連桿機(jī)構(gòu)在配電斷路器中的應(yīng)用研究

曹 進(jìn), 張廣智, 黃銀芳

(上海良信電器股份有限公司, 上海 201315)

0 引 言

作為配電電器最主要產(chǎn)品的斷路器,大量用于低壓配電系統(tǒng)中,包括萬能式斷路器(ACB)、塑殼斷路器(MCCB)、小型斷路器(MCB)等[1-2]。斷路器結(jié)構(gòu)原理類同,主要由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等部分組成,其中操作系統(tǒng)通過連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)斷路器的可靠動(dòng)作,從而完成斷路器的通斷或保護(hù)脫扣等功能,所以連桿機(jī)構(gòu)在斷路器中起到十分重要的作用[3-4]。

本文以ACB、MCCB、MCB 3類斷路器為例,介紹了連桿機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用。

1 配電產(chǎn)品介紹

配電系統(tǒng)圖如圖1所示。從10 kV中壓側(cè)降壓后通過2臺(tái)ACB分兩路供電,并用1臺(tái)ACB作為母聯(lián),之下有若干MCCB或接觸器等作為分級(jí)配電或控制開關(guān),直至向各終端負(fù)載供電,同時(shí)還通過控制電容器的接入或斷開實(shí)現(xiàn)回路的功率補(bǔ)償。

2 ACB機(jī)構(gòu)

2.1 兩級(jí)再扣的自由脫扣機(jī)構(gòu)

以良信電器NDW3系列ACB機(jī)構(gòu)為例,詳細(xì)闡述ACB機(jī)構(gòu)的工作原理。ACB機(jī)構(gòu)的三狀態(tài)如圖2 所示。

圖2(a)中,儲(chǔ)能是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而成的,當(dāng)凸輪推動(dòng)滾針軸承B至頂點(diǎn)時(shí)達(dá)最大儲(chǔ)能位置,使儲(chǔ)能彈簧壓縮。凸輪再轉(zhuǎn)過一點(diǎn)時(shí)滾輪B落下,儲(chǔ)能彈簧力被滾輪C頂住,不能釋能。需閉合斷路器時(shí),通過按動(dòng)閉合按鈕使釋能脫扣半軸脫扣,滾針軸承B推動(dòng)連桿2,使觸頭高速閉合。

圖2(b)中,L形“鳥頭”杠桿1扣在“雙刀”杠桿2的滾柱上,而杠桿2又扣在分閘脫扣半軸上,可把機(jī)構(gòu)中巨大的分力減少至10 N以下,保證可靠脫扣。

圖1 配電系統(tǒng)圖

圖2 ACB機(jī)構(gòu)的三狀態(tài)

圖2(c)中,機(jī)構(gòu)閉合用到兩套四連桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)再扣動(dòng)作完成后,L形“鳥頭”杠桿1不動(dòng),其右端可視為定點(diǎn),則連桿2、連桿3、連桿12成為一副四連桿,連桿12、13、14為另一副四連桿;當(dāng)儲(chǔ)能杠桿上的滾針軸承B推動(dòng)連桿3向左運(yùn)動(dòng)時(shí),可使觸頭達(dá)到閉合位置。

2.2 ACB機(jī)構(gòu)應(yīng)用效果

對(duì)機(jī)構(gòu)連桿尺寸優(yōu)化,減少機(jī)構(gòu)在閉合、斷開時(shí)的機(jī)械碰撞能量,降低機(jī)件的損傷;采用新材料,包括鋼材和高強(qiáng)度絕緣材料,用塑料齒輪代替鋼齒輪。這樣明顯提升機(jī)械壽命,指標(biāo)不低于國(guó)外優(yōu)秀企業(yè)的同款A(yù)CB產(chǎn)品。

3 MCCB機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

3.1 單斷點(diǎn)MCCB機(jī)構(gòu)

單斷點(diǎn)MCCB的自由脫扣機(jī)構(gòu)三狀態(tài)如圖3所示。

圖3(a)中,機(jī)構(gòu)處于脫扣位置,如要閉合操作,首先要扳動(dòng)手柄(順時(shí)針方向),使機(jī)構(gòu)再扣,進(jìn)入圖3(b)所示的位置,再扣板被鎖扣扣住,可把O4看成定點(diǎn),機(jī)構(gòu)做好閉合準(zhǔn)備;O4O3O6組成四連桿機(jī)構(gòu),當(dāng)手柄向左扳動(dòng)時(shí)彈簧力線拉長(zhǎng),當(dāng)彈簧力線越過軸O3時(shí),O4被彈簧拉動(dòng)迅速繞O3轉(zhuǎn)動(dòng),即O1O6繞O6轉(zhuǎn)動(dòng),使觸頭閉合,如圖3(c)所示。若要手動(dòng)斷開斷路器,只要順時(shí)針方向扳動(dòng)手柄,使彈簧力線越過O3,則使觸頭斷開。當(dāng)異常發(fā)生后脫扣軸順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,使再扣板脫扣,四連桿轉(zhuǎn)變成五連桿,斷路器快速斷開。

3.2 雙斷點(diǎn)MCCB機(jī)構(gòu)

3.2.1 機(jī)構(gòu)原理描述

雙斷點(diǎn)MCCB機(jī)構(gòu)主要為提高斷路器分?jǐn)嗄芰蛱岣呤褂秒妷夯蛳蘖魈匦缘刃阅芏捎玫男滦徒Y(jié)構(gòu)形式,由四連桿、五連桿機(jī)構(gòu)組成。雙斷點(diǎn)MCCB的自由脫扣機(jī)構(gòu)三狀態(tài)如圖4所示。FEG為杠桿,E點(diǎn)為杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn);DCK為跳扣,D點(diǎn)為跳扣的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn);BC為上連桿,AB為下連桿,O點(diǎn)為動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)中心;LH為鎖扣,H為鎖扣的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn);JM為牽引桿,J點(diǎn)為牽引桿的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn);BI為分?jǐn)鄰椈傻妮S線。

圖3 單斷點(diǎn)MCCB的自由脫扣機(jī)構(gòu)三狀態(tài)

圖4 雙斷點(diǎn)MCCB的自由脫扣機(jī)構(gòu)三狀態(tài)

圖4(a)中,在自由脫扣狀態(tài)下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿EFG至杠桿合閘限位狀態(tài)(再扣狀態(tài)),此時(shí)彈簧軸線BI位于上連桿BC的右側(cè),確保自由脫扣狀態(tài)下向合閘方向推動(dòng)手柄,觸頭開距不變,同時(shí)保證斷路器內(nèi)部裝入的輔助觸頭不轉(zhuǎn)換。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿EFG,分?jǐn)鄰椈蓪㈦S著杠桿EFG的轉(zhuǎn)動(dòng)而受到拉伸并儲(chǔ)能,當(dāng)彈簧力的軸線BI與上連桿BC重合時(shí)處于最大位能狀態(tài),一旦超過上連桿BC,在彈簧力的作用下下連桿AB將推動(dòng)觸頭快速運(yùn)動(dòng)至閉合,此時(shí)機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu),處于合閘狀態(tài),見圖4(b)。順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿EFG,分?jǐn)鄰椈蓪㈦S著杠桿EFG的轉(zhuǎn)動(dòng)而受到拉伸并儲(chǔ)能,當(dāng)彈簧力的軸線BI與上連桿BC重合時(shí)處于最大位能狀態(tài),一旦超過上連桿BC,在彈簧力的作用下下連桿AB將拉動(dòng)觸頭快速運(yùn)動(dòng)至斷開,此時(shí)機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)(再扣狀態(tài))。

當(dāng)短路電流引起鎖扣LH轉(zhuǎn)動(dòng),在分?jǐn)鄰椈傻淖饔孟?跳扣DCK繞D逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),C點(diǎn)成為活動(dòng)點(diǎn),同時(shí)BC上連桿、AB下連桿脫離死區(qū),于是變成五連桿機(jī)構(gòu),此時(shí)機(jī)構(gòu)為自由脫扣狀態(tài),見圖4(c)。

3.2.2 機(jī)構(gòu)三維示意圖

雙斷點(diǎn)MCCB機(jī)構(gòu)三狀態(tài)三維模型如圖5所示。

3.2.3 應(yīng)用效果

雙斷點(diǎn)MCCB自由脫扣機(jī)構(gòu)不僅要注意合閘角、分閘角的優(yōu)化設(shè)計(jì),還要注意四極(N、A、B、C)斷路器的同步性設(shè)計(jì),可采用跨雙極結(jié)構(gòu),即手柄杠桿橫跨中間的兩極單元盒,確保扳動(dòng)手柄后推動(dòng)力均勻地傳遞到極間聯(lián)動(dòng)軸上。手柄杠桿、跳扣等連桿零件材料選擇10#鋼,并進(jìn)行QPQ鹽浴,確保結(jié)構(gòu)變形最小?？珉p極機(jī)構(gòu)示意如圖6所示。

圖5 雙斷點(diǎn)MCCB機(jī)構(gòu)三狀態(tài)三維模型

圖6 跨雙極機(jī)構(gòu)示意

通過對(duì)MCCB機(jī)構(gòu)連桿尺寸、角度、材料、工藝等多維度的優(yōu)化及驗(yàn)證,產(chǎn)品的性能指標(biāo)不低于國(guó)外優(yōu)秀企業(yè)的同款產(chǎn)品。

4 MCB機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

終端斷路器常用的連桿機(jī)構(gòu)分為單組連桿機(jī)構(gòu)和雙組連桿機(jī)構(gòu)。

4.1 單組連桿機(jī)構(gòu)原理介紹

單組連桿機(jī)構(gòu)由手柄、連桿、跳扣、鎖扣、動(dòng)觸頭、靜觸頭、彈簧等零部件組成。MCB單組連桿機(jī)構(gòu)如圖7所示。終端斷路器的機(jī)構(gòu)三狀態(tài)如圖8所示,在動(dòng)作的過程中,共分為合閘、分閘、自由脫扣3種狀態(tài)。

圖8(a)中,當(dāng)手柄繞軸O1順時(shí)針推動(dòng)時(shí)手柄推動(dòng)連桿,連桿推動(dòng)跳扣、鎖扣、動(dòng)觸頭組件(跳扣被鎖扣扣住)圍繞軸銷O2順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),彈簧壓縮儲(chǔ)能,直至連桿挺直,動(dòng)、靜觸頭閉合,MCB處于合閘狀態(tài);操作機(jī)構(gòu)為O1abO2四連桿機(jī)構(gòu)。

圖7 MCB單組連桿機(jī)構(gòu)

圖8 終端斷路器的機(jī)構(gòu)三狀態(tài)

圖8(b)中,當(dāng)手柄繞軸O1逆時(shí)針方向推動(dòng)時(shí)手柄拉動(dòng)連桿,在彈簧的作用下,跳扣、鎖扣、動(dòng)觸頭組件(此時(shí)跳扣被鎖扣扣住)繞軸銷O2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)、靜觸頭分開,MCB處于分閘狀態(tài);操作機(jī)構(gòu)為O1abO2四連桿機(jī)構(gòu)。

圖8(c)中,當(dāng)MCB處于合閘狀態(tài),電路出現(xiàn)過載或短路電流時(shí),脫扣器迅速推動(dòng)鎖扣釋放,跳扣在連桿的推動(dòng)下圍繞軸銷c逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),使操作機(jī)構(gòu)的四連桿變?yōu)镺1abcO2五連桿機(jī)構(gòu),從而使動(dòng)觸頭迅速分?jǐn)?MCB處于自由脫扣狀態(tài)。

4.2 雙連桿機(jī)構(gòu)在某款產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用

典型的MCB雙連桿機(jī)構(gòu)如圖9所示,其原理與單組連桿機(jī)構(gòu)的類似;通過雙四連桿機(jī)構(gòu)的合理組合使用和結(jié)構(gòu)尺寸的合理優(yōu)化,降低脫扣力約5%,提高產(chǎn)品的可靠性;目前已批量生產(chǎn)。

圖9 典型的MCB雙連桿機(jī)構(gòu)

5 結(jié) 論

以ACB、MCCB、MCB 3類典型的配電斷路器為例,介紹了連桿機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用,從機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理上闡述了四連桿、五連桿機(jī)構(gòu)的具體應(yīng)用,可為低壓電器設(shè)計(jì)人員參考或借鑒。