【关键词】：液压电磁式 断路器 产业化 研究开发
1 背景概述
目前国内断路器技术水平较低，通常都采用热式双金属片式传统结构。这种结构的断路器受环境温度影响很大，断路保护灵、敏度较低，没有延时动作功能，常产生误动作，因此不能在铁路交通等重要领域应用。同时，普通断路器的使用只能限制在海拔高度2000米以下，难以满足海拔高度2000米以上的使用需要。而本所谈的这种断路器，属于液磁式断路器范畴，不受环境温度和海拔高度影响，可对发电、通信等重要领域的设备进行有效安全保护，可在海拔6000米以下的任何高度如青藏高原铁路等得到使用，还可在–40℃到+85℃的恶劣环境下进行使用。这种液压电磁式断路器是一种技术含量和附加值较高的产品，产品研制成功后，大大促进了我国铁路交通、发电、通信等重要领域的发展和提高了自身的市场竞争能力。由于该产品具有良好的性价比优势，在国际市场上也有广阔的市场发展空间，有利于断路器产品的出口创汇。
2.产品技术原理
构成产品的零件衔铁使触头与线圈机构相联，其功能如同一个电磁体。当触头断开时，断路器没有电流流过，线圈不生成电磁能量，当触头闭合时，电流开始流过。在正常工作或“额定”电流流过传感线圈时，线圈四周产生了磁场，非磁性延时管内由弹簧偏置的可动铁心不产生位移。当电流增大时，磁场强度增大，可动铁心拉向极靴，当铁心在里面移动，磁场的效能增大，产生更大的电磁力。当铁心完全“吸进”时，获得最大电磁力，衔铁吸至极靴，脱扣机构解扣使触头断开。在短路条件下，电磁能量的合力快速地增长，以至于铁心未移动，衔铁就被吸引使断路器未引起延时就已脱扣。这就称为“瞬间脱扣”。这是安全构件，即在最需要时得到非常快的脱扣反应。基本原理如下图1所示。
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图1 原理图
3.发现状简析
由于我国断路器制造水平较低，目前我国铁路交通、发电、通信等重要领域所使用的液磁式断路器，主要依赖进口。这种现奖状既不利于我国断路器制造技术的进一步发展，并在消耗大量外汇的同时还增加了发电、铁路交通及通信等行业的运行费成本。
4. 外观结构
本液磁式断路器由壳体、壳体内脱扣装置和线圈总成构成。在线圈总成中包括液压缸，液压缸外包覆线圈，液压缸内充满粘性介质，并设有衔铁，衔铁的一端设有复位弹簧。在位于复位弹簧一侧的液压缸外设有导磁体；同时，脱扣装置靠近导磁体一侧设有跳闸扣；脱扣装置通过跳闸扣的动作实现脱扣联动。产品外观结构如下图2所示。
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图2 外观图
5.关键技术和工艺
壳体和脱扣装置的结构设计试制，重点解决材料的选用设计与加工精度的工艺保证。延时管（也称油杯、液压缸）及感应线圈的设计为本产品的关键技术，是保证产品具有良好保护性能的关键；而其油杯（液压缸）的制造工艺，包括油杯壳体和铁芯的设计加工，介质的配制为本产品的关键工艺。
根据国内外液磁式断路器的发展情况结合并充分利用自己已有技术，结合市场需求情况，确定了这种高精度、新型液磁式断路器为研究目标和方向。并根据关键技术制订详细的研制方案，从材料选用、部件试制及整机装配试验都制订了较为严密的试制工作方案，以确保产品的顺利实施。
在设计与试制过程，产品研制分解为四方面课题：一是整机的结构和性能设计，包括整机结构设计、整机性能达到的目标、零部件之间的配合设计等；二是线圈总成研制，包括液压缸（延时管）、感应线圈、液压缸内的介质及衔铁和复位弹簧的技术设计研制；三是制造工艺设计研制，包括油杯（液压缸）制造工艺，油杯壳体和铁芯的设计加工，介质的配制等关键工艺设计研制。四是整机试验，包括整机装配试验及测试等。
根据自身在断路器制造过程中积累的丰富经验，研究人员充分将现有技术应用于本产品的研制，如零部件设计技术和精密加工技术等，对产品的顺利实施发挥了重要作用。同时，根据试制研发方案，综合吸收国内外同类产品的先进技术，进行了精心设计，精心试制。对每步试制过程都确定了详细的工艺规程，编制工艺要求卡等有关工艺文件。通过结构设计、材料选用、部件试制、组装和总装等试验，并根据用户使用后的反馈意见，对试制产品作了反复调整和改进，进行优化结构设计和上百次的试验，验证了产品的性能可靠性和稳定性，将产品送多家用户进行试用，以征求意见再次进行改进。用户试用深受好评和欢迎，表明产品成熟可靠，技术性能先进。
5.主要创新点
在新材料应用方面作了创新，主要将脱扣机构中的脱扣零件由国外的锌合金材料改为聚砜塑料，由于国内锌合金压铸技术水平较低，加工出的零件毛刺、尺寸精度无法达到要求，造成脱扣不灵活、卡死等现象，改用聚砜材料后解决了此问题。
新工艺方面，油杯（液压缸）的制造工艺，包括油杯壳体和铁芯的设计加工，介质的配制为本产品的关键工艺。通过线圈及油杯介质粘度的调整实现了不同要求的保护特性。
新技术方面，延时管（也称油杯、液压缸）及感应线圈的设计为本产品的关键技术，本产品积极吸收国外先进的液磁式断路器技术特点，并在结构、介质粘度调整等方面进行自主创新，开发了高精度新型液磁式断路器，有效地解决了高精度、高可靠性问题，完全不受环境温度变化的影响，并可在高于满载值的125％时，起到精确保护。产品技术处国内领先，主要性能达到国际同类产品先进水平，产品可替代进口。
新结构方面，在现有液压电磁断路器技术中，安装在主支架上的衔铁和推杆是连为一体的，安装线圈和油杯时，无法将衔铁完全打开，开发过程中将衔铁和推杆分为两个部件，使衔铁可以自由打开至垂直角度，方便了线圈和油杯的装配，提高了生产效率。同时将推杆改为塑料推杆，不会与主支架产生磁场封闭，不会产生电磁干扰，减少噪音和不可靠动作的可能性。现有液压电磁断路器灭弧室结构均由四片独立的灭弧栅片组成，开发过程中将灭弧室设计为六片灭弧栅通过红钢纸板固定而成，既使分断能力得以提高又方便了装配。
结束语
通过研发，产品达到的技术效果为：额定短路分断能力为4000A；绝缘电阻，直流500V下，不低于100兆欧；机械和电气寿命分别为10000次和6000次（以每分钟6次开关的频率）；用8/20us,13kA正反冲击各10次，断路器不脱扣。
参考文献
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【7】David A.Smith.Die Design Handbook. Fundamentals of Tool Design.Society of Mannufacturing Engineers.1990
论文作者:黄启能
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月5期
论文发表时间:2020/4/30