小型断路器作为家用和各类公共场所电力线路和设备的主要保护装置已十分普遍及其分断特性,对电力线路和电器的安全性起着及其重要的影响。中小型断路器通常具有短路保护和过载延时保护二种保护能力。在短路状况下,小型断路器断开时间不但受分断簧片的影响,同时还有触头间的电子斥力和磁脱产扣器电磁力的影响,所以运动状况也比较复杂。
1.小型断路器机构的功能与结构
中小型断路器作为低压开关家用电器,除了具备一般状况下的连接与切断电路工作的开关接线功用以外,更关键的是它的短路运行保护与过载功用。由于通常的四连杆机构只能实现自动封闭和切断的基本要求,而无法完成在电路工作中出现异常状况时自动切断的功用。所以,中小型断路器通常使用了一种近似五连杆的结构。在这里,由于中央支撑因扭簧效应而紧靠在动触头支撑上,而动触头则嵌在动触头支撑上,因而可把中间支撑、动触头支撑与动触头当作一种刚性体,围绕在中间壳体上的中央固定轴转动。而锁扣和脱扣杆分别围绕在中间支撑上的二端固定轴转动。当用手把握柄由断开部位扳向封闭部位时,锁扣会勾住脱扣杆进而使锁扣、脱扣杆、中心支架构成的一总体,全部组织实际上就构成了一套四连杆机构。当手柄旋过死点,后动触头终于紧贴在静触头上。当发生短路时，磁脱扣器内产生电磁力，并在瞬间增大推动铁心撞击脱扣杆和动触头，脱扣杆与锁扣分离四连杆机构又变成五连杆机构，失去稳定状态。动触头在分断弹簧的作用下迅速动作，断开电路。其它各部件则在复位弹簧作用下回到原来位置。在切断步骤中,动接触的动态速率对小型断路器的分断特性有很大的负面影响。
2.小型断路器机构的动态研究
由于在短路状态下,小型断路器的分断过程不但与机械机构相关,还与螺纹管的电气性以及触头之间的电子斥力有关密不可分,因此分断程序较过载状态下复杂得多。因此,下面介绍了在综合考虑电磁力与电动斥力的基础上研制的断路器机构,在短路状态下的动态功能。
2.1电动斥力的计算
小型剩余电流断路器的经典动静触头设计大都使用U型动触头构造运用由故障电流输出所形成的直流电动力,迅速斥开动触头时还能将焊接电极迅速加长并拉细增加在电弧过程中的阻力,以迅速增加电弧电压起到限流的效果,并切断故障电流输出。而相互作用于动触头上的电动斥力又分为霍尔姆力和洛仑兹力。霍尔姆力是由触头接触面周围的电流线下降而形成的,出现于与动静触头处于金属相接触状态的一定时期内。而洛仑兹力则是由断路器导电回路的外磁场形成的,电磁作用力始终出现于焊接电弧熄灭后与压力的平方数成正比。
2.2磁脱扣器电磁力的计算
小型断路器的短路保护器通常用磁脱扣器,其由导线中心、静铁心、动铁心、簧片中心等部分构成。当小型剩余电流断路器正常接通状态时动、静铁心在空气弹簧作用下迅速分离,当短路电压来临时额定电流使接收输入线圈形成磁场动、静铁心在磁力作用下迅速吸合运动铁心,先是冲击脱扣杆再冲击动触头机构,失去平衡状态动、静触头机构断开。
2.3合闸手柄操作力矩计算
对操作机构手柄进行受力分析。MCB 完全闭合后，以手柄为研究对象，以点 A 为力偶作用点，手柄受力分析如图 1所示。三力在点 A 形成力偶平衡，可得ME = F67*L4 + M3，因 F67与 F65为二力杆的相互作用力，大小相等，方向相反，则其满足:F67 = F65，将式( 2) 、式( 3) 、式( 6) 代入式( 5) ，可得：
式中: ME———合闸手柄操作力矩;
F67———连杆施加给手柄的作用力;
M3———手柄扭簧对手柄的扭矩;
L4———F67到点 A 的距离。
（图一手柄受力分析）
3.器释放时间、回震持续时间和反向冲击电流特征
小型断路器在断开时的反向峰值电流将被控制到零,但放开时限和回跳时限的参数却会提高几毫秒。在芯片控制器二端的并联保护二极管上,并无法有效减少放开电流、回跳时限和相反冲击电流,而且还会造成相反冲击电流增加,如在现实使用中想要保证继电器开关的技术参数不受负面影响,并要求安全管理,则建议通过并联的高级无回跳开关电源来限制继电器保护线圈,如可承受一定压力、稳定电流的双舌簧继电器、水银继电器开关等。在实践使用中,还需要根据继电器开关的使用场景,并根据所关注的对象,来选择适当的线圈驱动方法,如在检验继电器的电耐久可靠性时,还应该尽可能减小电流对继电器参数的负面影响。如充分考虑应用电路产品设计的抗干扰性能力问题时,可能必须加强反峰控制措施。
结论:
通过控制机构的分闸、合闸、自由脱扣等的状况,并分析机构的受力状况得出触头压强与扭簧的扭力值呈反比例关系,触头压强与动静触头接触情况也成反比例关系。自由脱扣分闸扭力也与机构压簧和触头扭簧相关,因此提高机构压簧和触头扭簧的可有效增加切断速率。手柄的操纵力矩高低主要受握柄扭簧、触头扭簧、机构压簧的直接因素,簧片力越大,操纵力矩也越大。而脱扣力矩、格挡力矩则主要受跳扣、与锁扣相接触部的磨擦等负面影响因数、锁扣扭簧、机构压簧力等的直接影响,因此如果要减小脱扣力矩,就必须严格控制磨擦等负面影响因数,在满足安全合闸的前提下适当降低锁扣及簧片扭力等影响因子。
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