万能式低压断路器的设计

1、 毕 业 设 计题 目： 万能式低压断路器的设计 院部： 电气信息学院 专业： 电气工程班级： 0503 学号： 200501010312 学生姓名： 李 颖 导师姓名： 李 靖 完成日期： 2009年6月6日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 万能式低

2、压断路器设计 姓名 李颖 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0503班 学号 12 指导老师 李靖 职称 副教授 教研室主任 谢卫才 一、 基本任务及要求：本课题要求设计一台采用上进线方式的万能式低压断路器。该断路器主要由导电系统、灭弧室、脱扣器和手柄直接传动操作机构等组成。主要技术参数为交流50HZ、额定工作电 压400V、额定电流400A、欠电压脱扣器的额定电压Ue，分励脱扣、辅助触头的额定电压Us均为AC220V，主要用于配电网络的分配电能，线路和电源设备的过载、欠电压、短路保护。在正常条件下，可作为线路的不频繁转换之用。 主要设计内容包括：1、断路器导电系统设计；

3、2、过载保护器件设计； 3、灭弧室设计； 4、附件设计等。 二、 进度安排及完成时间：（1）第2周至第3周：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案。 （2）第3周至4周：毕业实习、撰写实习报告。 （3）3月15日至4月20日（第5至10周）：毕业设计。 3月15日至3月25日：断路器导电系统设计。 3月25日至4月5日：电磁系统设计，并分析其电磁兼容性。 4月5日至4月15日：触头操作系统设计。 4月15日至4月20日：总体外观结构设计及绘图。 （4）4月21至4月28日（第11周至第12周）：撰写毕业论文。 （5）6月12日至6月14日：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 （6）6月

4、15日至6月18日：毕业设计答辩。 （7）6月19日至6月21日：毕业设计成绩评定。 （8）6月26日至6月30日：毕业设计资料归档。 目 录摘 要IABSTRACT.II前 言III第1章 绪论11.1 低压断路器的发展与意义11.1.1 万能式低压断路器的发展11.1.2 断路器各种参数的确定和考虑21.2 课题来源及主要研究内容61.2.1 课题来源及主要研究内容6第2章 断路器结构的设计72.1 总体结构布置7 各部件的配置72.2 断路器零部件的设计7灭弧室设计7断路器操作机构的设计8 抽屉座的设计92.2.4 限制器92.2.5 机械联锁装置10第3章 断路器的导电系统设计133.

5、1触头系统的设计13对触头系统的基本要求13 触头的型式133.1.3 触头的挡数133.1.4 弧角的应用133.1.5 触头的开距143.1.6 触头压力143.1.7 电动补偿143.1.8 触头材料143.1.9 触头超程153.1.10 载流导体和软连接线的选择15第4章 断路器灭弧室的设计164.1 电弧的产生与熄灭164.1.1 电弧的产生16 电弧的熄灭164.2 灭弧室的设计16第5章 断路器机构的设计185.1 自由脱扣机构185.2 蓄能机构185.3 断路器操作机构18 传动机构195.3.2 自由脱扣机构195.3.3 机构的特性和计算195.4 断路器瞬动机构19第

6、6章 断路器附件设计226.1 欠电压脱扣器的设计226.2 断路器用电流互感器的设计226.3 断路器各种技术参数23第7章 电磁兼容性分析设计267.1 电磁兼容性的基本概念和电磁干扰的传播途径26 低频干扰277.1.2 高频干扰27 静电放电干扰277.1.4 磁场干扰277.2 监控单元硬件的电磁兼容性设计277.2.1 静电放电干扰的抑制277.2.2 减小电网电压跌落和短暂中断的影响28 滤波快速瞬变脉冲群的干扰287.2.4 电压、电流浪涌的吸收297.3 印刷电路板（PCB）的抗干扰设计29 数字电路与模拟电路分开布置，分开供电30 加宽PCB板中的电源线和地线30 强电区域

7、和弱电区域严格分离30 通信部分采用与中央控制模块完全隔离的独立电源供电307.4 智能监控单元软件的抗干扰措施30 增加看门狗（WATCHDOG）监视程序30 软件陷阱和指令冗余317.4.3 无扰动的重恢复技术31 监控单元的自检31 采用平滑技术327.5 结论32第8章 总体外观设计及绘图338.1 外形设计338.2 总体外形尺寸设计图34结束语36参考文献37致 谢38万能式低压断路器的设计摘 要：断路器是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的一种开关电器，本书中首先介绍了低压万能式断路器的工作原理，然后着重研究了它主要性能指标及参数，以及对低压万能式断路器的技术发展进行

8、展望，最后对断路器主要技术性能及参数，智能化保护功能，外型及其安装尺寸，以及电磁兼容进行了分析。本次设计是以DW450-1600系列为参考，结合本校实际情况进行设计。关键词：低压断路器、万能式、性能指标、外型及技术指标、电磁兼容Universal Low Voltage Circuit BreakerABSTRACT：Circuit breaker is a kind of switch used in power system for connecting and disconnecting the circuit as well as providing protection and co

9、ntrolling on all types of breakdown. In this book, the working principle of Universal Low Voltage Circuit Breaker is introduced .Firstly, and then its main intellectual function and specification are researched in detail; and then the development of Universal Low Voltage Circuit Breaker is forecaste

10、d. It also presented its intellectual function and specification. And the main function, main technical parameters and most advanced technical perfortnences. The measures of anti-jamming are discussed. It also presented its intellectual function and specification. And the main function; Finally, Ele

11、ctromagnetic Compatibility is discussed.This design regards the series of DW450-1600 as to consult; joining together our school the actual circumstance precedes the design.Keywords: Low Voltage Circuit breaker、Universal 、intellectual function、intellectual function and specification Electromagnetic C

12、ompatibility.前 言在当代低压电器领域中,断路器是一种非常重要的元件之一。它可以对变配电系统、电力输送系统和用电设备的过载、短路、单相接地及欠电压等实现保护,以避免或减小故障给电力系统及用电设备所造成的损失,确保供电系统的安全性和可靠性。断路器的发展经历了几代的研发。其性能得到大大的提高，结构也渐趋完善。本文针对断路器的发展现状及未来趋势，特对使用广泛的万能式低压断路器作了较为详细的介绍。先从该断路器的性能人手，然后根据其性能特点结合其设计参数，分部对其结构零部件进行设计。其中包括触头、灭弧室、操作机构、欠电压脱扣器、电流互感器等各个部分的设计。并且针对电磁系统的设计，详细分析了其

13、电磁兼容性，最后对总体外观结构进行了分析及设计。第1章 绪论1.1 低压断路器的发展与意义低压断路器是一种使用于低压网络交流（50HZ或60HZ）额定电压在1200V及以下，直流额定电压在1500V及以下的电路的配电电路。按其用途，低压断路器被定义为：能够接通、承载及分断正常电路条件的电流，也能在规定的非正常条件下（如过载、短路、欠电压以及发生单相接地故障时）接通、承载一定时间和分断电流的开关电器。在进入21世纪，我国低压断路器将按“小型化、高分断、低噪声、工作安全可靠，逐步实现智能化”的方针，不断创造符合时代需求的新产品。智能断路器用在工厂的大多数用电单位。以智能控制器代替传统的热-电磁式及

14、电子脱扣器式等，其智能化中的各个保护功能已经较为完善的。其具备过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护功能，又有单相接地故障保护功能。其智能化控制器(脱扣器)可实现：电流表、电压表功能；额定电流、整定电流、动作时间可调；显示、试验、热记忆、故障记忆、负载监控、自诊断、MCR和通信接口等功能。从短路分断能力来看，完全可以满足容量至3150kVA及以下的变压器作主开关(总保护开关)的要求。随着信息技术和计算网络的发展，使智能化电器与中央控制设备，包括中央控计算机和可编程逻辑控制器实现双向数据通信。这要求产生使智能型脱扣器必须带有通信接口，以达到通信，遥调，遥控的功能，从而实现网络管理，构成第四代

15、万能式断路器。智能型系列断路器今后的发展方向是:1.进一步在通信方面发展和完善，即完善其计算机通信功能，包括开发新型接口电器，使之连接于网络和断路器之间(接口器如AST接口模块、分布I/O接口、网络之间接口)为计算机服务的单元，如总线地址编码器、寻址单元、负载反馈模块。对可通信电器(断路器)的基本要求包括带有通信接口；通信规约标准化；可以直接挂在总线上。2。严格按统一标准设计生产。在科技飞速发展的新形势下，对断路器产品的技术要求越来越严格、复杂。因此生产厂家应密切关注国际标准(例如IEC标准和先进国家标准)的发展动态。当前应下大力气解决EMC(电磁兼容)对断路器的影响问题。 万能式低压断路器的

16、发展（1）万能式(柜架式)低压断路器目前我国各地经济发展不太平衡，从市场需求分析，既要发展、完善一般型的万能式断路器，例如DW15系列产品；又要发展高科技产品，例如智能型万能型式断路器。前者的工作重点是提高产品的安全性、可靠性和降低成本、降低产品价格，而后者的工作重点是完善和扩大产品的功能。我国第三代自行设计的典型产品是DW45系列智能型万能式断路器，目前已批量生产的壳架电流等级有：2000A、3200A、4000A、6300A四种，这种断路器具备过载长延时、短路短延时、短路瞬动的三段保护功能，又有单相接地故障保护功能。其智能化控制器(脱扣器)可实现：电流表、电压表功能；额定电流、整定电流、动

17、作时间可调；显示、试验、热记忆、故障记忆、负载监控、自诊断、MCR和通信接口等功能。从短路分断能力来看，完全可以满足容量至3150kVA及以下的变压器做主开关(总保护开关)的要求。 DW45系列断路器今后的发展方向是：进一步在通信方面发展和完善，即完善其计算机通信功能，包括开发新型接口电器，使之连接于网络和断路器之间(接口器如AST接口模块、分布I/O接口、网络之间接口)为计算机服务的单元，如总线地址编码器、寻址单元、负载反馈模块。对可通信电器(断路器)的基本要求包括带有通信接口；通信规约标准化；可以直接挂在总线上；严格按统一标准设计生产。在科技飞速发展的新形势下，对断路器产品的技术要求越来越

18、严格、复杂。因此生产厂家应密切关注国际标准(例如IEC标准和先进国家标准)的发展动态。当前应下大力气解决EMC(电磁兼容)对断路器的影响问题。（2）塑料外壳式断路器自20世纪80年代中期以业，我国相继有HSM1、CM1、TM30、JXM1、S系列产品问世，其产品的技术性能大约是国际20世纪80年代至90年代初的水平，短路分断能力从AC 400V、25kAAC 400V、85kA，在一般情况下可满足国内各用电场合的需求。塑壳式断路器今后的发展方向是：小型化、高分断、多功能、附件模块化；智能化(包括三段保护、电流和动作时间可调、显示、故障记忆、负载监控、通信接口等功能)。1.1

19、.2 断路器各种参数的确定和考虑（1）断路器的额定绝缘电压额定绝缘电压是在规定的条件下，用来度量断路器及其部件在不同电位部分的绝缘强度、电气间隙和爬电距离的标称电压值。绝缘电压确定后，就应考虑断路器的绝缘结构，如:电气间隙、爬电距离以及介质试验（耐压）的值，通常它的最小值应等于断路器的最大额定工作电压。在断路器的定型试验、出厂试验时，它不作为一个项目进行验证、考核。（2）断路器的电气间隙和爬电距离的设计在讨论断路器的电气间隙和爬电距离之前，必须首先了解系统的绝缘配合对断路器的要求。断路器用于电源系统的条件应是：1）断路器的额定绝缘电压，应高于或等于电源系统的额定电压；2）断路器的额定冲击电压，

20、应高于或等于电源系统的额定冲击耐受电压；3）断路器产生的瞬态电压，应低于或等于电源系统的额定冲击耐受电压。于是就涉及额定冲击耐受电压如何确定的原则：首先要考虑的参数是由电源系统电压确定的相对地电压（交流有效值或直流）和断路器的安装类别，并由此来确定它的额定冲击耐受电压。安装类别又称过电压类别，分四种，即：信号水平级；负载水平级；配电水平级；电源水平级。一般的断路器安装类别是级，其控制电器电路为级，但作电源进线处变压器出线处的主开关为级。而空气中的最小电气间隙是由额定冲击耐受电压的大小与断路器安装处的污染等级（断路器的污染等级一般为3级、控制电路电器为2级）来决定的。冲击电压越大，污染等级越高，

21、电气间隙就要求越大。爬电距离：断路器的爬电距离是与它的额定绝缘电压（或实际工作电压），污染等级和绝缘材料的组别等因素有关。污染等级越高，额定绝缘电压越高，材料组别越低，爬电距离就越大。（3）绝缘材料的组别绝缘材料的组别可分为、a、b四组，其分组的技术依据（指标）是CTI，CTI称之为相别泄漏（漏电）起痕指数（Comparative Tracking Index），它表示绝缘材料表面经50滴电解液0.1%NH4CL（氯化铵）水溶液（A液）或0.1%NCH4CL+0.5%R·C10H6·SO3Na（苯磺酸钠）溶液（B液）的滴入，绝缘材料之上与两个夹角为60的电极，通电，测试试样

22、（绝缘材料）的5个点，试样不出现漏电痕迹（绝缘材料表面因局部劣化所形成的不完全导电通道）的最高试验电压。绝缘材料四个组别中，b组为100CTI175，a组为175CTI400；组委400CTI600；组600CTI。CTI越高，绝缘材料耐漏电起痕性能越好，绝缘性能相应越好。常用绝缘材料的CTI值见表1-1表1-1 绝缘材料的CTI值材 料 名 称CTI材料所属类别酚醛压塑料125b酚醛玻璃纤维压塑料150b中强耐弧塑料（MP-3）250a三聚氰胺电玉粉500聚酯树脂（玻璃丝垫块）314a三聚氰胺玻璃丝层压板511聚乙烯378a聚苯乙烯319a硅有机玻璃布板600丁基橡胶561（4）断路器触头三

23、要素的考虑断路器触头三要素是指触头的开距（断开距离）、触头的压力和触头的超额行程（超行程）。触头的开距，也称触头行程，它的作用是：当动静触头打开时，确保一定的距离，以便将电弧拉成长弧，增加其电弧电压（加速电弧的熄灭）；为了在规定的试验电压下，不致于在电弧熄灭后（通过一定的灭弧措施）被再次击穿，使电弧重燃。触头的压力：分初压力和终压力两种。初压力：是动、静触头刚接触时，由触头弹簧产生的触头压力，它是由触头弹簧的预压力，它的作用是限制和防止触头刚接触时产生的机械振动由于机械振动过程会产生小放电电弧，使触头增加磨损，降低寿命。终压力：是触头完全闭合，即动触头已不再继续运动时的触头压力。它是保证触头在

24、闭合状态下接触电阻最小，从而使触头温升不致超过容许值所必须的技术措施。终压力的另一作用是，在触头通过较大故障电流时，不致因为大的电流产生的电动斥力，而使其断开。这一克服电动斥力的作用只限于不应该动作的电流范围。例如：电动机起动时的电流（57倍额定电流）；当一些具有限流作用的断路器发生短路电流故障时（例如几万安培时），要求断路器的瞬动机构未动作前，先由其产生的极大电动斥力把动静触头斥开，这与上面说的克服电动斥力，不致断开时两个概念。触头的超额行程（超程）：是指触头在闭合位置后，将静触头移开，动触头所能移动的距离。规定超程是保证触头在其寿命终结前（整个使用寿命之内）能够可靠地接触必要值。（5）断路

25、器的分断时间断路器的分段时间包括固有分断时间和燃弧时间。断路器的固有分断时间指断路器从断开操作开始瞬间到所有极触头（弧触头，如果有的话）都分开瞬间为止的时间（断开操作是指脱扣器引起断路器断开的操作）；燃弧时间指断路器分断电路过程中，从触头断开出线电弧的瞬间开始，至电弧完全熄灭为止的时间。断路器的分断时间，又称断路器的全分断时间，是指固有分断时间和燃弧时间的总和。通常，塑壳式断路器的全分断时间0.02s（20ms），万能式断路器的全分断时间0.03s。（6）断路器的分断速度断路器的开断速度是指断路器的操动机构（四连杆机构）从解扣（锁扣脱开）到完全断开过程的速度。开断速度越快，固有分断的时间越短。

26、一般要求是6m/s（每秒6米）一些高水平的限流断路器达到10m/s。（7）断路器的外壳防护等级外壳防护等级是指按照标准规定的检验要求，对（断路器的）外壳能防止外界固体异物进入壳内触及带电部分或运动部件以及防止水进入壳内的防护程度。防护等级以IP加后面的数字表示：第一个数字及数后补充字母表示电路具有对人体合壳内部件的防护，共9个等级，即IP0X、IP1X、IP2LX、IP3X、IP3LX、IP4X、IP4LX、IP5X和IP6X；第二表征数字表示由于外壳进水而引起有害影响的防护，也分9个等级：IPX0、IPX1、IPX2、IPX3、IPX4、IPX5、IPX6、IP7X、IP8X。断路器的外壳防

27、护等级，一般选用的是IP2L0或IP3L0。IP2L0能防止直径大于12.5mm固体异物进入壳内和防止手指或长度大于80mm的类似物体触及壳内带电部分或运动部件，但不带防水进入的措施。IP3L0能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内和防止长度大于100mm，直径为2.5mm的试验探针触及壳内带电部分和运动部件。（8）工频耐压问题GB/T 14048.1低压开关设备和控制设备总则规定了产品（断路器）按其额定绝缘电压的值所对应的工频耐压试验电压值（交流有效值），例如额定绝缘电压Ui60V时耐压为1000V，60VU1300V时为2500V这些耐压值是对接在电网主回路的电器产品而言的，而不接主回

28、路的控制电器，如分励脱扣器和辅助触头、报警触头等、其工频耐压值为：当Ui60V时，工频耐压为1000V(交流有效值)，当Ui60V时，为2Ui+1000V（交流有效值），但不小于1500V。现在的问题是有一些断路器的附件，如电动机、电子线路板等，他们的电源都是取自于电网的主回路，尽管他们的绝缘电压是大于60V而小于300V，或者是大于300V而小于660V，可是工频耐压仅是1500V或最大为1800V，应如何办？附和IEC609472的GB 14048.24低压开关设备和控制设备 低压断路器（新版），对此做了规定：“断路器的电路包括诸如电动机、测量仪表、未动开关和半导体装置等元件时，若这些元件

29、已按其有关规定进行了低于.2.3（主回路的试验电压值）规定的介点试验电压的试验时，则应在断路器进行其介电强度试验前将这些元件拆除”。还应该说明的是：断路器的介点强度试验（带电部件与接地部件之间，极与极之间，断开触头之间以及有关的固体绝缘）是应能承受施加的额定冲击耐受电压的。标准还明确规定，产品有关试验后的验证，允许采用工频耐压，同时也适合于没有规定额定冲击耐受电压的电器产品做介电性能考核。而如果类似DW45万能式断路器，去掉只能控制器和传感器，仅作隔离器用时，就应该进行额定冲击电压试验，而不能以工频耐压代替。1.2 课题来源及主要研究内容1.2.1 课题来源及主要研究内容根据我们专业的特点和我

30、们的实际动手能力，我们针对当前我国的断路器发展状况及今后的社会需求，我们特对低压万能式断路器进行设计，其主要内容有：（1）断路器总体外观结构设计（2）断路器本体及附件设计。这一部分是重点，包括断路器选型、导电系统设计、电磁系统设计、触头操作系统设计、欠电压脱扣器的设计、以及电流互感器的设计。（3）电磁兼容设计各个功能模块的配合，全部器件的装配。第2章 断路器结构的设计2.1 总体结构布置万能式低压断路器采用平面布置，即所有的零部件，如触头系统、操作机构、各种脱扣器、安装支架、主轴、脱扣轴等都铺开布置在一块绝缘底版上。这种布置方式的优点是容易接触到每一个部件，便于装配和调整，也便于更换易零部件，

31、便于维修。其缺点是安装面积较大，降低了断路器的经济指标。断路器设计为并联回路且为横向布置。 各部件的配置断路器所需要的部件是根据产品技术任务书的规定进行安装，即按需要而配置。例如，需要电动操作，则需要配制电磁铁或电动机操作机构。又如要求远距离脱扣的话，则需加装分励脱扣器；需要达到欠电压保护的话，则需加装欠电压脱扣器。所必须的部件如何配置合理，要认正对待。但是很难有一个通用的、固定的原则。一般来说，可考虑以下几个方面：（1）安装和取下方便。（2）需要调整的部件，要容易触及并看的见。（3）各部件的各部件的接线要方便，特别是辅助开关的接线应能在面进行操作接线。（4）操作机构要操作方便，便于安装。（5

32、）任何部件都不应有悬空的端子。2.2 断路器零部件的设计万能式低压断路器主要由导电系统、灭弧室、操作机构、脱扣器和手柄直接传动操作机构等组成。每一功能部分都设计成独立的模块式部件，安装、维护十分方便。灭弧室设计灭弧室置于断路器的上方，采用复式灭弧原理，灭弧室壁用绝缘材料压制而成。灭弧室内有灭弧栅片和灭焰栅片、引弧片等。灭弧室的出口为狭缝状，可把游离区限制在80mm以内加之抽屉式断路器上方装有罩壳，也就是说实现了零飞弧区，保证在电器成套装置中安全可靠使用。灭弧室内装有许多由厚度约为2mm的钢板冲成的横向栅片，栅片外表面镀铜以增大灭弧能力和防止生锈。每一栅片上冲有三角形缺口。缺口的位置稍许偏在栅片

33、中心线的一边。安装时，将上下栅片的缺口错开。栅片之间的间隙取4mm,当装在缺口附近的动、静触头分开并产生电弧时，由于栅片的存在，电弧电流在周围空间产生的磁通路径发生畸变，这样就产生一种将电弧拉向栅片的吸力。栅片缺口的错开的作用先为减少电弧开始进入栅片时的阻力。由于栅片本生有吸引电弧进入的能力，所以这种灭弧室不需要磁吹线圈。断路器操作机构的设计断路器的分、合闸操作有手动和电动两种。采用弹簧储能闭合，闭合速度与操作速度无关。手动储能时扳动操作手柄通过棘轮带动储能袖，使主弹簧压缩处于储能状态，当按动合闸按钮或接通闭合电磁铁，使释能脱扣轴解锁后，弹簧能量迅速释放，推动连杆机构，使断路器合闸。分断断路器

34、时，按动分闸按钮或接通分励脱扣器，使分断脱扣轴解锁，分断弹簧即可拉动操作机构的连杆使动触头回到分断位置。（1）传动机构断路器的传动机构采用杠杆传动。在选择和设计时注意到如图21所示：手柄和杠杆传动的最大操作力不超过250N。闭和断路器的冲击应尽量小。（2）自由脱口机构自由脱扣机构的功能是实现传动机构和触头系统之间的联系。自由脱扣机构再扣时，传动机构应带动触头系统一致运动，并使触头闭合。当脱扣之后，即解脱了传动机构与触头系统之间的联系，传动机构的运动与触头系统之间的联系，传动机构的运动与触头系统无关，并且在发生脱扣的瞬间与传动机构的位置无关并有自由再扣能力。（3）机构的特性和计算机构由许多杠杆、

35、传动环节组成。 机构的运动特性：2=f(1)或S=f(1)式中 1主动轴的转角；2被动轴的转角；S动触头的行程。 反力特性曲线计算 反力特性表示为主动轴转角与反作用力的关系Ff=f1()或转角与反作用力矩的关系Mf=f2()脱扣力的计算计算脱扣力为设计各种脱扣器提供依据。图2-1断路器的传动机构 抽屉座的设计断路器的安装有固定式和抽屉式两种型式。固定式断路器安装时，主回路与电网直接连接。抽屉式断路器主回路通过抽屉座的隔离触头与电网接通断路器，本体可以从抽屉座中卸下，便于断路器投入运行后定期维护和维修。抽屉座主要由基座、隔离触头、侧板、导轨、指示件、摇手柄等部组成。抽屉座有三个位置，利用手柄操作

36、，可使断路器处于连接、试验、分离三种状态。连接位置保持主回路与二次回路接通；试验位置时，主回路分离，二次回路仍保持接通，便于对断路器进行一些必要的操作试验；分离位置时，主回路与二次回路均断开。 限制器限制器是断路器的一种辅助功能附件，按功能不同有两种。一种为合闸限制器，即结断路器任何合闸命令都能防止断路器闭合。另一种为分间限制器，即在某种特定条件下，当各种可能发生的脱扣命令出现时均能阻止处于闭合状态的断路器脱扣分断。限制器的操作旋钮设置于断路器的面罩外，可以按需要将其锁定在“合闸”或“不合闸”(合闸限制器)；“脱扣”或“不脱扣”(分闸限制器)位置。由于两种限制器设置在同一操作位置，故两者只能任

37、选其一。 机械联锁装置机械联锁装置是一种用于多路电源供电系统中，防止2台或2台以上断路器同时接通的装置。其结构有两种型式：一种为利用连杆传动的机械联锁，另一种为钢丝教铀牵动联锁。对垂直叠装断路器两种型式都适用。水平安装的断路器只能用钢丝联锁。两种型式都可以对最多至3台断路器进行联锁操作，即当其中任何一台断路器处于合闸状态时，其余两台均不能进行合闸操作。下图为两台断路器垂直和水平联锁示意：图2-2 短路器垂直、水平连锁示意图图2-3万能式断路器的结构（1）1操作机构2动弧触头3灭弧室4静弧触头5电磁脱扣器6互感器7热继电器或半导体脱扣器8欠电压脱扣器 9分励脱扣器 10脱扣轴11分合指示窗12失

38、压延时装置图2-3万能式断路器的结构 （2）1操作结构2动弧触头3灭弧室4静弧触头5电磁脱扣器6互感器7热继电器或半导体脱扣器8欠电压脱扣器9分励脱扣器10脱扣器 11分合指示窗 12失压延时装置图2-4 万能式断路器外形图第3章 断路器的导电系统设计断路器的导电系统，又称为断路器的触头系统，它包括了触头触点和触刀 （触桥），载流连接板和软连接等。3.1触头系统的设计静触头由硬连结、弧角、固定板等组成，安装在绝缘底板上。动触头由绝缘支持件、触头、压力弹簧、软连接、母线联接等组成。每相动触头由多档并联，有效地减少电动斥力和增加散热面，整个部件安装在基座的小室内，由操作机构主轴通过连杆带动触头支架

39、绕O点往返转动，从而使其与静触头接通或断开。对触头系统的基本要求1)安全可靠地接通和分断短路电流及以下的所有电流，也就是说除了接通和分断极大电流外，断路器还应分断临界负载电流。临界负载电流一般认为是4In0.3In;2)长期通过额定发热电流而不致发生过高温升；3)达到标准的电寿命和机械寿命，再规定的接通和分断次数后，不致有严重的磨损。 触头的型式断路器常用的有对接式触头、桥式触头和插入式触头。对接式触头应用最广，结构最为简单。桥式触头有两对触头，这对大容量（1000A以上）断路器有利，可省去笨重的软联接。用于小容量（50A以下）断路器时，由于增加了一个断点，有助于熄弧，可简化灭弧室结构。插入式

40、触头的特点是在通过巨大短路电流时有电动力补偿作用，能防止触头弹开，适合于作为抽屉式断路器的插入触头。权衡利弊应选用桥式触头。 触头的挡数触头有单档、双档和三档之分。单档触头兼作弧触头，使用于适用于小容量断路器。双档触头具有主触头和弧触头，适用于大容量断路器。三挡触头结构就是在主、弧触头之间增加一挡副触头，作为主触头的两重保护，仅在1500A以上的断路器中应用。权衡利弊应选用双档触头。 弧角的应用弧角的主要任务是把电弧引入灭弧室，并使弧根沿弧角迅速运动，以减轻弧触头的烧伤。为此弧角做成流线型。一般工作电压越高，弧角越长。在弧角上开槽或加筋引导电弧沿弧角运动的作用。 触头的开距低压断路器所需的开距

41、很小，在断开短路电流时不会因气隙击穿而发生电弧复燃。为了使灭弧室空间充分利用，触头开距尽可能取大些。取触头开距为20mm。当弧触头（或副触头）刚接触时，主触头的开距在25mm。 触头压力断路器的触头压力主要取决于极限短路通断能力，必须保证触头在通过短路电流时不致因电动斥力而产生跳动或引起熔焊。因此，要求触头压力要大于触头间的电动斥力。电动斥力可按下式决定： （3-1）式中 F触头间的电动力(N)；I流过触头的电流(A)；D触头的直径(m)； D0触头接触点的直径(m)，d0可用下式决定: （3-2）式中 Fj触头间接触压力(N)；HB触头材料的布氏硬度。弧触头的压力一般取主触头的1/31/2。

42、限流断路器的触头压力越小越好,满足触头长期的导电能力和避开电路中可能出现的起动电流。 电动补偿当分断电流增大时,按式（3-1）计算出的触头压力很大，给机构设计造成困难。为了减少所需的触头压力弹簧，可采用多种型式的电动力补偿措施。采用多个触头并联是措施之一。但触头太多会造成电流分布不均，使两侧触头电流较大，反而减小补偿的效果，也使得两侧触头发热严重。一般使得每个触头的额定电流约为250500A所以设计为双档触头。 触头材料主触头一般不断开电弧，主要要求它能长期有导电能力，有一定的机械强度，在规定的机械寿命下不致压踏变形。弧触头承担分断电弧，主要要求触头材料抗熔焊性能好，耐电弧烧。触头材料选用Cu

43、对Ag。触头的几何尺寸与额定电流关系不大，主要取决于电磨损和载流母线的尺寸以及由于制造偏差所造成的动、静触头之间的相对位移。触头的厚度为24mm。 触头超程主要是主触头的超程，它决定于传动杆的磨损和触头的磨损，必须保证在寿命终了时，主触头仍能可靠地接触，所以取4mm。 载流导体和软连接线的选择必须保证它们在长期工作时不超过温升的规定。母线尺寸确定后，可按下式验算： （3-3）式中 I流过导电板的电流（A）; 导电板的电阻率（·m）;KT导电板表面的传热系数W/（m2·K）;P导电板横截面的周长（m）;S导电板的横截面积（m2）。载流体的截面可按电流密度Jb来决定。断路器母线

44、电流密度为取1A/mm2。第4章 断路器灭弧室的设计4.1 电弧的产生与熄灭 电弧的产生电弧是一种气体放电的特殊形式。产生电弧的条件是电路内的电流和电压必须大于某一最小起弧电流和最小起弧电压。电弧的产生式由于气体的游离。游离的原因有热发射、冷发射、碰撞游离和热游离。热发射：动静触头分开过程中，触头表面温度剧增，由于热运动，金属内的自由电子克服了金属内正离子的吸力而从阴极表面发射，这就是热发射。冷发射：即高电压发射。触头刚分开，在气隙间形成高电场，将电子从阴极拔出。碰撞游离：从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得能量再加速，碰撞中性气体分子而使其游离。热游离：电弧燃烧时，电弧温度很高（如弧柱可达

45、6000及以上），气体分子在高温作用下，由于强烈的热运动互相碰撞而游离。 电弧的熄灭电弧的熄灭时由于气体的消游离，而消游离主要是复合和扩散的作用。（1）复合就是异性离子互相结合而中和。复合速度受温度影响极大，温度高、复合几率小；反之，则复合几率大。因此利用液体（如变压器油）或其他（如）人工冷却电弧或将电弧挤入绝缘冷壁做成的窄缝，用铁板制作的灭弧栅片内，迅速导出电弧内部的热量，减少离子的运动速度，加速复合速度，尽快将电弧熄灭。（2）扩散就是电弧表面的离子扩散到周围冷介质中去。密度大，温度高的气体分子总是向密度小、温度低的介质方面扩散，扩散出来的离子因冷却相互结合成中性分子（中性分子是不导电的）。

46、总之，电弧的熄灭是在消游离的速度超过游离的速度来实现的。因此，从电的方面来说，要求介质恢复速度（即空气中恢复成中性分子的速度）大于触头两端的电压恢复速度，使电弧不致因冷发射和碰撞游离而重燃；在热的方面要求散热速度大于发热速度，使电弧不致因发热形成的热发射和热游离而复燃。基于电弧熄灭的原理，来选择灭弧系统，即灭弧室的结构。4.2 灭弧室的设计本次设计采取下列措施进行灭弧室设计（1）采用绝缘材料制成的灭弧室，内装栅片和灭焰栅，使电弧向上进入灭弧室后快速熄灭并游离。出口成窄缝状，构成复式灭弧，使游离气体喷出高度不超过短路器的最大高度，实现了零飞弧区。节约了断路器在电器成套柜中的体积，使尺寸一定的成套

47、柜中可安装多一些电路。 （2）灭弧室全部置于断路器的绝缘底座中，增强了灭弧室室壁的机械强度，不致在分断大短路电流时炸裂。常用的交流断路器的熄弧措施有下面几点：1） 依靠触头的迅速分开，在交流电流自然过零时灭弧；2） 利用导体回路电动力或磁吹，使电弧迅速移动和拉长；3） 采用金属栅片造成许多串联的短弧；4） 将电弧拉入灭弧室，利用栅片将其冷却以增大电弧电阻。断路器的灭弧室置于断路器的上方，其采用复式灭弧原理，灭弧室壁用绝缘材料压制而成。灭弧室内有灭弧栅片和灭焰栅片、引弧片等。灭弧室的出口为狭缝状，可把游离区限制在80mm以内加之抽屉式断路器上方装有罩壳，也就是说实现了零飞弧区，保证在电器成套装置

48、中安全可靠使用。灭弧室内装有许多由厚度约为2mm的钢板冲成的横向栅片，栅片外表面镀铜以增大灭弧能力和防止生锈。每一栅片上冲有三角形缺口。缺口的位置稍许偏在栅片中心线的一边。安装时，将上下栅片的缺口错开。栅片之间的间隙取4mm,当装在缺口附近的动、静触头分开并产生电弧时，由于栅片的存在，电弧电流在周围空间产生的磁通路径发生畸变，这样就产生一种将电弧拉向栅片的吸力。栅片缺口的错开的作用先为减少电弧开始进入栅片时的阻力。由于栅片本生有吸引电弧进入的能力，所以这种灭弧室不需要磁吹线圈。第5章 断路器机构的设计操作机构有电动机操作机构和手柄操作两种方式，装在一起，但互不干涉，位于断路器正面右侧。5.1

49、自由脱扣机构 自由脱扣机构原理图见图3，由五连杆机构组成，为了降低机构脱扣轴上的脱扣力，采用二级脱扣方式：第一级为顶杆式；第二级为半轴扣板式。当再扣时，O2视为定点（这时五连杆机构为四连杆机构），准备好了闭合条件。若要断路器闭合，只要使释能脱扣半轴逆时针方向转动一角度，则释能杠杆释放，并高速逆时针方向转动，在蓄能杆上的C轴压力下使断路器触头闭合。1-释能脱扣半轴 2-杠杆1 4-储能杠杆 5-储能弹簧6-凸轮 7-连杆 8-主轴 10-分断脱扣半轴11-杠杆2图5-1 储能机构和脱扣原理图5.2 蓄能机构采用弹簧储能,由储能弹簧、凸轮、储能杠杆、扣板和半轴组成.当扣板扣于半轴时,借电动或手动带

50、动凸轮。5.3 断路器操作机构断路器的分、合闸操作有手动和电动两种。采用弹簧储能闭合，闭合速度与操作速度无关。手动储能时扳动操作手柄通过棘轮带动储能袖，使主弹簧压缩处于储能状态，当按动合闸按钮或接通闭合电磁铁，使释能脱扣轴解锁后，弹簧能量迅速释放，推动连杆机构，使断路器合闸。分断断路器时，按动分闸按钮或接通分励脱扣器，使分断脱扣轴解锁，分断弹簧即可拉动操作机构的连杆使动触头回到分断位置。 传动机构断路器的传动机构采用杠杆传动。在选择和设计时注意到：1）手柄和杠杆传动的最大操作力不超过250N。2）闭和断路器的冲击应尽量小。 自由脱扣机构自由脱扣机构的功能是实现传动机构和触头系统之间的联系。自由

51、脱扣机构再扣时，传动机构应带动触头系统一致运动，并使触头闭合。当脱扣之后，即解脱了传动机构与触头系统之间的联系，传动机构的运动与触头系统之间的联系，传动机构的运动与触头系统无关，并且在发生脱扣的瞬间与传动机构的位置无关并有自由再扣能力。 机构的特性和计算机构由许多杠杆、传动环节组成。1）机构的运动特性 2=f(1)或 S=f(1)式中 1主动轴的转角；2被动轴的转角；S动触头的行程。 2）反力特性曲线计算 反力特性表示为主动轴转角与反作用力的关系Ff=f1()或转角与反作用力矩的关系Mf=f2()3）脱扣力的计算计算脱扣力为设计各种脱扣器提供依据。5.4 断路器瞬动机构断路器瞬动保护元件（短路

52、保护）一般是使用电磁铁机构的。它由静铁心（主极铁心）、动铁心（衔铁）、线圈、反作用力弹簧等组成。作断路器的瞬动保护元件，是一种电流型电磁铁，它的结构型式是型。电磁铁的吸力F，由麦克斯韦公式： F = B² S / 2µ0（当为形电磁铁时，F = B² S / 4µ0 ）式中 F吸力，N； B磁通密度（电磁铁动、静铁心工作气隙的磁通密度） S极面的截面积，CM² ； µ0真空的磁导率。直流电磁铁的电流线圈（型电磁铁） F = 3.2(IW) ²S/²交流电磁铁的电流线圈（型电磁铁）F = 3.2(ImW) ²

53、;S/²以上两公式中 F电磁铁心极面上的吸力，N； I励磁电流，A； Im励磁电流的最大值，A； S铁心极面的截面积，cm² W线圈的匝数； 动、静铁心的工作气隙，cm。对电流线圈来说IW或ImW是磁能源或称磁动势。IW不足时，磁通（=BS）就小。IW=Rm. Rm为磁阻，它是导磁体（铁心）的磁阻和动静铁心工作隙的磁阻之和。导磁体的磁阻 = IL/µS（L为铁心磁路长度，S为铁心截面积，µ为铁心的磁导率）由于µ值比空气的磁导率µ0大得多 ，导磁体的磁阻很小，Rm就以铁心间的气隙磁组为主了。当Rm一定时，值就与IW成正比了。吸力F与电磁铁的工作气隙的平方成反比，气隙大，吸力小。当为一定时，电磁铁的整个吸合（释放）过程是：从某一定值到=0 （实际上因为动静铁心加工不可能绝对的平，完全等于0是不可能的），或者从=0到为某一定值（前者为吸合，后者为不释放）。工作气隙决定其磁阻值。气隙之中的磁阻Rm = IL/µS 。当铁心的尺寸已定，也成了常数，则大，Rm大，要保持一定的，而=IW/Rm，当线圈匝数一定，Rm大则铁心须增大励磁电流I0，励磁电流I最小。若使电磁铁已闭合，但由于铁心极面不十分的平整，或者尘埃及水蒸气附着于极面。电磁铁就未完全处于吸合状态，在铁心的反力弹簧作用下，就会因抖动而产生噪音。