（电气工程专业论文）kfm2e系列智能型塑壳断路器的研制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i z a t i o nr e q u i r e m e n to ft h e p o w e rs y s t e m ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e dr e q u i r e m e n tw a sr a i s e du pw h a t e v e ri ng e n e r a t e e l e c t r i c i t y , t r a n s m i te l e c t r i c i t y , p o w e rd i s t r i b u t i o n ，a s w e l la st h ee l e c t r i c i t y u t i l i z a t i o n a st h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lu n i to f t h ep o w e rs y s t e m ，t h eb r e a k e ri st h e b a s i cu n i to ft h ei n t e l l e c t u a l i z e ds y s t e m m o r ea n dm o r ec o r p o r a t i o nd e d i c a t et o i n v e s t i g a t el o w v o l t a g ei n t e i l i g e n t i z eb r e a k e rt om a k et h eb r e a k e ri m p r o v e m e n ti n h i g hq u a l i t y , a n dg r e a tr e l i a b i l i t y t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h es e r i e so fk f m 2 em c c bs u m m a r yo f s c i e n t if i cr e s e a r c hw o r k ，m a i n l ya r o u n dt h em o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e ro p e r a t i n g s y s t e mr e l e a s e ，a r cs y s t e m ，b a c k u pp r o t e c t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , s u c ha s r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc a r r i e do u t ，a n du l t i m a t e l yt h ef o r m a t i o no fk f m 2 e s e r i e sm c c bi n t e l l i g e n tp r o d u c t s a n a l y s i so fm a j o rr e s e a r c hk f m 2 es e r i e s m o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e ri n t e l l i g e n ts t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，b a s e do n t h eu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e l i n gt e c h n i q u e sa n dt h ea d a m ss o f t w a r e ，t h e f u n c t i o n so ft h eb o d yd e s i g no fc i r c u i tb r e a k e r s ，t h ei n t e r r u p t e rc i r c u i tb r e a k e r sf o r i n t e l l i g e n ts y s t e md e s i g n ，t oc i r c u i tb r e a k e rc o n t a c tf o r c ei sc a l c u l a t e dt of o r ma s e r i a l i z e ds e r i e sk f m 2 em c c bi n t e l l i g e n ts t r u c t u r e a sw e l la st h ec u r r e n t p r o t e c t i o ni na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e sa n dt h ep r a c t i c a ln e e d so f t h ep r o j e c tt o d e t e r m i n et h ek f m 2 es e r i e sm c c b i n t e l l i g e n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a n dt h eu s e o ff p g ac h i p s ，d e s i g n e dk f m 2 es e r i e sm c c bi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r f i n a l l y , i n t e l l i g e n tk f m 2 es e r i e sm o l d e dc a s ec i r c u i tb r e a k e rf o rt h ep e r f o r m a n c eo f p r o t o t y p et e s t i n g i nt h ea r t i c l e ，w eh i g h l ye x p o u n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta c t i v i t yf o rt h e k f m 2 ei n t e l l e c t u a l i z e db r e a k e r , s t u d ya n da n a l y z et h eb r e a k e r so p e r a t i o ns y s t e m ， t r i ps y s t e m ，a r cc h u t e ，r e s e r v ep r o t e c t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o n t r o l l e r s k e yw o r d s ：m e c h a n i s m ，c u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t i z ec o n t r o l l e r , t r i p d e v i c e ，a g r e e m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i - - 1 。 学位论文作者签名：气饫t - - 运乙 签字嗍叶6 月鼍日 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到奉声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 根睦茸l 魄l d 【年石月孑日 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的、意义 低压断路器( 以下简称断路器) 作为配电系统中的重要电器元件之一，其作用 是保护电气配电网络和工业设备免受过载、短路和接地等故障的损坏。传统断路 器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。 随着社会的发展，技术的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高， 传统断路器的功能己不能满足供配电系统自动化的需要。因此，对于单台断路器 就要求其模块化、智能化和自动化，对于供配电系统中的多台断路器要求能实现 联网通信、集中监控等，即所谓的智能型断路器。智能断路器的测量与保护等功 能足通过其控制嗨元智能脱扣器来实现的。若干个智能断路器通过互动网络 可组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥信和遥调等“四遥”功能心1 。 我困断路器行业经过四五十年的发展，目前已形成了比较完善的体系。就品 种、规格、性能、产量来看，基本上满足了我国国民经济发展的需要。目前的产 品可谓是三代同常，既有体积大、耗能、保护特性单一的第一代产品，又有保护 特性较为完善，体积较小的第二代产品，更有一些电子化、小型化的新一代产品。 同国j , i 4 h 比，在基础研究、新产品的开发等方面存在很多不足。国外从九十年代 开始正不断丌发新型断路器产品。新一代产品除有高性能、小型化、电子化等特 点外，其主要技术特征足可通讯、智能化【6 】。因此，丌发具有自主知识产权的智 能塑壳式断路器是国内电器行业迫切实现的课题，对提高我国断路器的设计与制 造水平，打破高性能的智能断路器长期依赖进口和合资的局面意义重大，且具有 广阔的发展前景和用户市场。 1 2 智能断路器的特点与参数 智能型断路器的中枢部件是智能脱扣器，它承担断路器的各种测量、保护、 报警、显示与控制功能。早期的产品称为智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能 为主，但通过逐步改进和发展至今，其功能不止于此。除过电流保护外还具有报 警、接地保护、温度保护、电流显示、电压显示、功率显示、电量显示、故障记 江苏大学工程硕士学位论文 录和网络通信等功能，故称为智能脱扣器较为合适。智能脱扣器早期的产品称为 过电流脱扣器，分热式和电磁式两种h 3 。 1 2 1 智能断路器的功能特点 智能断路器的主要特点是在传统的断路器基础上充分应用了微电子技术、计 算机技术以及网络通讯等新技术，具有较高的性能和可靠性。其主要功能特点表 现如下刚6 1 【7 】： 1 、保护功能多样化 传统断路器普遍采用双金属片热继电器作为过载保护，用电磁快速脱扣器作 为短路保护来构成长延时、瞬动两段保护，实现保护功能的一体化较难。智能型 断路器除了可同时具备长延时、短延时、瞬动的三段保护外，还具有断相、不平 衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能，而且可做 到一种保护功能多种保护。脱扣具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣方式提高 了系统的可靠性。 2 、选择性强 智能型断路器由于采用微处理器，惯性小、速度快，其保护的选择性、灵活 性及重复误差都很好，加之它的各种保护功能和特性可以宽范围调节，因此可任 意选择动作特性和保护功能，实现级联保护协调，实施区域选择性联锁和良好的 级问协调配合。 3 、人机界面和通讯功能 智能型断路器具有良好的人机界面，既能从操作者那罩得到各种控制命令和 控制参数( 通过键盘、开关、按钮等实现) ，又能通过连续巡回检测对各种保护特 性、运行参数、故障信息等进行直观显示( 通过信号灯、数码管等实现) ，还可与 上位机联网实现双向通讯，实施遥测、遥信、遥控和遥调。人机对话功能强，操 作人员易于掌握，有利于避免误动作的发生。 4 、显示和记忆功能 智能型断路器能显示三相电压、电流、功率因数、频率、有功功率、动作时 间、分断次数以及预示寿命等，能将故障信息储存，如故障类型，故障电流值， 动作时间，故障时间等，有助于工作人员做出正确的分析和判断，减少线路维修 时i 、h j 。 2 江苏大学工程硕士学位论文 5 、故障自诊断、预警与试验功能 智能型断路器可对构成断路器的电子元器件的工作状态进行自诊断，如触头 磨损率、c t 断线等，当出现故障时可发出警报并使断路器分断。通过预警功能， 操作人员可以及时处理电网的异常情况。微处理器能进行“脱扣与“非脱扣” 两种方式试验，利用模拟信号进行长延时、短延时、瞬动整定值的试验，还可进 行在线试验。智能型控制器还能够模拟热积累具有热记忆功能。 1 2 2 断路器的主要技术参数 断路器的主要技术参数主要包括以下几个部分嘲嘲： l 、分断能力 分断能力是指在规定条件下能够可靠接通和分断的短路电流值。对配电用选 择型断路器要求有尽量高的延时通断能力，最好是与瞬时极限通断能力相等。选 择断路器时必须考虑电路可能出现的最大短路电流，再根据断路器的技术数据进 行选用。 2 、限流能力 限流式断路器( 分断时间短的足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断路 器) 和快速断路器( 直流断路器，含义i 司限流式) 要求有较高的限流能力，一般要 求限流系数( 极限接通和分断能力时限流系数为k ，实际分断电流( 峰值) 预期短 路电流( 峰值) 为6 ) 在0 3 0 6 2 _ 间。为了达到较高的限流能力，要求限流电器的 固有动作时间小于3 m s 。 3 、动作时问 从电路出现短路的瞬问至触头分离、电弧熄灭、电路完全分断所需的全部时 间。限流式和快速断路器一般小于2 0 m s 。 4 、使用寿命 在正常负载条件下，断路器应能保证在操作规定的次数( 即使用寿命) 内不需 更换零部件。一般断路器的寿命根据容量不同在2 0 0 0 2 0 0 0 0 次之间。 5 、保护特性 断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与丌关动作时间的关系曲线 来描述。断路器的保护特性必须与被保护对象( 如电动机、电缆等) 的允许发热特 性相匹配。 3 江苏大学工程硕士学位论文 1 3 智能断路器国内外的现状及发展趋势 早期的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现 的，因而体积较大，效果也不理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电 线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开 发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如，具有短路保护、热保护、漏 电保护、缺相保护等功能的断路器。早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该脱 扣器功能简单，只能完成瞬时保护，在此基础上又逐步出现了带有过载延时、短 路延时功能的脱扣器。7 0 年代开始出现了电子式脱扣器，随着微型计算机技术的 发展，电气开关的智能化成为了可能。智能化装置应包括信号检测的随机性、灵 敏性和精确性：信号的处理、逻辑思维及正确的判断性；有效、灵敏的执行功能及 信息的可通讯性对于智能化的电气开关，不仅能够提供普通断路器的各种保护功 能，还能实时显示电路中各种参数，各种保护功能的动作参数也町以监视、设定 和修改，保护电路动作时的故障值也可以存储在非易失存储器中以便查询。具有 了这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在已经在低压配电系统中得n y - 泛 的应用1 3 儿10 1 。 我国的低压断路器可分为三代。第一代以d w l 0 ，d z l 0 等系列产品为代表， 其性能水平相当于国# 1 - 5 0 年代水平，市场占有率为2 0 3 0 。第二代产品包括自 行开发产品和技术引进产品，自行开发产品以d w l 5 ，d z 2 0 为代表，共5 6 个系列， 技术引进产品则以m e ，t o ，t g ，3 t b ，b 系列为代表，共3 4 个系列，性能水平相当 于国p i 7 0 年代末至8 0 年代初水平，市场占有率为5 0 6 0 。第三代产品以最近开 发的d w 4 5 ，s 等系列产品为主，其性能水平相当于国外9 0 年代初水平，市场占有 率为5 1 0 。 目前国内低压断路器的额定工作电压为交流3 8 0 v ，交流额定电流为 6 3 0 a 5 0 0 0 a ，极限分断能力为5 0 k a 1 2 0 k a ，一般都具有3 极( 可分断a ，b ，c 相) 和4 极( 可分断a ，b ，c ，n 相) 两种类型。因为智能型断路器具有许多传统断路器 所无法比拟的优点，所以其研制受到国内外的普遍重视。自1 9 8 5 年出现第一台 以微处理器为基础的智能型断路器以来，法国梅兰日兰( m g ) 公司、日本寺崎公 司和美国西屋公司等相继开发了带微处理器的智能断路器【1 0 】【1 2 】。从2 0 世纪9 0 年代中后期开始开发新一代塑壳断路器，至今新一代塑壳断路器已基本完成了对 4 江苏大学工程硕士学位论文 老产品的更新换代工作。s c h n e i d e r 公司的n s 系列、s i e m e n s 公司的s e n t r o nv l 系列、a b b 公司的t m a x 系列、m o e l l e r 公司的n z m 系列、g e 公司的r e c o r dp l u s 系列等新一代塑壳断路器己先后进入了国际市场。国外低压断路器性能比较如表 1 1 。 表1 1国外低压断路器性能比较表 穆勒n z m i 、2 、 型号两门子3 v l施耐德n s a b bt m a x 三菱w s 3 、4 壳架 2 5 0 、4 0 0 、6 3 0 、1 2 5 、2 5 0 、3 0 、6 3 、2 5 0 、4 0 0 、 2 5 0 、6 3 0 、1 2 5 01 6 0 、2 5 0 、3 2 0 、6 3 0 等级 1 2 5 06 3 0 、1 6 0 08 0 0 、1 2 5 0 额定 1 6 - 1 2 5 03 2 一1 2 5 01 - 6 3 03 2 - 1 6 0 03 - 1 2 5 0 l 乜流( a ) t 1 ：1 6 、2 5 、3 61 2 5 ：2 5 、5 0 3 0 ：1 5 、5 2 5 0 ：3 5 、5 0 、6 52 5 0 、6 3 0 ：t 2 ：3 6 、5 0 、7 0 、2 5 0 ：2 5 、5 0 、 分断能 6 3 ：5 、7 5 、l o 4 0 0 ：3 5 、5 0 、6 52 5 、3 6 、4 5 、7 0 、8 51 0 0 力i c u 2 5 0 ：3 6 、5 0 、7 6 3 0 ：3 5 、5 0 、6 51 3 0t 3 ：3 6 、5 06 3 0 ：5 0 、1 0 0 、 ( 4 1 5 v 4 0 0 、8 0 0 、1 2 5 0 ： 1 2 5 0 ：5 0 、6 51 2 5 0 ：5 0 、7 0 、1 3 0 t 4 、t 5 ： 3 6 、5 0 、 1 5 0 k a ) 4 5 、7 0 、1 2 5 i c s = i c ux7 5 i c s = i c u7 0 、1 2 0 1 6 0 0 ：5 0 、1 0 0 i c s = i c u i c s = i c ui c s = i c u x7 5 电寿命 1 0 0 0 0l 0 0 0 08 0 0 01 0 0 0 03 0 0 0 0 机械 2 0 0 0 02 0 0 0 02 0 0 0 02 0 0 0 0 5 0 0 0 0 寿命 n z m i 可调热 1 2 5 ：热磁町调 t 1 ：可调热磁 磁， 保护 2 5 0 ：热磁可调全系列热磁、热磁 t 2 、t 3 ：可调热磁、 n z m 2 可调热 电磁式、热磁式、 6 3 0 ：热磁可调、可调、电了式，并磁、电子式 方式电子式电子式 电子式有外挂通信模块n z m 3 、4 电子 1 6 0 0 ：电子式 t 4 、t 5 ：电子式 式，且有外挂 通信模块 除实现正常保护除实现正常保护除实现正常保护 除实现正常 除实现正常保护 保护外，还能实现故 外，还能实现谐波外，还能实现故障保护外，还能 外，还能实现、测 功能障诊断和故障信分析、测控、故障诊断和故障信息定实现谐波分 控、故障诊断 息定向传送诊断向传送析 微处理器引入到断路器，使中央计算机、前级和后级断路器之间进行双向通 信成为可能。九十年代，国外许多公司相继开发出智能断路器的集中控制和检测 系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的 对话模块、低压配电装置的豁控系统等。国内在微机保护和监控系统的研制方面 江苏大学工程硕士学位论文 起步较晚，主要从引进技术和自行开发两个方面进行，产品的主要性能跟圉外相 比还存在的差距。而且研究主要集中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控 制对象的智能化产品则很少，直n 9 0 年代才有针对单个断路器的测控单元出现， 且其功能与国外相比基本上处于配制开发阶段。因此，开发高性能的智能断路器 是国内电器行业迫切实现的课题，它在国内具有广阔的发展前景和用户市场。 工业的发展对配电系统的要求越来越高。新型的低压断路器既要具有传统功 能，又要满足配电系统( 尤其对环网系统) 级间精确的选择性要求有区域联锁、远 程控制、能量监视和记录、事故记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于 一体。现今，我国电力工业的发展和用电量的猛增，发电容量和用户的日益扩大， 低压电网对配电型断路器的要求也越来越高。不仪要求它具备很大的短路电流分 断能力，实现选择性保护和供电安全，同时对电业管理提出能在断路器上显示对 电流的监视、自行调节、测量、试验、自诊断甚至可通讯等智能化功能，智能型 断路器应运而生。 根据国内外各断路器及监控装置生产厂家的新产品和研究动态来看，低压断 路器监控单元具有以下发展趋势n 们： l 、产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于 某种断路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路 器整个设备装配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后，其测试可以独立 于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。 2 、智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，这样在硬件不变的情况下具备较大的适用 性和升级能力。可通信化是在产品中加入相关的检测、判断和通信等：枣片或电路， 使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质( 如现场总线、串口线 等) 与线路上的其它电气设备交流，适应当前电气设备智能化及网络化的趋势。 就我国的实际情况而言，可通信化的具体要求可体现为“四遥”一遥测、遥信、 遥控和遥调，这距离网络化能力还有很大的差距，但比较符合我国科研水平和经 济水平。 3 、模块化和通用性 6 江苏大学工程硕士学位论文 模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处，诸如降低产品 设计、制造和新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方便，产品的市场应变能力 强等。模块化设计及尺寸、零件等应当具有通用性，这一点无论在生产者的设计、 制造和技术继承等方面，还是在用户使用、维修方面，其作用及重要性当前都已 为多数人所认识。 另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也应当是不断追求 的目标。对我国的产品，在材料和加工工艺、产品的外观和整体布局方面还有待 进一步的提高。 以上的这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作特 性有可能做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以使断路器实现与中央控 制计算机双向通讯，构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本 保护功能发展到智能化、网络化的保护功能。 1 4 论文的主要研究内容 低压塑壳式断路器是保护电气配电网络和工业设备免受过载、短路和接地等 故障危害的重要电器元件。本文是作者基于江苏大全集团k f m 2 e 系列低压塑壳式 断路器科研工作的总结，主要围绕塑壳断路器操作系统、脱扣器、灭弧系统、后 备保护、智能控制器等方面开展研究和开发，最终形成k f m 2 e 系列智能型塑壳断 路器产品。主要研究内容如下： 1 、在分析k f m 2 e 系列智能型塑壳断路器结构和工作原理的基础上，采用虚 拟样机建模技术和a d a m s 软件，对断路器机构功能进行设计，对智能断路器的 灭弧系统进行设计，对断路器触头力进行计算，形成系列化k f m 2 e 系列智能型塑 壳断路器结构。 2 、根据三段电流保护的原理和工程实际需要，确定k f m 2 e 系列智能型塑壳 断路器性能参数； 3 、采用f p g a 芯片，设计了k f m 2 e 系列智能型塑壳断路器的控制器。 4 、对k f m 2 e 系列智能型塑壳断路器样机进行的性能测试。 7 第2 章k f m 2 e 系列智能型塑壳断路器结构设计 21 塑壳断路器组成 塑壳断路器主要由掣料外壳、操作机构、触头、火弧系统和热磁脱扣器等组 成，直图21 所示，其总体布局合理、结构紧凑。 罔2 1 塑壳断路器小意h 1 、塑料外壳，。 塑料外壳由用酚醛树脂或玻璃纤维增姒，夕 # ， 环氧树脂等绝缘材料制成的底库和上盖组成，、鼍。： ，。 、。 具有高强度的机械性能和良好的电绝缘性能， ：。；i o ，二 各零部件装配在塑料外壳内，相间帽互绝缘。 k f m 2 塑壳短路器的盖由一个_ _ j 、：盖和两个小 盖组成，可以在习i 手j 开大盖的条件下方便地加 ， 装或更换各种附件。见图22 所示。 崮22 塑料外壳 2 、触头 k f m 2 系列断路器的动触头材料采川银壁陶珩台盒材料制作，动触头为 a g w 5 0 ，静触又| ja g - w 1 2 c 3 ，该刈触火组介接触l 叫h 稳正，乜导苹高，硬度 一备耐脐对屯弧的侵蚀、枯希力、熔焊的抵抗能力大，能满足娅路通断的要求。 拍结构方而，动触头系统采川先进的斥山，结构，l _ _ | 触失则采丌 川动u 型 川路，具有斥，f ：j _ j j 能，保l 1 = 故障f 乜流下断路器能可掉闭台和丌断。如图23 所不。 幽23 触头系统罔2 , 4 火弧审 3 、灭弧室 灭弧事采h j 去游离灭弧栅驶先进的s l o t m o t o r 技术，使i b 弧陕速进入灭弧窒 行逊进熄灭，直l 划2 , 4 ，当j 二- 载或短路敞障发乍时，i ur 脱扣器或后备保护脱扣 器动作，机构扯主弹簧作斤】f 迅速翻转使动静触火分开，在动_ ：i 3 触点之n l j 产生电 弧，屯弧在磁场作丌 f 快速j 【入火弧栅审，被栅h 分割、冷却而熄灭，从而分断 故障电流；在较大短路 乜流产l 卅t ，由j ：电动斥力的作用，功静触头在机构动作 之前斥”，从迅速分断电路。新触头火弧系统的特点： ( 1 ) 动、静触头都可斥丌。发生址路叫， u 功斥，j 他动静触头快速斥 ， 增人盯趴向限流。 ( 2 ) 采川先进的划o lm r 技术增媸磁场，利j 。熄弧。 ( 3 ) 采用新g 削弧的触又材利，动j _ _ j 触火配时合珲，提高触头寿命，【u i 片命柏叫硅提r 蜀，动、静制一头 l ：可斥丌。发瓤路叫， h 功斥儿性动l 挣触头队述 斥”，增人儿趴i ( ij 限流，r 缩掘燃弧时州。k f m 2 e 燃弧时叫、r 均兕n5 7 m s 。 江苏大学工程硕士学位论文 采用卜进线静触火导巾叫路，利用平打导体问的电动斥力限流，从】m 提高断路器 的分断能力。k f m 2 平均堰流系数为0 18 ，分断能力达8 0 k a 。 4 、操作机构 采州上连杆定位原理殴计，几快速刚合和快谜分断功能，能保证断路嚣迅 速分断故障电流。如图2 4 。 图2 5 操作机构 具有如下特点： ( 1 ) 采j j 闩山脱扣机构，传动机构一成一体，装拆方便： ( 2 ) 采用五连杆的自由脱扣机构，1 1 - 常分闸开距小，脱扣分断扦距大： ( 3 ) 机构传动轴山高强度n 勺不饱和壤酯材料压制成形，较好的保证了二帽 触头的同步性和断路器的绝缘性能； ( 4 ) 分断时问短，约2 - 5 m s 。 5 、自由脱扣器 自由脱川是塑壳断路器性能巾的一个专剧术语，它具有特定的含义。具有自 山脱扣特性的脱t n 0 t 构称为自由脱扣机构。门山脱扣机构的作用是实现操作机构 与触头系统之刚的联系。自由脱扣机构扣l 。时，操作机构才能带动触头起运动。 当任何一种脱扣器动作到应脱扣状态时，均能使操作机构与触头之间失杰联系， 此时再搬动操作手柄，合闸力传不到触头，升关不能合闸，从而避免电路战障合 | 申j 的危险。 江苏是学工程硕士掌住论文 6 、后备保护脱扣器 后备保护脱扣器是f i r i 路器的礴受元件，检测出过电流或短路l 乜流后使操作， 存断路器通过超过2 0 倍的短路电流时，断路器机构进行陡速脱扣动作，其结构 如图2 6 和图27 所小。， 图2 6k i ：m 2 12 5 0 后备保自。肼扣器罔27k f m 2 e 一4 0 0 后备保女r i i 女j i i 器 7 、脱扣按钮： 脱扣按钮用作紧急脱4 1 1 , f n 榆脊脱扪器能齿脱扪| 及确认报警触头的动作呵靠 一阵。 8 、断蹄器的附件 断路器的附件作为断路器功能的派, i , f l l ； l - 先，为断路器增加了牲制于段和f 大了保护功能，使断蹄器的使用范同更广，保 护功能更齐全，操作和安装方式更多。凼此， 目前断路器的附件已经成为断路嚣不可分割的 一个重要郇分。 o ( ”辅助丌咒和报警开关都是用丁显_ i 断 路器当前状态的机内附什。辅助”关和报警丌 哭的区别住于：辅助j | ：咒足在断路器分、合闸 时改变状态，能显示断路器的接通状态和断 丌状态，但无法区别断蹄器是含是敞障脱川， 幽28 辅报触头 因此辅助”关t 噩用丁断路器的分合状态的艟 江苏大学工程硕士学位论文 示，通过断路器的分合对其他相关电器实施控制或联锁，例如向信号灯、继电器 和逻辑电路等输出信号。而报警开关则是在断路器因故障而断开时改变状态，能 显示断路器的故障脱扣状态，报警开关主要用于断路器因故障而断开时的状态显 示，在断路器负载发生故障时及时向其他相关电器实施控制或联锁，例如向断路 器外的报警装置、信号灯、继电器和逻辑电路等输出信号。总之无论是辅助开关， 还是报警开关，只能检测断路器主触头的状态，而不能改变其状念，如图2 8 所 示。 ( 2 ) 电操机构也是一种远距离操作断路器的机外附件，既可用来实现断路 器的远距离分闸操作，也能实现断路器的合闸操作。当断路器因故障而自由脱扣 时，应先进行一次分闸操作使断路器再扣，然后便可进行合闸操作。如采用断路 器的报警开关或辅助开关的动合触点，在断路器自由脱扣时( 人为或过载等引 起) ，由报警开关或辅助开关立即将电操机构的分闸操作电路自动接通，电操机 构就会立即进行分闸操作，使断路器实现冉扣，以确保远距离对断路器进行“合”、 “分”闸操作。电操机构有电动操作机构和电磁操作机构两种：电动操作机构由电 动机驱动，一般适用于4 0 0 a 及以上大容量断路器的操作；电磁操作机构由电磁 铁驱动，适用于1 0 0 a 、2 2 5 a 等小容量断路器。 ( 3 ) 外部操作手柄是一种具有将断路器的e 下扳动操作转换成旋转操作功 能的机外附件，有逆时针或顺时针方向合闸等多种形式，使断路器更适合用户的 各种操作需要。外部操作手柄有旋钮型外操手柄和枪型外操手柄等多种形式。旋 钮型外操手柄直接安装在断路器上，其手柄露在配电柜而板或抽屉外；枪型外操 手柄的操作机构安装在断路器上，断路器安装在配电柜底板上，而外操手柄的面 板安装在配电柜门上。枪型外操手柄的手柄轴长度可调，生产厂备有多种长度尺 寸可供选择。断路器无论是垂直安装、还是左、右侧横向安装，外部操作手柄均 能按同一方向指示断路的分合状态。 ( 4 ) 机械联锁装置也是一种保护装置，主要用于双电源供电电路中两台断 路器不可同时通电的场合。当a 断路器和b 断路器实现机械联锁后，若在a 断 路器合闸状态下需要b 断路器送电，这时必须先将a 断路器分闸，然后才能使 b 断路器合闸送电。从而避免了双电源电路因误操作而发生错相短路故障。 ( 5 ) 板后接线装置是可以在更换或维修断路器及附图电路时，不必重新接 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 线，只须将前级电源断开。由于该装置结构特殊，产品出厂时已按设计要求配置 了专用的安装板和安装螺钉及接线螺钉，需要特别注意的是由于大容量断路器接 触的可靠性将直接影响断路器的正常使用。 ( 6 ) 插入式安装装置主要特点是维修和更换断路器时不必断丌前级电源、 不必重新接线，从而可以节省维修和更换时间。插入式断路器在安装时应检查断 路器的插头是否压紧，并应将断路器完全紧固，以减小接触电阻，提高可靠性。 2 2 断路器的机构设计 2 2 1 虚拟样机技术 虚拟样机( v p v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 技术又叫做机械系统动态仿真技术， 是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的飞速发展而发展起来的一项新技术，其核心 是机械系统的动力学和运动学仿真。同时还包括c a d 建模、最优化、有限元分析 等相关技术。这项技术起初产生于多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大 量零部件构成的系统，为了对复杂的系统进行设计优化与形态的分析，人们通常 要考虑它的结构、静态平衡、运动以及动力性能。而这些性能的分析与相互联系 的研究是非常复杂的。这就促使人们将计算机强大的计算能力与数据处理能力引 入到多体系统动力学的研究中去。于是在2 0 世纪6 0 年代产生了古典刚体力 学、分析力学与计算机相结合的力学分支，它的主要任务是： ( 1 ) 建立复杂的机械系统运动学和动力学程式化数学模型，开发实现这个 数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本数据，借助计算机就可自 动进行程式化处理； ( 2 ) 开发和实现有效的处理数学模型的计算方法和数值积分方法，自动得 到运动学规律和动力学响应； ( 3 ) 实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表和其它方式提供数据处 理结果。目前多体系动力学已经形成了比较系统地研究方法。 虚拟样机技术是许多技术的综合，它的核心部分是多体系统动力学与运动学 建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了这种 问题的有效的快速算法。计算机可视化技术和动画技术的发展为这项技术提供友 好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。 江苏大学工程硕士学位论文 目前，虚拟样机技术已经成为一项相对独立的产业技术，它改变了传统的设计思 想，对制造也有了深远的影响。 虚拟样机技术已经在各国个领域里广泛应用，尤其是飞机、汽车行业得到成 功运用。近年来，虚拟样机技术也得到了各个大的电器公司重视。虚拟样机技术 在低压电器中的应用主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 断路器机构的多体动力学仿真与a d a m s 软件 断路器操作机构的仿真分析是一个典型的多体动力学问题。基于a d a m d 软 件提供的虚拟样机的前处理功能，这前处理模块和u g 、p r o e 等三维c a d 软件 中的三维几何建模和装配功能，并根据实际情况规定约束和施加载荷；之后求解 器来计算机构的动力学和运动学方程以获得仿真结果；后处理模块把仿真结果用 三维动画的方式显示，也能绘制过程动态特性曲线，包括行程、速度、加速度、 力和力矩、变形与时间的关系。 ( 2 ) 断路器电磁场和热场的有限元分析 断路器中的发热是一个很复杂的物理现象，热源是电流通过导体产生的，电 流在导体中的分布不均匀。发热体通过传导、对流和辐射三种方式向外散热，在 壳体内外散热情况也不一样。国内，在应用a n s y s 软件通过温度场和流场耦合 仿真作了很多研究。耦合常是电场一热场和流场一热场两种交替进行。还对电磁脱 扣器和触头间的电动磁斥力进行有限元计算，来作为施加在系统动力学模型上的 载荷，仿真在短路情况下的分断过程。 2 2 2 断路器虚拟样机建模 1 、断路器虚拟样机建模 断路器虚拟样机建模是在公司a d a m s 仿真平台上进行的，虚拟样机模型如图2 9 所示。 首先，将6 3 0 a 的设计图从u g 中导出，生成以木x _ t 为后缀的实体文件， 考虑到u g 的版本问题，一般选择将设计图纸以u g 较低版本的格式导出，然后在 a d a m s 软件中将该实体文件导入。因为我们要对断路器的操作机构进行仿真，某 些零件并不参与机构的运动，这一类零件将其删除，在不影响机构运动仿真的前 提下尽量减少约束方程的数目和模型的大小，同时也便于更直接的观察机构的运 动。 1 4 罔2 9 虚拟样机模，蛆 模型建立蚶之厉，业通过各种约束关系限制断6 _ 各器各构件之m 的某o 柏对运 动，井以此将z i l f i l j l t 组诚个机械系统，被连接的构件可咀是h 0 体构仆、柔陛 构件或肯j 。i 质量。 ( 1 ) 常用运动剐约求，如车功剐，棱柱删等。这炎约束通过约束不同构什 列的旋转翩l 移动自山度米使构件按需要运z 山； ( 2 ) 指定约求方向，i ! i j 限制某个运动方向，立限制个构什总足沿着平行 干刃一个构件的方向运动； ( 3 ) 接触约束，定义两构件存运动中发牛接触时是怎样柏j 哟束的： ( 4 ) 约束运动，如指定一个杉j 件遵循某个时问函数按指定的轨迹规律运动。 在添加约束时应注意以下几个方血： ( 1 ) 应逐步埘构什施：! j | 【各种约束，并经带对施加的约束进行试验，保证没 有约束锚误，要渖意选择对蒙的顺，f 和约束办向是雨j f 确； ( 2 ) 戍陵注意约束的方向是台i ：确。错误的约束矗向可以导敛某些自由度 没有被约求而他系统道功混- 钆 ( 3 ) 辟节“j 一个运功剐束完成所需的约束，如果使j j 多个，每个运动剐实 现的一i _ 度约束- f li - m 重垡，这样会导敛尤法】_ l ；l 利的结粜： ( 4 ) “没柏作川山的状态。f ，通过运行系统n 0 动力学分析米j 盘骑机的各 种约求足y r n 的r e 确。 江苏大学工程硕士学位论文 2 、断路器虚拟样机仿真分析 在建模和正确施加约束后，就可以对系统进行仿真。在仿真前，应确定仿真 分析要求获得的输出，并且进行一些最后的检验，建立正确的初始条件，然后设 置相关参数，如分析类型、时间、分析步长和分析精度等。a d a m s v i e w 可以 自动调用求解程序，再由求解程序完成四种类型( 动力学仿真、运动学仿真、静 态分析和装配分析) 的仿真分析。 完成仿真分析后，程序自动回到v i e w 界面，因此可以视s o l v e r 为一个黑匣 子。a d a m s s o l v e r 默认的仿真输出包括两大类：一类是样机各种对象( 构件、 力、约束等) 的基本信息的描述，如构件质心位置等；另一类输出是各种对象的 有关分量信息，如构件在x ，y ，z 方向的分力和总的合力等。此外，还可以利 用a d a m s v i e w 提供的测量手段和指定输出方式自定义一些特殊的输出。 仿真结果的后处理是通过调用独立的p o s t p r o c e s s o r 来完成的，这个模块主 要提供仿真结果的回放和分析曲线绘制功能。通过仿真结果的后处理，可以完成 以下工作： ( 1 ) 对进一步调试样机提供指南； ( 2 ) 可以通过多种方式验证仿真结果； ( 3 ) 可以绘制各种仿真分析曲线并进行一些曲线的数学和统计计算； ( 4 ) 可以通过图形和数据曲线比较不同条件下的分析结果。 在对一个新的样机分析的时候，应该最少进行不同迭代精度的多次分析，比 较前后两次不同精度时的仿真结果，在两种不同的迭代分析结果基本相同时，才 可以认为获得了较可靠的仿真结果，而且此时的迭代精度是最佳的迭代精度。这 里在未对操作机构各杆件的形状和相对位置做任何修改的情况下，我们经过多次 比较，最后取仿真总时问o 0 0 8 m s ，步长为0 0 0 0 0 0 5 的迭代精度。要求每相单个 触点上所受终压力为4 8 n ，因为两个触点所受终压力是一样的，故每相触头终压 力共为4 8 x 2 = 9 6 n 。因为建模过程中我们只保留了中间相，所以三相归一相，仿 真中测得的单个触点终压力应该是4 8 x 3 = 1 4 4 n ，取触头弹簧k - - 2 4n m m ，自 由长度取为1 5 1 m m ，另外根据厂家提供的设计参数，主拉弹簧取k = 5 5 n m m ， 初始长度为3 7 m m ，可以得到仿真结果如图2 1 0 图2 1 2 。 1 6 3 d 2 5 0 d 2 0 0 0 5 d d 1 d 4 0 且 3 0 d 营 p 。 0 m 5 且 3 5 3 。 暨s 奎。 1s 1 。 。5 0 0 江苏大学工程硕士学位论文 f l m n 饼l “供憎 l 咖卅1 0 9 0 to 加2 们l t ( s e c ) 0 0 0 3 图2 1 0 单个触点终压力曲线 p , f r a , * , n i o l ec l , - k , , i d ，0 0 4o s i 咄州i 。 夕 7 j j j 一 7 i j ； 。 ；，r 0 00 0 0 10 0 0 20 0 0 30 0 0 40 0 0 5 m 啪0 , 1 0 0 7 t e b ( s e e ) 图2 1 1 触头打开角度曲线 m e a - p t 砻t 口_ 蚓t 哼 1 c | x r e r l li n 1 一；，v 一 一厂1 ： 一 ， ： i ： ： 一 ， 。， “ l 一 。 ， 一 t - 。 5 眶- 0 0 40 0 0 1 t - 臆( c ) 0 删s 图2 1 2 触头超程测量曲线 1 7 0 i 20 n d 2 s 旨l誊一u至 江苏太学工程硕士学位论五 从同2 1