新型塑壳式低压断路器设计mdash毕业设计

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1、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

3、内容包括：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

4、 月12 日：撰写毕业设计论文。 （5）6 月12 日至6 月14 日：指导老师评阅、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 . 1 1.1 塑壳式低压断路器的概述 . 1 1.2 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 . 3 1.3 新型塑壳式断路器的设计思路 . 4 1.4 课题的目的与意义 . 5 第2 章 断路器的导电系统设计 . 7 2.1 触头的基

5、本要求 . 7 2.2 触头的工作情况 . 7 2.3 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 2.3.4 触头材料的选择 . 9 2.4 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 . 11 2.5 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 . 14 2.6 动静触头设计图样 . 14 2.7 本

6、章小结 . 15 第3 章 灭弧室设计 . 16 3.1 灭弧室设计要求 . 16 3.2 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 . 17 3.3 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 灭弧栅片的形状 . 19 3.3.4 灭弧栅片隔弧板的选用 . 19 3.4 导弧板的设计 . 20 3.5 灭弧能力的估算 . 20 3.6 本章小结 . 22 第4 章 热脱扣器设计（热双金属片设计） . 23 4.1 双金属片特性和动作

7、原理 . 23 4.2 双金属片的选择 . 23 4.2.1 结构形状 . 23 4.2.2 加热方式 . 23 4.3 双金属片尺寸、位移及推力的计算 . 24 4.4 双金属片动作特性的计算 . 25 4.5 双金属片设计图样 . 27 4.6 本章小结 . 27 第5 章 电磁瞬动机构的设计 . 28 5.1 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 5.1.5 线圈部分设计 . 31 5.2 温升计算 . 33 5.2.1 线圈热态电阻 . 33

8、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 . 33 5.3 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 . 34 5.4 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 . 35 5.5 电磁铁各部分设计图样 . 35 5.6 本章小结 . 36 第6 章 电磁瞬动机构的设计 . 37 6.1 Pro/ENGINEER 简述 . 37 6.2 零件三维造型 . 37 6.3 零件三维造型整图 . 3

9、8 6.4 本章小结 . 39 结束语 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 42 新型塑壳式低压断路器设计 I 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

10、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； 新型塑壳式低压断路器设计 II THE DESIGN OF NEW MODEL CASE TYPE LOW-VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS Abstract: 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

11、voltage power distribution system, and one become of the important power 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

12、 low-voltage circuit breaker (voltage rating 125A, current rating 230V) .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

13、corresponding to the design. Finally, I made the sketch design of product by Pro/E and CAD soft ware. Keywords: model case circuit breaker ；put out the room；electromagnetism system； 新型塑壳式低压断路器设计 1 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

14、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

15、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

16、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。 新型塑壳式低压断路器设计 2 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

17、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，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

18、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

19、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

20、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。 新型塑壳式低压断路器设计 3 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

21、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)，DZ

22、3563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，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

23、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，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2

24、0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新型塑壳式低压断路器设计 4 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

25、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、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

26、)。 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

27、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，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

28、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。 新型塑壳式低压断路器设计 5 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

29、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

30、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

31、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

32、水平。 新型塑壳式低压断路器设计 6 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

33、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。 新型塑壳式低压断路器设计 7 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（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

34、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。 新型塑壳式低压断路器设计