新型塑壳式低压断路器设计

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1、 毕 业 设 计题 目： 新型塑壳式低压断路器设计 系： 电 气 与 信 息 工 程 系 专业： 电气工程 班级： 0502 学号： 0501120232 学生姓名： XXXXXXXXXXXXXXXX 导师姓名： XXXXXXXXX 完成日期： 2009年6月20日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日

2、期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 新型塑壳式低压断路器设计 姓名 xxxxxx 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0502 学号 0502120232 指导老师 XXXXX 职称 教 授 教研室主任 XXXXXXXXX 一、基本任务及要求：本课题要求设计一台采用串联方式、双断口的塑料外壳式单相低压断路器。该断路器主要有导电系统、灭弧室、脱扣器和手柄直接传动操作机构等组成。主要技术参数为交流50HZ、额定电压230V、额定电流125A，主要用于配电网络电能分配时线路与电源设备的过载、短路保护。在正常条件下，可作为线路的不频繁转换之用。主要设计内容包

3、括：1、触头与灭弧系统设计; 2、过载保护器件设计；3、断路器总体结构设计；4、产品三维实体造型和电磁性能分析等。 二、进度安排及完成时间： （1）2月20日至3月10日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案。 （2）3月13日至3月24日：毕业实习、撰写实习报告。 （3）3月27日至5月30日 毕业设计。 3月27日至4月27日 导电系统和灭弧室设计。 4月28日至5月12日 过载保护器件设计。 5月12日至5月20日 断路器总体结构设计。 5月21日至5月30日 产品三维实体造型和电磁性能分析。 （4）6月1日至6月12日：撰写毕业设计论文。 （5）6月12日至6月14日：指导老

4、师评阅、电子文档上传FTP。 （6）6月15日至6月18日：毕业设计答辩。 目 录摘 要 Abstract第1章 绪论11.1 塑壳式低压断路器的概述11.2 塑壳式低压断路器的发展1 1.2.1 配电保护型2 1.2.2 电动机保护型3 1.2.3 家用和类似用途过电流保护型3 1.2.4 剩余电流（漏电）保护型31.3 新型塑壳式断路器的设计思路41.4 课题的目的与意义5第2章 断路器的导电系统设计72.1 触头的基本要求72.2 触头的工作情况72.3 触头形式、尺寸和材料的确定8 2.3.1 主触头接触形式的选择8 2.3.2 断点形式的选择8 2.3.3 触头尺寸的确定9 2.3.

5、4触头材料的选择92.4 触头主要参数选择10 2.4.1 触头开距10 2.4.2 触头超程10 2.4.3 触头压力10 2.4.4 接触电阻112.5 触头验算12 2.5.1 触头稳定温升验算12 2.5.2 触头动稳定性验算13 2.5.3 触头热稳定性验算142.6 动静触头设计图样142.7 本章小结15第3章 灭弧室设计163.1 灭弧室设计要求163.2 电弧的产生、熄灭及熄弧原理16 3.2.1 电弧的产生16 3.2.2 电弧的熄灭16 3.2.3 交流电弧的熄弧原理173.3 灭弧室的设计18 3.3.1 灭弧装置的选择18 3.3.2 灭弧室的结构18 3.3.3 灭

6、弧栅片的形状19 3.3.4 灭弧栅片隔弧板的选用193.4 导弧板的设计203.5 灭弧能力的估算203.6 本章小结22第4章 热脱扣器设计（热双金属片设计）234.1 双金属片特性和动作原理234.2 双金属片的选择23 4.2.1 结构形状23 4.2.2 加热方式234.3 双金属片尺寸、位移及推力的计算244.4 双金属片动作特性的计算254.5 双金属片设计图样274.6 本章小结27第5章 电磁瞬动机构的设计285.1 电磁铁的设计28 5.1.1 电磁铁结构的选择28 5.1.2 电磁铁设计注意事项28 5.1.3 电磁铁的设计步骤29 5.1.4 确定铁心尺寸30 5.1.

7、5 线圈部分设计315.2 温升计算33 5.2.1 线圈热态电阻33 5.2.2 线圈电阻损耗33 5.2.3 铁心损耗33 5.2.4 线圈温升335.3 吸力计算与反力计算33 5.3.1 工作气隙磁导33 5.3.2 反力计算34 5.3.3 吸力计算345.4 计算电磁铁的铜重，铁重及经济重量35 5.4.1 铜重35 5.4.2 铁重35 5.4.3 经济重量355.5 电磁铁各部分设计图样355.6 本章小结36第6章 电磁瞬动机构的设计376.1 Pro/ENGINEER简述376.2 零件三维造型376.3 零件三维造型整图386.4 本章小结39结束语40参考文献41致 谢

8、42新型塑壳式低压断路器设计 新型塑壳式低压断路器设计摘 要: 低压断路器是用于接通、分断配电电路及对各种故障进行保护的一种开关电器，广泛应用于低压配电系统中，是低压电网系统中重要的配电电器之一。随着现代工业的发展，电力工业进一步发展，电网的容量不断提高，对低压断路器也提出了更高的要求。本次论文设计的是额定电流125A、额定电压230V的新型塑壳式低压断路器，在借鉴国外同类产品的设计思想和分析样机的基础下，查阅相关资料完成了触头系统、灭弧系统和电磁系统等的设计、计算和校核，直至数据满足设计要求。最后利用Pro/E和CAD软件对产品进行图形设计。关键词：新型塑壳式断路器；灭弧室；电磁系统； TH

9、E DESIGN OF NEW MODEL CASE TYPE LOW-VOLTAGE CIRCUIT BREAKERSAbstract: The low-voltage breaker is a switch machine, used in connecting or cutting distribution circuit. And preventing from all kinds of fault. It is used widely in low voltage power distribution system, and one become of the important p

10、ower distribution machines. As the modern industry and electricity developing, the capacity of electric network increasing, the demands of low-voltage circuit breaker become higher.The designed object of my thesis is new model case low-voltage circuit breaker (voltage rating 125A, current rating 230

11、V) .Based on the design and sample of other similar products abroad. I looked up lots of materials and designed the contact system, put out arc system and electromagnetic system. After calculating and checking figures, the data is corresponding to the design. Finally, I made the sketch design of pro

12、duct by Pro/E and CAD soft ware.Keywords: model case circuit breaker ；put out the room；electromagnetism system； 42新型塑壳式低压断路器设计第1章 绪 论1.1 塑壳式低压断路器的概述塑壳式低压断路器是低压输配电网中最重要的基础元件之一，使用于低压电网交流（50HZ或60HZ）额定电压在1200V及以下，直流额定电压在1500V及以下的电路，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。主要用在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使

13、用，并线路、电器设备及电动机等实行保护，当它们发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起到保护作用，应用十分广泛。我国塑壳式断路器的发展过程分为四个阶段：按20世纪50年代从原苏联引进A3系列原版图纸进行试制和生产，其规格25A到600A有五个外壳等级，型号为DZ1，产品的外形尺寸大，分断指标低；60年代中期开发了国内第二代产品，型号为DZ10，规格为100-600A三个外壳等级，外形尺寸比第一代产品缩小许多，分断指标与第一代相同；随着生产低压电器的企业不断增多且各自为政产品外形和安装尺寸各不相同，给用户使用造成困难，为此70年代末，政府组织有关企业进行全国联合设计，其

14、成果就是现在仍为用户所采用的DZ20系列产品，该产品与国际先进水平差距不大，而且产品品种多、规格全、附件齐、接线方式多样化；在开发DZ20系列的同时，国内有些企业引进了国外技术进行试制和生产，对我国塑壳式断路器的发展起到了很大的推动作用。目前国内企业在塑壳式断路器产品开发方面，比较有特点的或各项技术经济指标相对先进的产品很少，大部分是简单的重复生产，这与低压电器行业基础及企业规模有关。由于投入开发资金不足，缺乏开发软件和基础研究能力，研究人员太少，因此无法实现全新的设计理念，这是低压电器行业要有所作为，需要克服的难题。但这些难题靠目前企业自身能力很难解决，需要国内有实力的企业、研究机构和大专院

15、校积极从事这方面的研究工作，与企业结合转让技术，以加快产品开发的进度，尽快推出高技术水平的产品。1.2 塑壳式低压断路器的分类因为使用场所、场合、条件的不同，低压断路器被分为：配电保护型、电动机保护型、家用和类似过电流保护型、剩余电流（漏电）保护型四大类，以下根据这种划分进行分别介绍。1.2.1 配电保护型以配电保护功能为主的塑壳断路器的发展大致分为两种“风格”，以ABB公司、美国西屋公司为代表的所谓欧美派和日本三菱公司、富士公司为代表的日本派。日本产品如三菱公司PSS系列，富士公司S、E、H系列主要突出分断能力高、体积小。欧美产品如ABB公司S系列和美国西屋公司的C系列产品不过分追求小型化，

16、而是强调综合性能。所以日本产品体积更小一些，但660V电压下，由于受灭弧空间的限制，分断能力相对较低。上述产品总体上都具有小型化、高分断、多功能、模块化、附件齐全等特点。新一代产品缩小体积主要从改进产品结构着手，简化导电回路、紧缩操作机构和脱扣器尺寸，改变主要部件排列方式，有的产品取消软连接，动触头通过轴销导电。提高分断能力主要从提高限流能力着手，设计具有高限流效应的电动斥力机构，同时，在外形缩小以后，保留尽可能大的灭弧空间，有效控制电弧反向转移游离气体外逸。法国施耐德公司1995年推出一种全新的NS系列塑壳断路品，采用转动式双断点灭弧系统，体积更小，分断能力进一步提高。以较少的壳架覆盖全系列

17、产品，是当前国际上较先进的产品。塑壳断路器由于受结构上限制，短时耐受电流及短延时分断能力较低，为此一般不宜作为主开关使用。随着智能化脱扣器和计算机网络技术的应用，人们正在研究限流选择器。一旦成功，塑壳断路器完全有可能作为主开关使用。届时，塑壳断路器与万能式断路器的“界线”将逐渐模糊。所以塑壳断路器发展趋向除了前面介绍的特点外，正在向大容量智能化发展。限流选择型断路器是低压断路器重要发展方向之一，它的意义不仅在于断路器本身，而且能大幅度降低低压成套配电装置动、热稳定性要求。对发展新一代紧凑型低压配电装置十分有利。电动机保护断路器的发展进入90年代后，国外主要公司纷纷推出新设计或改进产品，进一步提

18、高分断能力，增加各种附加功能，使其适合于各种电动机控制中心使用。例如：西门子公司90年代推出3VU系列代替原来3VE系列。额定工作电压至660V,额定工作电流至52A，3VU采用系列化、模块化和模数化设计，具有各种附件，如：分励脱扣、欠电压脱扣、短路故障显示、远距离操作机构、外置式辅助触头、门联锁操作机构、隔离模块、各种防护外壳及附加接线端子。金钟 - 默勒公司的电动机保护断路器的发展趋向是以转动式手柄的方向明确指示触头的位置。该产品除一般附件外，还配置智能化件，可以与此同时计算机网络进行通信，实现自动化控制。施耐德公司的GV2系列电动机保护断路器除上述附件外，可组装灵活多样的附加模块，与D2

19、接触器组合可以组成自动电动机起动置。该组合电器兼有电动机保护断路器和接触器两者的优点，可靠性高、操作安全、安装方便灵活。1.2.2 电动机保护型对于小型鼠笼型异步电动机(功率在30kW及以下)保护的塑壳式断路器，目前仍流通于市场的有20世纪六、七十年代我国自行设计、开发的DZ520(短路分断能力380V 1.5kA)、DZ1540、DZ1563(短路分断能力380V 3kA)和80年代引进国外技术制造的M611.3VE1(有多种附件)，M611.3VE1的短路分断能力大抵在380V 3kA左右。19941995年，上海电器科学研究所与嘉兴电气控制设备厂共同开发了DZ35系列电动机保护型塑壳式断

20、路器(型号有DZ3525和DZ3563两种)。DZ3525的额定电流有1、1.6、2.5、4、6.3、10、16、20、25A；DZ3563的额定电流有：16、20、25、32、40、50、63A等。短路分断能力：DZ3525有380V.3kA、35kA、50kA(后两种加装限流部件)，DZ3563为380V.3kA：DZ3525的体积为DZ520的43.13%，DZ3563的体积为DZ1563的50.7%。DZ35系列断路器带有模块式的辅助触点、分励脱扣器、欠电压脱扣器和断相保护等附件。功率大于30315kW电动机保护型断路器，CM1、TM30、HSM1、JxM2和S型均有相应的产品供选择，

21、它们的短路分断能力分别有400V 1565(80)kA，可适应于MCC(电动机控制中心)离电源较近回路的电动机保护。小型塑壳式断路器(MCB)现在也有适应小功率电动机保护的产品，如C45NAD(天津梅兰日兰公司)和PX200CD(嘉兴电控厂)等。1.2.3 家用和类似用途过电流保护型我国最初的家用或类似家用场所保护的是仿苏(A-25)的DZ425(二极)塑壳断路器，但性能不高，20世纪60年代中期国内开发了DZ5系列(二极)，70年代开发了DZl5系列(单极、二极)、DZ12系列，70年代末引进德国技术生产了S060系列，80年代初，引进日本技术 了TH一5SB、TH一5DB(二极插入式)系列

22、，80年代中后期，天津梅兰日兰公司的C45N和嘉兴电控厂引进德国F&G公司的PX200C相继问世，使家用保护断路器上了一个新台阶，C45N、PX200C的短路分断能力均达到4kA(50A及上)6kA(40A及以下)。1.2.4 剩余电流(漏电)保护型为了保护人身免受电击，我国在20世纪五、六十年代，在一些电力系统维修厂，生产了电压型漏电保护器。由于它的检测线圈(或检测继电器)串接在变压器中性点与接地极之间，接地极电阻变化无常，造成精度差，此外，检测线圈容量不够，结构简易，防雷效果差，便逐步退出了应用。60年代后期，我国第一台电流动作型电子式漏电保护器诞生(主开关是DZ520断路器)。我国首台电

23、流动作型电磁式漏电断路器的型号是DZ5-20L(主开关仍是DZ520断路器)。70年代中后期，全国联合设计的新型(DZ15L一40、DZ15L一63)电流动作型电磁式漏电断路器试制成功，其壳架电流有40A、63A两种，额定电流663A，漏电动作电流有30mA、50mA、75mA和100mA，是快速型(漏电动作时间0.1s)，断路器的短路分断能力为380V3kA和5kA。DZ15L系列是经过国家级鉴定的。进入80年代就有DZL16、DZL18、DZL29、DZL1 18、DZ12L、DZL33、DZL38和DZ10L等，大部分是电流动作型电子(集成电路)式漏电断路器(带过载、短路保护和不带过载、

24、短路保护)。90年代初天津梅兰日兰公司生产了Vigi C45EIE(电子式)、VigiC45ELM(电磁式)、Vigi NCIO0等漏电断路器，漏电动作电流 30mA、快速型(Vigi NCIO0， 有30mA、300mA和500mA几种，快速动作型)。80年代中期，嘉兴电控厂、遵义长征电器八厂又引进德国F&G公司的技术生产了FIN型(不带过载、短路保护)(In有25A、40A、63A， In 有30mA、l00mA、300mA和500mA)和FILS型(带过载、短路保护)( In有2A、4A、6A、10A、20A、25A、32A等，In有30mA、50mA、l00mA和300mA)的漏电断路

25、器。OTT集团于1999年开发试制了S L系列剩余电流动作断路器规格100A、200A(额定电流40、50、63、80、l00A和100、125、160、200A)，漏电保护原理采用电子与电磁混合型，漏电动作电流有30mA、l00mA、300mA三种，动作时间有快速型(0.2s)和延时型(最大0.5s)，断路器还有过载和短路保护。极限短路分断能力达40kA(400V时)，另外还开发了只报警不脱扣型，以适合消防不断电的要求。对于只报警而不断电的漏电继电器，目前有JD1型(电磁式)、JD3(电子式)，在农村使用的LJM型、LTS型(均为电子式)漏电继电器的额定电流100A、250A，最大达800A

26、，额定漏电动作电流为l00mA、300mA、500mA等种，除了单独做漏电时声、光报警之用外，也可与接触器、断路器组合成漏电断路器。1.3 新型塑壳式断路器的设计思路近年来国外断路器发展较快，一些著名公司不断推出框架式断路器和塑壳式断路器新产品，覆盖的电流范围从几十安培直至6300A。产品的开发思路是根据整个系统的需要来考虑的，不是单纯追求高指标，要同时考虑经济适用、缩小体积、尽可能减少壳架规格，便于进行标准化设计等。新开发的断路器均带有通信接口，可用于总线系统，使系统达到最佳的配合。新型塑壳式断路器的设计思路：1大电流塑壳式断路器向电子脱扣器方向发展。近年来国外公司开发的塑壳式断路器的壳架电

27、流一般从几十安培至125A(或1600A)。如西门子公司的Sen-tron VL塑壳式断路器，额定电流从161600A。Moeller公司的NZM系列塑壳式断路器额定电流从321600A。从近几年的产品发展来看，壳架电流630A及以上的塑壳式断路器基本上都已采用电子脱扣器并要具有通信接口，不再采用传统的热磁式脱扣器。壳架电流为250A及400A的塑壳式断路器可带电子脱扣器也可带热磁式脱扣器，可根据用户需要选用。100A壳架电流以下的产品，考虑到经济性，目前基本上仍采用传统的热磁式脱扣器。但是，因为电子脱扣器具有脱扣特性稳定、可调，便于增加各种保护、测量功能及通信功能，随着电子技术的进一步发展和

28、电子元器件成本的降低，在塑壳式断路器中，电子脱扣器全面取代传统的热磁脱扣器已是必然的发展趋势。2新型双断点分断的技术越来越受到重视。近年来在新开发的塑壳式断路器中，国外越来越多的公司采用了新型双断点分断的技术。如Schneider公司的NS系列；Moeller公司的NZM系列；ABB公司的Tmax系列和GE公司的Record Plus系列等都采用了这种技术。新型双断点分断的技术，不仅通过增加断点可提高电弧电压，而且通过采用气压管原理提高吹弧能力，使分断能力大大的提高。新型双断点分断技术一般采用转动式结构，两个触头斥力的迭加，可使断开速度大大提高。3对既可带热磁式脱扣器又可带电子式脱扣器的塑壳式

29、断路器的设计，各公司均采用模块化的结构，不打开断路器盖子就可更换脱扣器，可以方便地适应生产和用户的需要。例如三菱公司的WS系列和西门子公司的VL系列等。为适应系统的需要，各公司新开发的塑壳式断路器内部附件均采用盒式附件，以前只有日本三菱和富士公司采用，现在各公司已基本普及这种结构。同时内部附件朝向标准化的，如Moeller公司的NHZ系列四个壳架的内部附件全部统一，使安装更为方便，既减少库存又节约了投资。1.4 课题的目的与意义塑壳式断路器是低压配电电器中的重要品类，在低压配电系统占有很大的份量。我国目前已有数百家工厂从事研发和生产低压断路器，而与国外产品相比，模块化和安全性考虑不多。通过十几

30、年的仿制设计和生产，已积累了一定的实力和经验，计算机辅助设计的应用提升了开发手段。高精度的数控机床设备使模具加工有了长足的提高，目前所缺的是设计理念和工艺水平。本课题目的是要我们对设计产品各部件有深入的研究和了解，包括对导电系统、灭弧室、热脱扣器和电磁式瞬动机构等进行研究计算以及优化分析，并进一步掌握断路器的研究设计方法，为我们投入工作后开发新一代塑壳式断路器和提出新的设计理念做了很好的铺垫。工业发达的国家历来非常重视低压电器工业的发展，并注意将新技术、新工艺、新材料和新理论运用于低压电器产品的改进和更新。要设计出具有自主知识产权且国际领先水平的塑壳式断路器，必须大力加强人力资源的培训，加强基

31、础技术、新材料和新工艺的研究，不断分析国外产品的优劣及标准的不足之处进行自主开发。本课题的意义就在于提高我们的理论应用能力和研究开发能力，以及指明技术研究的方向，为低压电器行业培养新一代的应用技术人才。 第2章 导电系统的设计2.1 塑壳断路器触头系统的基本要求断路器的导电系统，又称为断路器的触头系统。它包括了触头、载流连接板、软连接等。对导电系统的基本要求是：1）能安全可靠地接通和分断短路电流及其以下的所有电流；2）长期通过额定电流（发热电流）而不产生超过允许的温升（它本身的和与之相邻的绝缘体）；3）能保证所设计的（预期）机械寿命和电气寿命。并在寿命试验结束后能达到标准规定的必须验证的试验（

32、如温升、保护特性等）。2.2 断路器触头的工作情况断路器触头的工作可分为四种工作情况：分断状态、闭合状态、闭合过程和分断过程。触头在分断状态时，断口承受电路电压和工作时出现的过电压。设计时只要保证断口间隙与爬电距离有足够大即可。触头在闭合状态下，流过额定发热电流时，触头的温升不应超过允许值。当线路发生短时过载及短路时，触头应能承受住短时电流产生的电磁斥力，并且触头间不应发生熔焊。长期在闭合状态下工作的触头，接触电阻的阻值应长期保持稳定，受外界的影响小。触头在闭合过程工作时，触头系统都具有一定的质量和闭合速度，会产生触头的碰撞跳动。如果电路的电压较高，触头间隙减小到尚未碰撞前会发生预击穿。触头的

33、跳动会引起触头间产生连续的短弧，由于电弧的高温作用，电极受到高温的加热，会引起触头的熔焊与侵蚀。触头分断电路的电压与电流值大于生弧最小值，触头间就会产生电弧。电弧会烧损触头，破坏绝缘。在严重情况下，甚至破坏开关造成短路等事故。为了迅速而有效的熄灭电弧，在电压与电流增大到一定范围值之后，就需要灭弧室来帮助灭弧，限制燃弧和游离区域，减小灭弧时间，降低开断时的过电压值。2.3 触头型式、尺寸和材料的确定2.3.1 主触头接触形式的选择触点接触形式按接触面外形的几何形状可分为点接触，线接触和面接触三种形式。1、点接触：膜电阻小，但是散热面积热容量小，而且要求触头曲率半径要小，以保证必要的压强，最大限度

34、地和清除膜电阻的影响。2、线接触：压力集中，实际压力强度较大，在中等压力时，接触电阻小，而且线接触的调整方便，并切在触头闭和的过程中有相对运动净化。3、面接触：多用于固定电接触中，一般采用螺钉或柳钉等压紧，压力很大，使接触电阻小。此外，由于面接触的散热面积及热容量大，多用于大电流。因本次设计的断路器电流不大等原因，故选用线接触形式。2.3.2 断点形式根据动静触头在分断状态的断点数，可分为单断点和双断点。2.3.2.1 单断点（1）优点：在闭合的过程中有滚、滑运动，可籍此清除触头表面的氧化物，保证接触可靠，故采用铜或铜基的触头材料。在同样触头弹簧压力下，比双断点触头上的接触压力大，故电动稳定性

35、高。触头参数易调节。（2）缺点：是触头开距大，冲击能量大，多数情况下必须用软连接，不利于提高机械寿命。在分断临界电流时，燃弧时间长，触头有滚滑运动，机械磨损大。2.3.2.2 双断点（1）优点：灭弧的效果好，在小容量交流电器中，由于利用电流过零时断点的近阴极效应，可靠地熄灭电弧，不需要加特殊的灭弧装置，触头开距小，冲击能量小，无软连接，有利于提高机械寿命。（2）缺点：是触头材料必须用银或银基合金，在与单断点同样的触头压力下，触点上的接触压力小，电动稳定性较低，此外触头参数调节不便。因双断点触头系统增加了一个断点，加强了短弧的近阴极效应，具有较高的电弧电压，可提高短路分断能力。并且该系统在机械结

36、构上避免了软连接或可转动的导电连接，提高了接卸和电气可靠性，在新一代塑壳断路器中得到广泛的应用。我参考同类产品和低压电器设计手册，选择双断点的接触形式。2.3.3 触头尺寸2.3.3.1 静触头 静触头采用矩形平面触头， 如图2.1，取。2.3.3.2 动触头动触头采用椭圆形圆柱面触头，如图2.1，取。 图2.12.3.4 触头材料的选择交流塑壳断路器采用的触头材料有纯银，银-氧化镉，银-氧化锡几种材料。随着触头品种的增加，制造工艺的改进，触头材料使用性能的提高，从节银方面考虑，逐渐淘汰了纯银触头。AgCdO2触头材料自30年代问世以来，由于其耐磨损、抗熔焊性好、接触电阻小等，经过不断改进，在

37、低压电器中得到了广泛的应用，但是它产生的有害金属蒸汽对环境的污染，对人们的健康的危害，已越来越引起重视。AgSnO2触头作为一种新型的银-氧化物触头材料，正逐步取代虽有很好的抗熔焊性能但有极大毒性的AgCdO2，有很强的耐电弧性能，这种材料的热稳定性比银氧化镉高得多，因此，选用AgSnO2触头材料取代AgCdO2,可使材料体积减少25%，并能保持同样的寿命。，大量研究表明AgSnO2的性能完全可以与AgCdO2媲美。虽然AgSnO2的温升比较高，但可以添加WO3、MoO3等来减少接触电阻，改善温升情况。AgSnO2触头的制造工艺有内氧化法及粉末冶金法两种，内氧化法必须加入铟才能完成，但铟储量少

38、，因此，世界上多数用粉末冶金法挤压而成新型的AgSnO2,但大多数含MeO2。用粉末烧结挤压技术制成AgSnO2+MeO3材料具有：电阻率小，触头温升小；触头耐电弧烧损性能高，耐机械磨损性能高。因此，主触头选用AgSnO2材料，接触电阻低而稳定，热稳定性高，可使电弧的弧根处熔池中熔融体的粘度提高，减少电弧灼烧时的喷溅损失可以大大简化灭弧系统的设计；高的热稳定性还使触头表面富集金属氧化物，从而保护了低沸点的银的蒸发并提高了耐熔焊性，也就提高了电寿命。辅助触头采用纯银材料，它具有良好的导电、导热性，接触电阻低而稳定，电磨损小而均匀。主静触头导电板选用导电性能好，抗拉强度较高的黄铜，并镀锡3-6m。

39、2.4 触头主要参数的选择2.4.1 触头开距所谓开距是指动、静触头之间的最短距离。触头开距的作用是：动、静触头在一定的短路电流下断开（此短路电流足以产生较大的电弧），触头之间有一定的间隙空间，能把电弧拉长（形成长弧）拉细，增加其自然灭弧能力；也为了在规定的试验电压下，不被击穿而引起电弧重燃。触头开距的设计一定要和灭弧系统有良好的配合。触头开距如果设计过大，一则无此必要，二则势必增大断路器的体积。依据一些国际上通用的标准，本次设计的产品主触头的开距取6mm，弧触头的开距取38mm。2.4.2 触头超程触头超程是指触头开始接触时，触头再向前运动的一段距离。触头的超程，取决于传动连杆的磨损和触头的

40、磨损。在设计时，必须保证在断路器寿命完结前，动、静触头仍能可靠地接触。习惯上认为，当动、静触头的接触减小到原来的1/3以下时，触头便不宜继续工作了。一般规定，超额行程应设计在26mm。本次设计的产品选择超程为2.5mm。2.4.3 触头压力断路器的触头压力主要取决于极限短路通断能力，必须保证触头在通过短路电流时不致因电动斥力而产生跳动或引起熔焊。因此，要求触头压力要大于触头间的电动斥力。弧触头的压力一般取主触头的1/31/2。1）触头终压力的计算触头终压力是指触头处于闭合位置的压力。终压力不能过大或过小，应保证触头工作时的温升不超过允许值，同时要保证触头在通过短路电流时不因电动力斥开产生跳动而

41、熔焊。触头终压力 （2.1） 式中 Fz触头终压力（N）； Ie电器触头的额定工作电流（A）； K经验系数（N/A），K=Fz/Ie,见表2.1。因为主触头中含银，所以值选表中的0.14。额定电流Ie=125A。2）触头初压力的计算触头初压力是指动、静触头刚接触时的压力。初压力过小会造成触头振动和电磨损。触头初压力 （2.2）系数取0.5，则表2.1 各类低压电器触头的经验系数K值 电器种类触头材料框架式断路器塑壳式断路器接触器小容量接触器主令电器银0.490.10.390.070.1450.042.4.4 接触电阻2.4.4.1 概述接触电阻是两金属导体相接触时，在接触区域内存在的一个附加电

42、阻。触头接触电阻由两部分组成，一部分是收缩电阻Rs，一部分是膜电阻Rb。膜电阻可分为尘埃膜，吸附膜和无机膜，有机膜等几种类型。这几种类型膜电阻对接触电阻都有不同程度的影响，造成触头温升的增加。严重时，触头间完全不能导电，造成近距离起弧。为了保证触头导电性可靠，常采用如下方法将膜电阻破坏：a、利用机械力的作用；b、加大电流；c、提高电压。2.4.4.2 接触电阻的计算接触电阻除了考虑上述的收缩电阻和膜电阻外，还考虑到接触部分的结构形式，材料，表面加工情况和通电电流大小等很多因素的影响，要准确地计算接触电阻是很困难的。我们利用经验公式计算接触电阻 （2.3）式中 F压力（N）；电阻（）；m触形式、

43、压力范围和实际接触面的数目等因数有关的系数，对于点接触m=0.5；线接触m=0.70.75；高压下的面接触m=0.81；Kj头材料的物理化学性质及接触表面情况等有关的系数，见低压电器手册表8-4。计算中，F取主触头的终压力17.5N，K值查表取60，线接触m取0.7， 则 2.5 触头的验算2.5.1 触头稳定温升验算2.5.1.1 导电板端部的稳定温升根据GB149785规定按间断或短时工作制主触头允许最高温升65K。当导电板具有足够长度时，我们利用经验公式计算导电板端部稳定温升 （2.4） 式中I导电极的电流，取125A 把以上参数代入式（2.4）2.5.1.2 触头与导电板连接面上稳定温

44、升我们利用经验公式计算导电板端部稳定温升 （2.5）式中 （2.6）2.5.1.3 触头接触点处的稳定温升我们利用经验公式计算导电板端部稳定温升 （2.7）式中 L劳仑磁常数 L=2.410-8V2/K2T绝对温度 把得数和各参数代入式（2.8）有：因2.5.2 触头动稳定性验算触头间的电动力大小与触头实际接触点的数量有关，接触点越少，电流线收缩的现象越显著，触头间的电动力就越大。但要准确地确定触头的实际接触点的数量是很困难的，因而常根据仅有一个接触点的情况进行计算，计算触头间电动力的模型如图2.2所示。图2.2 计算触头间电动力的模型我们利用经验公式计算 （2.8）式中d触头的直径，取4mm

45、；d0触头接触点处的直径， （2.9）式中 Fj触头接触力，取主触头的终压力17.5NHB查低压电器表4.7，按银氧化锡材料查得700N/mm2）则： 将以上各得数代入式（2.9）有： F17.5N 故动稳定性合格2.5.3 触头热稳定性验算热稳定电流I取： 热稳定性合格的判断依据是：触头在闭合位置通过热稳定电流，产生的接触压降小于触头溶化电压UJS，则认为热稳定性合格。查表（电器原理与产品上P126）取UJS=0.37V因2.6 动静触头设计图样 图2.1 动触头正视及俯视图 图2.3 动静触头俯视图2.7 本章小结本章先介绍了触头设计的基本要求及触头的工作情况，进一步加深对触头系统的了解，

46、从而设计出高质量的产品。初步设计时首先选择主触头的接触形式、断点形式和触头材料，确定触头尺寸。然后对触头开距、超程、压力、接触电阻等触头主要参数进行选择。最后根据设计的数据进行触头稳定温升及触头动、热稳定性的验算，直至符合要求，并画出动静触头的设计图样。第3章 灭弧系统设计3.1灭弧室设计要求设计灭弧室时必须保证以下的性能：1）可靠的熄灭电弧且燃弧时间尽可能的短；2）有足够的热容量，使在熄灭电弧的时，灭弧室的温度不至于太高防止灭弧室变形或碎裂；3）尽可能小的飞弧距离；4）有良好的绝缘性能，在受电弧高温灼烧后不容易碳化，而使绝缘电阻下降；5）有足够的机械强度，能承受电弧热能产生的压力；6）尽可能

47、小的外形尺寸和重量。3.2电弧的产生、熄灭及熄弧原理3.2.1 电弧的产生电弧是一种气体放电的特殊形式。产生电弧的条件是电路内的电流和电压必须大于某一最小起弧电流和最小起弧电压。电弧的产生是由于气体的游离。游离的原因有热发射、冷发射、碰撞游离和热游离。热发射：动静触头分开过程中，触头表面温度剧增，由于热运动，金属内的自由电子克服了金属内正离子的吸力而从阴极表面发射，这就是热发射。冷发射：即高电场发射。触头刚分开，在气隙间形成高电场，将电子从阴极拔出。碰撞游离：从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得能量再加速，碰撞中性气体分子而使其游离。热游离：电弧燃烧时，电弧温度很高，气体分子在高温的作用下，

48、由于强烈的热运动互相碰撞而游离。3.2.2 电弧的熄灭电弧的熄灭是由于气体的消游离，而消游离主要是复合和扩散的作用。1）复合就是异性离子互相结合而中和。复合速度受温度影响极大，温度高、复合几率小；反之，则复合几率大。因此利用液体或气体人工冷却电弧或将电弧挤入绝缘冷壁做成的窄缝，用铁板制作的灭弧栅片内，迅速导出电弧内部的热量，减少离子的运动速度，加速复合速度，尽快将电弧熄灭。2）扩散就是电弧表面的离子扩散到周围冷介质中去。密度大、温度高的气体分子总是向密度小、温度低的介质方面扩散，扩散出来的离子因冷却相互结合而成中性分子（中性分子是不导电的）。总之，电弧的熄灭是在消游离的速度超过游离的速度来实现

49、的。因此，从电的方面来说，要求介质恢复速度（即空气中恢复成中性分子的速度）大于触头两端的电压恢复速度，使电弧不致因冷发射和碰撞游离而重燃；在热的方面要求散热速度大于发热速度，使电弧不致因发热形成的热发射和热游离而复燃。3.2.3 交流电弧的熄弧原理交流电弧的熄灭存在两种理论，即弧隙介质强度恢复理论及弧隙能量平衡理论。弧隙介质强度恢复理论是斯列宾提出的，认为电弧的重燃是由于外加电场将间隙击穿的结果。从电流过零时刻开始，一方面弧隙上的电压从熄弧电压开始上升，要恢复到电源电压；另一方面在电流过零时弧隙有一定的介质强度，并随着取游离程度而不断上升。电弧的熄灭或重燃就决定于这两个过程竞争的“竞赛”结果。

50、因此，交流电弧的熄灭条件可概述为而电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。弧隙能量平衡理论是克西提出的，认为电弧重燃不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路及弧隙之间能量平衡的结果。因此电弧熄灭的条件是：弧隙的熄灭能量小于弧隙的散触能量，弧隙电阻的变化决定于电弧能量输入与散出的对比，随着能量散出的增加，电弧温度下降，弧隙电阻增加，电弧熄灭。通常在低压电器设计时，较常用的理论是弧隙介质强度的恢复理论，这里我们也采用这一理论。交流电器中常用的灭弧方法如下：1、自然灭弧 触头不用特殊灭弧室，触头开断时，在交流电流自然过零时熄弧，广泛应用于主令电器和电器的副触头上。2、磁吹灭弧

51、靠磁吹线圈产生的磁通在两块磁性夹板间形成平行的磁场，从而对电弧产生电动力并使电弧转移到引弧触头上燃烧。3、栅片灭弧 低压交流电器的金属栅片灭弧室是利用交流电弧的近阴极效应灭弧，优点是灭弧能力强，过电压低，喷弧距离小，缺点是灭弧室中除有电弧能量转变为热量外，还有栅片电阻损耗及铁损耗转变的热量均使栅片及灭弧室壁温度升高，导致灭弧条件恶化，甚至损坏栅片。4、纵缝灭弧 性能和栅片灭弧室的十分接近，但工艺简单得多，零件数少，成本低弧室的耐电磨损性能好。主要用于接触器中。5、真空灭弧 该灭弧方法具有很高的开断能力，但成本高，易产生过电压，目前主要用于660KV,1140V供电系统使用的真空接触器和断路器，

52、近年来在低压接触器方面也有进展。6、封闭式压力灭弧利用固体材料产气，提高气压以进行灭弧，他的灭弧能力很强，限流作用非常显著。在熔断器方面应用较多。此次设计，参考同类产品采用金属栅片灭弧。金属栅片灭弧原理：触头分断时产生的电弧在磁吹力和电动力作用下被接长后，被推向一组静止的金属栅片。这组金属栅片彼此互相绝缘的。电弧进入栅片后，被分割成一段段串联的电弧，而每一栅片又相当于一个电极，使每段短弧上的电压达不到燃弧电压，同时栅片还具有冷却的作用，致使电弧迅速熄灭。基于电弧熄灭的原理，来选择灭弧系统，即灭弧室的结构。3.3 灭弧室的设计3.3.1 灭弧装置的选择对大的短路电流，必须借助于完善的灭弧室来熄灭

53、电弧。当动、静触头分开并产生电弧时，由于栅片的存在使电弧电流的磁场将电弧拉向栅片，又根据短弧原理和近阴极效应原理，即电弧进入八栅片后被分割成多段串联的短弧，当交流电流过零，每个短弧的阴极区域立刻出现起始介质强度，使串联短弧介质强度的总和大于低压断路器触头间的外旋电压。另外，灭弧栅片为钢板且有相当厚度，故有较大的热容量和较好的导热性能，能加强电弧的消游离作用，提高介质强度故带栅片的灭弧室在低压断路器中获得广泛的应用，故本此设计的塑壳式低压断路器采用金属栅片灭弧室。3.3.2 灭弧室的结构金属栅片灭弧室的结构是：灭弧室内装有厚度2mm的钢板冲成的栅片。栅片表面镀铜或镀锌（有的还采用镀铜加镀镍），一

54、是为了防锈，二是为了增大灭弧能力（钢片镀铜，因镀层仅12m，不会影响钢片的导磁性能）。国内外许多试验表明，镀铜和镀锌的作用基本效果相同，但镀铜时，电弧的热量将使铜末子跑到触头上，变成铜银合金，后果不好。镀镍性能佳，但价格高。综合性价比，选择栅片表面采用镀锌处理。安装时，上下栅片错开。当动静触头打开时产生电弧，电弧电流在周围空间产生磁通，将栅片磁化。因此它的磁通路径发生了变化，栅片产生一种将电弧拉入灭弧室的吸力。隔层栅片的错开是为了减少电弧进入栅片的阻力。电弧进入栅片后，它被分割成许多串联的短弧，在原来冷状态的铁栅片贴紧短弧后，使电弧电阻增大、电弧电压上升。当电弧电压大于触头两端的工频恢复电压时

55、，电弧就被熄灭了。3.3.3 灭弧栅片的形状灭弧栅片的形状，设计成倒V形（如图3.1所示），其作用是电弧进入时，可减小阻力，另外是为了与触头形状一致。由于栅片本身有吸引电弧进入的能力，所以这种灭弧室一般不需装设磁吹线圈。图3.1 灭弧栅片形状3.3.4 灭弧栅片隔弧板的选用隔弧板的材料，据低压电器设计手册介绍，是采用MP1三聚氰玻璃纤维压塑料，塑33-3、塑33-5三聚氰胺甲醛塑粉、红钢纸板和陶瓷等。而国外较多采用的是钢纸板（红、白）、聚酯板、三聚氰胺板，瓷器（陶瓷）等材料。现将后面几种的性能对比列于表3.1中。 表3.1 各种隔弧板性能对比材料名称钢纸板聚酯玻璃丝增强板三聚氰胺板陶瓷短路分断

56、性能CBAA耐热性DBBA加工性ACBD价 格ABDD品 质DAAB表3.1中：A-优；B-良；C-一般；D-差。钢纸板耐热性差，品质也较差，但钢纸板在电弧烧灼下会释放一种气体，有助于灭弧，它常用在短路分断能力在20KA及以下的断路器；三聚氰胺板性能较好，只是造价最高，而陶瓷无法加工，价格也昂贵。因此综合性价比，本设计选择采用红色钢纸板做产品的隔弧板。如图3.2所示： 图3.2 隔弧板栅片支架（隔弧板）与栅片的铆接是很重要的工艺环节。如果铆得不牢，可能会因电动力的破坏，使栅片弯曲，从而降低栅片的距离（间隙）。为此原因，要求片间距离放到3mm，一般不要采取两片栅片焊接在一起，因为两片焊接易受热并且由于片间的电动力，使两片产生弯曲。3.4 导弧板的设计导弧板是灭弧机构中很重要的零件，它装在离静触头一定距离，靠近灭弧室。它必须有一定的倾斜角。导弧板的设置是为了将电弧引入灭弧室。不设导弧板，分断时电弧电阻大，对分断有好处。但是静触头与设置导弧板的位置处（即如果取消导弧板而留下的空位置）将产生严重的烧损。导弧板设计时应考虑 ：导弧板所占位置应是灭弧栅片位置的一半，它与栅片的间隙应与栅片之间的距离（气隙）一样。导弧板与静触头的距控制在1.5mm2mm之间，此距离越小越好。导弧板的高度应与静触头的厚度一样平。另外，为了减少开断短路电流时，烧伤静触头，静触头的触点