小型化断路器采用低压断路器机构,好处有以下几点:
1. 机构小巧,重量轻;
2. 价格低廉,加上电机单元价格在500元左右,由于低压断路器数量巨大,操作机构已形成规模化生产,中压断路器采用低压机构可以进一步平摊成本;
3. 低压机构的欠压,过流线圈齐全,可以安装多组线圈,还有网络闭锁线圈;
4. 钥匙锁、按钮挂锁等附件齐全,应用方便;
5. 低压机构和脱扣保护单元配合,实时监测过流过压信号,自动脱扣。
采用低压机构优点明显,缺点是低压机构的输出功小,不能满足真空灭弧室合闸所需的能量。因此低压机构、保护单元集成到中压断路器上,需要解决以下问题:
(1)低压机构输出功小,低压机构的主轴在断路器上部;
(2)弹簧由于压缩距离小,为保证弹簧做功满足合闸能量要求,弹簧力量很大,造成主轴受力大,脱扣力大,也就是说分闸所需要的力大,一般线圈电磁力无法推动半袖分闸;
机械传动设计
低压断路器由于采用灭弧栅灭弧,操作机构所需能量小,ACB的合闸能量一般为90焦耳,以DW45操作机构为例,采用三根弹簧,虽然三根弹簧直径分别为3、5、6mm,但由于做功压缩距离只有25mm,因此计算下来弹簧能量为90焦耳。
根据断路器对操动机构合闸功能的要求,其输出力特性应符合下列条件:
(1)起始输出力应大于系统的起始阻力(两者等效到同一构件上的等效力),否则,运动系统不能动作;
(2)输出功必须大于断路器所需的合闸功,否则,合闸不能到位;
(3)具有合适的输出力特性,以获得较好的合闸速度特性;
初始条件
(1)采用低压框架断路器GACB操作机构,低压断路器机构主轴位于断路器中上部;
(2)作用在主轴上的最大允许扭矩限制为 70 Nm。过大的扭矩会导致低能量脱扣线圈或分闸线圈脱扣力无法脱扣断路器。因此,操作机构和分闸弹簧所需的最大扭矩不超过 70Nm;
(3)低压框架断路器的GACB操作机构的储能由两根压缩弹簧组成,总能量165.5焦耳,可以满足中压断路器合闸能量的要求;
(4)真空灭弧室触头压力3100N;
(1)断路器开距+超行程=8+3=11mm;
超行程指当真空灭弧室的动触头由分闸位置运动到动静触头接触后,断路器的触头弹簧被压缩的位移。开距和超行程之和即为行程。
超行程的作用:(a)保证触头在一定程度的磨损后仍保持一定的接触压力;(b)在触头闭合时提供缓冲,减少弹跳;(c)分闸时,提供一定的初始速度。
设计计算
(1)触头压力计算
触头弹簧采用22片碟簧组合设计,安装在绝缘拉杆内部。
单个碟簧自由高度:2.45mm
22片自由高度:2.45×22=53.9mm
根据碟簧的变形压力曲线得知:压缩0.41mm时力为3100N;
22片共压缩量 0.41×22=9.02mm
超程3mm后,要满足3100N的触头压力要求,
初始压缩量为 9.02-3=6.02mm,对应的压缩力为2169N,
因此得出,对于新的灭弧室,触头压力:
平均值= 3400 N (4 mm 超程)
最大值= 3730 N (5 mm 超程)
最小值 = 3100 N (3 mm 超程)
灭弧室触头3mm磨损后,触头压力:
平均值= 2450 N (4 mm 超程)
最大值=2771 N (5 mm 超程)
最小值= 2169 N (3 mm 超程)
(2)分合闸所需能量计算
克服压缩触头弹簧操作机构所需能量计算如下,压缩触头弹簧能量由2部分组成。真空断路器合闸能量计算见图5。
真空断路器合闸能量
合闸所需能量计算:
区域1=1/2×(11.02-6.02) ×(3730-2169)/1000=3.9焦耳
区域2=2169×(11.02-6.02)/1000=10.85焦耳
单相总能量=3.9+10.85=14.75焦耳
3相总能量=14.75×3=44.25焦耳
分闸所需能量计算
触头弹簧分闸时的能量释放及做功,见图6。
真空断路器触头弹簧做功
区域1 = 1/2×(12-11) ×(3400-3100) /1000= 0.15 焦耳
区域2 = 3100×(12-11)/1000= 3.1 焦耳
总能量 = 0.15+3.1 = 3.25 焦耳
分闸弹簧能量
假定每相运动部件的等效质量15kg,初始分闸速度1.1m/s,
因此要保证分闸速度所需要能量计算如下:
Pr=1/2×15×1.12=9.08焦耳
所需能量去除触头弹簧分闸释放的能量即为分闸弹簧还需提供的能量
Pon= 6.05-3.25 = 2.8 Nm
三相一共还需要的能量2.8×3 = 8.4焦耳
以此为基础计算、设计分闸弹簧直径尺寸等参数。
来源:会说电气