塑壳断路器主要由操作机构、触头系统、灭弧系统、支架组成,操作机构是塑壳断路器执行接通、分断动作指令的主要机械部件,为塑壳断路器的可靠分合闸提供能量,故塑壳断路器的机械特性主要取决于操作机构的机械性能,通过对操作机构相关的机械特性的学习,将有助于我们对塑壳断路器操作机构有一个全面的理解。
开距指断路器动触头从分闸状态开始到与静触头接触的这段距离。开距是一种电气间隙,通过开距这段距离,以保证断路器在断开时,动静触头间不会产生电压击穿现象。
动触头在主弹簧拉力的作用下,会与静触头闭合,并产生一个闭合力,这个力就叫做终压力。终压力是确保断路器接触稳定,温升高低的主要机械特征参数,以及Icu/Ics大小等的重要参数,并非越大越好。终压力可抑制合闸时动静触头的非正常弹跳,以保持动触头和静触头可靠的接触,加大终压力可以减小接触电阻从而降低断路器温升,同时过量加大终压力也产生触头闭合时弹跳异常。现在比较先进的做法是通过三维建模,在设计研发时就对触头终压力进行虚拟仿真分析和计算,进而在生产工艺制造中对机械特征参数进行常规质量测量和控制,从而保证产品具有更高的稳定性和可靠性。
超程是当断路器处于闭合状态时,动触点从与静触点闭合到分离的过程,所需要转动的距离,超程又称接触行程。超程的主要作用是保证动静触头在多次正常电流通电开合或者故障电流分断后,触头虽因磨损或者烧损而减少,却依然能够保证触头之间能可靠接触,提供断路器的使用寿命,并避免事故。
依据标准GB/T 14048, 应称为操作性能次数,行业内通俗机械寿命。实际使用时塑壳断路器分合闸频繁不高,故GB/T 14048标准内对机械寿命要求不高。我国断路器机械寿命偏低,企业需要努力提高产品机械寿命。
断路器在合闸位置时,从产品脱扣器通电时刻始,到所有各动触头与静触头分离状态且所有极电弧最终熄灭瞬间止的时间间隔。断路器的分闸时间包括固有分闸时间和熄弧时间两部分。固有的分闸时间是指从操作机构脱扣器系统动作到触头分离这段时间,熄弧时间是指从触头分离到各相电弧熄灭为止这段时间。两者一起称为全分闸时间。现在比较先进的做法是通过三维虚拟仿真建模,在虚拟仿真软件中建立分闸时间参数,在虚拟仿真系统中,通过优化设计断路器操作机构连杆结构,缩短操作机构固有分闸时间,然后运用3D打印技术,打印制造出优化设计的操作机构样机,进而才有了试验样机,通过试验来验证和确认优化设计的操作机构,最终缩短断路器的分闸时间。
塑壳断路器在运行过程中80%的故障往往出现在操作机构中。故障发生时往往是在人为不易察觉的地方,操作机构也不例外,操作机构常年处于静态运行,难以对其使用状况进行监视,以排查故障,特别是在室外环境中的设备,它所受到的影响有湿度、温度、腐蚀等,这些就更加容易导致操作机构出现故障,因此操作机构的机构优化,新材料的运用,新工艺的提升,与加工精度提高就是操作机构的一个长期要解决的任务。
虽然现在运用三维建模设计技术及Adams动力学仿真分析与计算技术,可对三维虚拟样机准确地模拟出操作机构的运动情况,但操作机构的三维虚拟仿真,是建立在对操作机构工作原理与运动全面理解的基础上,所以对断路器操作机构工作原理及其运动原理进行深入分析理解,不但有助于提高优化设计准确性,而且也有利于正确分析和解决试制、验证、生产中出现的各种问题。所以我们有必要应用机械原理和力学知识,对塑壳断路器机构的关键静态位置进行原理分析。
如图2-1,操作机构主要有手柄、主拉簧、上连杆、下连杆、跳扣、动触头、静触头、主轴、支架等组成。其中上连杆、下连杆、动触头为主要运动部件,机械连杆结构被用在塑壳断路器操作机构上用来连接断路器的绝缘主轴,分合闸的操作是由机械连杆来进行控制。操作机构是相对简单的连杆传动结构,操作机构内部与外部无其他导电零件,塑壳断路器本体的内部与外部有着很好的绝缘。手柄是驱动操作机构分合闸运动的部件,手柄在左右运动过程中,由于主拉簧的力值和方向的改变,操作机构在运动过程共有4个运动状态,分别是合闸运动、分闸运动、自由脱扣运动、再扣运动,下文将分别对这四种运动过程进行详细的说明和介绍。
合闸运动原理见图2-2,操作机构在再扣位置时(H点在M的下方),才能执行合闸操作。手柄L受力向左转动,手柄杠杆Lf绕着f固定铰点反时针转动,主拉簧E两端分别钩在G点和B点,主拉簧随着手柄转动而拉长而产生拉力,当主拉簧拉力的作用线GB与上连杆BC重合时,一旦主拉簧拉力方向超出上连杆BC左侧,B点在受主拉簧拉力的作用下向左运动,下连杆AB推动动触头K向下闭合。触头完全闭合后,连杆BC、AB处于挺直状态,即四连杆机构的死点位置,如图2-3所示。
分闸运动原理见图2-3,操作机构在合闸位置时,才能执行分闸操作。手柄L受力向右转动,手柄杠杆Lf绕着f固定铰点逆时针转动,主拉簧随着手柄转动而产生向右的拉力,当GB线向右超过BC线后,B点在受拉簧拉力作用下脱离死点,向右运动,触头在主拉簧作用下,受AB杆拉动,迅速逆时针转动,达到最终分闸状态,见图2-2所示。
操作机构在图2-3所示闭合状态,当锁扣M逆时针转动,解锁跳扣T上的H点,操作机构则在主拉簧E的拉动下,B点推动跳扣T绕固定铰点D逆时针转动,由于解锁H点,跳扣上的C点成为自由转动点,最终运动到图2-4所示位置,连杆AB、BC脱离死点位置,连杆OA、AB、BC、CD、OD形成五连杆机构。
操作机构在自由脱扣位置,如图2-4,如果需要再次合闸,需要将手柄L向顺时针方向推动,同时手柄L推动跳扣T顺时针转动,H点被锁扣M扣死,这时跳扣T整体为固定状态,C点只能转动。原来的五连杆机构再扣后,变成四连杆机构,其中A0、AB、BC、OC分别为四个连杆,跳扣T上的H点被锁扣M锁死的位置为再扣位置,如果这时将手柄向逆时针方向推,操作机构将要合闸,如图2-2所示。
作为塑壳断路器的重要的外部附件,操作机构的设计需要以产品可靠性和寿命为前提,朝着小型化、使用寿命长、工作可靠性高、远程控制、PC智能控制及节能绿色环保等方向发展。

