摘要：随着国民经济的飞速发展，市场对小型断路器（MCB）提出了小型化、高分断化、模块化、多功能化、智能化等需求。基于此，本文就围绕小型断路器的选材与结构设计展开分析
关键词：小型断路器；结构参数；选材与结构设计
1、产品的结构参数
首先，在设计产品时需要对产品的触头等结构参数定义比较理想的设计目标。现有MCB为了达到限流的目的，大多采用U型触头结构。
断路器的动、静触头设计大多采用U型触头结构，利用短路故障电流产生的电动力快速斥开动触头，从而分断故障电流。从这个角度来讲，触头的终压力选择小点好，但是终压力需保证瞬时脱扣器没有动作时，触头不能被斥开。当触头的电动斥力超过触头终压力时，触头分开并产生电弧；然而电弧电阻使电流变小，电动斥力也随之减小，触头又闭合；然后又被电动力斥开，从而导致触头损坏或熔焊。这会导致短路能力、寿命、温升状况变差。从产品的安全性和可靠性角度来讲，是必须避免的。
在设计变量一定的情况下，终压力的大小取决于超程。超程大则终压力大，反之亦然。超程作为保证触头经磨损而电寿命终止之前所需的结构措施，不能太小，而从控制终压力的角度来讲，又不能太大。因此，超程的设计目标值在结合触头弹簧材料特性的前提下，应该设定在比较适中的位置。
开距作为保证触头安全断开电弧及电弧断开之后必要的安全绝缘间隔，是决定产品短路能力和电寿命的结构措施。一般，在保证产品回位正常及其他触头参数合理的前提下，开距越大越好，但前提是不增加产品的整体体积。综上所述，MCB的结构参数如图1所示。
图1 MCB的结构参数
除触头参数之外，还有一个参数对产品的性能影响很大，那就是脱扣力。脱扣力的大小影响产品的机构动作速度及机构的可靠性和稳定性，说到底，将直接影响到产品的动作特性、短路能力、电寿命，间接影响到产品的机械寿命和温升，因此不容忽视。从目前市场上的18㎜（Inm=63A）产品来看，脱扣力在（1.0±0.3）N比较合适。
2、小型断路器的选材与结构设计
近年来，随着自动气吹技术应用到MCB中产气材料越来越受人关注。自动气吹技术是依靠电弧能量，使灭弧室压力增高，这一压力与灭弧室外界大气压之间的压力差就形成了从灭弧室通过出气口的高速气流。这一气流有两方面的作用：一是对电弧起冷却作用；另外，对电弧产生驱动力，迫使电弧进入灭弧栅片。这两个作用对于提升产品的电弧电压都有很大的帮助，而产品的限流主要决定于电弧电压。同时，传统的自励磁场驱动力栅片间距比较大，对MCB而言，一般约为1.4㎜。采用自动气吹技术之后，栅片间距为1㎜左右。如果原先采用12片的灭弧栅片，现在可以增加到14片甚至15片，这相当于增加50~80V的电弧电压，切实提升了产品的短路能力。
起弧阶段由于弧隙中主要为金属离子，形成金属相电弧，电弧弧径较粗，电弧不易移动且在触头处呈现停滞现象。直到电弧拉长到极限长度时，在外磁场作用下，周围气体插入电弧内部，使电弧中心温度升高，电流向中心集中，电弧变细，同时电弧光谱中呈现强烈的气体分子谱线，这时电弧转变为气相电弧，电弧在电磁力作用下才能开始运动；电弧停滞时间越长，电弧电压上升得越慢，断路器的限流性能就越差。要降低电弧停滞的时间，除了电弧拉长及磁场外界因素影响外，采用产气材料制作器壁也有很好的效果。同时，产气材料做器壁除了产生的气体对电弧有强烈的冷却作用外，器壁气化消耗能量也是引起电弧电压升高的原因。
产气材料受电弧侵蚀，其器壁材料在燃弧后损失较大，而非产气材料在燃烧以后器壁材料没有损失，还因附着了燃烧过程中触头的液滴和金属蒸汽的沉淀物，而可能使器壁的重量增加，且沉淀物会显著降低器壁表面的介电强度。但采用产气材料的器壁，由于电弧侵蚀后产气，其作用相当于在器壁表面形成了一个保护层，阻止碳的沉淀物侵入，因此产气材料的表面介质强度远高于不产气材料。当电弧电流第一次过零后三种不同材料介质恢复强度随时间的变化如图2所示。
图2 不同器壁材料的介质恢复强度随时间变化曲线
目前，产气材料比较好的有三聚氰胺、聚甲醛、尼龙，而在MCB领域使用最多的是尼龙。帝斯曼（DSM）公司的PA66 277-C、PA66 1300S、PA46 CR310产气效果比较显著，目前在10kA及以上短路能力的MCB里面应用比较广泛。
采用产气材料之后，需要考虑相关零部件，尤其是外壳的设计兼顾气密性及出气口的大小和构造以及流动方向，从而保证气流的顺畅和强度足够。如果气密性不够，将导致气流运动变慢，无法迅速限制短路电流的增加，外壳在承受超过一定的电弧能量的时候将导致外壳爆裂，从而短路试验失败。出气口过大也会造成类似的问题。为了保证外壳有需要的强度，MCB的外壳标准壁厚不能太薄，否则容易导致产品短路试验时鼓包或者炸裂，还容易使外壳尺寸因为季节气温落差比较大；产品在高温情况下或者做动作特性试验时，容易造成机构卡滞及滑扣，那无疑对产品的可靠性和一致性带来很大的隐患。在产品宽度一定的情况下，壁厚太厚会压缩产品内部的空间，不利于产品散热。
根据欧盟的ＲOHS以及绿色环保的理念，外壳最好采用无卤材料，原因在于：材料中卤素阻燃剂在使用一段时间后会析出，析出的卤素会污染水体；且在燃烧时，无卤阻燃材料的烟密度仅为含卤阻燃材料的10~20%。因此无卤不但是环保需求，更是安全需求。无卤要求中针对的卤素是Cl和Br。
结束语
小型断路器与用电安全息息相关，研发设计很大程度上决定了其性能。MCB随着人们物质和文化生活的日益改善，其性能指标、结构、选材等出现了非常多而且非常快的变化。因此，完善小型断路器的选材与结构设计就显得尤其重要。
参考文献：
[1]钟元，面向制造和装配的产品设计指南[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]陈桂.断路器的选材与结构设计分析[J].低压电器，2015.
论文作者:吕文钊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/2/3
标签：电弧论文; 材料论文; 触头论文; 产品论文; 断路器论文; 结构论文; 外壳论文; 《基层建设》2017年第31期论文;