專利名稱：中頻斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低壓斷路器，特別是一種可用于低壓中頻狀況下能對過載和短路起保護(hù)作用的斷路器。
技術(shù)背景低壓斷路器是按規(guī)定條件，對配電電路、電動機(jī)或其他用電設(shè)備實(shí)行通斷操作并起保護(hù)作用，即當(dāng)電路內(nèi)出現(xiàn)過載、短路或欠電壓等情況時，能自動分?jǐn)嚯娐返拈_關(guān)電器。按結(jié)構(gòu)分框架式和塑料外殼式兩種，其中塑料外殼式[簡稱塑殼式]有一絕緣塑料外殼——基座和蓋，其觸頭系統(tǒng)、滅弧室、操作機(jī)構(gòu)和脫扣器等均裝在塑料外殼內(nèi)。工頻塑殼式低壓斷路器工作原理是當(dāng)電路工作正常時，電流從電源通過低壓斷路器的主觸頭、熱脫扣器的熱元件、電磁脫扣器的線圈后流向被保護(hù)電器設(shè)備。當(dāng)電路出現(xiàn)過載故障時，熱脫扣器的熱元件將根據(jù)過載電流的大小，按照反時限特性進(jìn)行延時，延時完畢后使止動件動作，將主觸頭斷開。當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時，電磁脫扣器的線圈產(chǎn)生吸力，將螺管式電磁鐵鐵心吸起，拉動觸頭支件將主觸頭分開。
《IEC196交流電源頻率標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“低壓電器50Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率的產(chǎn)品一般不能在非標(biāo)準(zhǔn)頻率下工作”，目前建筑等特殊行業(yè)已使用環(huán)保型低壓中頻振動器就缺乏相應(yīng)的可靠性較高的中頻過載與短路保護(hù)設(shè)備。當(dāng)采用工頻低壓斷路器代替時，因低壓斷路器在不同頻率下保護(hù)特性不同，而使得保護(hù)裝置工作可靠性差、壽命很短；后果是當(dāng)線路出現(xiàn)過載時，負(fù)載已燒毀了而低壓斷路器可能還不動作。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可用于低壓中頻使用狀況下、能起到中頻過載和短路保護(hù)作用的中頻斷路器。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它包括主觸頭3、滅弧室4、熱脫扣器1和電磁脫扣器2，其特征是主觸頭采用單斷點(diǎn)指形線接觸結(jié)構(gòu)，靜觸頭為長方形，長a或?qū)抌的尺寸為3～6mm，厚度s為0.5～1.2mm；動觸頭為橢圓形圓柱形，R3＝2～5mm，厚度S2為0.2～1.0mm；滅弧室采用柵片滅弧的結(jié)構(gòu)室，柵片采用鋼片表面鍍銅，柵片數(shù)量為4～12片，每片厚0.8～1.6mm，間隔取1～3mm，滅弧室材料選用紅鋼紙板；熱脫扣器的熱元件為直接加熱式，雙金屬片的長度、寬度和高度的尺寸范圍分別為25～40mm、4～10mm和0.4～1.0mm；電磁脫扣器結(jié)構(gòu)為交流中頻有擋鐵螺管式電磁鐵，鐵心半徑尺寸為2～3.8mm，線圈高度范圍為12～24mm，線圈厚度為2.4～4.6mm之間。靜觸頭用矩形平面觸頭，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；動觸頭采用橢圓形圓柱面觸頭，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5；觸頭初壓力F0＝16×0.2＝3.2N，觸頭終壓力FZ＝1.25×3.2＝4N，開距5mm，超程1.5mm。柵片滅弧取5片柵片，每片厚1mm，間隔取2mm，滅弧室材料選用紅鋼紙板。鐵心半徑rc＝2.8mm，線圈磁勢IN＝174.7A，線圈的高度h＝15.2mm，線圈的厚度Δ＝3.36mm，線圈的外半徑C＝6.16mm，線圈的匝數(shù)N取9匝，導(dǎo)線直徑d＝1.901mm。對導(dǎo)線直徑進(jìn)行圓整，取d＝2.02mm，擋鐵高度hd＝6.8mm，鐵心起始深入線圈深度z＝5.4mm，鐵軛寬度be＝12.32mm，取12mm，鐵軛厚度ae取1mm，小彈簧材料選不銹鋼絲4Cr13；按標(biāo)準(zhǔn)取彈簧絲直徑d＝0.35mm，中徑D2＝2.5mm，自由長度H0＝10mm，小彈簧有效圈數(shù)取為10圈；鐵心在打開位置時，彈簧壓縮1mm，其彈簧反力為P′＝0.9N，鐵心在閉合位置時，彈簧壓縮4mm，其彈簧反力P′＝3.6N。
由此可知，本實(shí)用新主要是在現(xiàn)有工頻低壓斷路器特別是塑式斷路器的過載和短路故障為控制對象的基礎(chǔ)上重新對斷路器的主觸頭系統(tǒng)、滅弧室系統(tǒng)、熱脫扣器和電磁脫扣器進(jìn)行設(shè)計。這些元器件的尺寸參數(shù)、額定工作值、動作特性與傳統(tǒng)的工頻塑殼式斷路器有較大的不同。
本案發(fā)明人為了改變設(shè)計方案，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，我們在實(shí)驗(yàn)過程中采用的主要技術(shù)參數(shù)包括1.額定電壓三相交流45V；2.額定電流13A；3.額定工作頻率200Hz；4.使用類別AC-3；5.工作制反復(fù)短時工作制；6.絕緣等級B級絕緣；7.熱穩(wěn)定電流10×IN；8.動穩(wěn)定電流1.5kA；9.電壽命3000次；10、電動機(jī)起動電流39A；11.電動機(jī)過載保護(hù)要求之一電流為20A時，延時30s后斷開電源。
一是對載流部件負(fù)載能力的進(jìn)行設(shè)計因交流電流和直流電流不同，不能沿導(dǎo)體的整個截面均勻分布，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，這種情況隨頻率的升高而愈加嚴(yán)重。這種集膚效應(yīng)使得導(dǎo)體截面只有一部分承載電流，導(dǎo)體的阻抗也隨頻率的升高而增大。同時，高頻交流電還會造成磁滯損耗和渦流損耗的增加，且這種損耗隨頻率的升高而迅速增加。另外，工作電流的頻率對導(dǎo)體本身和鄰近的鐵磁零件也有影響。鑒于上述原因，有必要對載流部件降容使用。因此，在本設(shè)計中，參考了德國KM公司推薦的數(shù)據(jù)對觸頭進(jìn)行降容處理，對主觸頭降到81.25％即I＝16×81.25％＝13A，降容后的電流滿足實(shí)際要求。也就是說，設(shè)計工作頻率為200Hz、工作電流為13A的低壓斷路器，應(yīng)該采用工作頻率為50Hz、工作電流為16A的低壓斷路器的相關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計。
二是對滅弧性能的進(jìn)行改進(jìn)低壓電器的滅弧系統(tǒng)多半是利用交流過零瞬間弧隙上介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度的上升速度大于恢復(fù)電壓上升速度這一原理來滅弧的。滅弧系統(tǒng)的功能是加強(qiáng)去游離，預(yù)防重燃。眾所周知，50Hz時電流二次過零的時間僅為10ms。如果頻率低于50Hz，則二次過零的時間將延長，例如16.67Hz為30ms。于是在滅弧系統(tǒng)中當(dāng)電流過零時將有更多的游離氣體需要被清除，因此分?jǐn)噙@種電流近似于開斷直流電流。反之，電源頻率若加高，可使單位時間內(nèi)發(fā)生的過零次數(shù)增多，這雖在一定頻率范圍內(nèi)對熄弧顯得較為有利，但頻率過高時，交流電流的零點(diǎn)間隔就非常短，以至去游離條件惡化，使燃弧時間大大延長，熄弧困難。由圖2所示的分?jǐn)鄷r電弧能量與頻率關(guān)系的示意圖可知，最為有利的工作范圍是50～100Hz。如果分?jǐn)嘀绷骰蜉^低和高于200Hz的頻率時，則弧隙中的電弧能量都比較高，所以滅弧較困難。本次設(shè)計因電壓和電流值較小，滅弧能力與50Hz相比，雖有些下降，但通常不會造成什么問題，故本次設(shè)計的滅弧系統(tǒng)仍按工頻情況設(shè)計。
三是針對頻率變化對脫扣器動作特性進(jìn)行了設(shè)計1、熱脫扣器在500Hz以下，直熱式雙金屬片主要由電流加熱，其他各種附加的感應(yīng)加熱溫升很小，可以忽略，因此其動作特性只比50Hz稍快一點(diǎn)，故200Hz時的熱脫扣器仍按50Hz情況進(jìn)行設(shè)計。
2、電磁脫扣器電磁脫扣器動作的決定因素是所加電流的幅值和持續(xù)時間。高頻條件下，半周的時間很短，不能像50Hz時可在電流半波峰值時動作，這時要采用提高動作電流值的方法來促使電磁脫扣器動作。由圖2可見，200Hz時的電磁脫扣器的動作電流值需增加到原來的150％。因?yàn)楸敬卧O(shè)計的電磁脫扣器線圈是交流串聯(lián)線圈，其磁動勢是一定的，為保證磁動勢一定，故將線圈匝數(shù)降低1.5倍來進(jìn)行調(diào)整。
通過實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論交流電源頻率改變后對電器的發(fā)熱、滅弧和動作性能有不同程度的影響，因此需要對額定值或整定值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或改變。特別地在現(xiàn)有工頻低壓斷路器基礎(chǔ)上，對工頻低壓斷路器的觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、脫扣系統(tǒng)及軀殼等部分進(jìn)行了重新設(shè)計、校驗(yàn)與試驗(yàn)，效果良好。特別是對建筑使用的中頻振動器在過載保護(hù)和短路保護(hù)方面起到很好的效果，使其可靠性更高，使用壽命長。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2分?jǐn)鄷r電弧能量與頻率關(guān)系的曲線圖；圖3靜觸頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖4動觸頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖5滅弧柵片外型圖；圖6電磁脫扣器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
由圖3至圖6可知，主觸頭、滅弧室的滅弧柵片和電磁脫扣器的動作參數(shù)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸均因使用中頻電源而發(fā)生較大變化。
實(shí)施例1，參考圖3、圖4，對主觸頭系統(tǒng)設(shè)計由德國KM公司推薦的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)頻率變化時要對觸頭進(jìn)行降容處理，其中f＝200Hz時應(yīng)將工頻時主觸頭容量降到81.25％設(shè)計，即I＝16×81.25％＝13A，降容后的電流滿足實(shí)際要求。反過來說，就是設(shè)計200Hz、13A低壓斷路器可用50Hz、16A的相關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計。經(jīng)計算以及性能校核，得主觸頭尺寸靜觸頭用矩形平面觸頭，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；動觸頭采用橢圓形圓柱面觸頭，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5。觸頭主要參數(shù)觸頭初壓力F0＝16×0.2＝3.2N；觸頭終壓力FZ＝1.25×3.2＝4N；開距5mm；超程1.5mm。
實(shí)施例2，對滅弧室進(jìn)行設(shè)計由圖2可見，最為有利的工作范圍是50～100Hz。如果分?jǐn)嘀绷骰蜉^低和高于200Hz的頻率時，則弧隙中的電弧能量都比較高，所以滅弧較困難。本次設(shè)計因電壓和電流值較小，滅弧能力與50Hz相比，雖有些下降，但通常不會造成什么問題，故本次設(shè)計的滅弧系統(tǒng)仍按工頻情況設(shè)計。結(jié)論工作電流I＝13A，f＝200Hz的中頻塑殼式低壓斷路器的滅弧室部分，與工作電流I＝16A，f＝50Hz的工頻塑殼式低壓斷路器的滅弧室部分相同。
根據(jù)選擇的滅弧方法，確定有關(guān)尺寸通過比較，本斷路器設(shè)計選用滅弧能力強(qiáng)、能造成許多串聯(lián)短弧、易于拆裝的柵片滅弧室去熄滅電弧。柵片采用鋼片表面鍍鋅，如圖4所示。柵片滅弧取5片柵片，每片厚1mm，間隔取2mm，滅弧室材料選用紅鋼紙板。下面對其滅弧性能進(jìn)行估算滅弧條件用公式Ujf＞Uhf表述，其中，Ujf弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，Uhf電壓恢復(fù)強(qiáng)度。其中，UjfUjf＝Ujf0+Kjf×t＝70+1.4t；Uhf＝2×f0×r×Ug0×10-6×t＝2×411×1.1×55.14×10-6×t＝0.05×t。因Ujf＝70+1.4t＞Uhf＝0.05×t，故滅弧室的滅弧性能合格。結(jié)論工作電流I＝13A，f＝200Hz的中頻塑殼式低壓斷路器的滅弧室部分，與工作電流I＝16A，f＝50Hz的工頻塑殼式低壓斷路器的滅弧室部分相同。
實(shí)施例3，如圖6所示，電磁脫扣器由線圈5、彈簧6、擋鐵7和鐵心8組成，線圈采用串聯(lián)電流線圈，額定電流Ie＝13A；B級絕緣；允許溫升70K；反復(fù)短時工作制，QT取0.6；電磁鐵結(jié)構(gòu)為有擋鐵螺管式電磁鐵。動、靜鐵心材料為電工用純鐵DT3，表面處理DZn6.DC。導(dǎo)磁板[磁軛]的材料為電工用純鐵DT3，表面處理D.Zn6.DB。經(jīng)計算，得鐵心半徑rc＝2.8mm；線圈磁勢IN＝174.7A；線圈尺寸線圈高度h＝15.2mm；線圈厚度Δ＝3.36mm；線圈外半徑C＝6.16mm；線圈匝數(shù)N＝8.96匝，取9匝；導(dǎo)線直徑d＝1.901mm，參照標(biāo)準(zhǔn)，對導(dǎo)線直徑進(jìn)行圓整，取d＝2.02mm；擋鐵高度hd＝6.8mm；鐵心起始深入線圈深度z＝5.4mm；鐵軛寬度be＝12.32mm，取12mm；鐵軛厚度ae取1mm。小彈簧材料選不銹鋼絲4Cr13。按標(biāo)準(zhǔn)取彈簧絲直徑d＝0.35mm，中徑D2＝2.5mm；自由長度H0＝10mm；小彈簧有效圈數(shù)取為10圈。鐵心在打開位置時，彈簧壓縮1mm，其彈簧反力為P′＝0.9N；鐵心在閉合位置時，彈簧壓縮4mm，其彈簧反力為P′＝3.6N。
經(jīng)驗(yàn)算，電磁脫扣器線圈的溫升τ＝58.1[K]，故線圈溫升合格。
由此可知，本實(shí)用新型完全適合在中頻狀態(tài)下工作。
權(quán)利要求1.一種中頻斷路器，它包括主觸頭[3]、滅弧室[4]、熱脫扣器[1]和電磁脫扣器[2]，其特征是主觸頭采用單斷點(diǎn)指形線接觸結(jié)構(gòu)，靜觸頭為長方形，長a或?qū)抌的尺寸為3～6mm，厚度s為0.5～1.2mm；動觸頭為橢圓形圓柱形，R3＝2～5mm，厚度S2為0.2～1.0mm；滅弧室[4]采用柵片滅弧的結(jié)構(gòu)室，柵片采用鋼片表面鍍銅，柵片數(shù)量為4～12片，每片厚0.8～1.6mm，間隔取1～3mm，滅弧室材料選用紅鋼紙板；熱脫扣器的熱元件為直接加熱式，雙金屬片的長度、寬度和高度的尺寸范圍分別為25～40mm、4～10mm和0.4～1.0mm；電磁脫扣器結(jié)構(gòu)為交流中頻有擋鐵螺管式電磁鐵，鐵心半徑尺寸為2～3.8mm，線圈高度范圍為12～24mm，線圈厚度為2.4～4.6mm之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻斷路器，其特征是靜觸頭用矩形平面觸頭，取a＝b＝4，厚度s＝0.8；動觸頭采用橢圓形圓柱面觸頭，R＝3，b＝4，厚度s＝0.5；觸頭初壓力F0＝16×0.2＝3.2N，觸頭終壓力FZ＝1.25×3.2＝4N，開距5mm，超程1.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻斷路器，其特征是柵片滅弧取5片柵片，每片厚1mm，間隔取2mm，滅弧室材料選用紅鋼紙板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的中頻斷路器，其特征是鐵心半徑rc＝2.8mm，線圈磁勢IN＝174.7A，線圈的高度h＝15.2mm，線圈的厚度Δ＝3.36mm，線圈的外半徑C＝6.16mm，線圈的匝數(shù)N取9匝，導(dǎo)線直徑d＝1.901mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的中頻斷路器，其特征是對導(dǎo)線直徑進(jìn)行圓整，取d＝2.02mm，擋鐵高度hd＝6.8mm，鐵心起始深入線圈深度z＝5.4mm，鐵軛寬度be＝12.32mm，取12mm，鐵軛厚度ae取1mm，小彈簧材料選不銹鋼絲4Cr13；按標(biāo)準(zhǔn)取彈簧絲直徑d＝0.35mm，中徑D2＝2.5mm，自由長度H0＝10mm，小彈簧有效圈數(shù)取為10圈；鐵心在打開位置時，彈簧壓縮1mm，其彈簧反力為P′＝0.9N，鐵心在閉合位置時，彈簧壓縮4mm，其彈簧反力P′＝3.6N。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種中頻低壓斷路器，特別是一種用于低壓中頻狀況下的對過載和短路起保護(hù)作用的斷路器。它主要是解決目前工頻低壓斷路器不能適應(yīng)中頻對低壓斷路器的技術(shù)和安全要求等技術(shù)問題，它通過主觸頭采用單斷點(diǎn)指形線接觸結(jié)構(gòu)，靜觸頭為長方形，長寬尺寸為3～6mm，厚度為0.5～1.2mm；動觸頭為橢圓形圓柱形，R
文檔編號H01H73/04GK2594962SQ02277438
公開日2003年12月24日 申請日期2002年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月3日
發(fā)明者李靖, 李光中, 許利戰(zhàn) 申請人:湖南工程學(xué)院