塑壳断路器操作机构结构与受力分析探讨

塑壳断路器操作机构结构与受力分析探讨

洪景鹏

上海楷格科技服务有限公司   201100

摘要：塑壳式断路器应用范围逐渐拓展，其具有过载长延时等保护性能，同时还能与漏电器等模块单元联合应用，为低压配电系统提供了性能优良的结构。当前，配电系统断路器要求不断提升，不仅要具备灵活通断电流能力，还要发挥隔离保护作用，所以，本文主要围绕着塑壳式断路器来展开，基于操作机构结构、受力情况，深入分析研究结构原理以及受力情况，提升设备可靠性。

关键词：弹簧拉力；动静触头；上下拉杆；机械特性；合闸状态

引言：近几年来，我国电气行业的发展速度明显加快，塑壳式断路器有着高电压、高分断能力，市场上对于此类产品有着极大需求，由于塑壳式断路器结构相对复杂，在批量生产中需要保持一致性，所以设备可靠性问题逐渐突出。为了提升塑壳式断路器应用性能，在开发设计期间需要细致研究其结构原理，明确受力情况，根据注意事项优化此操作机构，增加操作机构的使用寿命。

1 塑壳式断路器的机械特性

1.1开距

开距从理论意义上理解为一种电气间隙，主要指断路器动触头与静触头的动态距离，从分闸状态开始，一直到与静触头实现接触。通过开距这段距离，为断路器的断开处理提供了保护作用，从而保证动、静触头间避免形成电压击穿问题。

1.2触头终压力

受到主弹簧拉力作用，动触头出现变化并与转轴相对转动，同静触头开始闭合，所形成的闭合力便是终压力，此种力量是一项关键机械特征参数，可以稳定断路器接触，控制温升高低，需要注意的是，这种特征参数并非越大越好。终压力的出现，能够对合闸阶段的动静触头起到抑制作用，促进动、静触头得到可靠接触，增加终压力，能够有效降低接触电阻，起到控制断路器温升的作用，若是过量加大终压力，触头闭合期间将会不正常弹跳[1]。为了保证产品足够可靠，有必要常规测量、控制机械特征参数。

1.3超程

当断路器发生闭合情况，动触点、静触点随之变化，从闭合状态运行到分离状态，此时需要转动的距离便是超程。其作用相对明显，在频繁正常电流通电情况下，亦或是故障电流分断之后，能够保证动静接触头可以实现可靠接触，在触头一定磨损情况下，还能保证断路器正常使用。

1.4合闸时间

断路器处于分闸位置时，从动触头出现闭合动作情况作为初始时间，直到所有动静触头都发生接触，这段时间为合闸时间。

1.5分闸时间

断路器处于合闸位置时，从产品脱扣器正式通电开始，再到全部动静触头产生分离状态，并且整体极电弧出现熄灭，这段时间间隔为分闸时间。所以，断路器的分闸时间涉及到到两个方面，一方面为分闸时间，一方面为熄弧时间。当前可以借助虚拟仿真系统，对断路器操作机构的连杆结构进行完善，将操作结构的固有分闸时间有效缩短，凭借3D打印技术，制造出整体优良的操作机构样机，经过验证后，明确优化设计的操作机构，减少断路器的分闸时间。

2 塑壳断路器操作机构结构分析

在低压电器中，塑壳断路器为主要设备，重点应用在用电设备侧、配电回路，在电路处于不正常的状态时，能够实现电流的精准分断作用。塑壳式断路器的结构一般比较复杂，不仅涉及到触头系统，还包含着脱扣系统、操作机构，操作机构作用强大，在常规使用条件下，可以实现合、分闸处理，实现电路的接通、断开状态，面对短路、过载等不正常情况时，触头系统会及时打开，将连接的电路断开[2]。在塑壳式断路器中，操作机构占据主体位置，属于经常使用的连杆机构，整体结构趋于紧凑性，其中，动态特性是相关人员重点考虑的内容，同断路器的合闸、分闸、再扣等性能优良情况密切相关。深入分析理解操作机构的结构以及原理，有助于优化设计工作，从而验证生产等环节产生的各项问题，所以，有必要借助机械原理、力学理论来分析。在操作机构中，具有主拉簧、手柄、上下连杆、动静触头、跳扣、主轴等部分。在运动体系中，上下连杆、动触头属于重点运动部件，在塑壳式断路器上，引进合规的机械连杆结构，与断路器的绝缘主轴实现相连，利用机械连杆操控分合闸状态。对于操作机构，属于简易的连杆传动结构，无论是操作机构的内部，还是操作机构的外部，当没有察觉到其他导电零件，这就说明塑壳式断路器本体的内、外两部分绝缘性较好。

在操作机构中手柄发挥重要的作用，有助于完善断路器操作机构，能够驱动分合闸运动，手柄进行着左、右运动，主拉簧的力值、方向将会出现改变，带动操作机构在运动期间呈现不同运动状态，也就是合、分闸运动、自由脱扣、再扣运动[3]。

3 从力学角度分析塑壳式断路器操作机构

3.1操作机构的杠杆受力

当塑壳式断路器彻底处于合闸状态后，接下来马上实行分闸操作时，将杠杆作为分析对象，设定力偶作用点，用字母F表示，展开受力分析。将杠杆在N点所受的外力视为F的分力，记作；观察弹簧部位，在G点给予杠杆处一定的拉力，记为；从开始，一直到F处，这段间隔距离记为，对于力，其到F的距离标记为。由于作用力在点F处比较特殊，达到了力偶平衡，所以存在着一定关系：

×=

3.2操作机构的动触头受力

当塑壳式断路器彻底处于合闸状态后，深入分析动触头部位，设定力偶作用点，表示为字母E，展开受力分析。通过静触头部位给予作用力，力量落到动触头处，此作用力表达为；下连杆提供作用力，力量落到动触头处，此作用力表达为；从开始一直到点E，这段距离表示为，从开始，一直到点E结束，此段距离表示为。由于作用力在点E处比较特殊，达到了力偶平衡，所以存在着一定关系：

3××=

3.3操作机构的上连杆受力

当塑壳式断路器彻底处于合闸状态后，观察上连杆的状态，设置作用点，表达为字母B，展开受力分析。弹簧与上连杆之间存在着拉力作用力，表示为；下连杆会将力量施加给上连杆，此作用力记为；跳扣给予上连杆一定的作用力，记为，其中可以看到合闸角，利用字母a来表示。在三个力的作用下，在B点进行汇交，由于塑壳式断路器此时已经彻底处于合闸状态，观察上下连杆，可以看出它们基本上成为了一条直线，此时分析上连杆的受力关系：

=+×

3.4操作机构的跳扣受力

观察塑壳式断路器状态，当彻底达到合闸状态，深入分析跳扣这一对象，设置作用点，表达为字母D，展开受力分析。上连杆给予跳扣一定的作用力，此作用力记为；锁扣与点K进行接触时，产生对跳扣的作用力，此作用力记为；从开始一直到D点，这段距离利用来表示，从开始一直到D点距离，设置为。由于作用力在点D处比较特殊，达到了力偶平衡，所以存在着一定关系：

×=

3.5综合分析

通过从上述多个角度来分析，综合考虑得到：

=3××+×

根据操作机构的机械特性、运动情况，对其分合闸、自由脱扣等过程深入探讨，研究操作机构的受力情况，为塑壳式断路器的设计等工作环节带来了重要参考依据，在设计阶段可以根据实际情况调整弹簧拉力、杆件长度等参数，从而适应相应的力学要求。为了提升操作机构的性能，增加机械寿命，需要保证安装条件、应用环境过关，借助规范运动，促进塑壳式断路器准确开断、闭合电路，不断推出性能优良的断路器产品。经过多次验证后，设计出与预期相符合的操作机构，减少断路器的分闸时间，让工作人员能直观掌握在特定位置的受力状态。

结论：通过上述分析可知，塑壳式断路器在电气等领域发挥着重要作用，广泛应用于设备侧、配电回路中，在电路出现异常状态时，能够发挥分断电流的作用，塑壳式断路器有着相对复杂的结构，为了保证研发生产符合发展需求，要有效提升设备的可靠性，增强塑壳式断路器的应用性能，深入研究其结构原理，根据不同的受力情况优化操作机构，实现电路的准确分断。

参考文献：

[1]王少民,李志雄,陆佳琳.低压塑壳断路器操作机构计算机仿真及优化设计[J].农村电气化,2022(11):25-29.

[2]张海根,程少勇,付志超.基于TRIZ理论的低压塑壳断路器操作机构优化[J].电器与能效管理技术,2021(07):40-44+50.

[3]唐庭,汪泰宇,徐朋生.一种塑壳断路器操作机构及受力分析研究[J].电器与能效管理技术,2020(04):47-53.