低压终端隔离开关的可靠性改进

朱文灏，陈雷，郭其一

(1.同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海 201109)



低压终端隔离开关的可靠性改进

朱文灏1，2，陈雷2，郭其一1

(1.同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804；2.上海施耐德低压终端电器有限公司，上海 201109)

分析了传统低压终端隔离开关的结构特点、存在的可靠性问题，并针对此提出了一种改进的结构。改进方案简化了产品电路机构，解决了触头运动不平衡问题，改进了触头烧损问题。并采用快速闭合机构和引弧角，大大减少了电弧产生，显著减小了隔离开关的熔焊问题，从而提高了隔离开关的可靠性和使用寿命。

隔离开关；可靠性；结构改进；快速闭合；引弧

1 引言

随着经济的发展以及人们安全意识的普遍提高，在低压电器领域隔离开关得到越来越广泛的应用。隔离开关是指在断开状态下能符合规定的隔离要求，并且在正常电路条件下(包括规定的过载工作条件)，能够接通、承载和分断电流，并在规定的非正常电路条件下(如短路)，能在规定时间内承载电流的机械开关电器[1]。

相比断路器带有灭弧装置、可以带负载操作，隔离开关没有灭弧室，虽然可以操作断开小电流，但不能频繁分、合闸操作大电流负载。隔离开关在低压配电回路中常联合断路器配合使用，电流保护由断路器实现。当配电线路设备检修时，应先断开断路器，然后打开隔离开关，起到隔离的作用，从而为维修人员提供安全的检修环境。由于隔离开关结构简单、直观，具有在断开状态能符合标准规定要求的隔离功能，目前较多被用作其他电器设备的电源隔离之用[2]。但在一般使用中，隔离开关会被用作于不频繁的手动接通和分断额定电流负载，这种应用往往引起隔离开关的故障，其使用寿命大大缩短。本文分析并改进现有的终端隔离开关结构，提出新的设计方案，通过试验验证此改进方案提高了隔离开关的寿命和可靠性。

2 隔离开关结构分析

传统的隔离开关结构，以施耐德INT125隔离开关为例(如图1)。其中，手柄通过弹簧和支架联动，支架上安装有桥式动触头，左右两个触点为一组，根据电流不同规格安装一组或两组动触头，与动触头配对的下方是静触头。在开关合闸时，人手扳动手柄，手柄带动支架向下运动，动触头向下运动和静触头接触，回路导通。可见，合闸过程的长短由外在人力所决定，即当外力大、动作快时，合闸速度快，时间短，反之，则合闸慢，时间长。在隔离开关接通或断开回路负载时，若手动操作力小，则存在动静触头拉弧、烧灼等风险，严重时可能导致隔离开关触头熔焊，无法分开。另外，由于采用桥式双触点结构，左右两个动触头在运动中受到的电动斥力和电弧影响不同，可能使其运动不同步，加速一方触头烧蚀。因此，传统的隔离开关结构虽简单，但存在较高的可靠性风险[3-5]。

图1 传统隔离开关结构

3 改进结构设计

3.1 整体结构设计

鉴于以上存在的问题，需要改进隔离开关结构，提高可靠性，目标如下：

(1)改进机构，使之不受外力大小影响，减少触头电弧烧蚀；

(2)减少触头数量，提高接触可靠性；

(3)增加导弧装置，减少电弧产生。

根据上述要求，改进后的隔离开关结构如图2所示。由图可见，产品结构与改进前有较大变化。首先，改变原简单的手柄带动支架方式，采用快速闭合储能操作机构，改原上下垂直运动为旋转运动。其次，减少原产品触头数量，只采用一组动、静触头，由其完成开关的分闸及合闸，降低了多组触头运动不同步的风险。最后，增加了静触头引弧角设计，使得产生的电弧可以随引弧角向后快速移动，从而减少了电弧对触头影响的持续时间。电路回路根据电动力的计算和优化后，采用动触头连接软导线向上U形弯曲方式，静触头支座平行与动触头支架折弯后引出方式。

另外，底部安装增加双锁定夹，以增强产品安装牢度，并方便用户拆装。两端接线夹增加绝缘片防护，当螺丝拧紧过程中，随接线夹向上移动，以提高产品的IP防护等级。

图2 改进隔离开关结构

3.2 操作机构设计

原操作机构由手柄、弹簧和支架构成，虽然结构简单，但操作力偏大，不同的人由于用力不同，导致合闸或分闸的速度不同，容易产生电弧对触头的烧损。改进方案采用快速闭合储能机构，此机构在触头合闸过程中，不受外力大小影响，由内部的储能弹簧释放产生快速合闸动作；在触头断开过程中，由机构快速断开动、静触头。另外，操作机构还可以在打开动、静触头的过程中，使动、静触头具有相对滑移运动，以使得先拉扯动、静触头轻微熔焊的部分，使动、静触头的接触面先具有一个错位之后再打开。在触头打开位置(图3)，快速闭合件和手柄及弹簧之间未受力；当合闸时(图4)，弹簧压缩储能，当手柄运动过一定角度后，快速闭合件释放弹簧储能，快速带动动触头闭合，从而完成动、静触头的快速闭合。

图3 操作机构分闸位置

图4 操作机构合闸位置

3.3 电流回路设计

由于采用单触点设计，电流回路和原结构有很大改变，动触头和机构联动，故采用软导线连接动触头支架和接入端子。分别对软导线U形弯曲向下弯曲和向上弯曲两种方案进行电动力仿真(通相等的电流I=7000A)。结果如图4所示，其中图(a)的U形软导线向上弯曲，和动触头支架的电流方向相反，电动斥力相互抵消，此时受到的电动斥力最小，为10.5N·m。

图5 软导线电动力仿真结果

3.4 引弧角设计

如图5所示，增加静触头导弧角的设计，在静触头支座和静触头连接处的下边自由端部向外延伸形成导弧角。根据电弧有向电阻小的方向移动的趋势，增加导弧角后，触头开断过程中产生的电弧将迅速地沿着图5箭头方向向下运动，从而远离触头，快速冷却熄灭。可见，引弧角的设计，缩短了电弧在触头的停滞时间，有效地减少了电弧对触头的烧蚀，从而提升了隔离开关的电气寿命。

图6 电弧在引弧角作用下运动

4 试验

将按此方案改进后的产品(32A)与改进前产品(32A)，按GB14048.3进行型式试验进行比对，试验结果如表1所示。

表1 型式试验结果

由上述试验结果可见，改进后产品的电气寿命和机械寿命以及耐受短路电流指标都有了显著提升。因此，改进方案可以有效地提高隔离开关整体可靠性水平。

5 结语

(1)改进的开关结构方案，降低了触点数量，优化了回路结构，在低压终端隔离开关上应用，减少了铜材的消耗，并提高了其可靠性；

(2)增加的快速闭合操作机构，可减少人力操作力及速度对触头分、合闸的影响，延长隔离开关的使用寿命。

(3)引弧角设计，加速了电弧远离触头移动，减少了触头的烧蚀，提高了寿命。

[1] 国家标准化管理委员会.GB 14048.3-2008 低压开关设备和控制设备 第3部分：开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器[S].北京:中国标准出版社，2008.

[2] 陈培国.低压开关、隔离器、、隔离开关及熔断器组合电器的研发现状[J].电气制造,2007(5)：30-35.

[3] 漆辉,徐劲琳,邓雪梅,等.一种隔离开关的运动装置[P].中国,201220255307.2.2012-12-26.

[4] 徐劲琳,邓雪梅,漆辉,等.隔离开关的电流回路结构[P].中国,201220254751.2.2012-12-26.

[5] 徐劲琳,漆辉,邓雪梅,等.一种隔离开关装置:中国,201220255477.0[P].2012-12-26.

Improvement on Reliability of a Low Voltage Terminal Disconnecting Switch

ZHUWen-hao1,2,CHENLei2,GUOQi-yi1

(1.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Schneider Shanghai Low Terninal Apparatus Co.Ltd.,Shanghai 201109,China)

Base on the analysis of traditional disconnecting switch structure and the existing reliability problem,this article propose a new structure for improvement.The improved structure solve the imbalance problem of contact moving,and reduce the contact burn up issue.The fast close mechanism is used,thus the arc is greatly reduced during the contact closing.This structure implemented in final distribution disconnecting switch can solve the contact welding problem and improve the disconnecting switch reliability and prolong its life-span.

disconnecting switch;reliability;structure improvement;fast close;arc guiding

1004-289X(2015)04-0041-04

TM564

B

2015-01-27

朱文灏(1977-)，高级工程师，博士研究生，研究方向为智能电网用户端安全性与可靠性； 陈雷(1992-)，硕士，研究方向为低压终端电器可靠性； 郭其一(1961-)，教授，博导，研究方向为电气工程及其自动化。