曲撓度(mm);K為雙金的比彎曲(10-6/℃);l為主雙金屬片長度(mm);θ為雙金受熱后的溫度(℃);θ0為周圍環(huán)境溫度(℃);δ為主雙金屬片厚度(mm),Kk為雙金由于熱元件纏繞、疊片包扎及高溫等因素,使比彎曲下降的系數(shù),在0.8~0.98之間選取。i代表從1極開始計算,n代表最大為3極中均設有雙金熱元件。
式中,yF為雙金的力耗撓度(mm);F為雙金動作力(N);l為雙金屬片長度(mm);E為雙金彈性模量( N/ mm2);b為雙金屬片寬度(mm);δ為主雙金屬片厚度(mm)。
當三相雙金與導板配合有不同步時,連接上下導板間杠桿產(chǎn)生差動放大作用,產(chǎn)生向前的偏移行程,起到雙金彎曲撓度的作用。設計中以中間B相作為同步的基準,當出現(xiàn)不同步時其增加的動作行程為:
式中,yε1為差動行程(mm);λ為差動機構的杠桿比;ε1為雙金不同步誤差(mm)。
導板與基座之間的摩擦系數(shù),產(chǎn)品三相雙金同時發(fā)熱彎曲產(chǎn)生向前的撓度時,差動杠桿與上下導板為一個整體同時運動,摩擦作用力及相互滑動發(fā)生在導板與基座之間,因此需考慮導板與基座之間的摩擦系數(shù)。此時摩擦力為:
式中,F(xiàn)f為摩擦力(N);f為導板與基座之間的摩擦系數(shù);F為雙金動作力,等于脫扣(推)力(N)。
導板與基座間的摩擦力將消耗彎曲撓度,其需要消耗的彎曲撓度為:
式中,yFf為雙金承受摩擦力的力耗撓度(mm)。
輔雙受主雙溫升增加的影響,輔雙溫度相應變化。輔雙的附加彎曲撓度,按雙金撓度公式計算:
式中,ybW為輔雙受熱后的彎曲撓度(mm);Kb為輔雙的比彎曲(10-6/℃);lb為輔雙長度(mm);τb為輔雙受熱-雙元件溫度場作用所產(chǎn)生的溫升(K);δb為輔雙厚度(mm);τw為主雙的溫升(K);a為主雙溫升每變化1K時使輔雙溫度相應變化的系數(shù),一般在0~0.33之間。
操作機構的行程直接關系到各因素的設計計算和設計冗余的量的多少,為設計的基礎和核心,通常情況下不進行改變和調整。產(chǎn)品機構從初始位置開始到脫扣位置為止換算到的雙金彎曲方向同向的脫扣行程以S0表示。
操作機構的脫扣力對應于與雙金的動作力F,如果需要,可相應的進行設計優(yōu)化調整。
(1)雙金在動作電流下的行程
產(chǎn)品由穩(wěn)定電流升至動作電流,按動作電流達到穩(wěn)定狀態(tài)下計算,動作電流下雙金的彎曲行程為:
式中,yD為雙金動作電流下的總行程(mm);yτD為雙金動作電流下的彎曲撓度(mm);yF為雙金的力耗撓度(mm);yε1為差動行程(mm);yfF為雙金承受摩擦力的力耗撓度(mm);yε2D為雙金動作電流下的不同步誤差(mm);ybD為輔雙在動作電流下的彎曲撓度(mm)。
各彎曲量和行程跟隨產(chǎn)品通以的電流不同和產(chǎn)品發(fā)熱阻值的不同導致的溫升不同而產(chǎn)生變化。
(2)動作電流下產(chǎn)品必須脫扣的調節(jié)量
為保證產(chǎn)品在動作電流倍數(shù)下的產(chǎn)品必定脫扣,雙金在動作電流下的行程必須大于機構的脫扣行程加上調節(jié)量。若余量不足,通過調節(jié)機構的調整(如調節(jié)螺釘、凸輪等)減少脫扣行程,保證產(chǎn)品可靠脫扣。機構本身的脫扣行程加上調大的脫扣量之和小于雙金動作電流下的行程,此時產(chǎn)品必定脫扣。
根據(jù)雙金彎曲行程大于脫扣行程思路,雙金在動作電流下的行程必須大于機構的脫扣行程+調節(jié)量+脫扣余量,建立旺大評價模型:
考慮設計余量,將值設定為不小于0.25,則產(chǎn)品動作特性的數(shù)學模型為(旺小評價模型):
式中,y為產(chǎn)品動作特性的特征函數(shù),是雙金穩(wěn)定電流下的空行程余量yow與雙金動作電流下的行程余量yOD之和,y≥0時動作特性符合要求。
本文采用正交實驗設計與參數(shù)分析法[5]從多因素多水平角度,找出某熱差動脫扣系統(tǒng)斷路器數(shù)學建模各因數(shù)的主次關系與搭配條件,本文應用三次設計中的參數(shù)設計尋找最佳因素組合和確認各因素的影響程度,熱差動脫扣系統(tǒng)實現(xiàn)脫扣的核心因素,為主雙金與輔助雙金在表面電流I2集聚下,發(fā)熱彎曲是以產(chǎn)品動作特性y的特征旺大函數(shù)(式9)與旺小函數(shù)(式10)評價,可靠穩(wěn)定脫扣;在進行正交試驗設計,首先確定其可控因素及其水平(見表2)前。在正交表中的位置、所需基本參數(shù)見表2、其熱驅動主雙金、輔助雙金牌號見表1,交代如下;Kk為主片彎曲系數(shù)0.8~0.98;K為比彎曲;l為雙金長度;δ為雙金厚度;τW為1.05倍額定電流-小檔雙金穩(wěn)定溫升;τD為1.2倍額定電流;λ為杠桿比;Kr為熱態(tài)不同步系數(shù)0~3%;Kb為輔雙比彎曲彈性模量E;Lb為輔雙長度;Δb為輔雙厚度;α為輔雙溫度系數(shù)0~0.33;P0為雙金整體漂移量0~0.10;εn為主片校驗后不同步誤差;P0+λεn為校驗后雙金空行程變化量。
主雙金厚度1.0,寬度7.1,有效長度39;輔雙厚度0.8,轉換后有效長度35;要求提升產(chǎn)品動作特性的性能達到免檢要求。

表1 主雙金、輔助雙金牌號
限于篇幅,將容差設計的有關內容略去不敘。
熱差動脫扣系統(tǒng)設計的目的在于選擇設計模型和確定產(chǎn)品結構,從而使產(chǎn)品達到所要求的功能。光伏發(fā)電用斷路器熱差動脫扣系統(tǒng)的總體結構設計,和雙金材料的選擇是系統(tǒng)設計確認和理論驗算的,如雙金應力分析、機構脫扣力及行程的配備等等,在本文中作為已驗證和核對的條件,不細討論。
(1)可控因素及其水平
根據(jù)技術水平情況結合工作實踐,熱差動脫扣系統(tǒng)設計計算所需參數(shù)見表2;筆者考察4個因素,選擇A因數(shù)(主雙比彎曲K)、B因數(shù)(輔雙比彎曲Kb)、C因數(shù)(雙金和熱元件的電阻值R)、D因數(shù)(校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn)等4個參數(shù)作為可控因素進行取值。某一熱過載斷相保護的斷路器動作特性性能選定的可控因素水平表見表3。對4個可控因素中每個取4組水平,采用表4內表、計算基本參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗可判斷,4個因數(shù)之間交互作用不明顯,交互作用可忽略不計;采用表5 內表、計算的輸出特性y和信噪比,作為正交試驗設計與結果,直觀評價熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性的設計成功;采用表6 信噪比方差分析表,評價了隨機系統(tǒng)誤差,對結果影響最大的主要因數(shù)選擇最佳最佳水平,影響較小的按實際選擇適當水平。
(2)誤差因素及其水平

表2 計算所需基本參數(shù)

表3 可控因素水平表
熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性的誤差因素包括了各干擾因素,如外干擾的溫度,內干擾的雙金比彎曲的波動和各種系數(shù),實際加工條件的不同和校驗環(huán)境的不同使得溫升的變化等。考慮各種可能的內外干擾,Y值為望小特性,取兩個水平:
第一水平=中心值或標準條件
第二水平=負側最壞條件
(3)內設計
用正交表安排可控因素水平組合。由于熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性性能評估值選取的可控因素有四個,取四水平,因此選用正交表L16(45)作為內表[6]見表4,用于可控因素的設計計算,可控因素的正交表(內表)見表5,表中每一行對應動作特性性能評估值的一個設計方案,一共有16個設計方案。
(4)外設計
外設計用綜合誤差因素的方法稱為綜合誤差因素法。根據(jù)熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性性能評估值,第一水平按中心值或標準條件選取,第二水平按負側最壞條件選取。以試驗號1為例,第二水平相關參數(shù)選取為:Kk取 0.95,K取負3%,Kb取正3%,Kr取正1%, 其他參數(shù)的變化誤差很小,取中心值。將相應的數(shù)據(jù)列入公式進行計算,可得第一水平、第二水平特征值yi1,yi2。
(5)信噪比計算
信噪比按望小特性公式進行計算,統(tǒng)計各設計方案的信噪比列于內表(表5)右列。信噪比計算公式:
(6)內表的統(tǒng)計分析
內表統(tǒng)計分析對象是信噪比, 它是衡量內表中各設計方案穩(wěn)定性的指標。通過波動平方和計算,分析各參數(shù)對熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性性能穩(wěn)定性影響的顯著性。信噪比方差分析表見表6。
(7)確定最佳參數(shù)組合
由信噪比方差分析表可以看出,校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn和主雙比彎曲K為高度顯著因素, 輔雙比彎曲Kb和雙金和熱元件的電阻值R為不顯著因素;可知,校驗后產(chǎn)生的不同步誤差和主雙比彎曲K為穩(wěn)定因素,必須優(yōu)先保證;輔雙比彎曲Kb和雙金和熱元件的電阻值R,考慮經(jīng)濟性在生產(chǎn)工藝中優(yōu)化。

表4 內表、計算基本參數(shù)

表5 內表、計算的輸出特性和信噪比

表6 信噪比方差分析表
從表5內表的統(tǒng)計分析可見,按各因素的信噪比?i最大值選擇,最佳設計方案為應為εn1K4Kb4R3;按方案中最大信噪比選擇,8號方案最佳,方案為εn1K4Kb3R3。
驗證各因素信噪比?最大值的方案的信噪比,其值為25.72,比8號方案信噪比28.11低一些,相差不大,Y值都大于0。故采取的優(yōu)選方案為εn1K4R3,在因素水平3、4中選取。
(8)動作特性的影響因素分析
重新開始設計的產(chǎn)品可以采用最佳參數(shù)組合,可以從設計源頭保證產(chǎn)品的質量。對于已設計好或在生產(chǎn)的產(chǎn)品來說,需要綜合考慮現(xiàn)有條件和現(xiàn)實情況,把握各因素對動作特性性能趨勢的影響,并進行量化確認,減少盲目性,具有更實際的應用價值。現(xiàn)結合標準條件下各因素水平對應的動作特性值進行分析。標準條件下斷相輸出特性的極差分析表見表7。

表7 標準條件下動作特性性能輸出特性的極差分析表
圖2中熱差動脫扣系統(tǒng)主雙比彎曲K1~K4對應輸出特性表明:主雙比彎曲K越大,輸出特性越大,說明在條件滿足的情況下,主雙金彎曲量越大。
設計冗余越大,熱差動脫扣系統(tǒng)的動作特性越容易保證,合格率越高。當熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性解決不了時,增大雙金的比彎曲是比較顯著的措施。
圖2中雙金及熱元件電阻值R1~R4對應輸出特性表明:在增加電阻9%的幅度范圍內,對提高產(chǎn)品動作特性輸出特性影響較小,輕微波動。可能有兩種情況,一為雙金及熱元件電阻值處于最佳值;二為在選擇的范圍內對動作特性的調整作用有限。
圖2中輔雙比彎曲Kb1~Kb4對應輸出特性表明: 輔雙比彎曲越小,輸出特性越大,說明在滿足熱差動脫扣系統(tǒng)其他限制條件下,輔雙比彎曲越小,熱差動脫扣系統(tǒng)的動作特性越容易保證,對熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性的提升有較大的提升作用。當熱差動脫扣系統(tǒng)主雙金比彎曲難以修改的條件下可通過調整輔雙比彎曲改善產(chǎn)品質量。
圖2中校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn1~εn4對應輸出特性表明: 熱差動脫扣系統(tǒng)校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn越大,熱差動脫扣系統(tǒng)輸出特性越小,產(chǎn)品波動越大,合格率越低。校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn對產(chǎn)品質量影響最大最顯著,設計和生產(chǎn)中必須高度關注。
校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn影響因素較多,包括雙金固定支架定位方式、殼體或基座耐溫性能、強度及材料蠕變、雙金殘余內應力、接線時端子扭矩等多因素的影響。可通過試驗測量和對比驗證逐個排查影響因素的大小和制定措施防護其變化或降低其值,整個提高產(chǎn)品動作特性質量。
熱差動脫扣系統(tǒng)的動作特性試驗以小檔全檢合格率最低, 如果小檔動作特性穩(wěn)定時不動作和脫扣時可靠動作,中檔和大檔在同等條件下動作溫升與穩(wěn)定溫升差距大調節(jié)余量大,一般也能可靠動作, 因此可簡化為分析小檔動作特性。
對生產(chǎn)中出現(xiàn)的多次校驗后檢驗不合格的產(chǎn)品,按式(9)進行動作特性性能值Y核算(按實際材質、測量溫升、測量實際校驗后雙金位置變化量),Y值小于0;在現(xiàn)有產(chǎn)品總體保證不變的情況下,進行局部優(yōu)化和工藝控制,采用高強度的新材料制作的基座和對雙金進行穩(wěn)定處理減少校驗后產(chǎn)生的不同步誤差、采用材料加工比彎曲低的材料加工的輔雙等措施,按式(8)預先核算得Y=0.15,Y大于零,有余量,可預知采用措施后的熱差動脫扣系統(tǒng)動作特性性能能夠滿足要求。對一批60只某型脫扣電流4~6.3A,熱差動脫扣系統(tǒng)采用相應措施后進行校驗,校驗后產(chǎn)品全數(shù)檢驗合格,證實了分析的有效性。
1)通過對熱差動脫扣系統(tǒng)斷路器動作特性影響因素的分析以及熱差動脫扣系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定和脫扣動作的過程進行研究,以調節(jié)量為中間環(huán)節(jié),建立了熱差動脫扣系統(tǒng)斷路器動作特性數(shù)學模型,為提升產(chǎn)品可靠性提供了方向。
2)選擇不同的主雙比彎曲K、雙金及熱元件電阻值R、輔雙比彎曲Kb、校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn等四個參數(shù)作為可控因素及系統(tǒng)誤差變量,解決了傳統(tǒng)驗證中單因素獨立分析、一次性理論驗算和余量系數(shù)的問題,從而定性定量分析了各因素對動作特性性能的影響大小。
3)分析可知,主雙比彎曲K和校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn是高度顯著因素, 主雙比彎曲K越大對動作特性越好,校驗后產(chǎn)生的不同步誤差εn越小對動作特性越好;輔雙比彎曲越小對動作特性越好,對產(chǎn)品的質量提高有調整作用。
4)本文中動作特性的影響因素中校驗后產(chǎn)生的不同步誤差ε部分不是末端因素,需要控制中間因素,需要進一步專門研究和探索,但為其提供了參考方向和思路。
5)本文方法可運用于分析和提升熱差動脫扣系統(tǒng)斷路器動作特性的其他性能,如光伏組串,斷相保護單路控制、特殊的高溫、低溫環(huán)境下的動作特性等。