关键词：断路器；设计
1 前 言
塑料外壳式断路器是低压电器中量大面广的产品。随着低压配电系统负荷密度集中，配电变压器容量增大，系统短路电流提高，控制系统自动化和可靠性要求的提高，要求广泛用于配电装置中的塑料外壳式断路器向极限分断能力高、体积小、重量轻、功能齐全、结构新颖方向发展。同时，断路器的用量也越来越大，并日益走向国际商品化，市场竞争激烈。
由于DZ20-100等塑料外壳式断路器存有严重不足：①体积大；②飞弧距离长；③缺少660V额定电压等级；④保护功能不完善。温州开关厂引进日本寺崎公司先进技术自行设计WS1—100（直热式）塑料外壳式断路器，发展我国自行设计的新一代塑料外壳式断路器，作为国内DZ20—100、TO—100BA等塑料外壳式断路器的更新换代产品，它具有体积小、极限分断能力高、规格多、品种齐及飞弧距离小等优点。
2 直热式双金属片特点
热磁式塑料外壳式断路器的过载长延时特性靠双金属片实现，双金属片有3种加热方式：间接加热、直接加热和复式加热。其中直接加热方式又称直热式（这种加热方式具有结构筒单、热效率高而功率损耗较小等特点）。电流直接通过双金属片，利用其本身的电阻产生热量，采用直接加热双金属片的塑料外壳式断路器称为直热式塑料外壳式断路器（以下简称断路器）。如DZ10-100脱扣器额定电流50A及以下，DZ20-100和HFB-150脱扣器额定电流40A及以下小电流等级的，均采用直热式结构，而WS1-100直热式断路器的脱扣器额定电流100A及以下规格电流均采用直热式结构。
直热式双金属片的电阻较大，以获得足够的热量，符合断路器过载长延时特性的要求，但往往也限制了断路器的分断能力，故在计算和选择双金属片的外形尺寸和金属材料时，除了考虑满足断路器过载长延时保护特性外，还必须考虑能否承受较大短路电流的热容量。
短路时间非常短，短路电流直接通过双金属片，双金属片还来不及散热，因此，可不考虑散热，并认为短路电流的热损耗全部用于加热导体。
直热式双金属片在单位时间内的功率损耗为：
P=I2R （1）
式中P——损耗功率，W
I——短路电流有效值，A
R——导体电阻，Ω
根据能量平衡公式：
Pt=mCθ （2）
式中t——发热时间，s
m——导体质量，kg
C——导体材料的比热容，J／kg℃
θ——导体温升，℃
而R＝ρ/S，m＝Sγ，代入式（1）和式（2）中整理可得：
θ＝ρ×I2t/γCS2 （3）
式中ρ——导体的电阻率，Ω.m
γ——材料的密度，kg/m3
S———导体截面积，m2
双金属片对温度范围有一定要求，超出它使用极限，即温度应力超过双金属片材料弹性极限时，双金属片将会变形，如果温度接近或达到材料的熔点，往注在截面最窄和热量最不易散热处先行断裂。式（3）表明，双金属片材料和尺寸确定后，为了使其温度保持在允许使用温度的上限内，短路电流值受到严格的限制。
3 减少对断路器分断能力限制的方法
3．1 触头系统
WS1-100断路器把动、静触头设计组成平行导体结构。动触头受斥力向上转动，而静触头却是一个刚体的结构，经计算，动、静触头的质量比为1：2．6，在受相同电动斥力作用下，动触头的运动速度要快，而且斥力作用在动触头上更加快了斥开速度，及早地引入电弧，触头之间电弧电压迅速上升使实际分断电流上升速度受到抑制，起到了限流作用。
3．2 引弧与限流作用极强的线圈
由于WSl—100断路器体积小，所以在16A—31A电流等级的断路器中，把静触头与线圈设计成一体，如图1示。
一旦动触头斥开产生电弧后，在线圈产生的磁场作用下，电弧受到向灭弧室方向运动的吸力，线圈起到磁吹作用。
更重要的是，由高电阻合金材料制成的线圈使断路器本身相电阻增加很多，有效地阻止了实际分断的电流值的增加。WS1—100断路器中脱扣器额定电流为16A的线圈采用铁铬铝合金（Crl3A14）材料，电阻约为0．018Ω，使相电阻比不串联线圈的相电阻提高了11.38倍，在通断能力试验时起很大的限流作用，达到了保护直热式双金属片的目的，原理图如图2示。
图2中线圈电限Ra比双金属片电阻Rb大得多，因此在整个电路中的限流效果比较明显。
线圈的另一个作用是增加了动、静触头问的磁场强度，加大了动触头的电磁斥力。从表1可知WS1—100断路器中16A产品采用线圈限流比不采用线圈限流的100A产品的实际电流峰值和跟流系数均下降40％左右。
3．3 减少静触头压力弹簧，降低斥开电流
由于产生触头斥力的另一个因素是围触头接触电流线收缩而引起的结点电动斥力。这种斥力与触头的终压力有直接关系，压力愈小则电流收缩线收缩愈强，电动斥力愈大。
在满足断路器温升要求的前提下，WS1-100断路器采用小的触头弹簧拉力，压力为3N，这种动触头可以提前斥开，电弧引入更早，使双金属片在极限分断能力试验中所承受的I2t大大减少，有效地防止了双金属片的烧断。
3.4 特点
（1）DZ20系列等断路器的操作机构中，跳机与锁扣的接触为面接触，而接触可能产生死扣现象。为了解决这个问题，WS1—100断路器通过二个限制件的限位，把跳扣设计成和轴接触，从而成功地实现了跳扣和锁扣之间的接触成为线接触，这使得断路器动作更灵活、可靠，加快了断路器的分断速度。
（2）为了弥补DZ20—100等产品In≤40A及以下瞬时脱扣器电流整定值为10In的缺点，WS1—100断路器设计时在瞬动铁芯上套上几匝漆包线线圈，达到了32A及以瞬时脱扣器电流整定值为10In的缺点，使断路器的保护功能得到了完善，同时也加快了断路器的分断速度。
3．5采用新材料
（1）触头材料是断路器中的关键部件，合金触头的物理性能及金相结构对断路器的分断能力水平起着至关重要的影响。由于短路分断电流的烧损主要出现在功触头，故WS1—100断路器将具有耐弧性能好的CagW50作为功触头材料，将抗熔焊性好的CagWC12C13作为静触头材料。采用两种不同硬度的材料配对使用，且具有接触温升低的特点。
（2）触头支架采用整体式，解决了以往触头支架采用铆接方式在进行温升等保护特性试验时出现触头支架松动的问题，而支架材料采用绝缘性能好、强度高、抗电弧能力强的模塑料UP—100，防止了极限分断时产生的高温和强电弧对它的破坏，断路器顺利地通过660V额定极限短路分断能力。弥补了DZ20-100等断路器无660V额定电压等级的缺点。
（3）为提高电弧电压，将灭弧宝设计成容量大、栅片多的结构，灭弧室隔弧板采用D324三聚氰胺层压玻璃布板，保证丁灭弧室的灭弧性能。
4 解决断路器温升技术措施
试验指出，通常断路器的最高发热处不是在触头，而是在热元件与动触头相连接的联结板a处，由于原DZ10系列产品及其更新换代产品都是将动触头和热元件分别与各自的软联结焊接，如图3、4示，然后再将此两部件连接在a处用螺钉紧固。因此为降低最高处温升，WS1—100断路器改变了结构，将二个部件合二为一，即将其8个零件焊成一体，如图5示。由于这种连接方式减小了接触电阻，因而降低了断路器的温升。
5 塑料外壳式断路器技术指标对比，表2示。
6 结束语
设计断路器中直热式双金属片时不仅要考虑到过载长延时特性的要求，还必须顾及短路时产生的温升。采用电动斥力的触头系统、串接限流电阻等方法来减少直热式双金属片受高分断能力的限制有较大的实用意义。
