10 kV跌落式熔断器的触头设计

张百运，富 巍，王淑慧

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.厦门ABB电器控制设备有限公司，福建 厦门 361003)



10 kV跌落式熔断器的触头设计

张百运1，富 巍1，王淑慧2

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2.厦门ABB电器控制设备有限公司，福建 厦门 361003)

针对目前国产跌落式熔断器的触头结构复杂、机械寿命和接触可靠性低等问题，设计开发了一种新型的触头结构.该新型触头结构由动触头组和静触头组构成，静触头组由导向支架、弹簧、静触头、散热片、接线端子组成，动触头为圆球结构，静触头为圆槽型.通过样机试验验证和对比分析，结果表明，研发的动触头结构具有结构简单、接触性能良好、分断性能可靠、成本低等优点.

跌落式熔断器；触头；结构设计

跌落式熔断器是10kV配电网系统中重要的基础电器之一，是一种既安全可靠又经济实惠的过电流和短路保护电器.在配电网系统中，它通常作为一个线路保护装置于10kV变压器的一次侧、支线、进出线处，一直是变压器性价比高的首选[1].随着电网容量的飞速发展，在发电、输电、配电、用电环节，跌落式熔断器的需求量越来越大，用户对它的性能越来越关注，要求也不断在提高[2].近年来，由于跌落式熔断器具有分断能力高、结构紧凑、性价比高等优点，国内外公司都在不断开发和改进这种产品的性能.对比国内外跌落式熔断器的结构特点，尤其是双喷式结构，发现几乎所有的产品触头结构都是一种较为复杂、类似鸭嘴式的结构[3].在类似的结构设计、使用相同的材料等条件下，跌落式熔断器的市场竞争越来越激烈.随着国家电网的公开招标，很多公司为了保住市场，不得不使用价格战，从而进入一个恶性竞争的环境.因此，研制出结构简单、可靠性强的新型跌落式熔断触头结构迫在眉睫，对提高产品的市场占有率也具有重要意义.针对该问题，本文设计开发了一种新型的触头结构，并通过样机试验验证和对比分析发现，研发的动触头结构结构简单，接触性能良好，分断性能可靠，成本低.

1 现有触头结构的分析

目前常见的跌落式熔断器多为双喷式，采用鸭嘴式结构，如图1所示.此类跌落式熔断器虽分断能力高，结构紧凑，但设计及工艺也较复杂，容易出现问题，如：触头接触方式为线接触，其闭合方式是两个铜片依靠弹簧的压紧力与动触头杆相接触.

分析很多高压跌落式熔断器的开断失败故障原因[4]，这种接触方式常会因制造过程中工艺和现场安装的实况而两端不平衡，造成接触不够良好，从而提高主回路的接触电阻和温升，导致使用寿命受到影响.这种结构还常常出现对中性问题，在熔管跌落时由于产生干涉直接影响开断的结果.

2 新型触头的结构设计

通过对目前的熔断器产品运行中的故障原因分析，同时参考很多公司产品触头的结构设计、相关专利技术[5]，总结得出关于熔断器运行中开断失败问题的原因.基于此，本文研发一种由动触头组和静触头组构成(见图2)、新型的触头结构，并借鉴单喷式熔断器的触头结构，提出一种球形触头，其中：静触头组由导向支架、弹簧、静触头、散热片、接线端子组成；动触头为圆球结构，静触头为圆槽型与之相对应.

与图1传统的跌落式熔断器结构相比，图2新设计的触头结构大大简化了常规的触头组结构，降低了生产成本.相比传统的跌落式熔断器触头接触方式，圆形触头根据基本数学原理三点固定一个圆，其接触面上导电斑点至少有3个，而线接触至少是2个，所以圆形触头的设计增加了动静触头之间接触的可靠性.同时，球形触头不存在线性接触时关于熔管的对中性不好的问题.

由于跌落式熔断器动触头为中心对称结构，需要考虑球头的尺寸和材料对接触电阻和温升的影响.因此，本文通过改变球头尺寸、镀银材料和镀锡材料进行几组试验对比，最后得出：球头的直径为20mm，采用T2铜材料，且其表面镀银材料符合国家设计标准中的要求.动触头顶部与上静触头凸包底部距离5mm，动静触头尺寸配合如图3所示.

另外，静触头组的散热片设计需考虑运行中载流量和散热的问题[6].为了设计触头的主回路，常常采用速算法，其计算公式：载流量=排宽×厚度系数.根据对200A电流下载流量的估算和查厚度系数表，同时考虑到散热的问题，需设计铜片排宽为17mm，排厚为5mm.

根据以往的设计经验，静触头组的弹簧压力对温升没有影响，但弹簧的压力值对主回路的电阻和其自身的寿命有一定影响.由动静触头的尺寸配合可知，弹簧的压缩量为5mm.在动静触头闭合时，弹簧施加在静触头上的力为100N，测量其主回路电阻满足接触电阻的需求.

参考图2和尺寸要求加工出相应部件，并对各部件进行一个简单的安装，生产出一个新型触头，与其他部件组装成一个跌落式熔断器样品，如图4所示.跌落式熔断器开断时，装配好的触头结构在熔管和铰链的重力作用下随铰链结构的转动先垂直坠落，然后动触头脱离静触头的束缚弧形跌落，开断电路形成可见断口.闭合时，动触头由于其形状紧紧卡在槽型静触头里，不会有任何松动，更不会产生对中性问题.

3 试验验证

根据跌落式熔断器对触头设计的要求可知：触头的接触电阻应该小而稳定；触头的温升应始终不超过标准规定的允许值；触头结构应能够承受开断短路电流时的最大电动力.下面就这3方面进行试验及分析.

3.1 温升试验及主回路电阻测量

为验证新型触头结构是否有温升超标问题，制作的样机如图4所示，并进行测试.温升试验中，采用图5的温升布点图，具体测量每一处的温升变化.表1为本文设计的球形触头的温升试验数据.根据图5的温升布点图，参照国家标准进行温升试验.温升试验前测得主回路电阻为894μΩ，温升试验后主回路电阻为890μΩ，未发生较大变化，均小于2 000μΩ，符合产品设计要求.同时，从表1中可以得知，本文设计的结构符合GB/T15166.3—2008[7]中对电器产品设计温升的要求.

表1 球形触头结构的温升试验数据Table1 Temperaturerisetestdataofball-typecontact布点各点温升/K允许温升/K111.465232.250333.850449.465523.265619.850719.050813.565912.5651014.465

3.2 机械稳定性试验

本试验主要考虑新型触头在规定的开断次数内其稳定性的变化，即对触头寿命的验证.通过手柄关合开断样品500次，观察触头结构并无明显变化.

另外，触头组的结构中有弹簧元件，因此仍需要考虑弹簧的机械性能.弹簧压缩到72h后测量弹簧力值，测量力值衰减未超过5%.测量机械稳定性试验后主回路电阻为1 485μΩ，仍小于标准要求值2 000μΩ.因此，触头结构在机械稳定性方面均符合设计要求.

3.3 开断时的受力分析

跌落式熔断器的主要功能是开断短路电流[8]，而触头结构在开断短路电流时会受到很大的电动力.因此，触头结构能否承受最大的电动力也是触头设计成败的关键因素.但由于开断过程是一个暂态过程，且熔断器结构中受到电动力的不仅是触头结构，还有熔管及底部铰链等，因此无法针对触头结构进行电动力的仿真分析.

为了验证设计结构的机械性能，本文进行了最大短路电流的开断试验.本试验所用检验仪器及设备为220kV回路测量系统、220kV回路试验控制系统和220kV开断及关合能力试验成套装置.检验方法依据国家标准GB/T15166.3—2008.试验电路如图6所示.

试验电压回路预期瞬态电压，Uc=23.8kV，t3=121μs；开断电流为额定开断电流12.5kA.试验数据如表2所示.从表2中可以看出，在12.5kV的电压下开断12.6kA各种角度的短路电流，试品状况均完好.同时，上述的6组实验是在国家标准中较为苛刻的方式一、方式二进行.试品开断试验前后的状态如图7(a)、图7(b)所示.对比图7(a)、图7(b)试验前后样品的状态，发现产品结构上并没有发生任何破坏性变化.同时，从表2试验数据可知，本文设计的触头结构在开断12.5kA电流时，其结构可以承受相应的电动力，并能可靠开断电路.

表2 开断试验

4 结语

本文研发了新型的跌落式熔断器的触头，该新型触头结构由动触头组和静触头组构成，静触头组由导向支架、弹簧、静触头、散热片、接线端子组成，动触头为圆球结构，静触头为圆槽型.简化了触头组的结构，大大降低了触头组的成本，同时解决了对中性和接触可靠性的问题，具有结构简单、性价比高、接触良好、分断性能可靠等优势.通过样机的测试结果表明，该结构原理及尺寸设计正确、合理、可靠，符合跌落式熔断器工程设计的要求.

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[4]耿林选，尹忠党，王永刚.高压跌落式熔断器故障及引线烧断原因分析[J].高电压技术，2007(5)：182-183.

[5]陈修祥，王冰洁.新型旋转双断点塑壳断路器动触头结构设计[J].电器与能效管理技术，2014(9)：23-25.

[6]刘刚，付锡年.组合式变压器用负荷开关触头结构的研究[J].变压器，2001(39)：33-34.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高压交流熔断器 第3部分：喷射熔断器:GB/T15166.3—2008[S].北京：中国标准出版社，2008:18-19.

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(责任编辑 李 宁 雨 松)

Design of Contact Structure of 10 kV Fuse Cutout

ZHANG Baiyun1， FU Wei1，WANG Shuhui2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China;2.ABBXiamenElectricalControlgear，Xiamen361003，China)

Anewtypeofcontactstructurewasdesignedtoimprovethecomplexstructure，lowmechaniclifeandlowcontactreliabilityofthecontactstructureoffusecutoutnowinuseinChina.Thenewcontactstructureiscomposedofaball-typemovablecontactgroupandastaticcontactgroupwhichincludesaguidebracket，aspring，astaticcontact,aheatsinkandaconnectingterminal.Prototypetestingandanalysishasprovedthatthenewcontacthassimplestructure，goodcontactperformance，reliablebreakingperformanceandlowcost.

fusecutout;contact;structuredesign

2016-05-16

2016-06-30

张百运(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为高电压技术.通讯作者：富巍(1963-)，男，教授，博士，研究方向为自动化.E-mail：fuwei665@yahoo.com.cn

TP

A

1673-4432(2016)05-0025-05