俞金榮

【摘 要】小型斷路器在我國各行各業(yè)中應用廣泛，由于其結構復雜而且故障率高，極其容易引起供電故障，造成嚴重經濟損失。簡要介紹了小型斷路器的主要結構類型、工作原理以及其發(fā)展歷程，對小型斷路器的基本故障做了分類，并對計算機輔助設計、新材料應用、先進生產工藝在小型斷路器上的應用作了闡述。

【關鍵詞】小型斷路器；設計研發(fā)；制造

中圖分類號： TM561 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0004-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.002

【Abstract】The small circuit breaker is widely used in all walks of life in our country.Because of its complex structure and high failure rate，it is extremely easy to cause power failure and cause serious economic loss.This paper briefly introduces the main structure type，working principle and development course of small circuit breaker，classifies the basic faults of small circuit breaker，and expounds the application of computer aided design， new material application and advanced production technology on small circuit breaker.

【Key words】Miniature circuit breaker；Design and development；Manufacture

0 引言

近年來，我國居民和企業(yè)對于電能的需求量迅速增加，導致電網的容量激增，同時現代企業(yè)對供電穩(wěn)定性的要求也愈加苛刻[1]。小型斷路器在供電過程中起著保護用電的作用，其重要性不言而喻，隨著電網容量的增加，小型斷路器出現故障的頻率也越來越高。

1 小型斷路器概述

小型斷路器（MCB）主要應用在配電系統(tǒng)中，負責保護線路過載、短路[2]。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，小型斷路器在民用電器、工業(yè)企業(yè)和建筑行業(yè)的應用越來越廣泛，是極其重要的電器元器件。電網容量的激增對小型斷路器的體積大小、智能化程度、可靠性要求更加苛刻。只有對其進行科學合理的設計、研發(fā)，以及提高工藝技術，并進行一定優(yōu)化設計，才能生產出符合要求、安全可靠的小型斷路器。

1.1 小型斷路器的發(fā)展

我國小型斷路器（MCB）的發(fā)展歷程從時間上來看，大致可以劃分為四個歷史階段[3]：

（1）仿制階段。上個世紀50年代，仿造蘇聯A3100型斷路器，研制了DZ1型小型斷路器。但是該系列小型斷路器（MCB）存在很多缺點，例如體積太大、分斷性能差等缺點。60年代，在此基礎上進一步完善，據此研發(fā)了第一批小型斷路器（MCB）DZ10型。在此后的二十年內，該系列經過不斷改進，分斷能力不斷提高。

（2）自主嘗試階段。60年代中后期，研發(fā)了第一代漏電保安器，該漏電保安器采用DZ5-20系列斷路器。此后十多年內，我國又成功地自主設計的電流動作型電磁式漏電斷路器，短路分斷能力達到了380V-3kA和5kA。

（3）引進吸收階段。80年代以后，引進美國的西屋公司、德國的F&G;公司以及日本的寺崎電器公司的先進技術，在此基礎上逐漸發(fā)展了CM1型、TMM30型、TG系列的BD、BF型，以及JXM2型、HSM1系列、S系列小型斷路器。

（4）自主研發(fā)階段。進入新世紀以來，以上海電器科學研究所為代表的國產小型斷路器開始進行研發(fā)階段。2005年，上海電器科學研究所牽頭，聯合了幾家具有研發(fā)實力的企業(yè)，共同研發(fā)了我國第四代低壓電器，其中就包括新一代小型化塑殼斷路器。這一系列產品的總體技術水平已經與國際領先水平持平，這意味著我國已經能基本摒棄仿制模式，開創(chuàng)了新時代。其中，上海永繼電氣股份有限公司開發(fā)的JVM16系列小型斷路器達到國際水平。

1.2 小型斷路器基本結構

根據低壓斷路器結構上的差異，可以分為兩大類，分別是萬能式低壓斷路器和塑料外殼式低壓斷路器[4]。小型斷路器歸屬于塑料外殼式低壓斷路器，單極寬度是18mm，雖然尺寸較小但分斷能力大。

目前小型斷路器（MCB）主要由動、靜觸頭、滅弧室、熱脫扣器、磁脫扣器、操作機構、接線端子和塑料外殼等幾大部件組成[5]。同時具備短路保護和熱保護兩種保護功能，其中磁脫扣器（螺管電磁鐵）負責短路保護，而熱脫扣器（雙金屬片）負責熱保護。小型斷路器的動、靜觸頭結構一般是U型觸頭，如下圖所示：

1.3 小型斷路器工作原理

小型斷路器的作用體現在兩方面：正常工作時，不頻繁地合、分電路或者啟、停電動機；線路出現異常，迅速切斷電路，防止故障升級。其具體工作原理如下：短路保護中，一旦線路出現異常情況，立即將觸頭進行分斷，此時觸頭之間的電弧電壓會激增，從而限制電流，起到保護作用；磁保護中，一般采用螺管電磁鐵，通過電磁鐵動鐵芯帶動脫扣機構斷開觸頭，從而獲得電弧電壓來抑制短路電流，并且可以通過對電弧的切割和冷卻來快速滅弧[6]。

圖1 U型觸頭主要結構

過載保護中，一旦線路出現電流異常情況，雙金屬片因過電流而發(fā)熱彎曲，推動操作機構動作，從而立即將動、靜觸頭進行分斷，起到保護電路的作用。

2 當前小型斷路器基本故障類別

目前來說，小型斷路器的主要故障有觸頭燒損嚴重、外殼擊穿、時間電流特性精度偏低和短路分斷能力不可靠等問題。為了保證正常供電，以及保障人們的生命安全，需要對小型斷路器的典型故障類型進行分析和探究，國內所生產的小型斷路器主要存在以下問題：

2.1 設計不足產生的故障

國內小型斷路器分斷性能太低，實際上大多低于6kA，遠遠低于電網對于短路保護要求的標準值。需要分斷能力的提升，最高分斷能力達到25KA及以上；小型斷路器大多沒有短路短延時保護作用，這很容易造成越級跳閘故障，進而引起斷電；由于不同使用場合對短路瞬時脫扣的要求標準不一樣，而目前大多數可選的類型僅為B、C、D型，難以滿足要求。因此需要進行K曲線的研究和提高保護精度的研究；關于斷路器的輔助配件，大多數小型斷路器僅僅只是配備了備用輔助觸頭、欠電壓和過電壓保護裝置和報警觸頭，這還不夠完善。需要結合計算機技術和物聯網的發(fā)展趨勢進行技術攻關，從而實現對電網質量的能效管理和智能管理。

2.2 生產制造產生的故障

當前，我國生產小型斷路器的廠家多達數百家，但是其生產能力參差不齊，大多數廠家仍然采用手工裝配，生產工藝也比較落后。即使部分先進廠家已經采用了自動檢測線進行生產，仍然沒有配置自動裝配線，關鍵生產工藝也沒有實現自動化。這導致所生產的斷路器質量穩(wěn)定性較差，而且不能保證同一批次產品的一致性。

2.2.1 外殼故障

如果斷路器的外殼厚度不夠，或者斷路器外殼的材料成分比例不對，都會導致斷路器的外殼材料達不到所預期的性能要求。一旦斷路器在分斷短路電流時，其產生的電弧能量很大，極其容易造成斷路器外殼的破裂。另一方面，在分斷過程中，產生的電弧具有燒蝕作用，長此以往，會導致斷路器內部嚴重碳化，在進行驗證介電性能時，這種碳化最終會引起斷路器耐壓擊穿。

2.2.2 觸頭故障

如果觸頭的材料選擇不當或不符合要求，或者在分斷過程中操作機構動作太慢，導致觸頭被嚴重燒毀。進而導致小型斷路器的手柄雖然已經合閘，但是動觸頭和靜觸頭卻無法正常接觸，產生不通電的現象。

3 計算機仿真助力小型斷路器設計研發(fā)

隨著計算機性能的不斷提升，以及算法的不斷改進，目前計算機CAD/CAM/CAE輔助設計已經在車輛、船舶、航空航天等多個領域應用，并且取得了良好的效果。在斷路器領域，鑒于小型斷路器的外形復雜，材料性能要求高，而且容易受到周圍溫度場、磁場、電場等影響，因此，采用有限元軟件對其進行模擬仿真試驗，對小型斷路器的研發(fā)設計很有必要。

在小型斷路器外形設計方面，CAD和CAM技術可以根據設計的曲面，對模型的邊界條件和離散方式進行定義、控制和初始，迅速準確地建立起三維曲面，最后經過渲染，輸出三維圖形。CAD和CAM可以直觀的對斷路器進行設計，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具，具有很高的效率，且可視化效果良好。

在性能設計方面，小型斷路器涉及到多個物理場的耦合，CAE技術可以輔助完成其中的很多性能試驗分析。ANSYS軟件作為一種應用廣泛的有限元軟件，針對斷路器有專門的模塊，可以對斷路器進行運動分析、受力分析甚至是塑料壓注成型分析。Workench作為多物理場耦合平臺，可以分析斷路器在電磁場、溫度場、應力場綜合作用下的性能，為小型斷路器的設計提供幫助。同時，CAE成本低、效率高，可以結合優(yōu)化方法，引入虛擬技術，對斷路器進行優(yōu)化設計。VSA公差分析軟件可以進行產品各個零部件的尺寸鏈分析并找出關鍵影響因子，為尺寸公差優(yōu)化提供依據。

同時，作為現代小型短路器的發(fā)展方向之一，智能化設計和研發(fā)對于小型斷路器至關重要。在小型斷路器中植入微處理器，可以完善小型斷路器的多功能化，提高斷路器保護功能的多樣化和智能化。

4 新材料在小型斷路器設計上的應用

4.1 塑料外殼材料

針對塑料外殼的材料選用，必須要考慮小型斷路器實際工作環(huán)境的特殊性。一般來說，塑料材料需要滿足一定的安全認證，例如3C認證、UL認證等；同時塑料材料還需要滿足一定防火要求，可燃性UL94可以對材料被點燃后熄滅的能力進行評價，目前來說，它是適用最廣的可燃性能指標。

4.2 觸頭新材料技術

由于小型斷路器的額定電流大小不一，短路分斷能力也存在很大差異，這些造成了觸頭材料的使用壽命很短。所以，在選用材料時，尤其是觸頭材料，需要慎重考慮以下影響因素：觸頭的導熱以及導電性。目前，Ag-W和Ag-C是觸頭的普遍使用材料，但是Ag-C在大電流分斷時會使得電弧侵蝕量顯著上升，Ag-W燃弧后產生鎢氧化物會沉淀至觸頭上，長期以往，容易造成接觸電阻值逐漸增大，性能變差。隨著新材料技術的發(fā)展，Ag-W-C的新組合已經在研發(fā)中，試驗結果表明，該材料的接觸電阻值很小，而且不容易受到電弧的侵蝕，同時具備很好的抗熔焊性。這對斷路器的短路分斷能力的提升有很大幫助。

5 先進制造工藝在小型斷路器制造上的應用

5.1 塑料外殼制造工藝

小型斷路器塑料外殼制造加工時，鑒于注塑工藝的特殊性，需要保證其壁厚在一定標準區(qū)間內。如果塑膠件的壁厚過薄，會導致注塑時產生的粘性阻力太大，阻礙流動，進而導致塑膠熔料難以迅速、完整地填滿型腔。此時，為了得到更高的充滿速度和注射壓力，就需要采用注射設備進行輔助填充；如果塑膠件的壁厚過厚，會導致零件難以迅速冷卻。一般來說，當零件的壁厚增厚至原來的一倍時，其冷卻時間大約是原來的四倍。此時，過厚的壁厚使得零件成型周期大大延長，降低生產制造效率，增加了成本。另一方面，塑膠件的過厚壁厚難以保證注塑的均勻性，不利于散熱，導致零件出現氣孔、翹曲等不良現象。

5.2 環(huán)境友好型工藝

在未來的小型斷路器研發(fā)及制造過程中，都應該堅持環(huán)境友好理念，嚴格采用環(huán)保材料，同時做好材料的回收。例如：在選擇塑料外殼時，盡量選用無鹵阻燃的可回收材料，觸頭盡量不選用含隔材料。減少電鍍工藝的使用，除了外露的導電零件，其它內部導電零件盡量不采用電鍍工藝，以避免電鍍對環(huán)境的不利影響。滅弧室的導磁柵片不采用傳統(tǒng)的鍍鎳或鍍銅工藝，而采用特殊工藝處理的新材料直接沖壓零件。

5.3 數字化制造工藝

目前，隨著各種傳感器技術突飛猛進和信息化技術的日趨成熟，利用數字化手段實現斷路器的生產制造工藝的轉型升級是未來發(fā)展趨勢，也是企業(yè)提升產品質量和降低成本的關鍵舉措。企業(yè)在數字化工廠改造時需要分以下四步進行：一是精益生產，工業(yè)工程師對生產流程進行梳理，提升各個工序的管理水平和生產效率；而是透明工廠，IT工程師把IT管理軟件進行優(yōu)化和固化在管理系統(tǒng)中；三是自動化工廠，自動化工程師根據企業(yè)條件用各種機器設備替代人力。對小型斷路器來說，主要實現以下幾大生產工序的自動化：金屬零件沖壓自動化并與焊接自動化配套在線生產、線圈加工自動化并焊接自動化配套在線生產、塑料零件在線自動化生產、產品裝配自動化和在線檢測自動化；四是數字化工廠，基于同一個底層的數據庫，把人、自動化設備、IT系統(tǒng)連接在一起，為現實工廠在虛擬世界里建立一個“數字化雙胞胎”，從而實現對整個產品生命周期的全方位管理和質量控制。

6 總結展望

小型斷路器因其良好的線路過載和短路保護功能，被廣泛應用于企業(yè)、商業(yè)和小區(qū)住宅。由于現在居民和工業(yè)對電能的依賴程度越來越大，導致電網容量激增，同時現代企業(yè)對于供電穩(wěn)定性的要求也更加苛刻，這就對小型斷路器的要求也隨之越加苛刻。小型斷路器零部件多，結構復雜，技術含量比較高，工作環(huán)境惡劣，極其容易出現故障。目前而言，小型斷路器在設計研發(fā)和生產制造等方面都存在一些不完善的地方，會引起嚴重故障。因此，未來的小型斷路器將會朝著智能化、多功能化方向發(fā)展，這就必須加強計算機輔助設計、新材料應用、先進生產工藝這幾方面在小型斷路器上的應用，以保證供電的穩(wěn)定性和可靠性，滿足未來智能電網和萬物互聯互通的需求。

【參考文獻】

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