万能式低压断路器的设计.docx

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万能式低压断路器的设计

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：

2

学生：

颖

导师：

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〕是在教师指导下进展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：

万能式低压断路器设计

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

指导教师靖职称副教授教研室主任卫才

一、根本任务及要求：

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。

主要设计容包括：

1、断路器导电系统设计；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：

总体外观构造设计及绘图。

〔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：

指导教师评阅、电子文档上传FTP。

〔6〕6月15日至6月18日：

毕业设计辩论。

〔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。

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展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开展进展展望，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，以及电磁兼容进展了分析。

本次设计是以DW450-1600系列为参考，结合本校实际情况进展设计。

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

UniversalLowVoltageCircuitBreaker

ABSTRACT：

Circuitbreakerisakindofswitchusedinpowersystemforconnectinganddisconnectingthecircuitaswellasprovidingprotectionandcontrollingonalltypesofbreakdown.Inthisbook,theworkingprincipleofUniversalLowVoltageCircuitBreakerisintroduced.Firstly,andthenitsmainintellectualfunctionandspecificationareresearchedindetail;andthenthedevelopmentofUniversalLowVoltageCircuitBreakerisforecasted.Italsopresenteditsintellectualfunctionandspecification.Andthemainfunction,maintechnicalparametersandmostadvancedtechnicalperfortnences.Themeasuresofanti-jammingarediscussed.Italsopresenteditsintellectualfunctionandspecification.Andthemainfunction;Finally,Electromagneticpatibilityisdiscussed.

ThisdesignregardstheseriesofDW450-1600astoconsult;joiningtogetherourschooltheactualcircumstanceprecedesthedesign.

Keywords:

LowVoltageCircuitbreaker、Universal、intellectualfunction、intellectualfunctionandspecificationElectromagneticpatibility.

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,以防止或减小故障给电力系统及用电设备所造成的损失,确保供电系统的平安性和可靠性。

断路器的开展经历了几代的研发。

其性能得到大大的提高，构造也渐趋完善。

本文针对断路器的开展现状及未来趋势，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，分部对其构造零部件进展设计。

其中包括触头、灭弧室、操作机构、欠电压脱扣器、电流互感器等各个局部的设计。

并且针对电磁系统的设计，详细分析了其电磁兼容性，最后对总体外观构造进展了分析及设计。

第1章绪论

1.1低压断路器的开展与意义

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、工作平安可靠，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开展，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，以到达通信，遥调，遥控的功能，从而实现网络管理，构成第四代万能式断路器。

智能型系列断路器今后的开展方向是:

1.进一步在通信方面开展和完善，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）为计算机效劳的单元，如总线地址编码器、寻址单元、负载反应模块。

对可通信电器（断路器）的根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。

在科技飞速开展的新形势下，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）的开展动态。

当前应下大力气解决EMC（电磁兼容）对断路器的影响问题。

1.1.1万能式低压断路器的开展

〔1〕万能式（柜架式）低压断路器

目前我国各地经济开展不太平衡，从市场需求分析，既要开展、完善一般型的万能式断路器，例如DW15系列产品；又要开展高科技产品，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平安性、可靠性和降低本钱、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系列断路器今后的开展方向是：

①进一步在通信方面开展和完善，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）为计算机效劳的单元，如总线地址编码器、寻址单元、负载反应模块。

对可通信电器（断路器）的根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。

在科技飞速开展的新形势下，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）的开展动态。

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、25kA～AC 400V、85kA，在一般情况下可满足国各用电场合的需求。

塑壳式断路器今后的开展方向是：

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）。

1.1.2断路器各种参数确实定和考虑

〔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局部的绝缘强度、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构造，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，它不作为一个工程进展验证、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，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那么：

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：

Ⅰ信号水平级；Ⅱ负载水平级；Ⅲ配电水平级；Ⅳ电源水平级。

一般的断路器安装类别是Ⅲ级，其控制电器电路为Ⅱ级，但作电源进线处变压器出线处的主开关为Ⅳ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，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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb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〔parativeTrackingIndex〕，它表示绝缘材料外表经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〔绝缘材料〕的5个点，试样不出现漏电痕迹〔绝缘材料外表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，Ⅲb组为100≤CTI＜175，Ⅲa组为175≤CTI＜400；Ⅱ组委400≤CTI＜600；Ⅰ组600≤CTI。

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

125

Ⅲb

酚醛玻璃纤维压塑料

150

Ⅲb

中强耐弧塑料〔MP-3〕

250

Ⅲa

三聚氰胺电玉粉

500

Ⅱ

聚酯树脂〔玻璃丝垫块〕

314

Ⅲa

三聚氰胺玻璃丝层压板

511

Ⅱ

聚乙烯

378

Ⅲa

聚苯乙烯

319

Ⅲa

硅有机玻璃布板

﹥600

Ⅰ

丁基橡胶

561

Ⅱ

〔4〕断路器触头三要素的考虑

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：

①当动静触头翻开时，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〕；②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。

这一克制电动斥力的作用只限于不应该动作的电流围。

例如：

电动机起动时的电流〔5～7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，这与上面说的克制电动斥力，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〕能够可靠地接触必要值。

〔5〕断路器的分断时间

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场瞬间到所有极触头〔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场，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。

一般要6m/s〔每秒6米〕一些高水平的限流断路器到达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触及带电局部或运动部件以及防止水进入壳的防护程度。

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固体异物进入壳和防止手指或长度大于80mm的类似物体触及壳带电局部或运动部件，但不带防水进入的措施。

IP3L0—能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳和防止长度大于100mm，直径为2.5mm的试验探针触及壳带电局部和运动部件。

〔8〕工频耐压问题

GB/T14048.1?

低压开关设备和控制设备总那么?

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Ui≤60V时耐压为1000V，60V＜U1≤300V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Ui≤60V时，工频耐压为1000V（交流有效值），当Ui＞60V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IEC60947—2的GB14048.24?

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，假设这些元件已按其有关规定进展了低于8.3.3.2.3〔主回路的试验电压值〕规定的介点试验电压的试验时，那么应在断路器进展其介电强度试验前将这些元件撤除〞。

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，就应该进展额定冲击电压试验，而不能以工频耐压代替。

1.2课题来源及主要研究容

1.2.1课题来源及主要研究容

根据我们专业的特点和我们的实际动手能力，我们针对当前我国的断路器开展状况及今后的社会需求，我们特对低压万能式断路器进展设计，其主要容有：

〔1〕断路器总体外观构造设计

〔2〕断路器本体及附件设计。

这一局部是重点，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章断路器构造的设计

2.1总体构造布置

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，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。

2.1.1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展安装，即按需要而配置。

例如，需要电动操作，那么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，那么需加装分励脱扣器；需要到达欠电压保护的话，那么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、固定的原那么。

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展操作接线。

〔4〕操作机构要操作方便，便于安装。

〔5〕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。

每一功能局部都设计成独立的模块式部件，安装、维护十分方便。

2.2.1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．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平安可靠使用。

灭弧室装有许多由厚度约为2mm的钢板冲成的横向栅片，栅片外外表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场进入栅片时的阻力。

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。

2.2.2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2–1所示：

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。

〔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、传动环节组成。

1机构的运动特性：

α2=f（α1）

或S=f（α1）

式中α1——主动轴的转角；

α2——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（α）

或转角与反作用力矩的关系

Mf=f2（α）

③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

2.2.3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，可使断路器处于连接、试验、别离三种状态。

连接位置保持主回路与二次回路接通；试验位置时，主回路别离，二次回路仍保持接通，便于对断路器进展一些必要的操作试验；别离位置时，主回路与二次回路均断开。

2.2.4限制器

限制器是断路器的一种辅助功能附件，按功